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邢伟教授团队在团簇催化和稠环芳烃电极材料等方面取得系列进展

作者：李学进审核：鲁效庆发布者：张琰发布时间：2022-03-30浏览次数：368

近日，我院邢伟教授课题组在新型离子电池（有机/水系铝离子电池、钠离子电池、锂离子电容器）、电催化等研究方面取得系列进展。相关论文先后刊发在国际著名期刊《自然通讯》（Nature Communications）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）、《材料化学杂志》（Journal of Materials Chemistry A）、《碳》（carbon）上。

1. 原子级精确的Pt₆纳米簇用于增强电催化氢氧化性能

Pt资源的稀缺性与其优异电催化活性之间的矛盾日益突出，对Pt基电催化剂进行原子级精确设计以实现其最优化利用成为解决上述矛盾的关键。基于此，邢伟教授团队联合青岛科技大学袁勋教授提出了一种三苯基膦稳定的Pt₆团簇的设计思路，并用于碱性电催化氢氧化反应。受益于自优化配体效应和原子精度结构，Pt团簇基电催化剂表现出高质量活性、优异稳定性和抗CO毒化能力。理论计算证实，增强的电催化性能归因于三苯基膦配体的双重效应，它不仅可以调节原子级精确Pt团簇的形成，还可以改变Pt原子的d带中心，从而有利于获得*H、*OH 和 CO等中间体的良好吸附动力学。研究论文《原子级Pt₆纳米簇增强电催化氢氧化》（Atomic-precision Pt₆ nanoclusters for enhanced hydrogen electro-oxidation）发表在《自然·通讯》（Nat. Commun. 2022, 13, 1596）上，IF：14.919。审稿人认为该工作创新性地开发了Pt₆纳米团簇的制备方法，清晰揭示了Pt₆纳米团簇的HOR催化机理。中国石油大学（华东）为第一署名单位，博士生王小宁、赵联明副教授和李学进副教授为共同第一作者，邢伟教授和袁勋教授为共同通讯作者。

2. 多环芳烃：一种新型的铝离子电池正极材料

目前最接近商业化应用的铝离子电池一般采用石墨类正极材料，该类材料全充电状态时，形成四阶石墨插层化合物（即每四层石墨片层插入一层活性离子），导致石墨的理论容量偏低（一般小于100 mAh/g）。邢伟教授团队选用具有小共轭体系的苯及多环芳烃，包括苯（C₆H₆）、萘（C₁₀H₈）、蒽（C₁₄H₁₀）、芘（C₁₆H₁₀）、苝（C₂₀H₁₂）、六并苯（C₂₂H₁₂）和晕苯（C₂₄H₁₂）作为研究对象，在理论计算的指导下，实验研究了理论比容量相对较高的蒽，发现蒽具有优异的电化学性能，突破了多阶插层化合物形成对储铝容量的限制。多环芳烃平面结构中的共轭π键和γ C-H键与AlCl₄^-之间适度的相互作用可以实现储铝。该工作为寻找用于铝离子电池甚至其它储能器件的高性能有机电极材料开辟了新的视野，也拓宽铝离子正极材料的类型。研究论文《用于铝离子电池的新型可靠多环芳烃正极材料》（Polycyclic aromatic hydrocarbons as a new class of promising cathode materials for aluminum-ion batteries）发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 60, e202114681）上，IF：15.336。审稿人认为该工作对新型高性能铝离子电池正极材料的开发具有指导和借鉴意义。中国石油大学（华东）为第一署名单位，博生生孔冬青、博士后蔡同辉为共同第一作者，邢伟教授、赵联明副教授和李学进副教授为共同通讯作者。

3. 高稳定性水系电池开发

水系电池具有安全性高、成本低、功率特性好等优势，在大规模储能或人体穿戴设备等领域具有极具潜力的应用前景。但水系电池中存在电化学析氢、电极溶解、金属电极电化学腐蚀等系列问题导致电池循环寿命较差。针对金属铝负极的电化学腐蚀析氢问题，该团队设计了杂化高浓电解液，利用TFSI离子的溶剂化效应降低电解液中游离水分子比例，密度泛函理论计算结果表明电解液中的游离水分子比例能够降低97%，有效抑制了电化学腐蚀和析氢反应。研究论文《混合电解液抑制水系铝离子电池析氢和负极腐蚀》（Relieving hydrogen evolution and anodic corrosion of aqueous aluminum batteries with hybrid electrolytes）发表在《材料化学杂志》（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 4739-4748）， IF：12.732。审稿人认为该工作对改善水系铝离子电池稳定性具有借鉴意义。中国石油大学（华东）为第一署名单位，李学进副教授、唐永超副教授为共同第一作者，支春义教授、李洪飞副研究员为共同通讯作者。

4. 碳材料表面钝化增强电化学储能

双电层电容器通过电极表面电荷吸附进行储能，具有功率特性优异、循环寿命长等优势，但能量密度低限制了其广泛应用，拓宽双电层电容器的电压窗口是提高其能量密度的有效途径。针对有机电解液中活性炭材料在高工作电压下表面存在的电解液分解现象，邢伟教授团队采用表面氟化钝化策略，增加电解液分解反应能垒，有效抑制了电解液分解副反应，进而提高碳材料的工作电压窗口。对商用活性炭电极进行表面氟钝化后，所制备有机体系双电层电容器的稳定电压窗口由2.7 V提高到3.3 V，并表现出超长的循环寿命（20000次循环后电容保持98.3%），同时能量密度提高1.5倍，达到43.3 Wh kg^-1，优于此前报道的有机双电层电容器。研究论文《碳表面钝化增强能量存储》（Boosted energy storage via carbon surface passivation）发表在《碳》（Carbon, 2021, 185, 105-112）上，IF：9.594，审稿人认为该工作对于高电压、长循环寿命的商用超级电容器的开发具有重要的指导意义。中国石油大学（华东）为唯一署名单位，张誉博士、赵联明副教授为共同第一作者，阎子峰教授和邢伟教授为共同通讯作者。

邢伟教授团队长期从事新能源材料领域的研究，近年来承担国家自然科学基金（7项）、山东省自然科学基金杰出青年基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目、中国石油重大超前储备项目、山东省泰山学者青年专家支持计划等课题20余项，发表学术论文100余篇，论文被他引8000 余次。研究成果获山东省自然科学一等奖2项，教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖1项。