近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院任祥忠教授團(tuán)隊(duì)在化學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊《Angewandte Chemie》（影響因子16.6，中科院JCR 1區(qū)，TOP期刊）發(fā)表了題為《Creating High-entropy Single Atoms on Transition Disulfides through Substrate-induced Redox Dynamics for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution》的研究論文。深圳大學(xué)羅兆艷助理教授為論文第一作者，深圳大學(xué)任祥忠教授和加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良院士為該論文共同通訊作者，深圳大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位。

多金屬單原子(SAs)可控地錨定到單一載體上展示了科學(xué)和技術(shù)機(jī)會(huì)，而將濃度復(fù)雜的多金屬SAs和高熵SAs(HESAs)結(jié)合到一個(gè)SAC系統(tǒng)中仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在本研究中，作者通過(guò)一種襯底介導(dǎo)的SAs形成策略，成功地在MoS₂和MoSe₂載體上制備了多金屬SAs和HESAs的文庫(kù)，可以精確地控制SAS的摻雜位置。特別是，SAs的含量可以不斷增加，直到TMDS載體上可達(dá)的Mo原子完全被SAs取代，從而允許更高的金屬含量。深入的機(jī)理研究表明，通過(guò)控制TMDS/TM離子界面上發(fā)生的可逆氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了多金屬SAS和HESA的良好控制合成。作為概念驗(yàn)證的應(yīng)用，各種SAs-TMDs被應(yīng)用于析氫反應(yīng)。優(yōu)化的HESA-TMDs(Pt、Ru、Rh、Pd、Re-MoSe₂)比最先進(jìn)的鉑具有更高的活性和耐用性。因此，本研究工作將拓寬單原子催化劑的家族，為合理設(shè)計(jì)高性能的單原子催化劑提供新的指導(dǎo)。

催化材料的電化學(xué)HER性能

該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202405017

深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院任祥忠教授團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域頂尖期刊《Advanced Functional Materials》（影響因子18.5，中科院JCR 1區(qū)，TOP期刊）發(fā)表了題為《Synergistic M-O Dual-Atom Pairs Induced Interfacial Water Hydrogen Bonding Network for Boosting MoSe₂Electrocatalytic Performance》的研究論文。該團(tuán)隊(duì)助理教授羅兆艷和碩士研究生生郭逸潤(rùn)為論文共同第一作者，深圳大學(xué)任祥忠教授為該論文通訊作者，深圳大學(xué)為唯一作者單位和唯一通訊單位。

了解析氫反應(yīng)（HER）過(guò)程中電極-溶液界面水網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，包括它如何受到電極材料和電解質(zhì)pH值的雙重調(diào)節(jié)，以及其對(duì)反應(yīng)中間體（H*和OH）的后續(xù)影響*)，在電化學(xué)中至關(guān)重要。 然而，由于水具有反應(yīng)物和溶劑的雙重作用，相關(guān)研究受到限制。 因此，有必要構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)⒔缑嫠饔门c表面催化HER過(guò)程的影響解耦的理想模型。

在這項(xiàng)研究中，作者通過(guò)開(kāi)發(fā)了M-O原子對(duì)摻雜的MoSe2模型催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并在雙層微環(huán)境中定制水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和原位光譜表征，成功建立了水構(gòu)型、水網(wǎng)絡(luò)和水解離與HER活性之間的相關(guān)性。這一發(fā)現(xiàn)表明，與堿性介質(zhì)相比，由親氧物質(zhì)調(diào)節(jié)的pH依賴(lài)性氫鍵環(huán)境對(duì)酸性HER的影響更大。優(yōu)化的Rh,O-MoSe_2-x催化劑在酸性和堿性電解質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且在1.5 A cm^?2的PEMWE測(cè)試中沒(méi)有表現(xiàn)出活性衰減，使其有望用于可擴(kuò)展的水電解槽。

Rh, O-MoSe_2-x為陰極電催化劑的PEMWE電解槽的性能

該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202405017

深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院任祥忠教授團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域頂尖期刊《Advanced Energy Materials》（影響因子24.4，中科院JCR 1區(qū)，TOP期刊）發(fā)表了題為《Glutamic Acid Induced Proton Substitution of Sodium Vanadate Cathode Promotes High Performance in Aqueous Zinc-Ion Batteries》的研究論文。該團(tuán)隊(duì)碩士生張鵬濤為論文第一作者，深圳大學(xué)任祥忠教授和羅兆艷助理教授為該論文共同通訊作者，深圳大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位。

水系鋅離子電池因其具有低成本、對(duì)環(huán)境友好、高容量（820 mAh g^?1）和較低的氧化還原電位(?0.78 V vs. SHE)等特點(diǎn)而成為最受關(guān)注的電化學(xué)儲(chǔ)能器件之一。然而，釩基正極材料仍然存在層間距窄、不可逆相變、結(jié)構(gòu)溶解和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)緩慢等問(wèn)題，這極大限制了其在水系鋅離子電池中的應(yīng)用。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)客體材料介導(dǎo)的NVO合成策略，利用谷氨酸（Glu）誘導(dǎo)質(zhì)子取代Na，實(shí)現(xiàn)Na₂V₆O₁₆·3H₂O（NVO）的晶體轉(zhuǎn)變，從而探索出一種有機(jī)-無(wú)機(jī)混合正極HNaV₆O₁₆·4H₂O-Glu（HNVO-Glu）。其中，通過(guò)Glu可以將H引入NVO框架中，誘導(dǎo)形成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的單斜HNaV₆O₁₆·4H₂O相，防止結(jié)構(gòu)相變和V₆O₁₆層狀結(jié)構(gòu)材料坍塌；同時(shí)Glu作為支柱擴(kuò)大層間距，提升Zn²⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)；此外，Glu表面的極性基團(tuán)削弱了Zn²⁺與宿主材料之間的靜電作用，進(jìn)一步提高了Zn²⁺遷移速率；理論計(jì)算表明Glu的引入可以將原始的p型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，提高了HNVO正極的導(dǎo)電性。該研究為未來(lái)合理設(shè)計(jì)具有有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的先進(jìn)水系鋅電正極提供了潛在的見(jiàn)解。

原位XRD/Raman和非原位ICP/XPS解析充放電反應(yīng)機(jī)理

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202401493

深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院任祥忠教授團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域頂尖期刊《Journal of Colloid And Interface Science》（影響因子9.1，中科院JCR 1區(qū)，TOP期刊）發(fā)表了題為《Polypyrrole pre-intercalation engineering-induced NH₄⁺removal in tunnel ammonium vanadate toward high-performance zinc ion batteries》的研究論文。該團(tuán)隊(duì)碩士生龔洋洋和張鵬濤為本文的共同第一作者，深圳大學(xué)任祥忠教授和范爽專(zhuān)職研究員為該論文共同通訊作者，深圳大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位。

在水系鋅離子電池釩基正極材料中，NH₄V₄O₁₀因其銨根離子(NH₄⁺)具有較大的離子半徑(約143 pm)和相對(duì)較小的摩爾質(zhì)量(18 g mol^?1)，從而使得正極層間間距大，具有較高的Zn²⁺存儲(chǔ)容量。然而在重復(fù)的充放電過(guò)程中，NH₄V₄O₁₀層間NH₄⁺離子的不可逆脫出，導(dǎo)致正極的主鏈結(jié)構(gòu)往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的崩塌，從而進(jìn)一步降低反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及循環(huán)壽命差。因此，減少過(guò)量的NH₄⁺帶來(lái)的副作用對(duì)于提高釩酸銨正極的電化學(xué)性能至關(guān)重要。

在本研究闡明了一種通過(guò)引入聚吡咯（ppy）部分取代NH₄V₄O₁₀層間多余的銨離子以提高電化學(xué)性能的新策略。首先聚吡咯的引入?yún)f(xié)同去除NH₄⁺，同時(shí)伴隨著層間行間距的擴(kuò)大和豐富的氧空位，為鋅離子遷移提供了更多暴露的活性位點(diǎn)，提高了界面的電子/離子電導(dǎo)率。其次Ppy聚合物與層中剩余的NH₄⁺可以共同作為支柱支撐層的結(jié)構(gòu)，打破Zn²⁺離子與主體框架之間的排斥靜電相互作用，進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。因此，該正極具有高容量（0.5 A g^?1時(shí)為431.9 mA h g^?1）、優(yōu)異的倍率能力和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性（20 A g^?1時(shí)1500次循環(huán)后為219.1 mAh g^?1）。該方案為水系鋅電釩基正極材料的設(shè)計(jì)提供一種新的思路和見(jiàn)解。

