悉尼科技大学汪国秀院士课题组2025年度成果简介

Asif Mahmood, Zhe Bai, Tan Wang, Yaojie Lei, Shijian Wang, Bing Sun, Hajra Khana, Karim Khan, Kening Sun and Guoxiu Wang*, “Enabling high-performance multivalent metal-ion batteries: current advances and future prospects”, Chemical Society Reviews, 2025, 54, 2369-2435.

水系锌离子电池因其高安全性、低成本和环境友好等优势，被认为是面向大规模储能的重要候选技术。然而，正极材料在反复Zn²⁺/H⁺插脱过程中易发生晶格畸变、Mn溶解及不可逆相变，导致循环寿命受限，已成为制约该体系进一步发展的核心瓶颈。针对这一问题，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀院士与英国曼彻斯特大学Rahul Raveendran Nair教授合作，提出了一种基于协同Jahn–Teller效应（CJTE）与应变工程相结合的全新材料设计策略，通过构建MnO₂/石墨烯二维超晶格，实现了原子尺度的长程晶格应变调控。研究中，单层δ-MnO₂纳米片与带正电的氧化还原石墨烯通过静电自组装形成高度有序的层状结构，石墨烯的引入有效调控 Mn³⁺/Mn⁴⁺比例至近1:1，诱导形成全协同Jahn–Teller效应，在晶格中构建起连续分布的[MnO₆]八面体畸变网络。由此产生的面内拉伸与垂直压缩相耦合的双轴长程应变场，能够显著缓解Zn²⁺插层引发的晶格应力，并抑制H⁺腐蚀和Mn溶解行为。实验结果表明，该MnO₂/石墨烯超晶格正极在水系锌离子电池中展现出优异的结构稳定性和反应可逆性，在高倍率条件下实现超过5000圈的稳定循环。该工作不仅揭示了协同Jahn–Teller效应在电极材料应变调控中的关键作用，也为构筑高稳定性过渡金属氧化物正极提供了一种具有普适意义的新思路。

Shijian Wang1, Xin Guo1, Kun Huang1, Amritroop Achari, Javad Safaei, Yaojie Lei, Dongfang Li, Qinfen Gu, Chenghua Sun, Lucy Gloag, Steven Langford, Andre Geim, Rahul Raveendran Nair*, Guoxiu Wang*, “Cooperative Jahn-Teller effect and engineered long-range strain in manganese oxide/graphene superlattice for aqueous zinc-ion batteries”, Nature Communications, 2025, 16, 5191.

氮掺杂碳（NCs）在电容去离子（CDI）中具有显著的应用优势，然而不同氮构型在CDI过程中的潜在作用，特别是被忽视的氧掺杂如何协同工作，仍然不清楚。扬州大学李家宝、王天奕团队联合浙江海洋大学徐兴涛、日本名古屋大学Yusuke Yamauchi、悉尼科技大学汪国秀院士团队在Nature Communications期刊发表题为“Unveiling the neglected role of oxygen doping in nitrogen-doped carbon for enhanced capacitive deionization performance”的研究论文，李家宝为论文第一作者，王天奕、为论文共同通讯作者。该研究系统解决了这些关键问题，并揭示了微量氧掺杂在提高NC电极脱盐性能方面的重要作用。以鸟嘌呤为前体，在氮掺杂碳纳米片（ONC-S）中引入氧，得到丰富的吡啶和吡咯氮构型。该设计旨在协同增强目标电极的电荷分布、润湿性和离子扩散。与商业活性炭和其他最先进的材料相比，研究人员的ONC-S电极具有优越的比电容，出色的循环稳定性和提高的脱盐效率。这些研究发现突出了微量氧掺杂和氮构型的协同效应，为提高CDI性能机制提供了有价值的见解。

Jiabao Li, Ruoxing Wang, Lanlan Han, Tianyi Wang, Yusuke Asakura, Chengyin Wang, Guoxiu Wang, Xingtao Xu, Yusuke Yamauchi, “Unveiling the neglected role of oxygen doping in nitrogen-doped carbon for enhanced capacitive deionization performance”, Nature Communications, 2025, 16, 1996.

水系锌金属电池（ZMBs）因具有内在安全性、经济可行性和良好性能，成为锂基电池系统的安全可持续替代方案，在未来固定式储能系统中备受关注，但锌金属负极在水系电解液中热力学不稳定，易发生析氢、生成 ZnO 和 Zn (OH)₄²⁻等副产物等不可逆寄生反应，且锌枝晶的无序生长会导致电池内部短路甚至失效，同时低温环境下电解液中的 H₂O 分子易形成额外氢键并结冰，阻碍 Zn²⁺传输、降低电池寿命，这些问题严重限制了其实际应用，尤其是低温条件下的推广，而现有解决策略如构建保护界面层、引入功能添加剂、设计共溶剂体系等，存在增加界面电阻、降低离子导电性、引发浓差极化等弊端，难以同时实现抑制副反应、调控 Zn²⁺沉积和降低电解液冰点的目标。悉尼科技大学汪国秀、陈勇、北京化工大学陈仕谋团队设计了一种基于梯度离液型离子液体（IL）的水系电解液。该电解液可重构 Zn²⁺溶剂化化学，破坏 H₂O 的氢键网络，形成贫水且富阴离子的界面环境，促进高导电性的固体电解质界面（SEI）层形成，抑制副反应和过渡金属溶解，实现均匀 Zn 沉积与快速离子传输。在性能表现上，Zn||Zn 对称电池在 - 30℃下可稳定循环超 13000 小时，-40℃下可稳定循环 6692 小时；Zn||VO₂@VO 全电池在 - 40℃、0.2 A g⁻¹ 条件下循环 3500 次仍保持近 100% 的容量保持率，且在常温下也展现出优异的循环稳定性和倍率性能，为低温锌金属电池提供了高效解决方案。

