安庆大教授、佟瑶副教授、王开研究员、浙江越秀外国语学院Bita Farhadi高级讲师， CEJ：MXene 限域结晶

第一作者：李唯

通讯作者：佟瑶，安庆大，王开*，Bita Farhadi*，

单位：大连工业大学，中国科学院大连化学物理研究所，浙江越秀外国语学院

可充电固定式电池是未来依托可再生能源的综合电网升级的核心支撑，水系锌离子电池（AZIBs）凭借 820 mAh g⁻¹ 的高理论比容量、低成本、高安全性及简易制备工艺，成为下一代储能技术的热门选择。正极材料作为决定 AZIBs 电化学性能的关键，现有主流类型却存在固有缺陷：普鲁士蓝类似物理论比容量偏低，难以满足高能量密度需求；锰基氧化物在循环过程中易发生不可逆结构转变，导致循环稳定性差；钒基化合物因多价钒阳离子的毒性，存在生态隐患。三氧化钼（MoO₃）凭借高理论容量、优异化学稳定性及独特结构优势，成为 AZIBs 正极的潜力材料，其主要存在三种晶相 —— 热力学稳定的正交相（α-MoO₃）、亚稳态的单斜相（β-MoO₃）和六方相（h-MoO₃），其中 β-MoO₃因本征电导率低、隧道尺寸有限导致电化学性能不佳，α-MoO₃的二维层状结构虽利于 Zn²⁺嵌入 / 脱出但循环中易发生显著结构畸变，而 h-MoO₃具有六方对称性一维隧道结构，兼具高电导率、丰富活性位点及结构稳健性，却因可控结晶难、易向 α 相转化的问题，其在 AZIBs 中的潜力长期被忽视，因此开发稳定 h-MoO₃的制备策略并提升其电化学性能，成为突破高性能 AZIBs 的关键方向。

近日，来自大连工业大学的安庆大教授、佟瑶副教授联合中国科学院大连化学物理研究所王开研究员、浙江越秀学院Bita Farhadi高级讲师，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“MXene-confined crystallization of h-MoO3 for high-performance and flexible aqueous zinc-ion batteries”的观点文章。该工作首次从热力学与动力学角度阐明 h-MoO₃的形成与稳定机制，提出MXene 限域结晶策略：利用 MXene（Ti₃C₂Tₓ）的层间空间，实现亚稳态 h-MoO₃的可控合成。所得 MXene/h-MoO₃复合材料通过构建电异质结，显著提升了活性位点暴露密度、优化孔结构、增强导电性并维持结构完整性；基于该材料组装的柔性 AZIBs 兼具高能量密度与优异机械柔韧性，为柔性储能器件应用提供新方案。

团队通过晶体结构分析与热力学计算，提出两大核心假设以突破 h-MoO₃制备与稳定的瓶颈。一方面，h-MoO₃的成核具有动力学优势，其与母液结构相似且成核能垒低，引入与母液接触角小的异质材料（如 MXene）可通过异相成核降低成核吉布斯自由能（=，其中 f (θ) 为 0-1 之间的接触角相关系数），从而有效促进 h-MoO₃成核，这一假设为 h-MoO₃的形成提供了动力学支撑；另一方面，相变总自由能（ΔGtotal）由体相自由能（ΔGbulk，在 h-MoO₃向 α-MoO₃转化过程中为负值）与表面自由能（ΔGsurface，因 h-MoO₃表面能更低，ΔGsurface为正值）组成，通过减小 h-MoO₃晶粒尺寸以增大比表面积，可使 ΔGtotal变为正值，从热力学层面抑制 h-MoO₃向 α 相的转化，为 h-MoO₃的稳定存在提供了理论依据。

在 MXene 限域结晶策略的实验验证方面，团队采用一步超声法（60℃、1h）在 MXene 层间实现 h-MoO₃的限域结晶，并通过调控 MXene 与 h-MoO₃的质量比（制备出 MXMo₂/₃、MXMo₁/₁、MXMo₃/₂三种复合材料），系统验证了限域效应带来的结构与性能协同优化。结构上，纯 h-MoO₃呈现直径约 1 μm、长度约 5 μm 的六方纳米棒形态，而经过限域结晶后，纳米棒尺寸随 MXene 含量增加逐渐减小，且形成了 3-4 nm 的介孔结构，有利于电解质浸润与离子传输；比表面积方面，纯 h-MoO₃的比表面积仅为 4.97 m² g⁻¹，而 MXMo₁/₁（MXene 与 h-MoO₃质量比 1:1，为最优比例样品）的比表面积提升至 41.58 m² g⁻¹，为 Zn²⁺传输提供了充足通道；异质结相互作用上，DFT 计算表明 h-MoO₃原子簇在 MXene（002）面的吸附结合能为 - 0.51 eV，具有热力学有利性，且二者之间形成 Mo-O-Ti 键，XPS 与 FTIR 测试进一步验证了该化学键的存在，其可促进电荷从 MXene 向 h-MoO₃转移（转移量为 0.02 e⁻），使 h-MoO₃费米能级附近的态密度增加，显著提升了材料的导电性。

