新鲜出炉！纳米能源材料领军人物、国家重点研发计划首席专家麦立强教授2023上半年成果汇总！

人物简介

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，教育部“长江学者特聘教授”，国家杰出青年基金获得者，国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。目前担任武汉理工大学材料科学与工程学院院长，武汉理工大学纳米重点实验室主任。

曾获得/入选：何梁何利基金科学与技术创新奖（2020）、中国发明协会发明创新奖（一等奖，2020）、国家自然科学二等奖（排名第一，2019）、教育部自然科学一等奖（排名第一，2019）、国际电化学杰出研究奖（2018）、中国青年科技奖（2016）、国家“万人计划”领军人才（2016）、侯德榜化工科技青年奖（2016）、国家“百千万人才工程”（2015）、第十一届光华工程科技青年奖（2015）、湖北青年五四奖章（2015）、科技部创新推进计划中青年科技创新领军人才（2014）、湖北省自然科学一等奖（2014）、科学中国人年度人物（2014）、教育部新世纪优秀人才支持计划（2011）等。

麦老师团队主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、微纳器件、面向能源的生物纳电子界面等前沿方向。率先将纳米器件应用于电化学储能研究，重点开展了纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、原位表征、电输运与储能等系统性的基础研究，取得了一系列国际认可的创新性成果。在Nature、Nature Nanotechnol.、Chem. Soc. Rev.、Chem. Rev.、Nature Commun.、Adv. Mater.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Acc. Chem. Res.、Joule、Energy Environ. Sci.等国际著名期刊上发表论文500余篇，被引超5.7万次，H指数127。

现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编、Chemical Reviews、Advanced Materials客座编辑、Accounts of Chemical Research、Joule（Cell子刊）、ACS Energy Letters、Small、Science China Materials、Energy Environmental & Materials、Advanced Electronic Materials国际编委、Nano Research编辑、《功能材料》编委、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事、中国化学会能源分会首届委员。

课题组主页：http://mai.group.whut.edu.cn/chs/cy/fzr/

下面我们汇总了麦立强教授团队2023年上半年的部分研究成果，分享学习！

1、AEM：双金属单原子对促进硫的双向氧化还原，实现高倍率长循环锂硫电池

多硫化物严重的穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学是阻碍锂硫（Li-S）电池实际应用的主要问题。

武汉理工大学麦立强教授、许絮副教授、孙丛立副教授等人将双金属单原子对植入碳纳米球，以解决穿梭效应并促进硫的双向氧化还原动力学。实验和理论发现，Fe位点有利于多硫化物的还原反应，而Co位点有利于Li₂S的溶解，由于协同效应，Li-S电池的整体电化学性能得到了促进。结果，具有双金属单原子对的硫正极在0.5 C条件下循环100次后显示出96.4%的超高容量保持率。更重要的是，它显示出优异的倍率性能（10 C电流密度下为618 mAh g^-1），并且在2 C条件下的2800次循环中每循环仅衰减0.01%。此外，令人印象深刻的是，组装后的软包电池可提供1385 mAh g^-1的高放电容量，并且在0.2 C条件下循环100次后仍可保持869 mAh g^-1的放电容量。

图1 材料制备及表征

图2 锂硫电池性能

Boosting Bi-Directional Redox of Sulfur with Dual Metal Single Atom Pairs in Carbon Spheres Toward High-Rate and Long-Cycling Lithium–Sulfur Battery. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202301505

2、 AM：基于超均匀和功能化纳米离子分配器的无枝晶锂金属电池

具有均匀孔隙和功能化表面的离子隔膜在解决锂金属电池中的锂枝晶问题方面具有巨大的潜力。

武汉理工大学麦立强教授、四川大学赵焱教授、江汉大学李兆槐博士等设计并制备了单金属和氮共掺杂的碳三明治MXene（M-NC@MXene）纳米片，该纳米片具有直径为10 nm的高度有序的纳米通道。实验和计算验证了M-NC@MXene纳米片可以通过以下几种方式消除锂枝晶：（1）通过高度有序的离子通道重新分配锂离子通量；（2）通过杂原子掺杂选择性地传导锂离子和锚定阴离子以延长锂枝晶的成核时间；（3）在常规聚丙烯（PP）隔膜上紧密交错以阻碍锂枝晶的生长路径。，因此，通过Zn-NC@MXene涂层的PP隔膜，组装的锂离子对称电池在3 mA cm^-2的高电流密度和3 mAh cm^-2的高容量条件下，显示出25 mV的超低过电位和1500 h的循环寿命。值得注意的是，能量密度为305 Wh kg-1的Li||Ni83软包电池的寿命提高了5倍。此外，Li||Li、 Li||LiFePO4和Li||S电池的优异性能揭示了精心设计的多功能离子隔膜在进一步实际应用中的巨大潜力。

