内蒙古民族大学、湖北科技学院、新加坡科技局和新加坡国立大学等：rGO预插层使钒氧化物中VO层之间实现双面Zn2+存储

rGO预插层使钒氧化物中VO层之间实现双面Zn²⁺存储

随着全球对可持续和安全储能解决方案的需求日益增长，水系锌离子电池（AZIBs）因其固有的安全性、环境友好性和锌金属负极的高理论容量，成为大规模储能领域极具潜力的候选者。然而，AZIBs的发展仍面临严峻挑战，其中正极材料的性能是决定电池整体表现的关键。在众多候选材料中，层状结构的钒氧化物（如V₂O₅·nH₂O, VOH）因其开放的框架和丰富的价态变化而备受关注。

尽管如此，VOH材料的实际应用受到两大核心问题的制约：一是结构稳定性差，在锌离子反复嵌入/脱出过程中容易发生溶解或结构坍塌；二是本征的Zn²⁺存储位点有限且离子扩散动力学缓慢，导致其容量难以达到理论值，且倍率性能不佳。传统的改性策略，如插入小分子或金属离子作为“支柱”，虽能一定程度扩大层间距，但往往难以实现活性位点的充分暴露和电子电导率的根本性提升。因此，开发一种能够同时稳定结构、扩大层间距并优化电荷传输的创新策略，是推动高性能钒基正极材料发展的关键。

该策略巧妙地利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）通过水热反应一步构建了rGO与VOH共价键合的层状复合材料（记为GV）。这一设计将VOH的层间距从约1纳米显著扩大至2.0纳米，不仅为Zn²⁺的快速迁移提供了宽敞的通道，更重要的是，它首次诱导了一种“双面Zn²⁺存储机制”——Zn²⁺可以同时在VO层的上下两个表面进行可逆的吸附与脱附，从而极大地提升了材料的储锌容量。

得益于这一独特的结构设计，GV正极材料展现出了卓越的电化学性能：在0.1 A g⁻¹的电流密度下，其比容量高达548 mAh g⁻¹；经过100次循环后，容量仍保持在452 mAh g⁻¹，容量保持率高达83%。即使在2 A g⁻¹的高倍率下循环1200次，仍能保持稳定的容量输出。该工作通过实验与理论计算相结合，深入揭示了其性能增强的内在机制，为设计下一代高性能水系锌离子电池电极材料提供了全新的思路和理论基础。

图1. 还原氧化石墨烯预插层实现V₂O₅·nH₂O层间双面Zn²⁺存储

要点一：分子级设计与稳定键合，实现rGO的成功插层

图2. (a-b) GO的AFM图像和线剖面显示其单层或双层结构，厚度约0.88 nm。(c) O1s XPS光谱显示GV中V-O键结合能变化，表明rGO与VOH形成化学键。(d) V2p XPS光谱显示GV中V5+含量降低，证实键合变化。(e) V⁵⁺含量条形图。(f) FTIR光谱显示GV中V=O键蓝移和N-H键红移，表明强化学相互作用。

图3. (a) SEM图像显示GV呈堆叠卷曲的带状结构。(b-c) TEM图像显示GV的薄而卷曲的碎片，与rGO/VOH的物理负载不同。(d) FFT显示两种晶格条纹，对应1.00和2.01 nm层间距。(e-f) 晶格条纹显示层间距和结构缺陷。(g) XRD图案显示新衍射峰，对应扩大层间距。(h) 拉曼光谱显示GV无典型rGO D和G峰，表明rGO分子级插入。

要点二：超大层间距诱导“双面Zn²⁺存储”新机制

图4. (a) GV和VOH的CV曲线，GV具有更小极化。(b) GV在不同扫速下的电容贡献，随扫速增加从36%升至57%。(c) GITT测试显示GV的Zn²⁺扩散系数高于VOH。(d)Zn²⁺在VOH和GV中的存储模型，GV实现双面存储。(e) Zn(H₂O)₆²⁺脱水过程势能面，GV脱水能更低。(f)Zn²⁺扩散能垒，GV为0.52 eV，低于VOH的0.74 eV。

要点三：协同提升离子与电子传输动力学

图5. (a) GV在不同电流密度下的倍率性能，显示高比容量。(b) 0.1 A g⁻¹下GV、APTES/VOH、rGO/VOH和VOH的充放电曲线，GV具有清晰平台。(c) GV在0.2 mV s⁻¹下的CV曲线，显示高可逆性。(d) 0.1 A g⁻¹下循环性能，容量达548 mAh g⁻¹，100次后保持452 mAh g⁻¹。(e) 2 A g⁻¹下长循环性能，1200次后容量保持191 mAh g⁻¹。(f) 能量密度和功率密度对比，GV达到517.8 Wh kg⁻¹和3032 W kg⁻¹，优于其他钒基材料。

图6. (a-b) 循环后ex-situ XRD显示层间距变化。(c) 前两次充放电循环的XRD等高线图，显示层间距动态调整。(d) 循环后V2p XPS显示V⁴⁺含量增加，证实Zn²⁺存储。(e) GV在充放电过程中层间距变化示意图。

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104696

张依福副教授简介：2008年获武汉大学学士学位，2013年获博士学位。2018.12-2019.12在新加坡国立大学材料科学与工程系作为访问学者与John Wang教授合作。2013-2024.6任教于大连理工大学化学学院，现单位为湖北科技学院。目前的研究重点是钒氧化物、硅酸盐及其碳复合材料的能量存储和对话，包括超级电容器、含水锌离子电池和析氧反应。发表同行评议的期刊上发表了200多篇论文，入选爱思唯尔中国高被引学者、RSC高被引前1%。

张永伟教授简介：新加坡科技研究局（A*STAR）高性能计算研究院（IHPC）首席科学家，新加坡国立大学（NUS）与新加坡科技设计大学（SUTD）兼职教授。其主要研究方向包括材料的结构、力学、电子、热学和化学性能的理论建模与数值模拟，致力于面向新材料设计、增材制造、纳电子器件及能源转换与存储等领域的基础与应用研究。张教授是A*STAR杰出研究员（Distinguished Institute Fellow），亦为美国工程科学学会（Society of Engineering Science）会士。因其在科研领域的卓越贡献，自2018年至2022年及2024年连续入选科睿唯安（Clarivate）“高被引科学家”名单。

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