Sinian Yang, Shunshun Zhao, Haojie Xu, Xinwei Wang, Xuanrui Huang, Qi Yang, Yong Chen, Guoxiu Wang* & Shimou Chen, Gradient chaotropic regulation of Zn2+ solvation chemistry for low-temperature zinc metal batteries. Nature Communications, 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-67426-9

近年来，随着锂离子电池向高能量密度、快速充电和长寿命方向发展，传统石墨负极在容量上限和结构稳定性方面逐渐显现瓶颈。富勒烯（C60）因其独特的分子笼结构和丰富的氧化还原化学，被认为是一类极具潜力的碳基负极材料，然而其在碳酸酯类电解液中易发生锂化中间体溶解，导致电化学可逆性差和容量快速衰减，长期制约了实际应用。针对这一关键问题，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀院士团队联合日本东北大学李昊教授团队，提出了一种基于共价键桥连的通用结构稳定化策略，通过在富勒烯分子之间引入稳定的 C–C 共价连接，从结构本征层面抑制溶解行为。研究以Mg₄C₆₀为代表体系，利用Mg原子诱导相邻富勒烯笼体之间形成C–C单键及[2+2]环加成键，使原本依赖范德华作用堆积的分子晶体转变为稳定的层状聚合框架。该合理设计的层状富勒烯负极在锂离子嵌入/脱出过程中能够保持整体结构完整，实现可逆而稳定的储锂过程，并展现出类似软碳的连续斜坡型电化学行为。进一步的实验与理论研究表明，储锂过程中仅发生富勒烯笼体的可逆局域畸变和电子结构重构，而共价桥连骨架始终保持稳定。该工作确立了共价桥连富勒烯作为一类全新的高稳定性碳基负极材料，并为构筑有序碳框架、发展下一代高安全、高稳定可充电电池体系提供了具有普适意义的设计思路。

Shijian Wang1, Heng Liu1, Yaojie Lei1, Dongfang Li, Yameng Fan, Liang Hong, Xin Guo, Meng Wang, Zefu Huang, Yong Chen, Xu Yang, Jinqiang Zhang, Hao Li*, Guoxiu Wang*, “Covalent Bridges Enabling Layered C60 as an Exceptionally Stable Anode in Lithium-Ion Batteries”, Journal of the American Chemical Society, 2025, 147, 47663-47674.

全球海水和河水之间的渗透能是一种天然的，取之不尽的蓝色能源，可通过基于膜的反向电渗析技术将离子梯度转化为电能，然而其收集渗透能的效率主要取决于跨膜扩散过程中的离子渗透性和选择性。二维（2D）异质界面建立了分子尺度的不对称结构和电荷，预计对离子渗透性和选择性具有关键影响，但这一机制尚未得到充分探索。针对上述挑战，悉尼科技大学汪国秀教授和南京理工大学朱俊武、熊攀教授合作，利用2D异质界面构建了分子尺度不对称纳米通道，并提出了基于不对称通道的界面诱导连续离子吸附-扩散机制。该机制首次通过原位拉曼光谱、ToF-SIMS分析得到了实验验证，并结合DFT计算、有限元模拟及分子动力学模拟进一步加以佐证。当应用于渗透能产电时，由于2D异质界面诱导的分子构型和表面电荷不对称性，该通道能够同时实现优异的离子选择性和渗透性，通过反向电渗析过程达到了47.1%的能量转换效率（接近50%的理论上限）和0.985的Na⁺选择性系数。通过混合人工海水和河水，获得了超过20 W m⁻²的功率输出，是商业化基准值5 W m⁻²的四倍以上。

Chao Liu1, Caichao Ye1, Jiali Wang, Ting Yang, Anqi Ni, Tianning Zhang, Kunpeng Mao, Long Chen, Shijian Wang, Jingwen Sun, Wenqing Zhang, Xin Wang, Jianfei Che, Pan Xiong*, Guoxiu Wang*, Junwu Zhu*, “Molecular-scale asymmetry nanochannels for high-efficiency osmotic energy generation”, Journal of the American Chemical Society, 2025, 147, 29179-29191.