原位和非原位表征探究NVOY正極充放電反應(yīng)機(jī)理

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.03.025

深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院任祥忠教授團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域頂尖期刊《Carbon Energy》（影響因子19.5，中科院JCR 1區(qū)）發(fā)表了題為《Building Fe atom-cluster composite sites using a site occupation strategy to boost electrochemical oxygen reduction》的研究論文。該團(tuán)隊(duì)碩士研究生周廷儀為論文第一作者，深圳大學(xué)任祥忠教授和羅兆艷助理教授，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所邢巍教授為該論文共同通訊作者，深圳大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位。

制備M-N-C單原子催化劑的高溫?zé)峤膺^(guò)程通常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高度異質(zhì)性，同時(shí)包含從單原子（SA）、原子團(tuán)簇到納米顆粒的多尺度金屬相。因此，了解這些組分之間的相互作用，尤其是單原子位點(diǎn)和原子團(tuán)簇位點(diǎn)之間的協(xié)同效應(yīng)，對(duì)于提高M(jìn)-N-C催化劑的氧還原反應(yīng)（ORR）活性至關(guān)重要。

在本研究中，作者通過(guò)位點(diǎn)占據(jù)策略構(gòu)建了一種由原子分散的FeN₄SA位點(diǎn)和相鄰鐵簇組成的模型催化劑。本研究中發(fā)現(xiàn)，鐵簇可以通過(guò)引入電子吸收-OH配體和降低鐵中心的d帶中心來(lái)優(yōu)化氧還原中間產(chǎn)物在FeN₄SA位點(diǎn)上的吸附強(qiáng)度。所開(kāi)發(fā)的催化劑具有令人鼓舞的ORR活性，在酸性和堿性介質(zhì)中的半波電位（E_1/2）分別為0.831 V和0.905 V。此外，該催化劑的耐久性也超過(guò)了Fe-N-C SA催化劑。Fe(Cd)-CN_x催化劑在金屬-空氣電池裝置中的卓越活性和穩(wěn)定性進(jìn)一步驗(yàn)證了它的實(shí)際應(yīng)用。本研究工作表明，多相金屬物種之間的協(xié)同效應(yīng)在改進(jìn)單原子位點(diǎn)催化劑方面具有巨大潛力。

Fe(Cd)-CN_x催化劑在酸性和堿性溶液中的電化學(xué)ORR性能

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/cey2.477

深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院任祥忠教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際能源領(lǐng)域著名期刊《Journal of Colloid And Interface Science》（影響因子9.4，中科院JCR1區(qū)，TOP期刊）上發(fā)表了題為《Polar groups promoting in-situ polymerization phase separation for solid electrolytes enabling solid-state lithium batteries》的論文。該團(tuán)隊(duì)碩士生羅永睿和博士生錢(qián)音男為共同第一作者，任祥忠教授和羅兆艷助理教授為共同通訊作者，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。

固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPEs）面臨著低離子導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度弱和電化學(xué)穩(wěn)定性有限等挑戰(zhàn)。研究人員開(kāi)發(fā)了如復(fù)雜聚合物結(jié)構(gòu)、交聯(lián)系統(tǒng)和添加填料或增塑劑等戰(zhàn)略來(lái)克服這些障礙。其中，使用聚合物化學(xué)誘導(dǎo)相分離（PIPS）策略設(shè)計(jì)的聚合物復(fù)合電解質(zhì)（PCEE）是一種非常有前景的SPE。這種方法在聚合過(guò)程中誘導(dǎo)了共聚物中離子導(dǎo)電相和塑晶相的相分離，形成特定的功能結(jié)構(gòu)。然而，PCEE中聚合物基體單體的分子設(shè)計(jì)仍待深入探討。

