青岛科技大学王磊课题组CEJ：在层状双氢氧化物中嵌入阴离子和氢键网络以突破扩散极限解封理论容量

第一作者：赵钰滢，周凤鸣

通讯作者：肖振宇*，王磊*

单位：青岛科技大学

近日，青岛科技大学王磊课题组肖振宇团队于Chemical Engineering Journal上发表了题为“Intercalating anion and hydrogen-bond network in layered double hydroxide to breakthrough the diffusion limit for unsealing theoretical capacity”的研究论文。该研究巧妙地利用电化学刻蚀的方法在层状氢氧化物中嵌入大量的OH^-和H₂O分子形成氢键网络，通过“牛顿摇篮”模型的快速传输，以降低电解质离子的扩散能垒。

层状双氢氧化物(LDHs)因其高理论容量(3400 F·g^-1)、丰富的天然储量和固有的层状结构而被认为是有前途的电极材料。虽然层间提供了电解质离子和水合离子的迁移路径，但LDH的固有层间距通常小于1 nm，在这个狭窄的空间中离子的扩散速率仍然受到限制，造成高迁移阻力。在快速充电/放电过程中，大量内部活性物质无法被充分利用或存在“死体积”。因此，提高LDH固有微孔通道中的传质速率，充分利用内部活性物质，仍然是电化学储能领域亟待解决的难题。

综上所述，通过电化学辅助MOF刻蚀策略成功合成了具有嵌入OH^-和H₂O分子的多孔非晶LDH多级结构。嵌入的OH^-和H₂O分子在层间建立了丰富的氢键网络，可以通过Grotthuss传输路径实现更快的离子转移。理论计算结果表明，在氢键网络中OH^-的扩散能垒比在普通LDH中更低。实验结果进一步证实，E-MOF-0.5V的离子扩散速率为1.2 × 10^-13 cm^-2 s^-1，比MOF-KOH（3.11 × 10^-15 cm^-2 s^-1）高约38倍。此外，薄的纳米片阵列形态、丰富的孔结构和非晶相可以暴露更多的活性中心。基于这些优点，E-MOF-0.5V在4 mA cm^-2下表现出8547.2 mF cm^-2（2670.9 F g^-1）的出色比电容，以及在20 mA cm^-2下7200次循环后保持88%电容的优异稳定性。此外，E-MOF-0.5V//rGO-Zn器件在6.63 mW cm^-2的功率密度下表现出7.97 mWh cm^-2的超高能量密度。本研究在LDH层中嵌入氢键网络的策略，为加快水系储能体系的离子传输动力学提供了新思路。

王磊，山东省杰青，泰山学者青年专家, 博士生导师，现任省部共建生态化工国家重点实验室培育基地主任。长期从事绿色能源相关领域研究，在能源储存与转换材料、光电催化剂的宏量制备、无机微波固相合成、海水资源化利用等方面做了大量的工作；以通讯作者在Nat. Commun., Energy & Environ.Sci.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, ACS Cent. Sci., Nano Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Appl. Catal. B: Environ., Sci. China Mater.等国内外重要学术期刊上发表SCI论文400余篇，其中影响因子大于10.0的论文190余篇，所发论文被他引18000余次，H因子67，30篇论文入选ESI高被引。担任Chinese J. Catal., Nano Research等杂志编委，兼任青岛市科技服务协会会长，山东省清洁生产协会副理事长。先后获得中国颗粒学会自然科学奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖等多项奖励。