张一洲&庞欢 Angew: 金属离子限域层状氧化钒纳米带用作水系锌离子电池正极

第一作者：吕婷婷

通讯作者：张一洲*，庞欢*

单位：扬州大学，南京信息工程大学

水系锌离子电池是一种很有前途的储能系统。但是，Zn²⁺的静电斥力大，且在水溶液中高度水化。水合Zn²⁺在层间的运动阻力较大，导致电化学动力学迟缓。更大的水合离子半径(4.3 Å)需要更大的扩散通道，在众多的正极材料中，氧化钒因其开阔的晶体结构为Zn²⁺提供了足够大的迁移通道。但也存在一些不可忽视的问题，如层状结构不稳定、电子导电性低等，导致循环容量和稳定性差。

在钒基材料的层间间距中引入金属离子是增加层间间距、扩大扩散通道、提高离子导电性的常用策略。层间金属限域使得在不改变钒氧化物原有形态的情况下将金属离子限域在特定的层间距内成为可能。

受限于不稳定的层状结构和低电子传导性，设计高容量和循环稳定性好的钒基材料仍然是一个挑战。基于此，扬州大学庞欢团队以氧化钒纳米带为模板，在不改变原有形貌的情况下，获得了一系列基于金属离子限域纳米带的纳米材料(M_x-V₆O₁₃, M= Na, K, Ag, Ca, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Fe, Cr, Al, 等.)，并解释了层间距对电化学性能的影响。

得到的Al_2.65V₆O₁₃·2.07H₂O作为水系锌离子电池（AZIBs），其电化学性能得到显著提高，在1.0 A·g⁻¹时的初始容量达到571.7 mAh·g⁻¹。即使在5.0 A·g⁻¹的高电流密度下，初始容量仍可达到205.7 mAh·g⁻¹,2000次循环后容量保留率高达89.2%。该研究表明，金属离子限域的纳米带可以显著改善储能应用，为提高AZIBs的电化学性能提供了新的途径。

M_x-V₆O₁₃是以V₆O₁₃纳米带为模板，通过简单的水热法合成的。M_x-V₆O₁₃的扫描电子显微镜（SEM）图像表明在金属离子限域插层过程中，纳米带结构没有被破坏。

图1. 合成示意图与形貌

要点二：通过同步辐射了解限域金属对氧化钒的影响

为了进一步了解限域金属对纳米带电子结构的影响，V₆O₁₃、Al₂和Al₃的V K边缘的X射线吸收近边结构（XANES）光谱如图2d所示，以V箔为参考。V的吸收边沿位置向高处移动，能级依次为V₆O₁₃、Al2和Al3，说明V的高价态随着限域金属的增加而降低。这些钒氧化物的V K边扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱显示，与V₆O₁₃相比，Al2的V1-O1、V1-O6和O1-O1键长变化不大，而Al3的相应键长增加，说明限域金属含量达到一定程度后会影响氧化钒的相应键长（图2f）。

图2 a) Al3和V₆O₁₃的XRD图案。B）形成和晶体结构的示意图。C）V₆O₁₃中三个晶体学上不相等的钒位。D）V₆O₁₃、Al2、Al3和V箔的V K-边的归一化XANES光谱。E) (d)中放大的归一化XANES光谱。F）V₆O₁₃、Al2、Al3和V箔的EXAFS光谱。

要点三：双载流子共嵌入可以通过协同效应显著提高水系锌离子电池的电化学性能。

在放电过程中可以观察到厚度约为200nm的片状物，在充电过程中消失或减少,这些片状物可以归因于电解液中水分解产生的OH^-与Zn²⁺反应形成Zn(OH)₂。为了保持电荷平衡，H⁺会被插入阴极而不是留在电解液中。

图3 a)Al3正极电极在电流密度为0.5 A·g^-1下的恒电流充放电曲线，以及（200）、（002）（110）和（-401）峰的相应山脉图示。b，c，d）在放电至0.9 V，0.2 V和充电至1.4 V时分别获得Al3的非原位SEM图谱。E，f）放电状态下Al3的EDS元素映射图像（放电至0.9 V和0.2 V）。g） Al3正极电极放电机理示意图。

Co-intercalation of Dual Charge Carriers in Metal-ion-confining Layered Vanadium Oxide Nanobelts for Aqueous Zinc-Ion Batteries.