图1 材料制备及表征

图2 电化学性能研究

Ultra-Uniform and Functionalized Nano-Ion Divider for Regulating Ion Distribution toward Dendrite-Free Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202302418

3、AM：离子隧道基底实现100%高利用率锌负极定向沉积

锌金属是水系储能的理想负极；然而，锌负极存在非均匀沉积、低可逆性和枝晶形成等问题；这些问题导致锌金属在全电池中的过度供应。

武汉理工大学麦立强教授、罗雯副教授、吴劲松教授等人报告了通过捕获-种植过程，在较高的锌利用率（ZUR）下，实现了定向-附着-调控锌沉积。由于立方型普鲁士蓝类似物（PBA）的等距拓扑特征，初始锌沉积发生在垂直于基底方向等距≈5 Å的特定位点上；隧道基质中捕获的微量锌离子为Zn（002）沉积的定向附着提供了核。因此，PBA修饰的基底提供了超过6600次循环（1320小时）的无枝晶锌沉积/剥离的高可逆性，并在具有100%ZUR的5 mA cm⁻²下实现了99.5%的平均库仑效率（CE）。此外，正负极比(N/P)为1.2的低负极限制全电池可稳定运行360次，并显示出214 Wh kg^-1的能量密度；这大大超过了商用水系电池。这项工作为高利用率金属负极的概念设计提供了验证，并为开发高能量密度电池提供了实用方法。

图1 高ZUR对锌金属电池的意义以及锌横向沉积的定向附着机制

图2 全电池性能

Ion Tunnel Matrix Initiated Oriented Attachment for Highly Utilized Zn Anodes. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202302353

4、AEM：具有超高容量、能量密度和可集成性的微型电池

平面微型电池（MBs）具有易于集成、可大规模定制的特点，尤其是优异的电化学性能，是自供电微电子器件的迫切需要。

武汉理工大学麦立强教授等人采用简便的制备工艺制备了具有三维大孔微电极的Zn-MnO₂ MB。得益于三维大孔微电极的高电子/离子传输路径和聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-二氧化锰(PEDOT-MnO2)薄膜的高负载质量，Zn-MnO₂ MB实现了0.78 mAh cm^-2的超高容量和1.02 mWh cm^-2的出色的能量密度。此外，三维大孔PEDOT-MnO₂混合薄膜是通过一步电沉积实现的，它在不降低面积容量或阻碍离子扩散的情况下有效提高了循环性能。值得注意的是，该MB可稳定驱动电子计时器≈400 min，也可集成在数字式湿度温度计表面运行。此外，MB可通过堆叠无基底微电极实现集成，并达到3.87 mWh cm^-2的出色能量密度。因此，PEDOT-MnO₂//Zn MB作为下一代自供电微电子器件元件具有良好的应用前景。

图1 材料制备及应用示意

图2 PEDOT-MnO₂//Zn MB的电化学性能

3D Macroporous Frame Based Microbattery With Ultrahigh Capacity, Energy Density, and Integrability. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300574

5、AEM：原位构建拓扑SEI助力稳定的固态锂金属电池

由于阻抗和机械强度之间不可调和的矛盾，其导致的不相容界面层已经成为固态锂金属电池（SSLMB）实际应用的主要障碍之一。

武汉理工大学麦立强教授、徐林教授等人采用合理拓扑设计的解耦策略，利用合成的固态聚合物电解质原位构建了拓扑聚合物增强界面层。研究显示，所构建的拓扑固体电解质界面层（SEI）协调了增强的机械化学稳定性和Li⁺的快速扩散动力学，从而在循环过程中保持了SEI层的完整性和稳定性。此外，由于拓扑界面层的形成，可实现超过3000 h的高稳定性和可逆的锂沉积/剥离行为，以及超过500次循环的实用磷酸铁锂/锂金属电池的优异循环性能。总体而言，这种构建拓扑界面层以实现机械强度和Li⁺输运活化能解耦的设计策略为实现实用化SSLMB提供了一种可行的范式。