室温钠硫（RT Na‒S）电池因钠资源丰富、理论能量密度高（1274 Wh・kg−1）成为储能领域的研究热点，但面临多硫化物（Na2Sn，4≤n≤8）溶解导致的活性物质流失、界面降解及容量快速衰减等问题。悉尼科技大学汪国秀院士团队联合上海理工大学王云晓教授和温州大学谭歆教授聚焦RT Na‒S电池面临的多硫化物穿梭和动力学迟缓问题，提出以过渡金属单原子催化剂（SACs）通过p‒d轨道杂化提升性能的解决方案。研究通过密度泛函理论计算筛选出Mn、Fe、Co等过渡金属形成的MN4结构，发现MnN4对多硫化物吸附能力最强（结合能−3至−5 eV），且催化动力学最优。采用空间限域法合成了原子级分散的M‒N‒C SACs。原位XRD和非原位 XAS证实了Mn通过p‒d轨道杂化（3d5半满构型与硫p轨道形成σ/π键）加速长链多硫化物转化为短链产物，抑制穿梭效应，且Mn价态在充放电中可逆变化，保证结构稳定。该研究建立了电子结构与性能的关联，为金属硫电池催化剂设计提供普适策略，Mn‒N‒C的低成本和易规模化特性具实际应用潜力。

Hao Tian, Yaojie Lei, Bing Sun, Cheng-Chieh Yang, Chi-Liang Chen, Tao Huang, Xiaoyue Zhang, Yong Chen, Ailing Song, Le Pang, Hongxia Wang, Chung-Li Dong, Sean C Smith, Wei-Hong Lai, Yun-Xiao Wang, Xin Tan, Hao Liu, Guoxiu Wang*, “P-d orbital hybridization induced by transition metal atom sites for room-temperature sodium-sulfur batteries”, National Science Review, 2025, 12 (7), nwaf241. IF= 17.1

钠离子电池因其资源丰富、成本低廉及适用于大规模储能等优势，被视为锂离子电池的重要补充体系。然而，负极材料能量密度不足与循环稳定性有限，仍是制约其实际应用的关键瓶颈。磷基材料因具备高达2596 mAh g⁻¹的超高理论比容量，被认为是极具潜力的钠离子电池负极候选，但其在充放电过程中往往经历复杂的多相转化反应，伴随剧烈体积膨胀及多聚磷化物的不可逆生成，导致反应动力学迟缓、可逆性差和容量快速衰减。针对这一核心瓶颈，由澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授、以色列巴伊兰大学Doron Aurbach教授和法国CIC energiGUNE的Michel Armand教授组成的国际合作团队提出了一种基于Na₂P₁₆↔Na₃P的全新快速且可逆的电化学反应路径，突破了固态红磷体系中的动力学限制。通过构建Na₂P₁₆@CC复合结构，溶解态多聚磷化钠借助稳固的C–O–P化学键被有效固定于碳布基体上，其优异的可塑性显著缓解了钠化/脱钠过程中因体积变化引发的电极粉化。同时，富含氧官能团的碳布对磷物种的强化学吸附作用，以及弱溶剂化环状碳酸酯电解液的协同调控，有效抑制了高阶多聚磷化物在电解液中的溶解。得益于该反应机制的协同优化，Na₂P₁₆@CC负极在0.1 mA cm⁻²下实现了1.75 mAh cm⁻²的初始可逆面积容量，并在600次循环后仍保持81%的容量保持率，为高能量密度钠离子电池中磷基负极材料的理性设计提供了新的研究路径。

Xin Guo1, Shijian Wang1, Jiaao Wang1, Hong Gao, Zefu Huang, Weihong Lai, Wei Kong Pang, Jiangtao Qu, Mai H. Nguyen, Cheng-Jie Yang, Chung-Li Dong, Hao Liu, Graeme Henkelman, Michel Armand*, Doron Aurbach*, Guoxiu Wang*, “Unlocking the Potential of Phosphorus Anodes for Sodium-Ion Batteries via Tailored Reversible Na/Polyphosphide Chemistry”, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e202509929.

近年来，锂–硒（Li–Se）电池因其较高体积能量密度与良好导电性受到关注，但在高倍率与长循环条件下往往受限于Se/Li₂Sex的反应动力学迟缓以及放电产物累积导致的电极钝化。针对这一瓶颈，澳大利亚悉尼科技大学刘浩/汪国秀团队联合上海大学和江苏师范大学共同报道了一种Ni桥联的双相碳化钼（Mo₂C）多界面催化结构，通过“催化+导电”功能协同，在电极中暴露丰富活性位点并显著提升高电流操作下的电化学可逆性。该设计中，Ni既作为结构桥梁连接Mo₂C晶格，又通过调控Mo的d轨道电子构型以最大化功能化Mo₂C的催化效率；由此产生的吸附/脱附/催化协同效应，不仅加速长链Li₂Sex物种的沉积与转化，还促进Li₂Se₂→Li₂Se的关键固–固转化，实现Li–Se体系的“全流程催化转化”。得益于这一快速固–固转化通道，即使在较高硒载量5.6 mg cm⁻²条件下，电极仍可在0.1 C下提供约400 mAh g⁻¹的初始容量，并表现出优异的循环稳定性与倍率性能，为高性能Li–Se电池正极催化界面工程提供了新的设计思路。

Jiayi Li, Hong Gao*, Dingyi Zhang, Li Gao, Shijian Wang, Congcong Li, Xinyao Yuan, Chao Yuan, Xinming Nie*, Jinqiang Zhang, Yufei Zhao*, Guoxiu Wang, Hao Liu*, “Ni-Bridged Biphasic Molybdenum Carbide Interfaces: A Synergistic Catalyst for High-Performance Lithium-Selenium Batteries”, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 137, e202519816.

