高义华教授团队，CEJ观点：通过纳米结构分子工程激活硒化钼纳米管中的质子存储

第一作者：龙飞

通讯作者：高义华教授*

单位：华中科技大学

水系锌离子电池凭借成本低、安全性高、环保等显著优点，被视为后锂离子电池时代极具商业潜力的新型储能装置。然而，其发展进程因缺乏合适的正极材料而受到制约。二硒化钼（MoSe₂），作为一种过渡金属层状硫族化合物，凭借其出色的二维扩散通道，成为理想的正极材料候选者。但遗憾的是，其不活跃的基面限制了其进一步发展。为此，本研究采用了纳米结构分子工程策略，成功制备了空心纳米管状的MoSe₂。这种MoSe₂空心纳米管不仅拥有更大的结构表面积，扩展了离子的储存空间，还提供了充足的活性反应位点，并额外激活了质子的储存能力。通过原位与非原位的表征手段，作者揭示了质子和锌离子在其中的共插入机制。本研究为过渡金属层状硫族化合物在水系电池中的应用开辟了一条有效的路径。

近日，来自华中科技大学的高义华教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Activated proton storage in molybdenum selenide via nanostructure molecular engineering”的研究文章。文章通过采用纳米结构分子工程策略研制出一种MoSe₂空心纳米管材料，并成功地将这一材料应用于水系锌离子电池中，展现出了优良的性能。

通过巧妙地引入链状的辛胺分子，作者成功研发出了MoSe₂空心纳米管。在反应过程中，辛胺分子扮演了多重角色，既是溶剂也是还原剂，同时还作为生长模板和活性剂，精准调控MoSe₂的组成相和微观结构。在反应进行中，链状辛胺分子巧妙地嵌入MoSe₂的中间层，既起到了润滑作用，有效延长了层间距，又发挥了支撑作用，显著增强了结构的稳定性。最终，辛胺分子与MoSe₂分子之间牢固偶联在一起，构建出了一种有机-无机杂化的中空纳米管结构。

相较于商业化的MoSe₂材料，MoSe₂空心纳米管在水系锌离子电池中展现出了显著优越的电化学性能。这一卓越表现归功于辛胺分子的精心设计与引入，它不仅诱导了电化学活性相的形成，还显著提升了材料的本征导电性，通过延长层间距，为离子扩散开辟了更宽广的路径，并额外激活了质子的存储机制。此外，该纳米管独特的薄壁空心结构赋予了其巨大的比表面积，为电极反应提供了丰富的活性位点，极大地促进了离子的快速存储与释放。更重要的是，这种中空设计不仅有效缓解了层间堆叠问题，提供了充裕的内部存储空间，还能够很好地适应长期电化学循环中产生的体积变化，从而进一步保障了结构的稳定性，避免了结构的崩塌。

结合原位X射线衍射和离位X射线光电子能谱与微观结构的观察，揭示出了MoSe₂空心纳米管结构中质子和锌离子的共储存机制。在电池的充放电循环中，质子和锌离子能够可逆地在MoSe₂纳米管内进行扩散。此外，理论计算与系统的反应动力学研究进一步阐明了，采用纳米结构分子工程策略对电极反应动力学具有显著的积极影响。

Activated proton storage in molybdenum selenide via nanostructure molecular engineering