图1 SSLMBs中不同 SEI的原位生成示意图

图2 具有拓扑SEI的固态锂金属电池的性能

In Situ Topological Interphases Boosting Stable Solid-State Lithium Metal Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202204411

6、Angew：协调铋与硫的边缘缺陷，增强二氧化碳电还原甲酸盐

铋基材料被认为是电催化二氧化碳还原反应（ECO₂RR）的理想催化剂。然而，由于析氢反应（HER）的竞争，它们的选择性较差。

武汉理工大学麦立强教授等人开发了一种铋的边缘缺陷调控策略，通过将铋（Bi）的边缘缺陷与硫进行配位，来提高ECO₂RR的选择性并抑制竞争性HER。研究显示，所制备的催化剂具有优异的产物选择性，在碱性电解质条件下，HCOO^–法拉第效率高达≈95%，HCOO^–部分电流≈250 mA cm^-2。密度函数理论计算表明，硫倾向于与Bi边缘缺陷结合，减少配位不饱和Bi位点（*H吸附位点），并调节相邻Bi位点的电荷状态以改善*OCHO吸附。这项工作加深了人们对铋基催化剂ECO₂RR机理的理解，并为设计先进的ECO₂RR催化剂提供了指导。

图1 ECO₂RR性能研究

图2 理论计算

Coordinating the Edge Defects of Bismuth with Sulfur for Enhanced CO2 Electroreduction to Formate. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202303117

7、Nano Energy：过渡金属掺杂改善T-Nb₂O₅负极的导电性和氧化还原性

T-Nb₂O₅作为一种有前景的候选正极，因其良好的离子导电性和安全性，在超快充锂离子电池（LIBs）中引起了极大的兴趣。然而，相对较差的导电性和较低的容量极大地限制了其商业应用。

武汉理工大学麦立强教授、安琴友教授等人报告了一种微量Co掺杂策略，以提高T-Nb₂O₅的导电性和氧化还原化学性。研究显示，在不影响结晶宿主结构的前提下，Co-Nb₂O₅具有较高的电导率，同时在锂离子插入过程中诱导Nb⁵⁺/Nb⁴⁺和Nb⁴⁺/Nb³⁺的多电子氧化还原反应。作为锂离子电池正极，所制备的Co-Nb₂O₅纳米颗粒显示出较高的放电容量（0.1 A g^-1时为256.1 mAh g^-1）、优异的倍率能力（5 A g^-1时为141.7 mAh g^-1）和良好的循环稳定性（1 A g^-1下500次循环后，为179.7 mAh g^-1）。Co-Nb₂O₅的超快锂存储和高容量电化学性能得益于其高导电性和锂化/脱锂时的多电子氧化还原。总体而言，选择性过渡金属掺杂策略为开发新型嵌入式氧化物负极，以实现快速充电和高容量锂电池提供了新的方向。

图1 材料表征

图2 电化学性能

Crystal structure regulation boosts the conductivity and redox chemistry of T-Nb2O5 anode material. Nano Energy 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108377

8、Angew：揭示镁金属电池中氟化烷基镁盐的界面化学性质

探索具有高可逆镁沉积/剥离性和优异稳定性的电解液体系对于可充镁电池（RMBs）至关重要。氟代烷基镁盐(Mg(ORF)₂)不仅在醚类溶剂中具有高溶解度，而且与镁金属正极相容性好，具有广阔的应用前景。

武汉理工大学麦立强教授、安琴友教授等人合成了一系列不同种类的Mg(ORF)₂，其中全氟叔丁醇镁(Mg(PFTB)₂)/AlCl₃/MgCl₂电解质具有最高的氧化稳定性，并能促进原位形成稳固的固体电解质界面。因此，制备的对称电池可维持2000小时以上的长期循环，非对称电池在3000次循环中表现出99.5%的稳定库仑效率。此外，Mg||Mo₆S₈全电池可维持500次以上的稳定循环。这项工作为理解氟化烷基镁盐的结构-性能关系和电解质应用提供了指导。

图1 电解液溶剂化结构的实验和理论研究

图2 全电池性能

Revealing the Interfacial Chemistry of Fluoride Alkyl Magnesium Salts in Magnesium Metal Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202301934