电催化CO₂还原反应（ECR）与甲醇氧化反应（MOR）的耦合，为在阴极和阳极同时联产甲酸（FA）提供了一种前景广阔的策略，然而缓慢动力学、低选择性和低效率阻碍了其实际应用。中山大学严凯、悉尼科技大学汪国秀院士团队合作在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Harnessing Electrocatalytic Coupling of Carbon Dioxide and Methanol for High-Efficiency Formic Acid Production”的研究论文，中山大学郑智铿、悉尼科技大学郑小波、天津大学王立刚为论文共同第一作者，严凯、汪国秀院士为论文共同通讯作者。该研究展示了一种采用CuBi阴极和NiCo阳极的集成ECR||MOR系统，用于高效节能的FA联产。CuBi合金在较宽的电位范围（>400 mV）内实现了FA的高法拉第效率（FE > 90%），这归因于其加速了HCOO*中间体的形成，从而促进了FA的生成。同时，NiCo合金在1.4 V（相对于可逆氢电极）下实现了97.5%的FA生成FE，这得益于快速的HCOO*中间体形成，有效缓解了CO毒性。该独特系统在2.07 V的电压下提供了10 mA cm⁻²的电流密度，相较于水电解降低了320 mV。在较宽的工作电压窗口（2.0–2.8 V）内，该系统始终提供189%至192%的总法拉第效率，以及超过400 g kWh⁻¹的卓越FA产率，显著优于传统方法（~220 g kWh⁻¹）。该研究为低能耗CO₂利用和可持续FA生产提供了一条高效途径。

Zhikeng Zheng, Xiaobo Zheng, Ligang Wang, Huiming Wen, Ke Li, Zhenhao Xu, Yameng Fan, Peng Li, Suyu Zhang, Bin Liu, Dingsheng Wang, Kai Yan, Guoxiu Wang*, “Harnessing Electrocatalytic Coupling of Carbon Dioxide and Methanol for High-Efficiency Formic Acid Production”, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64 (43), e202512078. IF=16.9

固态锂金属电池（SSLMBs）受限于固态电解质的低离子电导率、锂通量不均一性及界面不稳定性。2025年7月20日，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀院士、陕西科技大学黄文欢、西京学院于萍团队合作在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Halogen-Driven Ion Transport Homogenization in 3D Hierarchical MOF for Ultrastable Solid-State Lithium Metal Batteries”的研究论文，西京学院/陕西科技大学张星星、悉尼科技大学陈虹莉为论文共同第一作者，陕西科技大学苏庆梅、于萍、汪国秀院士、黄文欢为论文共同通讯作者。该研究报道了一种通过将卤化锂（LiX，X=Cl、Br、I）限域于MIL-100(AI)介孔笼中并与PVDF-HFP聚合物基体协同集成构建的分级离子传输网络。MIL-100(AI)的三维互连孔道（0.5–1 nm）不仅通过尺寸选择性筛分实现阴离子的空间限域，还可通过Lewis酸性金属节点与卤化锂的主客体相互作用调控实现连续的Li⁺传输。其中，LiI嵌入的复合材料（E-LiI）表现出高Li⁺迁移数（25 °C下为0.88）和优异的界面动力学特性。此外，密度泛函理论DFT计算和COMSOL模拟阐明了卤素依赖的去溶剂化能垒及Li⁺传输动力学。采用E-LiI电解质的SSLMBs在高电压正极和宽温域条件下展现出卓越的循环稳定性。

Xingxing Zhang, Hongli Chen, Qingmei Su, Xinglong Deng, Dequn Zhao, Weihao Shi, Liming Wang, Jinqi Chen, Fan Xi, Zeming He, Ping Yu, Guoxiu Wang*, Wenhuan Huang, “Halogen-Driven Ion Transport Homogenization in 3D Hierarchical MOF for Ultrastable Solid-State Lithium Metal Batteries”, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64 (37), e202511822. IF=16.9

