近日，省部共建國家重點實驗室和材料學(xué)院新能源團隊在新型儲能材料的開發(fā)方面取得重要進展，2項研究成果在國際能源頂級期刊Nano Energy (IF:19.069，中科院一區(qū))同期在線發(fā)表。2篇論文第一作者和通訊作者為劉卯成副教授。
成果一：Boosting the alkali metal ions storage performance of layered Nb2C with a molecular welding strategy（分子焊接策略提升二維層狀結(jié)構(gòu)Nb2C的堿金屬離子儲存性能）。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522008722
MXenes因其高電導(dǎo)率、特殊的二維層狀結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團等特點，是極具發(fā)展?jié)摿Φ膲A金屬離子電池材料。然而，作為典型的離子插入型儲能材料，MXenes存在著層狀結(jié)構(gòu)易于堆疊、離子嵌入過程體積膨脹明顯、離子擴散速率緩慢等缺點。特別是對于半徑較大的Na+、K+等堿金屬離子，緩慢的離子擴散速率和嚴重的體積膨脹是制約MXenes儲能倍率和循環(huán)穩(wěn)定性的瓶頸因素。
鑒于此，新能源材料團隊劉卯成副教授課題組聯(lián)合江蘇大學(xué)劉寶博士、滑鐵盧大學(xué)羅丹博士和陳忠偉院士創(chuàng)造性提出了有機分子焊接法，將1,3,5-苯三甲酸(BTC)分子焊接插層于Nb2C層間。焊接插層的BTC分子對Nb2C的二維層狀結(jié)構(gòu)具有柱撐/牽引的雙重作用。柱撐作用擴大Nb2C的層間距并阻止堿金屬離子脫出時Nb2C層間距的減小，防止體積收縮；而牽引作用則可阻止堿金屬離子嵌入時Nb2C層間距的過度擴張，防止體積膨脹。實驗結(jié)果證明：BTC分子焊接不僅擴大了Nb2C的層間距，而且顯著提升了其層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而有效改善了堿金屬離子的存儲倍率和循環(huán)穩(wěn)定性。該論文報道的有機分子焊接法為制備高倍率和超長循環(huán)壽命的二維儲能材料提供了新策略。
成果二：Design on modified-zinc anode with dendrite- and side reactions-free by hydrophobic organic-inorganic hybrids for ultra-stable zinc ion batteries（疏水性有機-無機復(fù)合修飾層顯著提升水系鋅離子電池中鋅金屬負極的循環(huán)穩(wěn)定性）。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522008825
水系鋅離子電池由于高安全性、成本低廉、制備工藝簡單等優(yōu)點而備受關(guān)注。然而，鋅金屬負極上不可控的枝晶生長和副反應(yīng)嚴重制約了鋅離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，如何阻止鋅金屬負極的枝晶生長和副反應(yīng)，是目前鋅離子電池研究的難題之一。
劉卯成副教授課題組和我校柔性引進的闕郁倫教授采用疏水性聚偏二氟乙烯（PVDF）和有序介孔硅分子篩（SBA15），在鋅金屬負極表面構(gòu)建了疏水性PVDF-SBA15修飾層，實現(xiàn)了對鋅負極的協(xié)同保護。疏水性PVDF有效阻止了鋅負極與電解質(zhì)中水分子的直接接觸，顯著緩解了水分子參與的析氫和鋅腐蝕等副反應(yīng)；具有序介孔結(jié)構(gòu)的SBA15可誘導(dǎo)鋅離子的均勻傳輸和鍍覆/剝離，抑制了鋅枝晶的生長。實驗結(jié)果證明，疏水性PVDF-SBA15修飾層對鋅枝晶生長及副反應(yīng)有顯著的協(xié)同抑制作用。PVDF-SBA15@Zn|| PVDF-SBA15@Zn對稱電池在3 mA cm-2電流密度下循環(huán)1650小時，仍保持著均勻的鋅鍍覆/剝離。PVDF-SBA15@Zn||V2O5全電池在1000次循環(huán)后，容量保持率仍高達82.14%。
以上兩項研究成果得到了國家自然科學(xué)基金（No.52062030）、青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2021-ZJ-737）、蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)秀青年人才支持計劃等項目的資助。（撰稿：周宏偉，審核：石玗）
作者簡介：
劉卯成，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事超級電容器、水系鋅離子電池、堿金屬離子電池和堿金屬電池等電化學(xué)儲能材料與器件的研究。先后承擔國家自然科學(xué)基金2項、甘肅省杰出青年科學(xué)基金、甘肅省自然科學(xué)基金、青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目以及企業(yè)技術(shù)開發(fā)等科研項目。2016年獲得甘肅省杰出青年基金，2018年入選蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)秀青年教師支持計劃。以第一或通訊作者在Nano energy, Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces和Journal of Energy Chemistry等高水平期刊上發(fā)表SCI收錄的中科院二區(qū)以上論文30余篇，獲批國家發(fā)明專利5項，2項已完成技術(shù)轉(zhuǎn)讓。曾獲得中國有色金屬科技論文一等獎、甘肅省高?？萍歼M步一等獎、甘肅省優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎、蘭州理工大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)論文指導(dǎo)教師、蘭州理工大學(xué)“三育人獎”等多項榮譽。指導(dǎo)碩士研究生獲得第十七屆甘肅省李政道獎學(xué)金、甘肅省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文和多項研究生國家獎學(xué)金；指導(dǎo)本科生以第一作者發(fā)表多篇SCI收錄科研論文，獲得首屆全國大學(xué)生可再生能源科技競賽全國二等獎、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽甘肅省銀獎、蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)生校級答辯一等獎3項。
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