哈工大黄燕教授&于淼教授， AM观点：一种具有氧化还原活性封端基团的用于高能水系级联电池的MBene材料

第一作者：张子帅

通讯作者：黄燕*，于淼*

单位：哈尔滨工业大学（深圳），哈尔滨工业大学

由于具有高比面积、高化学活性和快速的载流子迁移率的特性，二维（2D）过渡金属硼化物（MBenes）作为二维材料家族的新成员，在电催化和储能领域具有广阔的应用前景。虽然此前已经报道了多种类型的MBenes，但尚未合成出具有氧化还原活性端基的层状MBenes。本文通过一种简便、节能的熔融盐刻蚀的方法合成了具有氧化还原活性端基的MBenes材料，并应用于水系Zn||I₂级联电池。合成得到的层状MBenes具有有序的金属空位和-Br封端基团，当作为碘物种的宿主材料应用于水系电池时，可以使得I^–/I⁰和Br–/Br⁰接续发生反应。I2@MBene-Br正极在899.7 W kg^–1时可获得485.8 Wh kg^–1的能量密度，在180.2 Wh kg^–1时可获得6007.7 W kg^–1的功率密度，远远超过了当前Zn||I₂电池的最佳报道。本研究结果表明，此MBene的合成方法可以克服传统合成方法的挑战，并为构建其他类型的高能水系级联电池提供了新的研究思路。

近日，来自哈尔滨工业大学（深圳）的黄燕教授与哈尔滨工业大学的于淼教授合作，在国际顶级期刊Advanced Materials上发表题为“MBene with Redox-Active Terminal Groups for an Energy-Dense Cascade Aqueous Battery”的研究性文章。该文章基于当前合成的MBenes材料的封端基团为非电化学活性的现状，合成了一种新型的封端基团具有-Br电化学活性的MBene材料，并在水系电解液中构建了具有高能量密度的级联电池。

图1. I₂@MBene-Br材料的合成示意图及级联反应概念图。。

当前报道的MBenes材料主要分为两类：1)不具有封端官能团；2）具有封端官能团。若合成的MBenes材料包含具有电化学活性的封端官能团，较不具有封端官能团的MBenes，将会获得更多的能量输出。然而，当前合成的MBenes材料的封端基团主要为电化学惰性基团（如–F，–O，–OH或–Cl），因此需要合成具有电化学活性端基的MBenes材料以实现更高的能量输出。在本研究工作中，通过使用CuBr₂熔融盐刻蚀的方法合成了一种封端基团具有Br–/Br₀电化学活性的MBene-Br材料，突破了传统MBenes材料合成的瓶颈。

在单个水系电池中进行级联氧化还原反应已被认为是一种提升能量密度的有效途径。这一过程不仅可以减少外部连接所需的非活性零件（如导线等），还可以提高容量和电压。当前，级联电池的研究主要集中于选择具有不同氧化还原电位的电极材料。事实上，电极材料的空间结构会影响其比表面积、骨架稳定性、电导率和反应动力学，这些对能量密度至关重要，但级联电池目前没有考虑。在本研究工作中，基于MBene-Br材料的层状空间结构和电化学活性的封端官能团，将其作为碘物种的宿主材料应用于水系锌离子电池。充放电过程中，I₂@MBene-Br正极可以接续发生I–/I₀和Br–/Br₀的级联反应，并且可以获得高的能量输出。

MBene with Redox-Active Terminal Groups for An Energy-Dense Cascade Aqueous Battery

黄燕，哈尔滨工业大学（深圳）教授、博士生导师。研究工作主要围绕先进电化学能源材料的设计开发及其在柔性和可穿戴领域的应用研究。课题组迄今为止已在Nat. Commun.、 Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、 Adv. Funct. Mater.、 ACS Nano等国际权威期刊发表论文130余篇，被Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊引用14000余次，17篇论文被入选为ESI高被引论文。（课题组主页 http://flexenergy.hitsz.edu.cn/）

于淼，哈尔滨工业大学教授、博士生导师。长期从事功能性低维材料的设计和性能研究，先后在光致石墨烯精准功能化、表面合成类石墨烯二维单层高分子、多位一体诊疗抗癌诊疗制剂、能源电池、二氧化碳电还原、海水淡化等方面取得了突破性成果。相关成果发表在已发表SCI文章100余篇，包括Nat. Chem.、Nat. Mater.、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Phys. Rev. Lett.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano Energy等，其中第一作者或通讯作者近90篇。（课题组主页http://homepage.hit.edu.cn/miaoyu）

张子帅，哈尔滨工业大学博士研究生。

柔性能源转化与存储课题组成立于2017年秋季，依托于深圳市柔性印刷电子技术重点实验室和哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院。课题组立足于开发高性能、高安全的水系柔性及可穿戴能源电子材料与器件，主要研究高性能水系电池材料、固态电池、燃料电池电催化剂，并设计开发柔性可穿戴高安全电化学能源器件。从材料合成到器件制备，结合物理表征、电化学表征、理论计算和实用模型验证，横跨无机化学、有机化学、高分子材料、电化学等多门学科，全面分析与研究能源材料与器件的性能特点与工作原理。诚挚地欢迎更多有志青年加入！