继AM，两周内再发顶刊。燕山大学彭秋明/邹国栋JACS：氮锚定Boridene促进高可逆性Mg-CO2电池

第一作者：王洋洋，孙勇

通讯作者：邹国栋*，彭秋明*

单位：燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室等

Mg-CO₂电池对CO₂的利用和固定是一种典型的“一石二鸟”策略，在应对能源危机和温室效应方面具有重要意义。然而，该体系仍存在极化率高、氧化还原反应动力学慢、可逆性差等问题。根本原因是反应产物碳酸盐(MgCO₃)表现出绝缘特性，C=O键几乎不可破坏，从而降低电化学活性。Boridene (Mo_4/3B_2-xTz) 是一种新型的二维过渡金属硼化物，通过在HF溶液中选择性蚀刻3D平面内化学有序的(Mo_2/3Y_1/3)₂AlB₂相中的Y/Al原子来制备。与典型碳基MXenes或石墨烯材料不同，由于去除两个非均相金属原子层，Boridene变得更加不规则，具有大表面积的典型皱褶形态。Boridene中的B层也因为B-B键的断裂而遭到极大的破坏，产生大量的大孔和微缺陷。因此，Boridene为各种功能材料的合成提供两个重要特性。

一，与C元素(2s22p2)不同，B元素(s22p1)可以提供空轨道空间或自由电子，显示半导体、半金属或金属行为。二，Boridene不仅具有有序的Y空位，还具有大量的不饱和B位，为锚定金属或非金属基团提供了可能的位置。考虑到各种前驱体和表面特殊的缺陷结构，大量不同的Boridene及其衍生物为开发其他高效捕获和转化CO₂的非均相催化剂提供了新的思路。

近日，来自燕山大学彭秋明教授和邹国栋副教授团队在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Nitrogen-Anchored Boridene Enables Mg-CO₂Batteries with High Reversibility”的研究论文。该论文针对目前Mg-CO₂电池面临的放电产物碳酸盐(MgCO₃)难分解的问题，提出在微量水的前提下，利用氮掺杂Boridene(N-Boridene，有三种N的位点，其中B空位取代N是高化学活性的主要原因)诱导生成新的放电产物MgCO₃•5H₂O，极大提高循环性能。并从理论计算和实验两方面共同分析证明N-Boridene提升Mg-CO₂电池优异性能的机理。文章中Boridene诱导Mg-CO₂电池生成新的产物为开发其他金属-CO₂电池非均相催化剂提供深远的参考意义。

利用化学（HF）剥离和单氰胺插层两步法制备皱褶的N-Boridene。经过HF刻蚀(Mo_2/3Y_1/3)₂AlB₂相去除层间的Y/Al原子，在得到有序金属Y空位的同时，还能得到具有大量不饱和缺陷的B空位。经过在Ar退火，N原子插入非金属B空位的位点，复合材料的缺陷强度下降一半。

首先通过XPS分析得到三种N原子类型：NSA，NFS和NLS，其中NLS占据比例最大。在进一步通过同步辐射证明N-Boridene的Mo配位数增大，键长增长，直接证明大量N原子占据原有B空位的位置，而不是取代固有B原子或者Boridene间隙原子位置。这种清晰明了的方法为以后异质原子占据非金属空位提供重大借鉴意义，也为其他异质原子掺杂Boridene打下基础。

以N-Boridene作为催化剂，Mg-CO₂电池具有良好的倍率性能，高能量效率（93.6 %），极低的过电势（0.09V，优于绝大多数金属-CO₂电池）。另外，优异的循环性能（305圈）高于目前报道的Mg-O₂/CO₂电池。

利用原位XRD，表征Mg-CO₂电池在充放电循环过程中的放电产物的变化，清楚的看到CO₃•5H₂O的生成与分解。TEM直观反应MgCO₃•5H₂O为直径约200 nm的小球。DFT研究表明，通过比较NLS-Boridene对其他Mg-CO₂电池不同放电产物（MgCO₃、MgC₂O₄、MgCO₃•1/2/3/4H₂O）的吸附能，NLS-Boridene对MgCO₃•5H₂O的吸附能最大，表明NLS-Boridene能够选择性生成MgCO₃•5H₂O。此外，NLS-Boridene中电子的再分配改变了催化剂表面的电子结构，使得催化剂与放电产物之间有充足的电子转移。在可能的反应路径中，NLS-Boridene能够有效降低决速步的能垒（2.64 V），促进Mg-CO₂电池的极低过电位以及高循环性能。

Nitrogen-Anchored Boridene Enables Mg-CO₂Batteries with High Reversibility

邹国栋：燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室/材料学院无机系专任教师，副教授，彭秋明教授团队骨干成员。博士毕业于燕山大学，阿卜杜拉国王科技大学博士后。研究方向为轻金属与储能材料的研究。迄今为止，在J Am Chem Soc、Adv Mater（2篇）、Adv Energy Mater（2篇）、Adv Fun Mater、ACS Nano、Energy Storage Mater等国际著名期刊发表SCI论文40余篇，其中一作/通讯20余篇，论文总被引2800余次，H指数为22。主持国家青年基金、河北省优青、河北省教育厅青年拔尖人才和燕山大学高层次人才等项目，参与国家重点项目、国自然联合基金项目、省创新群体项目等项目。荣获河北省优秀博士论文奖，获河北省自然科学一等奖1项（排四）、河北省科学技术发明奖一等奖1项（排五），授权/公开国家发明专利10项。担任Journal of Metals,Materials and Minerals（JMMM）青年编委，Front Energy Res (IF=4.0)，Front Nanotech. Energy Appl.客座编辑，Chem Eng J，Sci Rep 等期刊审稿专家。

彭秋明教授：燕山大学教授、博士生导师，洪堡学者，国家优青，教育部重大人才计划特聘教授。共计发表学术论文200多篇，其中以一作/通讯在Nat Commun，J Am Chem Soc（2篇），Adv Mater（2篇），Adv Energy Mater，Adv Funct Mater，ACS Nano，Nano Lett 和 Acta Mater上发表 130余篇，H因子60。主持国家自然基金6项、重点研发计划子课题 1 项；河北省创新群体1 项。获河北省自然科学一等奖1项（排1），河北省技术发明一等奖（排1）。获国家发明专利30项，国家保密专利1项，欧盟专利2项，参与编写书籍3部（英文1部），主编教材1部。中国仪器仪表协会（常务理事）、中国材料研究学会镁合金材料与应用专业委员会（理事）、中国生物材料学会（青年委员）等多个学术组织任职；担任JMA，JMST和Metals等期刊编委。

王洋洋：燕山大学2020级要研究领域为新型博士研究生。主二维MXene/MBene基功能化材料对金属-空气电池的催化机理。

彭秋明教授课题组主要从事超高压下轻合金的结构改性及性能，轻金属材料的储能性能，及新型二维MXene/MBene基材料的合成与功能化等研究。