东北师范大学臧宏瑛教授课题组Angew：具有氧化还原活性的四核铁氧簇用于高效锂存储

第一作者：吕佳奇

通讯作者：臧宏瑛、郎中玲、李英奇

单位：东北师范大学

锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和环境友好等特性，被广泛用于便携式电子产品和电动汽车的能量转换系统。目前商业使用广泛的石墨材料具有低成本、库伦效率高等优势，然而其理论容量∼372 mAhg-1，不能满足当前生产设备不断增长的需求。因此开发新型锂离子电池阳极材料是一个重要研究课题。铁基催化材料由于其丰富的地球含量和较高的理论容量成为锂电池电极材料的理想候选者。相较于三氧化二铁等氧化物自身对空气和水的敏感性、合成操作工艺的复杂性以及体积膨胀造成能量损失的局限性，设计合成具有独特孔道结构的铁氧簇合物不失为一种最佳选择。已有研究证明多金属氧酸盐(POMs) 能够在保持结构完整性的同时充当“电子库”，提供丰富的金属活性位点，是能源储存与转化的理想催化材料。铁氧簇合物更是因其原料丰富、环境友好、无毒等优势成为研究者们的关注重点。

具有独特氧化还原活性的多金属氧酸盐（POMs）是能源储存和转换的重要分子材料。近日，东北师范大学臧宏瑛教授、郎中玲副教授和李英奇讲师合作在国际权威期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上发表了题为 “Designed Tetranuclear Iron-oxo Clusters with Redox Activity for High-Performance Lithium Storage” 的工作，该工作以生态友好型四核铁氧簇为重点，主要介绍通过溶剂调控合成的三种不同配位模式的铁氧簇合物，并研究其作为锂离子电池阳极材料的电化学行为和界面储能机制。与常规使用的铁氧化物相比，铁氧簇合物具有独特的亚纳米通道，这可大大缓解由于体积膨胀造成的能量损失。同时，通过原位XRD、XPS和非原位XANES、EXAFS测试等表征技术证明铁氧簇合物分子在整个锂储存过程的结构稳定性和优异的氧化还原活性，这为铁氧簇合物分子在金属离子电池中的应用奠定了基础。

要点一：通过溶剂热反应，调控溶剂、Fe3+和SO42-的比例，合成三种不同配位模式的铁氧簇合物。当Fe3+和SO42-的质量比达到1：8，获得具有一维孔道结构的无机铁簇合物3.

要点二：三种铁氧簇合物结构存在共通性。通过选取相通部分的铁氧簇单元作为DFT计算模型进行三种簇合物的分子静电势（MEP）和电子性质分析。轨道能量的对比进一步揭示簇合物3作为锂离子电池电极材料的潜在优势，为铁氧簇在锂离子存储中的应用提供了理论基础。

要点三：通过铁氧簇合物作为锂离子电池阳极材料的电化学CV曲线、充放电曲线、循环稳定性测试、阻抗分析等，进一步证明不同配位模式的簇合物结构拥有不同的氧化还原活性和锂储存性能，为该系列铁氧簇在锂离子存储中的进一步应用提供了重要的实验基础。

要点四：结合电化学双电层电容测试、锂离子扩散系数测试，辅以原位XRD、XPS和非原位的XANES、EXAFS测试证明，在锂离子插入/嵌出过程，存在电容和扩散相结合的储锂机制，并展示了由硫酸根构筑的具有独特亚纳米孔道结构的簇合物3的可逆氧化还原活性和结构稳定性。

Jia-Qi Lv, Bo Li, Qianqian Liu, Zhixin Gao, Zhong-Ling Lang*, Song Liang, Yingqi Li*, Hong-Ying Zang*, Designed Tetranuclear Iron-oxo Clusters with Redox Activity for High-Performance Lithium Storage. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, DOI: 10.1002/anie.202306193.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202306193

臧宏瑛：臧宏瑛，理学博士，现任东北师范大学教授、博士生导师。2007-2010年获得硕士学位，师从苏忠民教授，2010-2014年在英国格拉斯哥大学攻读博士学位和博士后研究，师从Leroy Cronin教授和龙德良教授。于2012年7月受邀参加欧洲诺贝尔研讨会（仅限青年学者100人）和6位诺贝尔化学奖得主交流科研心得，并做口头报告及海报成果展示。2013年底, 作为优秀中国留学生代表，受邀参加英国中国博士研究生联盟会会议并受邀作邀请报告（会议仅邀请3人作报告）。回国建立课题组后，先后获得吉林省长白山学者称号，吉林省第七批拔尖创新人才称号，吉林省青年科技工作者协会副主任。主持项目包括2项国家自然科学基金面上项目和2项吉林省科技厅项目等，发表SCI论文50余篇，其研究工作发表在国际高水平杂志Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Energy. Environ. Sci.等期刊。

郎中玲：东北师范大学物理学院，副教授。2017年获得罗维拉-维尔吉利大学化学博士学位。研究方向为多酸化学理论研究、新型光电催化材料的理性设计与模拟。目前已在 Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano. Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci.等国际著名杂志发表SCI研究论文30余篇。主持国家自然科学基金和吉林省教育厅等项目。

李英奇：东北师范大学化学学院讲师，硕士生导师。浙江大学材化学院本科，吉林大学材料学院博士，师从蒋青教授、郎兴友教授和李建忱教授。一直致力于基于微结构调控的纳米金属氧化物的合成及其在电容器以及新型离子电池中的应用。以第一作者或通讯作者身份在Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等高水平国际学术期刊发表论文20余篇，其中高被引论文1篇。获得国家授权发明专利3项。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目 1 项，主持吉林省科技厅面上项目 1 项。

吕佳奇：东北师范大学化学学院，无机化学专业，理学博士，现为长春理工大学师资博士后。2016年从吉林师范大学本科毕业后，进入东北师范大学臧宏瑛教授课题组开始研究生学习。主要研究方向为多金属氧簇合物的合成及其电催化性能研究。以第一作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanoscale Advances, Materials Chemistry Frontiers等期刊杂志上发表论文。

东北师范大学臧宏瑛教授课题组近期的研究工作主要围绕多金属氧簇的合成与组装及其在能量转换与储存中的基础应用研究，包括团簇基固体材料的离子导电性、多金属氧团簇材料在能量转换（如HER、ORR和NRR等）中的作用及多金属氧簇为氧化还原媒介的能源存储器件制作等。

课题组欢迎对多酸感兴趣的硕士、博士生报考。

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