武汉纺织大学万骏与中科院深圳研究院金桓宇Chem. Eng. J.：亚稳态二维非晶Nb2O5用于长寿命水系超容

第一作者：万骏，房光钰，米世云

通讯作者：金桓宇*，姜会钰*，于慧敏*

单位：武汉纺织大学，中国科学院深圳先进技术研究院，澳大利亚南澳大学

Nb₂O₅由于其优异的理论电容量和优越的速率性能，被认为是一种非常有前景的储能阳极材料。尽管Nb₂O₅具有优异的比容量，但其有限的电导率和相对受限的适用性严重阻碍了进一步的发展，特别是其电化学循环寿命。一般来说，对于电子迁移率与离子传输速率这种双向平衡可以通过合理的尺寸设计来解决。特别是在低维结构内，亚稳态的二维材料具有较高的比表面积、丰富的氧化还原位点、高表面能、优异的平面电子迁移率和出色的离子传输通道。

然而，迄今为止，亚稳态及二维Nb₂O₅的合成策略鲜有报道。这一瓶颈主要归因于两个关键因素：（1）常见的铌前驱体极易水解，使得生长和演变过程难以控制（Nb⁵⁺+5H₂O→Nb(OH)₅+5H⁺）；（2）与许多其它过渡金属氧化物不同，Nb₂O₅在形成过程中会迅速转变为热力学稳定的铌酸（Nb₂O₅·nH₂O）（Nb₂O₅+nH₂O→Nb₂O₅·nH₂O），它的酸强度（H0≤-5.6）相当于70%的硫酸，从而显著影响了反应环境的pH值。此外，诸如正交相Nb₂O₅等广泛研究的Nb₂O₅晶体通常需要在高反应温度（约650°C）下合成。即使成功合成了二维纳米片，它们也极易在热力学演化的驱动下发生团聚。相比之下，能在更低温度（100-200℃）下合成的亚稳态无定形Nb₂O₅更适合与二维结构匹配，从而有望实现长循环寿命的Nb₂O₅水系电极设计。

HMTA分子中的氮原子与Nb⁵⁺阳离子之间发生强烈的相互作用，促进了HMTA和Nb离子的优先吸附，有助于Nb金属前驱体在GO表面成核和生长。同时，HMTA通过热分解产生氨和甲醛进行还原反应，得到分散性良好的2D a-Nb₂O₅/rGO复合材料。其中，pH值、温度和Nb⁵⁺与HMTA的浓度比为重要影响因素。

对该复合材料进行全面的形貌表征显示，Nb元素均匀分布于超薄二维结构中。为避免石墨烯对二维非晶Nb₂O₅结构的影响，我们在空气中进行了简单适当的退火处理，转化为对应的结晶相Nb₂O₅。通过TEM图片可清晰观察到其仍保持良好的二维结构。同时，元素分布显示结构中不再存在碳元素，进一步证实该二维晶体结构为纯的Nb₂O₅，从而反向验证了退火前Nb₂O₅的二维非晶结构。

亚稳态非晶结构将为锂离子在电荷存储循环中提供足够的自由体积，减少离子反应过程中的体积变化，从而保证电极材料结构的稳定性。此外，二维纳米片的非晶结构通过开放的扩散路径形成可渗透通道，从而有效地促进离子扩散。这种与导电良好的还原氧化石墨烯网络紧密结合的多种独特结构，也为锂离子提供了更大的接触表面积和更短的扩散路径。

Metastable 2D amorphous Nb₂O₅for aqueous supercapacitor energy storage

万骏，武汉纺织大学特聘教授，化学与化工学院应用化学系副主任。湖北省楚天人才计划、武汉市青年科技朝阳计划。本、博及博士后毕业于华中科技大学。国家公派新加坡南洋理工大学访问学者。省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士团队骨干成员。长期从事清洁能源材料与功能纤维的研制，擅长微波新型合成与热管理纤维的研究。主持国家自然科学基金、省自然科学基金、省教育厅人才项目等10项。以第一及通讯作者身份在One Earth、Appl. Catal. B: Environ.、Adv. Funct. Mater.等学术期刊发表论文30余篇。新加坡Viser专家库材料专家委员会委员。湖北省化学化工先进青年工作者。

金桓宇，中国科学院深圳先进技术研究院研究员，博士生导师。入选国家高层次人才计划（青年项目）。本科毕业于华中科技大学，硕士毕业于香港理工大学，博士毕业于阿德莱德大学。研究方向聚焦能源电催化材料与器件、材料-界面功能化等方面的研究，致力于实现绿色能源的高效转化以解决可持续发展面临的材料-物性-能源问题。在国际著名学术期刊上发表论文50余篇，论文总引用9300 余次，H 因子35。连续入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”年度榜单。担任2D Materials期刊编委，InfoMat、Journal of Energy Chemistry、Carbon Energy、Energy Materials and Devices等期刊青年编委。