过氧化氢 (H₂O₂) 作为全球最重要的化学品之一，广泛应用于化工、医药、航空航天等领域，其绿色氧化特性使其成为清洁燃料和氧化剂。苯甲醇因其副产物苯甲醛的高附加值而受到广泛关注，苯甲醛广泛应用于制药、化妆品和香料行业。扬州大学王天奕/王赪胤/庞欢教授联合悉尼科技大学汪国秀院士研究报道了单原子银负载的噻吩共轭碳氮化合物 (Ag@T-C₃N₄)的合成，该材料具有高载流子浓度和高效载流子分离能力。在可见光照射下，Ag@T-C₃N₄催化合成过氧化氢 (H₂O₂) 并氧化苯甲醇为苯甲醛，其H₂O₂的生成速率达到4729.82 µmol·g^-1·h^-1，苯甲醛的生成速率为19.71 mmol·g^-1·h^-1。噻吩共轭结构与单原子银的协同作用扩展了可见光吸收范围，并加速了两电子氧还原反应 (ORR)，从而提高H₂O₂的产量。光生空穴催化苯甲醇氧化为苯甲醛，而苯甲醛-水体双相体系实现了产物的自发分离。通过原位拉曼光谱、旋转圆盘电极测试 (RDE)、电子顺磁共振（EPR）、气相色谱-质谱 (GC-MS)及密度泛函理论 (DFT) 计算研究，揭示了噻吩-单原子银的协同作用优化了反应路径，加强了催化剂与中间体的相互作用，并降低了吉布斯自由能，从而提高H₂O₂和苯甲醛的合成效率。本研究为碳氮化物基光催化剂的设计提供了新见解，并为高附加值化学品的协同合成提供了一种新策略。

Xiaoyu Zhou, Kuanhong Cao, Shouqiang Huang, Haonan Wu, Zhen Cao, Hang Liu, Peng Chen, Dawei Su, Guoxiu Wang, Tianyi Wang, Chengyin Wang, Huan Pang, “Synergistic Conversion of Hydrogen Peroxide and Benzaldehyde in Air by Silver Single-Atom Modified Thiophene-Functionalized g-C₃N₄”, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64 (25), e202505532. IF=16.9

合理设计电解质以同时加速体相离子传输并稳定界面化学，对于实现高能量密度锂金属电池（LMBs）至关重要。2025年10月21日，北京化工大学陈仕谋（国家杰青）、悉尼科技大学汪国秀院士/陈勇团队合作在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Ether-Anchored MOFs Enable Stable Pseudosuspension Electrolytes for High-Energy Lithium Metal Batteries”的研究论文。研究团队证实短链醚功能化金属有机框架（S@MOFs）可满足上述需求：通过高效调控Li⁺配位并重构电极/电解质界面，实现了稳定的界面离子传输动力学。实验与理论研究协同表明，S@MOF基电解质具有独特的伪悬浮特性，其利用醚化学实现锂金属兼容性与锂盐配位，同时结合MOF丰富的结合位点与有序刚性框架。所得S@MOF基电解质在-10~60℃范围内具有优异的热力学稳定性，即便在LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂（NCM811）||Li全电池体系中亦如此。在贫电解质、50μm厚锂金属条件下，LiCoO₂||Li电池循环1000次后容量保留率达92.40%；更值得关注的是，准固态NCM811||Li电池循环500次保留90.70%容量，Na₃V₂(PO₄)₃||Na电池循环3000次保留93.21%容量，证实其在碱金属电池体系中具有广泛适用性。

Yu Han, Yong Chen, Tonghui Zhang, Zhiye Hao, Lianlian He, Weiting Ma, Taolue Wen, Shunshun Zhao, Qimin Peng, Zhenzhen Shen, Robin Wang, Guoxiu Wang, Shimou Chen, “Ether-Anchored MOFs Enable Stable Pseudosuspension Electrolytes for High-Energy Lithium Metal Batteries”, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 137, e202518384.

当前锂电池技术因安全问题受到极大限制。氟化及有机磷溶剂虽能降低电解液可燃性，但这些溶剂对锂化负极的阻燃效果不佳。有鉴于此，悉尼科技大学汪国秀院士，清华大学深圳国际研究生院康飞宇、周栋团队，伊兰大学Doron Aurbach合作，首次提出全氯化溶剂设计策略，成功制备出兼具耐久性、不燃性与防火特性的电解质。研究证实，氯化醚电解质中电池的早期失效主要源于负极相容性差，以及富LiCl固体电解质界面（SEI）溶解引发的铝集流体腐蚀；通过成膜型氯化碳酸酯调控界面化学并促进阴离子还原，可有效解决上述问题。基于该机理开发的石墨||LiFePO₄全电池在热、电及机械滥用条件下均表现出高容量保持率和优异的安全保障，性能优于传统电解质。此外，将所研发的防火电解质应用于4.4 V高负载Li||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂电池后，实现了无集流体腐蚀的持久循环特性。该工作为高安全锂电池用阻燃电解质的设计提供了关键准则。

钠离子电池（SIBs）因钠资源储量丰富且成本低廉，成为一种前景广阔的储能技术。然而，其实际应用仍面临诸多挑战，包括初始循环期间的高不可逆容量损失、较差的倍率性能以及结构不稳定性。上海交通大学麦亦勇（国家杰青）、悉尼科技大学汪国秀院士团队合作在Advanced Materials期刊发表题为“Bicontinuous Structure Mediated Microstructural Engineering of Hard Carbon for Enhanced Sodium Storage”的研究论文，上海交通大学/悉尼科技大学汤臣为论文第一作者，麦亦勇、汪国秀院士、上海交通大学徐富贵、武汉理工大学安琴友为论文共同通讯作者。该研究通过微观结构工程，报道了一种具有单原始（SP）微观结构的双连续介孔硬碳材料（简称SP–HC），成功解决了这些局限性。这种SP–HC设计提高了Na⁺存储位点的密度和可及性，增强了碳材料的无序度，并扩大了层间距，从而提升了钠存储容量和动力学性能。其三维连续介孔通道可实现Na⁺的快速传输，在10 A g⁻¹电流密度下展现出172 mAh g⁻¹的卓越倍率性能（1分钟即可充满电）。值得注意的是，SP–HC负极表现出前所未有的循环稳定性，即使在10 A g⁻¹的高电流密度下循环100,000次后，仍能保持80 mAh g⁻¹的高容量。

