余桂华教授课题组：理解带结晶水且层间结构可调的层状固体MOPO4（M = V，Nb）中的离子存储- 大数跨境

首页

余桂华教授课题组：理解带结晶水且层间结构可调的层状固体MOPO4（M = V，Nb）中的离子存储

科学材料站

2020-08-31

导读：本文以纳米片形态的MOPO4（M = V，Nb）水合物为对象，重点展示了层间环境对循环稳定性以及离子选择性的复杂影响。该研究发现在水合VOPO4层间，从而实现了优异的锂、钠离子传输动力学和还算合理的结

First published: August 28, 2020

第一作者：朱玥

通讯作者：余桂华*

单位：美国德克萨斯大学

研究背景

离子（如锂、纳离子）储存材料是电化学储能系统的核心。对于可再充电池而言，理想的离子储存材料不仅应该能够传导电子和离子，进行电化学氧化还原反应，还要在数百甚至数千次的循环中维持结构的稳定。

尽管经历了多年的研发，目前主流商用锂离子电池仍基于其发明之初所采用的嵌入型离子储存材料。层状材料拥有二维（2D）的开放通道，能够有效地存储离子，并且在纳米技术的加持下具有超薄的形貌时，离子的快速传输也不难实现。更有意思的是，这类材料的层间化学丰富，层间结构可调，从而具备进一步提升其离子储存性能的可能性。

然而，不管是直接合成还是后处理所获得的层状纳米结构，通常很难拥有优异的电化学循环稳定性。这个问题在几乎所有的离子储存材料都有所体现，只不过在层状材料中更为明显。其本质是离子传输过程中相关结构和体积变化所引起的不稳定性。

文章简介

近日,德克萨斯大学余桂华教授等人在国际顶级期刊ACS Nano上发表题为“Understanding Charge Storage in Hydrated Layered Solids MOPO4 (M = V, Nb) with Tunable Interlayer Chemistry”的研究工作。

作者以纳米片形态的MOPO4（M = V，Nb）水合物为对象，重点展示了层间环境对循环稳定性以及离子选择性的复杂影响。该研究发现在水合VOPO4层间，H2O分子在电化学循环中随层间距变化表现得像可压缩的弹簧一样，从而实现了优异的锂、钠离子传输动力学和还算合理的结构可逆性。而在一种由PO4基团永久连接的NbOPO4层状结构中，锂离子由于在其中传输并不引起体积变化而表现出更为优秀的循环性。

可惜的是，由于更高的离子迁移能垒的缘故该结构并不能很有效地储存钠离子。该工作不仅报道了一类结构上复杂但非常有趣的材料系统，还提供了如何对层间本不稳定的层状材料进行合理改造的见解，同时阐明了构建稳定的离子储存材料的设计原理。

要点解析

要点一：作者用简单的溶液合成法制备了一组具有丰富层间化学性质的MOPO4水合物。由于层间弱相互作用较弱，这些材料最终都可以处理成2D纳米片形貌。对于由自下而上所合成的NbOPO4，由于层间水分子相对无序，这导致反应过程中PO4也可参与层间构建，并形成无凝聚的结简单水合物、部分凝聚的纳米片凝胶网络以及完全凝聚的柱撑结构。

要点二：对于在可控合成条件下得到的两种截然不同的NbOPO4相，作者全面地研究了简单水合层和PO4连接层的离子储存性能。通过加入由自上而下的液相剥离法所制备的VOPO4·2H2O纳米片作为对比，作者揭示了该类复杂类层状材料中氧化还原电位、层间距、层间稳定性、离子插层程度、倍率性能和循环稳定性之间的复杂关系。特别是，层间本极不稳定的NbOPO4水合物在PO4支撑后展现出高度稳定的锂离子传输过程，并且在此过程中结构表现出零体积变化。

要点三：本文报道的MOPO4体系提供了对之前较少研究的水合层状材料的更深入的理解，包括其材料合成、层间结构可调性和离子存储特性。在更广泛的背景下，作者的研究为在清楚理解层间化学的前提下重新评估旧层状材料体系或构建稳定并快速的新型离子存储材料提供了动力。

导师照片：

文章链接:

Understanding Charge Storage in Hydrated Layered Solids MOPO4 (M = V, Nb) with Tunable Interlayer Chemistry

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06193

通讯作者介绍：

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）和皇家物理学会会士（FInstP）。

余桂华教授课题组近些年致力于新型液流电池的研究和设计、新型功能化纳米材料的合理设计和合成等，综合了化学科学、材料科学和能源科学的跨学科研究，取得了开创性研究，在能源、环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today 等国际著名刊物上发表论文180余篇，论文引用~31,000次，H-index~90。

现任 ACS Materials Letters 副主编，是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委，如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry ofMaterials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), NanoResearch (Springer), Science China-Chemistry, Science China-Materials (ScienceChina Press), Scientific Reports (Nature Publishing), Energy Storage Materials(Elsevier), Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH)等。

课题组介绍: