南方科技大学徐保民团队Adv. Mater.：秒杀传统方法！激光合成MXene-TiO2/高熵合金，光辅助锌空电池性能新突破

锌空气电池 (ZABs)因其极高的理论能量密度、低成本和高安全性而成为一种前景广阔的大规模储能系统。然而，空气阳极氧析出反应（OER）仍然面临缓慢的动力学，降低充放电效率以及循环寿命。光辅助锌空气电池，利用太阳能辅助提升充放电效率，集太阳能转化与存储于一体。但目前的光催化剂活性低、稳定性差，限制了锌空气电池的应用。亟需探索快速合成高活性、高稳定性、低成本的催化剂合成方案，以推动锌空气电池的规模化应用。

近日，南方科技大学徐保民课题组等人在国际知名期刊Advanced Materials发表题为“Nanosecond Laser Synthesis of MXene-Derived TiO₂/High-Entropy Alloys for Photo-Assisted Zinc–Air Batteries”的研究论文。该研究利用纳秒激光超快加热技术，巧妙结合Ti₃C₂ MXene优异的光热转化效应以及衍生TiO₂发挥光催化作用，突破传统加热方式的温度局限，实现瞬间高温（2800 K），成功在常压氩气中设计合成了M-TiO₂/FeCoNiCrTi高熵合金(HEA)光催化剂。相较于现有激光合成策略，该方法过程简洁，表面呈现负电的Ti₃C₂ MXene促进了金属离子的均匀负载，避免了粘结剂的引入；同时，固相合成突破液相合成法受限的溶剂蒸发温度以及繁琐的溶剂去除后处理工艺，有效提升合成效率，适用于大规模生产。结合COMSOL有限元模拟技术对激光加热合成过程进行分析，理论计算以及实验结果表明，M-TiO₂和HEA之间的相互作用促进电荷传输，光照下，光生空穴被氢氧根捕获产生羟基自由基，提升OER反应动力学，有效降低OER过电位。基于M-TiO₂/HEA的锌空气电池借助于太阳光辅助，充电电压得到有效降低（在10 mA cm^-2的电流密度下，充电电压为1.87 V），并展现出优异的循环稳定性，在10 mA cm^-2的电流密度下稳定循环1000小时，促进光能转化和存储一体化系统的发展。

创新性采用激光脉冲加热技术，巧妙结合Ti₃C₂ MXene优异的光热转化作用，突破传统加热方式的温度局限，实现瞬间高温（2800 K），结合COMSOL有限元模拟对加热过程进行分析，成功在常压下氩气中合成了M-TiO₂/FeCoNiCrTi高熵合金(HEA)光催化剂。一方面，表面呈现负电的Ti₃C₂ MXene促进了金属离子的均匀负载，避免了粘结剂的引入；同时，突破液相合成法受限的溶剂蒸发温度以及繁琐的溶剂去除工艺，有效提升合成效率。

Ti₃C₂ MXene原位衍生为TiO₂，与负载的高熵合金形成紧密接触的异质结。高熵合金中金属元素的价态变化表明电荷的重新分布，TiO₂载体与高熵合金中间具有强的相互作用力。相似的金属-金属配位距离表明各种金属原子在高熵合金中均匀分布，有助于提升结构稳定性。

光照下，OER过电位得到有效降低（249 mV at 10 mA cm^-2）, 结合电化学阻抗谱（EIS）、电子顺磁共振谱（EPR）分析结果表明，光生空穴可以被氢氧根有效捕获，形成羟基自由基，促进OER反应动力学，进而降低反应过电位。M-TiO₂/HEA锌空气电池表现出优异的充电性能以及循环稳定性，在10 mA cm^-2 电流密度下充电电压低至1.87 V，稳定循环1000小时。上述结果一致证明了M-TiO₂/HEA具有优异的光催化活性以及循环稳定性。

图 4. 光辅助OER性能对比以及机理探究。

图 5. 基于M-TiO2/HEA的锌空气电池光辅助充放电性能对比以及实际应用。

当前对激光快速合成高熵材料以及光催化锌空气电池的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。未来有望通过激光快速合成，加速材料性能优化，实现双功能锌空气电池光催化剂。

S. Cui, X. Zhong, Z. Li, P. Zhu, J. Hu, X. Zhou, P. Kidkhunthod, X. Wang, B. Mei, B. Xu, Nanosecond Laser Synthesis of MXene-Derived TiO₂/High-Entropy Alloys for Photo-Assisted Zinc–Air Batteries. Adv. Mater. 2025, 2504099. https://doi.org/10.1002/adma.202504099

徐保民，南方科技大学讲席教授，深圳市海外高层次“孔雀计划”A类人才，深圳柔性太阳能电池研发工程研究中心主任。1986 年在清华大学获得学士学位，1991年在中国科学院上海硅酸盐研究所获得博士学位。1994年到1996年在美国宾州州立大学材料研究所做博士后，之后任助理研究教授，2000年11月至2014年3月在位于美国硅谷的施乐公司PARC研究中心（Palo Alto Research Center）担任高级科学家和项目主管，2014年3月被南方科技大学聘为全职讲席教授。长期从事太阳能电池、新型清洁能源材料和器件等方面的研究。已发表科研论文220余篇，获得授权美国发明专利32项，其中21项专利为第一或唯一发明人，授权中国发明专利12项，数项技术实现了产业化。相关成果发表在Science, Nature photonics，Nat. Commun.，Joule，J. Am. Chem. Soc，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，ACS Energy Lett.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Sci.和ACS Nano等国际顶级期刊上。

钟熊伟，南方科技大学研究助理教授，深圳市海外高层次“孔雀计划”C类人才，硕士生导师。2019年博士毕业于澳门大学-南方科技大学，导师为潘晖教授和徐保民教授。2020年-2022年期间在清华大学深圳国际研究生院进行博士后研究，合作导师是周光敏副教授。2022年6月至今，入职南方科技大学材料系。主要从事于纳米材料电催化和锌基电池的学术研究，主持了国自然-青年基金、广东省面上项目和深圳面上项目等6项，以第一作者和通讯作者在Nat. Commun.，Adv. Mater.，Appl. Catal. B: Environ.，ACS Nano和Nano Lett.等期刊发表论文40余篇，获授权中国专利7项。

崔书雨，博士研究生，主要研究激光合成基于MXene的高熵催化剂的制备及在锌空气电池中的应用，以第一作者在Adv. Mater.，Chem.Commun.等期刊发表相关研究。