Chen Tang, Wenwei Zhang, Yixiao Zhang, Qinyou An, Fugui Xu, Guoxiu Wang*, and Yiyong Mai, “Bicontinuous Structure Mediated Microstructural Engineering of Hard Carbon for Enhanced Sodium Storage”, Advanced Materials, 2025, e11632.

开发高压全固态锂金属电池(ASSLMBs)对下一代储能技术具有变革性潜力，但仍面临巨大挑战。传统聚环氧乙烷(PEO)基聚合物电解质因其玻璃化转变温度较低和优异的锂金属负极界面相容性而备受关注。然而，PEO聚合物链段在高压下易氧化分解，且其室温离子电导率仍不足以支撑全电池的高功率输出。此外，富镍NCM全电池中的PEO基电解质失效机理更为复杂，尤其是随机电压噪声和快速枝晶生长，严重限制了其在高压固态电池中的实际应用。面对这一瓶颈，复合电解质、高浓盐和氟化共混/共聚等传统策略虽可在一定程度上提升抗氧化性，但要构筑持久而稳固的电极/电解质界面，仍需深入探究高压正极、锂金属负极的界面化学，并开发兼具高离子传导与本征稳定性的全固态电解质体系。近日，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀院士联手巴伊兰大学Doron Aurbach、北京化工大学陈仕谋教授首创性地将氟醚链段“植入”氧化物纳米复合相表面，并复合PEO基聚合物构筑出全新固态电解质(FTOC-SSE)。得益于氟醚柔性缓冲与纳米填料双重效应，该全固态电解质不仅展现卓越的高压抗氧化耐久性，而且实现了离子传输与界面稳定性的同步提升：Li//Li对称电池循环超9500h无短路，NCM811//Li全电池在4.5V高压下亦保持长寿命、高容量。该文章近期发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。陈勇为本文第一作者。

Yong Chen; Xu Yang; Tianyi Wang; Xiao Tang; Dongfang Li; Shijian Wang; Yaojie Lei; Yu Han; Shimou Chen; Michel Armand; Doron Aurbach; Guoxiu Wang, “Fluoroether Design Enables High-Voltage All-Solid-State Lithium Metal Batteries”, Advanced Materials, 2025, 2506020.

固态锂金属电池凭借其高能量密度与本质安全优势，已成为下一代储能技术的研发焦点。然而，聚合物电解质室温离子电导率低、锂金属负极枝晶生长难以抑制两大瓶颈，严重阻碍其实际应用。传统均质复合电解质难以在提升离子传导的同时，兼顾对电极界面的精准、稳定调控。四川大学尧猛副研究员、张云教授、悉尼科技大学汪国秀院士、陈勇博士等人在《Advanced Materials》上发表了题为“Gradient-Heterojunction in Solid Electrolytes for Fast-Charging Dendrite-Free Solid-State Lithium Metal Batteries”的研究论文。研究团队成功制备了一种名为PTLT-H的复合固体电解质，其核心在于将具有异质结结构的Li₂TiO₃/Li₄Ti₅O₁₂（LTO）纳米填料，通过直流电场诱导的定向组装技术，在聚合物基体（PVDF-TrFE）中构筑出连续的浓度梯度分布。通过晶格失配形成的异质结产生了一个内置电场（IEF），该电场促进了锂盐的解离并形成了连续离子传导路径，从而将室温下的离子电导率提升至0.83 mS cm⁻¹。此外，在外加电场作用下，带电LTO颗粒发生定向再分布，在靠近锂金属的一侧形成浓度更高的梯度结构。这种梯度IEF确保了Li-电解质界面均匀的Li⁺通量，同时增强的机械强度有效阻挡了枝晶延伸。因此，采用PTLT-H的对称Li||Li电池在1 mA cm⁻²（1 mAh cm⁻²）条件下表现出超过1000小时的稳定循环。此外，PTLT-H使固态电池具备了优异的长期性能，在5C倍率下循环5000次后容量保持率达到94.6%。该研究强调了梯度IEF工程是实现快充无枝晶固态电池兼具高电导率和界面稳定性的一种可行方法。

Liyu Du, Chenke Tang, Yiyang Xiao, Du Yuan, Yong Chen, Yun Zhang, Guoxiu Wang*, Meng Yao*, 2025, “Gradient-Heterojunction in Solid Electrolytes for Fast-Charging Dendrite-Free Solid-State Lithium Metal Batteries”, Advanced Materials, 2025, 37, e19284.