9、AEM：超薄卵壳SiOx/C@C修饰铜箔实现无枝晶有序锂沉积

锂金属负极被认为是锂基电池的最终候选材料；然而，锂沉积的不可控性阻碍了其发展。在抑制锂枝晶方面，带有亲锂修饰的多孔宿主和铜箔已被证明是有效的。然而，在循环过程中亲锂修饰的失效会导致锂沉积无法进入封装空隙。此外，宿主/修饰材料几乎电化学惰性的特点会导致不希望的重量容量损失。

武汉理工大学麦立强教授、周亮教授等人在铜箔上构建了一层具有差异亲锂性、电活性的超薄稳定卵壳SiO_x/C@C。研究发现，在掺杂的C壳上，亲锂性更强的SiO_x/C核会诱导锂从粒子内空隙向粒子间隙依次沉积，然后在改性层上方沉积。这种沉积过程在锂剥离过程中发生逆转。结果，即使考虑到SiOx/C@C改性层的重量，也可以实现2818 mAh g^-1的高比容量。此外，Li-SiO_x/C@C-Cu负极在对称电池的严格条件下可循环使用500小时以上。当与磷酸铁锂正极（10.5 mg cm^-2）配对时，N/P比为2的全电池在350次循环后显示出91.3%的高容量保持率，证明了其在未来锂金属电池中的实际应用价值。

图1 不同基底上的锂沉积行为

图2 电化学性能研究

Sequential and Dendrite-Free Li Plating on Cu Foil Enabled by an Ultrathin Yolk–Shell SiOx/C@C Layer. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202204075

10、Angew：微量欠电位沉积引发剂实现的可逆锌金属负极

常规电解液添加剂难以主动引导原子水平的锌沉积，因此无法有效实现锌的均匀沉积。

武汉理工大学麦立强教授、伦敦大学学院何冠杰教授等人以欠电位沉积（UPD）为基础，提出了电解液添加剂在原子级均匀沉积锌的”护航效应”。在镍离子（Ni²⁺）添加剂的作用下，作者发现金属镍优先沉积并触发锌在镍上的UPD。这有利于Zn的牢固成核和均匀生长，同时抑制了副反应。此外，镍在锌剥离后溶解回电解液中，不会影响界面电荷转移电阻。因此，优化后的电池在1 mA cm^-2条件下可工作900小时以上（比空白电池工作时间长4倍以上）。此外，通过使用Cr³⁺和Co²⁺添加剂，这项工作确定了”护航效应”的普遍性。总体而言，这项工作将通过控制各种金属电池的界面电化学来启发广泛的原子级原理。

图1 电解液添加剂的”护航效应”示意图

图2 电化学性能研究

Reversible Zn Metal Anodes Enabled by Trace Amounts of Underpotential Deposition Initiators. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202301192

11、Angew：具有可逆3.2电子氧化还原反应的高能NASICON型钠电正极

钠超离子导体(NASICON)结构的正极材料具有强大的结构稳定性和大的Na⁺扩散通道，在钠离子电池(SIBs)中引起了极大的兴趣。然而，大多数NASICON型正极材料表现出每式不超过3个电子的氧化还原反应，这严格限制了容量和能量密度。

武汉理工大学麦立强教授、周亮教授等人设计了一系列NASICON型Na_3+xMnTi_1-xV_x(PO₄)₃正极材料，它们不仅表现出多电子反应，而且具有高电压平台。研究显示，在V^5+/4+(≈4.1 V)、Mn^4+/3+(≈4.0 V)、Mn^3+/2+(≈3.6 V)、V^4+/3+(≈3.4 V)和Ti^4+/3+(≈2.1 V)五种氧化还原对的作用下，优化后的材料Na_3.2MnTi_{0. 8}V_0.2(PO₄)₃实现了可逆的3.2电子氧化还原反应，因此获得了高放电容量（172.5 mAh g-1）和超高能量密度（527.2 Wh kg-1）。该研究揭示了高能SIBs用多电子氧化还原反应NASICON型正极材料的合理结构。

图1 材料表征

图2 不同电极的电化学性能

A High-Energy NASICON-Type Na3.2MnTi0.8V0.2(PO4)3 Cathode Material with Reversible 3.2-Electron Redox Reaction for Sodium-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202219304

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