多環芳烴：一種新型的鋁離子電池正極材料

高穩定性水系電池開發

原子級精確的Pt₆納米簇用于增強電催化氫氧化性能

近日，材料科學與工程學院邢偉教授課題組在新型離子電池（有機/水系鋁離子電池、鈉離子電池、鋰離子電容器）、電催化等研究方面取得系列進展。相關論文先后刊發在國際著名期刊《自然通訊》（Nature Communications）、《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）、《材料化學雜志》（Journal of Materials Chemistry A）、《碳》（carbon）上。

1. 原子級精確的Pt₆納米簇用于增強電催化氫氧化性能

Pt資源的稀缺性與其優異電催化活性之間的矛盾日益突出，對Pt基電催化劑進行原子級精確設計以實現其最優化利用成為解決上述矛盾的關鍵。基于此，邢偉教授團隊聯合青島科技大學袁勛教授提出了一種三苯基膦穩定的Pt₆團簇的設計思路，并用于堿性電催化氫氧化反應。受益于自優化配體效應和原子精度結構，Pt團簇基電催化劑表現出高質量活性、優異穩定性和抗CO毒化能力。理論計算證實，增強的電催化性能歸因于三苯基膦配體的雙重效應，它不僅可以調節原子級精確Pt團簇的形成，還可以改變Pt原子的d帶中心，從而有利于獲得*H、*OH 和 CO等中間體的良好吸附動力學。研究論文《原子級Pt₆納米簇增強電催化氫氧化》（Atomic-precision Pt₆nanoclusters for enhanced hydrogen electro-oxidation）發表在《自然·通訊》（Nat. Commun.2022,13,1596）上，IF：14.919。審稿人認為該工作創新性地開發了Pt₆納米團簇的制備方法，清晰揭示了Pt₆納米團簇的HOR催化機理。中國石油大學（華東）為第一署名單位，博士生王小寧、趙聯明副教授和李學進副教授為共同第一作者，邢偉教授和袁勛教授為共同通訊作者。

2. 多環芳烴：一種新型的鋁離子電池正極材料

目前最接近商業化應用的鋁離子電池一般采用石墨類正極材料，該類材料全充電狀態時，形成四階石墨插層化合物（即每四層石墨片層插入一層活性離子），導致石墨的理論容量偏低（一般小于100 mAh/g）。邢偉教授團隊選用具有小共軛體系的苯及多環芳烴，包括苯（C₆H₆）、萘（C₁₀H₈）、蒽（C₁₄H₁₀）、芘（C₁₆H₁₀）、苝（C₂₀H₁₂）、六并苯（C₂₂H₁₂）和暈苯（C₂₄H₁₂）作為研究對象，在理論計算的指導下，實驗研究了理論比容量相對較高的蒽，發現蒽具有優異的電化學性能，突破了多階插層化合物形成對儲鋁容量的限制。多環芳烴平面結構中的共軛π鍵和γ C-H鍵與AlCl₄^-之間適度的相互作用可以實現儲鋁。該工作為尋找用于鋁離子電池甚至其它儲能器件的高性能有機電極材料開辟了新的視野，也拓寬鋁離子正極材料的類型。研究論文《用于鋁離子電池的新型可靠多環芳烴正極材料》（Polycyclicaromatic hydrocarbons as a new class of promising cathode materials for aluminum-ion batteries）發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 60, e202114681）上，IF：15.336。審稿人認為該工作對新型高性能鋁離子電池正極材料的開發具有指導和借鑒意義。中國石油大學（華東）為第一署名單位，博生生孔冬青、博士后蔡同輝為共同第一作者，邢偉教授、趙聯明副教授和李學進副教授為共同通訊作者。

3.高穩定性水系電池開發

水系電池具有安全性高、成本低、功率特性好等優勢，在大規模儲能或人體穿戴設備等領域具有極具潛力的應用前景。但水系電池中存在電化學析氫、電極溶解、金屬電極電化學腐蝕等系列問題導致電池循環壽命較差。針對金屬鋁負極的電化學腐蝕析氫問題，該團隊設計了雜化高濃電解液，利用TFSI離子的溶劑化效應降低電解液中游離水分子比例，密度泛函理論計算結果表明電解液中的游離水分子比例能夠降低97%，有效抑制了電化學腐蝕和析氫反應。研究論文《混合電解液抑制水系鋁離子電池析氫和負極腐蝕》（Relieving hydrogen evolution and anodic corrosion of aqueous aluminum batteries with hybrid electrolytes）發表在《材料化學雜志》（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 4739-4748）， IF：12.732。審稿人認為該工作對改善水系鋁離子電池穩定性具有借鑒意義。中國石油大學（華東）為第一署名單位，李學進副教授、唐永超副教授為共同第一作者，支春義教授、李洪飛副研究員為共同通訊作者。

4.碳材料表面鈍化增強電化學儲能

雙電層電容器通過電極表面電荷吸附進行儲能，具有功率特性優異、循環壽命長等優勢，但能量密度低限制了其廣泛應用，拓寬雙電層電容器的電壓窗口是提高其能量密度的有效途徑。針對有機電解液中活性炭材料在高工作電壓下表面存在的電解液分解現象，邢偉教授團隊采用表面氟化鈍化策略，增加電解液分解反應能壘，有效抑制了電解液分解副反應，進而提高碳材料的工作電壓窗口。對商用活性炭電極進行表面氟鈍化后，所制備有機體系雙電層電容器的穩定電壓窗口由2.7V提高到3.3V，并表現出超長的循環壽命（20000次循環后電容保持98.3%），同時能量密度提高1.5倍，達到43.3Whkg^-1，優于此前報道的有機雙電層電容器。研究論文《碳表面鈍化增強能量存儲》（Boosted energy storage via carbon surface passivation）發表在《碳》（Carbon, 2021, 185, 105-112）上，IF：9.594，審稿人認為該工作對于高電壓、長循環壽命的商用超級電容器的開發具有重要的指導意義。中國石油大學（華東）為唯一署名單位，張譽博士、趙聯明副教授為共同第一作者，閻子峰教授和邢偉教授為共同通訊作者。

邢偉教授團隊長期從事新能源材料領域的研究，近年來承擔國家自然科學基金（7項）、山東省自然科學基金杰出青年基金、山東省自然科學基金重大基礎研究項目、中國石油重大超前儲備項目、山東省泰山學者青年專家支持計劃等課題20余項，發表學術論文100余篇，論文被他引8000 余次。研究成果獲山東省自然科學一等獎2項，教育部高等學校科學研究優秀成果獎自然科學二等獎1項。