我校在能源转换与存储材料研究领域取得系列新进展
来源：合肥工业大学 时间：2025-02-21 21:26:35
近日，我校材料科学与工程学院吴玉程教授团队连续在国际著名学术期刊《Advanced Functional Materials》发表三篇研究文章，在电催化还原CO2催化剂、锂硫电池和锂离子电池负极材料等方面取得系列研究成果。
团队成员王岩教授等人通过低温介导的超声剥离工艺，将商业Cu粉破碎成为暴露不同活性晶面的高活性Cu超细纳米颗粒，用于高效电催化还原CO2生成C2H4。所制备的Cu纳米颗粒电极表现出较高的催化活性，CO2转化成C2H4法拉第效率高达81.5%，在-0.93 V下的最大局部电流密度为1.1Acm-2。原位拉曼光谱显示，Cu-5电极具有丰富的CO2吸附和质子化活性位点，可以有效地将CO2转化为*CO中间体，导致电极表面具有较高的局部CO覆盖率，促进了C-C偶联生成C2H4。原位ATR-FTIR和DFT计算的综合结果证明了CO-CHO与C2H4偶联的反应途径，强调了Cu-5电极中Cu（100）面的存在降低了*COCHO形成的能量势垒。该工作设计了一种易于获得的超细铜纳米颗粒催化剂，用于高效生产C2H4，为电催化CO2还原技术提供了一定的参考。
图1 Cu超细纳米颗粒电催化CO2还原性能
团队成员刘家琴教授和博士研究生张晓菲等针对高能锂硫电池（Li-S电池）性能受限于硫氧化还原反应（SRR）的缓慢动力学和中间产物多硫化物锂（LiPS）“穿梭效应”的关键瓶颈，设计并成功构建了一种Janus型V2O3/VN异质结构嵌入的莲藕状多通道氮掺杂碳纳米纤维（MNCNF）的自支撑硫载体（V2O3/VN@MNCNF）。理论计算结合实验研究结果表明：V2O3/VN界面电荷重分布诱导形成的内建电场，通过发挥V2O3吸附功能优势、VN高催化活性及界面增强的电子/离子传输，促进了多硫化物在V2O3/VN异质界面平稳快速的“捕获-迁移-转化”，从而加速了双向硫转化。碳纳米纤维中的分级多孔网络有助于电子/离子快速输运，同时也为载硫提供了充沛空间，并物理限制了LiPS扩散穿梭和电极体积效应。因此，基于该硫电极组装的Li-S电池在高硫负载（6.0 mg cm-2）和贫电解液（7.5 μL mg-1）条件下，实现了高达4.92 mAh cm-2的面容量，150圈循环后容量保持率仍高达94.8%。该工作为锂硫电池电催化剂的合理设计提供了理论指导，也为锂硫电池的商业化应用提供了新的可能。
图2 V2O3/VN@MNCNF的设计思路和异质界面作用机制
团队成员崔接武教授、余东波副研究员和博士研究生曹中南等针对金属有机框架（MOF）导电性差、储锂容量低、储锂机理不明晰等问题构建了一系列对苯二甲酸基MOF纳米片，并证明此类MOF电极可以通过原位电化学重构策略为高效储锂提供了一种替代方案。通过同步辐射、原位XRD，原位拉曼等表征技术发现对苯二甲酸MOF纳米片，在初始的锂化/去锂化循环中经历逐步的组分和结构重构；在热力学驱动下，金属节点和对苯二甲酸配体分别转化为金属氧化物和对苯二甲酸锂，形成更稳定的Li─O键。在组分重构的同时，MOF纳米片也演变成一种独特的多孔状“梅子布丁”结构，其中氧化物纳米晶被对苯二甲酸锂包裹。同时原位EIS技术表明MOF纳米片电极重构后，其离子电导率得到显著改善。优化的NiCo–BDC纳米片电极能够在0.1 A·g-1的电流密度下提供高达1582.4 mAh·g-1的比容量，经过2000次循环后，在2 A·g-1的电流密度下保持502.6 mAh·g-1的可逆比容量。该工作提出电化学重构开发高效MOF电极的新策略，突破了MOF在储能应用中的瓶颈。
图3 MOF纳米片储锂过程中的成分重构
图4 MOF纳米片储锂过程中的结构重构
团队与加拿大国立科学研究院Shuhui Sun院士、中国科学技术大学余彦教授、安徽师范大学王鹏教授课题组分别开展合作，全面依托先进能源与环境材料国际科技合作基地、清洁能源新材料与技术学科创新引智基地（111计划）、安徽省先进纳米能源材料国际科技合作基地、先进功能材料与器件安徽省重点实验室和安徽省先进复合材料设计与制造工程中心等高水平科研平台，相关研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划项目、安徽省自然科学基金、中国博士后基金、中央高校基本科研业务费专项等支持。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202417764
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202421346
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202418022
（崔接武/文 王岩/图 罗来马/审核）
责任编辑：夏瑞