庞欢，2011年 9月获南京大学理学博士学位。现为扬州大学化学化工学院教授、博士生导师、扬州大学化学化工学院院长。教育部青年长江学者（2018）；教育部新世纪优秀人才（2013）；江苏省杰出青年（2020）；全球高被引学者（2020、2021）；英国皇家化学学会会士（2022）。作为扬州大学代表之一与Elsevier联合创刊EnergyChem、担任管理编辑；任《国家科学评论》学科编辑组成员；多个期刊编委、青年编委学术兼职。主要从事基于配合物框架材料的能源化学研究。

近年来以第一/通讯作者在《国家科学评论》、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊发表SCI论文300多篇，论文被引次数达18000余次，H因子为84。主编/著英文书籍3本，主编江苏省重点教材2部：《能源化学》、《能源化学实验》高教社。

授权国家发明专利20项。主持或完成国家自然科学基金3项（联合重点1项）。曾获教育部自然科学一等奖（2020，R3）、江苏省教育教学与研究成果奖二等奖（2018，R1）、河南省科学技术进步二等奖（2016，R3）、中国电子学会科学技术一等奖（2019，R4）、大学生挑战杯全国一等奖（2017）、三等奖（2019）指导教师、扬州大学“金讲台”奖（2018）

获高等学校科学研究优秀成果一等奖，江苏特聘教授，主持国家自然科学基金两项，省部级科研项目五项，受Wiley，Springer Nature出版社邀请撰写英文专著三章节，主编英文专著一部，授权PCT美国专利两项，担任Nanomaterials 、Gels、Materials、ChemNanoMat、Chemistry-An Asian Journal、Frontiers in Nanotechnology等期刊的主题编辑

吕婷婷，扬州大学庞欢教授课题组博士研究生，主要研究方向为电化学储能材料及其应用。

扬州大学庞欢课题组诚招全职博士后

1. 应聘条件：

（1）纳米化学、配位化学、电化学和生物材料等研究方向，近2年取得或即将取得博士学位；

（2）有较好的研究基础和英语基础，原则上需以第一作者在SCI期刊上发表研究论文2篇或IF＞5.0或一区研究论文1篇；

（3）具有独立科研能力和严谨的学风，富有高度的责任心和团队协作精神。

（4）品学兼优，身心健康。

2. 岗位待遇 ： 

（1）年薪25万元（税前）在站期间按照有关规定参加社会保险，缴存住房公积金、新房帖；

（2）可按规定租住学校教职工宿舍，也可领取住房补助；

（3）提供必要的科研条件，博士后可作为负责人申请国家自然科学基金、中国博士后科学基金及江苏省博士后科研资助等项目；

（4）在站期间，根据研究项目需要，可以申请到国（境）外参加国际学术会议或进行短期学术交流、科研合作；

（5）可申报研究系列专业技术职务；（6）优秀推荐申请江苏省卓越博士后计划项目，30万（叠加工资）。

3. 工作任务：

在站工作期限一般为24个月，如特别优秀的经本人书面申请、导师同意、校博士后管理办公室审核后可适当延长在站时间，延长时间最长不超过1年，延长期内正常发放工资。在站期间需完成下列工作任务：

（1）在站期间至少在学院及以上范围公开进行2次学术报告；

（2）获国家或江苏省博士后科研资助项目1项，或作为主要研究人员参与合作导师主持的国家级科研项目1项；

（3）在SCI来源期刊上发表2篇学术论文或1篇一区以上学术论文（以Online为准），论文需以博士后为第一作者，扬州大学为第一署名单位。

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