悉尼科技大学汪国秀院士，刘浩教授、张晋强研究员，江苏师范大学黄鹏教授等人近日总结了高熵材料的发展过程，追溯了其通过原子纳米工程策略（即从块体到纳米结构，从随机分布到相对有序的架构，从原始HEMs到重构HEMs，从完整的HEMs到有缺陷的结构，从原始HEMs到功能化变体）的出现和结构演变，并揭示了这些演变步骤如何有助于HEMs的性能并增强其在水分解中的催化性能。探讨了各个元素（例如活性位点、促进剂、稳定剂）在塑造高熵材料的结构、稳定性和催化活性中的基本作用，为合理设计高效的基于高熵材料的电催化剂奠定了基础。该综述还强调了高熵材料基水解催化剂的最新进展，重点介绍了理想的属性和元素贡献。最后，讨论了高熵材料在能源转换技术中面临的挑战和未来发展方向。

Yufei Zhao, Jinhu Wu, Xianjun Cao, Dongfang Li, Peng Huang, Hong Gao, Qinfen Gu, Jinqiang Zhang, Guoxiu Wang*, Hao Liu, “High-Entropy Materials for Water Splitting: An Atomic Nanoengineering Approach to Sustainable Hydrogen Production”, Advanced Materials, 2025, 37 (36), 2506117.

基于复合聚合物电解质（CPE）的锂金属电池已成为下一代电池最有前景的候选者。然而，复合相之间的内在不相容性严重损害了电解质性能。基于此，北京化工大学陈仕谋&悉尼科技大学汪国秀提出了一种内置的单离子导体桥，将石榴石型氧化物相与PVDF基聚合物该研究通过巧妙构建内置单离子导电聚合物桥，有效解决了 CPE 中无机填料与聚合物基质之间的相容性问题，显著提升了电解质的离子传输性能和界面稳定性。所制备的 CPE 在室温下展现出高达 5.20×10^-⁴ S cm^-¹ 的离子电导率和 0.73 的高锂离子传输数，搭载该电解质的锂对称电池在 -30℃下可稳定循环近 7000 小时。此外，这种 CPE 与多种正极材料具有良好的兼容性，在极端条件下（如 4.5 V 高电压、-30℃低温和 10.2 mg cm⁻²高载量）仍能保持稳定的循环性能，其组装的富镍锂离子袋式电池在 0.5C 倍率下实现了超过 1200 次的超长循环寿命。该策略在固态钠金属电池中也表现出色，钠对称电池循环寿命超过 1350 小时，搭载 NVP 正极的全电池在 1C 倍率下循环 2200 次后容量保持率接近 100%。综上所述，这项工作为高性能、高安全性固态锂 / 钠金属电池的实用化开辟了新的途径，有望推动新能源存储技术的发展。

Jiajun Gong, Qimin Peng, Shunshun Zhao, Taolue Wen, Haojie Xu, Weiting Ma, Zhicheng Yao, Yong Chen, Guoxiu Wang*, Shimou Chen*, "Built-in single-ion-conducting polymer bridges for superior ion transport enabling long-life and high-voltage lithium–metal batteries", Energy & Environmental Science, 2025,18 (11), 5511-5523.

准固态或固态电解质有望解决锌电池中长期存在的挑战，如锌枝晶形成和不可避免的副反应。北京化工大学陈仕谋（国家杰青）团队与悉尼科技大学汪国秀院士、陈勇等在Energy & Environmental Science期刊发表题为“A Janus-Type Quasi-Solid-State Electrolyte Enabling Dual-Ion Relay for Long Lifespan of Nonaqueous Zinc Batteries”的研究论文，团队成员赵顺顺为论文第一作者，悉尼科技大学陈勇、陈仕谋为论文共同通讯作者。该研究报道了一种无水Janus准固态电解质，通过双离子接力机制实现了锌电池优异的长期循环性能。PVDF-HFP与PMMA聚合物层之间自发形成的内置电场诱导产生离子双层（IDL），有效解决了低盐浓度条件下固态无水体系离子传输动力学的固有局限性。得益于电解质构建的IDL及衍生的有机外层-无机内层梯度SEI，实现了有效的离子整流和传输。因此，Zn||Zn对称电池表现出高度可逆的Zn²⁺沉积/剥离且无枝晶生长，在25°C下循环寿命超过13,300小时，在60°C下超过3,000小时。采用聚苯胺阴极的全电池表现出卓越的稳定性（>10,000次循环）和从25°C至80°C的可靠运行。

Shunshun Zhao, Sinian Yang, Xuanrui Huang, Xinwei Wang, Haojie Xu, Qing Ma, Yong Chen, Guoxiu Wang, Shimou Chen, “A Janus-type quasi-solid-state electrolyte enabling dual-ion relay for long lifespan of nonaqueous zinc batteries”, Energy & Environmental Science, 2025, 18 (18), 8618-8630.