基于 MXMo₁/₁（最优样品）为正极组装的扣式 AZIBs 展现出优异的电化学性能，在容量、循环稳定性与倍率性能上实现全面突破。比容量方面，在 0.2 A g⁻¹ 的电流密度下，电池的可逆容量达到 412 mAh g⁻¹，远超纯 h-MoO₃与纯 MXene 电极；循环稳定性方面，在 1 A g⁻¹ 的电流密度下循环 1000 次后，容量保留率仍高达 96.08%，而纯 h-MoO₃电极仅为 25.95%，纯 MXene 电极也仅为 85.94%；倍率性能方面，即使在 5 A g⁻¹ 的高电流密度下，电池仍能提供 150 mAh g⁻¹ 的容量，当电流密度恢复至 0.2 A g⁻¹ 时，容量回收率达到 94.17%，表现出良好的倍率可逆性；动力学性能上，CV 曲线分析显示 MXMo₁/₁的氧化峰（b 值 = 0.94）与还原峰（b 值 = 0.92）均接近 1，表明其储能过程为电容与扩散协同作用，在 10 mV s⁻¹ 的扫描速率下，电容贡献占比达 74.34%，显著高于纯 h-MoO₃，GITT 与 EIS 测试进一步证实，MXMo₁/₁的 Zn²⁺扩散系数范围为 10⁻¹¹~10⁻⁹ cm² s⁻¹，是纯 h-MoO₃（10⁻¹³~10⁻¹⁰ cm² s⁻¹）的 100 倍以上，且电荷转移电阻仅为 235 Ω，远低于纯 h-MoO₃的 2809 Ω，充分证明了限域结晶策略对电池动力学性能的提升。通过原位 XRD 与 XPS 表征，团队深入揭示了 MXMo₁/₁的 Zn²⁺储能机理，明确了可逆嵌入 / 脱出过程与 Mo 价态循环规律。

基于 MXMo₁/₁制备的柔性 AZIBs（采用碳布正极、Zn (OTf)₂-PAA 水凝胶电解质、镀锌碳布负极）展现出出色的实用化潜力，在能量密度、机械柔韧性与循环稳定性上均满足可穿戴设备需求。能量密度方面，当功率密度为 360 W kg⁻¹ 时，电池的能量密度达到 170 Wh kg⁻¹，优于多数已报道的柔性 AZIBs；机械柔韧性方面，在 0°-150° 的弯曲角度范围内，电池容量无显著衰减，可适应可穿戴设备的频繁弯曲场景；循环稳定性方面，在 2.5 A g⁻¹ 的电流密度下循环 1000 次后，容量保留率仍达 82.53%，且库伦效率保持稳定；实际应用测试中，将两个柔性电池串联可成功驱动 LED 灯，直观验证了其在实际场景中的应用价值。

本工作不仅为稳定 h-MoO₃相提供了有效的 MXene 限域结晶策略，还深化了对 MoO₃基正极材料结晶动力学的理解，为高性能 AZIBs 的开发提供了重要参考。未来研究可进一步探索更多异质界面调控手段，以优化电极与电解质之间的接触性能；加强原位表征技术（如原位红外光谱、冷冻电镜）的应用，实现对界面演化与离子传输过程的动态观测；深入研究温度、湿度等环境因素对柔性器件性能的影响，为其商业化应用奠定基础，推动柔性储能技术的进一步发展。

MXene-Confined Crystallization of h-MoO₃ for High-Performance and Flexible Aqueous Zinc-Ion Batteries

安庆大，教授，博士生导师。国务院政府特殊津贴专家、兴辽英才计划科技创新领军人才、大连市领军人才。兼任中国轻工业联合会常务理事、辽宁省化工学会副理事长。近年来主持科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金项目等研究课题20余项。带领团队在国内外学术期刊如J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A, Bioresour. Technol., Chinese J. Catal., J. Clean. Prod.和Carbohydr. Polym.等发表研究论文百余篇。作为第一完成人获得辽宁省科技进步一等奖。

佟瑶，副教授，硕士生导师。长期从事生物质资源高值化利用及储能器件研究。以第一作者和通讯作者身份在Cell子刊Chem，Matter，以及Adv. Sci.，Chem. Eng. J.，J. Mater. Chem. A，Int. J. Biol. Macromol.，J. Colloid Interf. Sci.，J. Energy Storage，Electrochim. Acta等国际权威期刊上发表论文二十余篇，ESI高被引论文3篇，引起国内外同行的高度评价和关注。主持国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金、大连市高层次人才计划项目等。荣获辽宁省“百千万人才工程”“万”层次、大连市高层次人才、大连市“青年科技之星”等荣誉称号。担任Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Int. J. Biol. Macromol.、J. Energy Storage、J. Power Sources等SCI学术期刊审稿人。

王开，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，研究主要集中于大面积钙钛矿太阳能电池组件以及钙钛矿/晶硅叠层太阳电池等光伏器件中关键功能材料的设计、开发及其性能调控机制等领域。在Nat. Commun., Joule, Chem, Matter, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等刊物上发表论文70多篇，7篇入选ESI高被引论文。曾获辽宁省自然科学二等奖、中国科学院沈阳分院优秀青年科技人才奖等多项荣誉；参与了国家重点研发计划及中国科学院战略性先导科技专项（B类）等重大科研项目，并主持国家自然科学基金面上项目与青年项目等。

Bita Farhadi是浙江越秀外国语学院大数据与计算学院的高级讲师。她于 2022 年在大连理工大学获得电子科学与技术博士学位，她的研究重点在于器件和材料的理论建模。她精通多种模拟工具，包括 Silvaco、COMSOL、SCAPS、DFT、MD 以及多个机器学习框架。博士毕业后，她于 2022 年 10 月至 2024 年 9 月在中国大连的中国科学院大连化学物理研究所进行博士后研究。她在Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials, Advanced Energy Materials，Nano Research, Chemical Engineering Journal,  等权威期刊上发表了 40 多篇研究论文。

李唯，2025年6月毕业于大连工业大学获得硕士学位，现为西安交通大学在读博士研究生。