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发布时间：2024-04-04 00:26:04 来源：zoty中欧体育全站 作者：中欧体育app下载官网
氮化钒(VN)电极在水系电解液中表现出高倍率的赝电容反应，但在非水钠基电解液中的反应机制仍不清楚。传统观点认为VN负极中Na+的存储是一种转换型机制，但没有解释其比容量依赖于尺寸大小的现象和赝电容电荷存储行为的根本原因。近日，合作证明了VN负极在非水钠基电解液中的表面氧化还原赝电容储钠机制。通过非原位X射线光电子能谱和半定量分析，VN颗粒的储钠机制是基于表面氧化钒存在所发生的V5+/V4+与V3+间的氧化还原反应，这与已知的转换反应机理不同。对VN进行纳米化与多孔化，提升了电极比表面积与表面钒的价态，增强了赝电容反应活性。优化的VN-10 nm多孔纳米片负极在20 A g−1的高比电流下，比容量为106 mAh g−1，同时具有5000次的稳定循环。该项工作亮点展示了赝电容反应实现高倍率钠离子存储应用的巨大前景。
赝电容材料将氧化还原反应产生的高能量密度与电容型反应具有的高功率密度相结合，得到了广泛的关注。VN电极在水系（1 M KOH）电解液中比电容值高达1300 F g−1和500 F cm−2，其反应是基于表面存在的钒氧化物（V5+/ V4+）进行的多电子氧化还原反应，进而获得高比电容。在水系Na2SO4电解液中，Na+同样地通过电化学吸/脱附在氮化钒表面的氧化物进行发生赝电容反应，但其稳定性较差。VN电极在非水系锂基和钠基电解液中也得到了一定研究，而传统观念认为其是基于转化反应机制。但是，多数报道的结果表明VN的循环伏安（CV）曲线呈电容特性的矩形状，并且原位或非原位的XRD结果均表明在完全锂化或钠化的状态下，VN的晶格参数也几乎没有变化，这与传统观念认为的转化反应机制不同。并且，多数报道的氮化钒材料往往与碳基材料复合，其会贡献不小的比容量，影响对于氮化钒本征构效关系的揭示。
该工作的研究重点在于探索非水系钠基电解液中VN的本征储钠机制。为了保持VN的纳米尺寸，并实现其比表面积最大化，我们设计制备了VN介孔纳米片，并且不与石墨烯等碳基材料进行复合。基于非原位表征、反应动力学分析和第一性原理计算结果证明了VN表面存在的氧化物状态和其导致的氧化还原反应决定了电极的储钠性能。基于表面氧化还原反应的VN电极具有优异的倍率性能和循环稳定性，通过多孔纳米结构构筑实现了比容量的显著提升。这一工作亮点展示了通过赝电容反应克服缓慢钠离子扩散所导致倍率性能差的限制，推动高功率钠离子的储能材料与器件的发展。
(A) VN介孔纳米片的转化，包括两个步骤：结晶水的去除和阴离子交换的氮化过程。(B)氧化钒干凝胶纳米片和(C,D) VN‐10 nm介孔纳米片的SEM图。
三个VN样品的(A)恒流充放电曲线时的循环性能，和(C) 0.2到20 A g−1电流下的倍率性能，(D) VN‐10 nm电极材料在1.0 A g−1下的循环性能。
(A)三个VN样品在扫描速率为1.0 mV s−1时的CV曲线时的CV曲线，阴影区域表示电容反应贡献。
(A) VN‐10 nm在不同钠化/脱钠状态下的非原位XRD图谱。(B) VN‐10 nm的初始、完全钠化和脱钠状态的V 2p XPS谱图。(C) VN的表面氧化还原赝电容储钠机制示意图：基于氮化钒表面存在的钒氧化物进行V5+/V4+与V3+的氧化还原反应。
加州大学洛杉矶分校Samueli工学院临时院长，材料科学与工程系Nippon Sheet Glass教授，主要研究方向为有机-无机材料的合成及其电学、光学、生物和电化学性能的表征，相关研究成果发表在Science, Nat. Mater., Nat. Rev. Mater.等国际期刊。
武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。在Nature（2篇）、Science（1篇），Nature、Science及Cell子刊（24篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获授权国家发明专利130余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告120余次。获国家自然科学奖二等奖（第一完）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。
厦门大学材料学院副教授，福建省高层次引进人才，厦门大学南强青年拔尖人才。2016年博士毕业于武汉理工大学材料学院，导师为张清杰教授和麦立强教授。2016-2019年在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料系Bruce Dunn教授课题组从事博士后研究工作。主要从事高比能与高功率电化学储能材料与器件的研究。主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目，发表SCI论文120余篇，包括Nat. Comnun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater.等，论文共计被引用10000余次，多篇论文入选ESI高被引论文、被选为封面亮点报导。获2021年中国新锐科技人物知社特别奖。
Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和43位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。
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