电动汽车产业的迅猛发展，对锂离子电池的性能提出了前所未有的要求：更高的能量密度、更长的循环寿命以及绝对的安全保障。在此背景下，富镍层状氧化物正极材料因其高理论容量和较低的成本脱颖而出，被视为实现动力电池能量密度突破的关键。然而，“高镍”如同一把双刃剑，在提升容量的同时，也急剧放大了材料固有的不稳定性，主要表现为严重的结构衰退和剧烈的产气行为。聚焦于富镍层状正极的结构稳定性与气体释放行为，四川大学尧猛，悉尼科技大学汪国秀、陈勇，北京林业大学姜帅成等人详细分析了其结构损伤机制、产气机理及改性研究进展。首先，作者系统总结了各类结构损伤的成因、过程及影响，包括富镍正极表面/界面发生的化学成分变化与晶格结构转变，以及贯穿材料整体的微裂纹和阳离子混排问题。随后，文章详细阐述了富镍正极气体释放的多重机理，涵盖残余锂化合物的分解、电解质的氧化分解、晶格氧的释放以及气体逸出所引发的后续效应。最后，该综述基于失效机理，系统总结了抑制富镍正极结构损伤与气体释放行为的策略。通过表面改性、元素掺杂、电解质设计和结构工程等手段，可有效提升电池的安全性与循环寿命。通过理解富镍正极各失效机制间的相互耦合关系，研究者能够采用更丰富且更具针对性的改性策略，从而为富镍正极材料的商业化应用提供科学依据与技术支撑。

Ziqi Liu, Yiming Zhang, Shanshan Pan, Yong Chen, Keer Yang, Shanxi Wu, Musong Liu, Lei Hu, Shuaicheng Jiang, Xiaopeng Wang, Guoxiu Wang and Meng Yao, “Addressing the fundamental issues in Ni-rich cathodes: degradation mechanisms and mitigation strategies”, Energy & Environmental Science, 2026. IF=30.8. DOI: 10.1039/D5EE04213E

单原子催化剂（SAC）因其卓越的催化活性、高选择性和对多硫化锂（LiPS）的强亲和力而成为克服锂硫（Li-S）电池固有局限性的关键。SAC的有效性受复杂电子结构的影响。因此，精确调整这些环境对于充分利用SAC至关重要。鉴于此，河南大学杨大伟教授，悉尼科技大学汪国秀教授，清华大学深圳国际研究生院周光敏教授，加泰罗尼亚能源研究所Andreu Cabot等人报道了SACs在LiPS氧化还原反应中的性能可以通过空位工程进行优化。这种策略可以保留SAC作为LiPSs锚定和电催化中心的优势，同时优化其电子结构以促进快速电荷转移并提高LiPS转换效率。具体来说，在含丰富碳空位（Fe-SAs/N-Cv）的氮掺杂碳上负载的Fe基SAC作为锂-硫电池中的硫主体进行测试。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe-SAs/N-Cv有效地锚定了LiPSs，降低了Li₂S的分解能垒。热力学分析进一步阐明了Fe-SAs/N-Cv可以加速LiPSs氧化还原反应。因此，Fe-SAs/N-Cv宿主表现出优异的倍率性能和卓越的循环稳定性。此外， Fe-SAs/N-Cv可以应用于Li-S软包电池以实现稳定的循环性。本工作表明，空位工程策略可以有效地微调Li-S电池中SAC的性能。

Jie Zhang, Dawei Yang, Canhuang Li, Qianhong Gong, Wei Bi, Wei-Hong Lai, Shengjun Li, Yaojie Lei, Guangmin Zhou, Andreu Cabot and Guoxiu Wang*, 2025, “Promoting sulfur redox kinetics of atomically dispersed Fe–NC electrocatalysts by carbon vacancies toward robust lithium–sulfur batteries”, Energy & Environmental Science, 2025, 18, 7905-7915.

水系锌离子电池中普遍使用的玻璃纤维隔膜对界面反应的控制不足，导致锌枝晶的快速生长和寄生反应的加剧。此外，锌离子电池在极端操作条件下的稳定性仍然是一个关键但经常被忽视的问题。基于此，悉尼科技大学汪国秀院士和江南大学翟胜利提出了一种新型的硅烷修饰玻璃纤维隔膜，其具有工程物理结构和表面化学性质，有助于实现高度可逆和超可靠的锌离子电池。硅烷增强隔膜，抵抗应力，并在火焰下形成隔热炭层，确保在极端条件下的可靠性。硅烷网络还可以作为填料，增强孔的均匀性，使Zn²⁺通量均匀。硅烷中的氨基展示了界面阴离子、阳离子、水转移和反应动力学的综合管理。这种能力诱导Zn²⁺在界面上富集，加速Zn²⁺的转移，减少沉积障碍，并阻止水分子和硫酸根离子参与寄生反应。因此，在250次循环中，实现了99.4%的库仑效率的无枝晶镀锌/剥离，7000小时的稳定充放电性能，以及Zn//V全电池的出色循环稳定性和阻燃性。该策略展示了各种隔膜材料和电池化学的多功能性，为更可靠、性能更高的储能系统提供了一条有前景的途径。

Mengcheng Huang, Yaojie Lei, Yajun Hu, Wei-Hong Lai, Yun-Xiao Wang, Chunyu Liu, Shengli Zhai, Guoxiu Wang*, “Interfacial ionic and thermal regulation for highly reversible and ultra-reliable zinc-ion batteries”, Energy & Environmental Science, 2025, 18 (14), 7103-7113.