本文中，研究團(tuán)隊(duì)選擇了不同電子基團(tuán)的單體（如-OH為電子供體基團(tuán)，-CN和-F為電子吸收基團(tuán)），以研究這些基團(tuán)特性對(duì)PIPS過(guò)程的影響，并闡明固態(tài)鋰金屬電池中性能變化的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)顯示，含有-CN和-F基團(tuán)的單體引起了相分離，形成了一個(gè)被聚合物相包圍的3D塑晶相。值得注意的是，使用-F單體合成的PCEE（FBA-PCEE）在30°C下具有高達(dá)2.02 mS cm?1的離子導(dǎo)電性、高達(dá)0.75的鋰離子遷移數(shù)以及5.1 V的寬電化學(xué)窗口。此外，F(xiàn)BA-PCEE在鋰金屬對(duì)稱(chēng)電池中表現(xiàn)出與鋰金屬陽(yáng)極的優(yōu)良界面穩(wěn)定性。引入極性-F基團(tuán)增強(qiáng)了聚合物的電子吸引能力，促進(jìn)了聚合物段的低能量遷移，從而確保了全固態(tài)鋰金屬電池（ASSLMB）中的優(yōu)異電化學(xué)性能。本研究通過(guò)聚合物化學(xué)誘導(dǎo)相分離為高性能PCEEs和高能量密度的聚合物鋰金屬電池的設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解。

PCEEs的相關(guān)理論計(jì)算以及紅外光譜測(cè)試

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.08.132

深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院任祥忠教授團(tuán)隊(duì)在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（影響因子8.3，中科院JCR2區(qū)，TOP期刊）上發(fā)表了題為《Unveiling the Role of Filler Characteristics in Enhancing High-Voltage Performance of Succinonitrile-Based Solid-State Lithium Metal Batteries》的論文。該團(tuán)隊(duì)碩士研究生尹若男和張兆昊為共同第一作者，任祥忠教授和羅兆艷助理教授為共同通訊作者。深圳大學(xué)為唯一作者單位和唯一通訊單位。

隨著對(duì)清潔和高效能源存儲(chǔ)需求的日益增長(zhǎng)，可充電鋰離子電池（Lithium-ion Batteries, LIBs）得到了顯著發(fā)展。其中，固態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度和安全性而被視為未來(lái)電池技術(shù)的重要發(fā)展方向。因此，開(kāi)發(fā)具有高離子導(dǎo)電性和良好電化學(xué)穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)的重要性，能夠?yàn)楦吣芰棵芏?、高安全性的電池技術(shù)提供新的解決方案。

本研究中，為了開(kāi)發(fā)具有卓越離子導(dǎo)電性和廣泛電化學(xué)穩(wěn)定性的電解質(zhì)，制備了3D PAN納米纖維和包含不同路易斯酸-堿屬性的無(wú)機(jī)填料的聚合物電解質(zhì)。PAN@Al-SSE展現(xiàn)出優(yōu)異的離子導(dǎo)電性（室溫下為0.48 mS·cm^?2）、高Li⁺傳輸數(shù)（0.41）和寬電化學(xué)窗口（5.26 V）。該裝置能在0.03 V下，0.2 mA·cm^?2的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1000小時(shí)。此外，該技術(shù)為高電壓Li-LiCoO₂固態(tài)電池提供了卓越的循環(huán)性能（在0.2和1 C下100次循環(huán)后分別保留91.3%和82.1%）。機(jī)制研究表明，表面填料的路易斯酸-堿屬性對(duì)于形成穩(wěn)定的固體-電解質(zhì)界面層至關(guān)重要。特別是，具有更多路易斯酸位點(diǎn)的γ-Al₂O₃確保了LiTFSI的解離，并誘導(dǎo)了丁二腈的過(guò)度分解和聚合。在丁二腈基固態(tài)電解質(zhì)中，解離和聚合之間的平衡效應(yīng)對(duì)于改善丁二腈基固態(tài)鋰電池的性能，尤其是在高電壓條件下，起著關(guān)鍵作用。

本工作闡明了丁二腈基固態(tài)電解質(zhì)的強(qiáng)化機(jī)制對(duì)于高電壓條件下的ASSLMBs至關(guān)重要。在SN基固態(tài)電解質(zhì)中存在解離和聚合之間的平衡效應(yīng)。特別是，添加γ-Al₂O₃導(dǎo)致溶脹SN分子和接觸離子對(duì)濃度增加，從而顯著加速了鋰鹽的解離。同時(shí)，富含鋰的固體電解質(zhì)界面成分（例如LiF和Li₃N）的發(fā)展變得更加可行。SEI膜可以有效地防止SN在鋰陽(yáng)極表面的副反應(yīng)，從而增強(qiáng)基于SN的高電壓固態(tài)鋰電池系統(tǒng)。

納米纖維和聚合物電解質(zhì)的制備合成示意圖和丁二腈基固態(tài)鋰電池的性能測(cè)試圖

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c10917