广东工业大学李成超Advanced Functional Materials：插层化学调控层状三氧化钼材料钠离子嵌入/脱出动力学

近年来，过渡金属氧化物由于其高容量和优良的速率行为而引起了广泛的关注。其中，α-MoO₃是一种重要的层状过渡金属氧化物电极材料，它具有独特的层状结构，被认为是一种很有前途的Li/Na离子储存电极材料。然而，MoO₃(6.92 Å)的层间间距较小，电导率差，往往导致扩散动力学缓慢以及差的循环稳定性。

鉴于此，广东工业大学的李成超教授团队针对这一问题开发了一种插层化学策略，利用铋硫醇分子特有的共轭双键以及巯基基团以稳定快速充放电过程中的层结构破坏。并且，增大的层间距有效改善Na⁺的嵌入/脱出动力学。电化学性能结果显示，优化后的MoO₃电极在0.2 A g^-1下可以提供256 mAh g^-1的高容量，并且在5 A g^-1的大倍率下经过1200次循环后仍能保持105 mAh g^-1的高容量。此外，优化后的MoO₃负极与Na₃V₂(PO₄)₂O₂F正极匹配组装的全电池，在0.2 A g^-1时，经过100次循环后仍能提供130 mAh g^-1的高容量且容量保持率高达99.2%, 优异的倍率性能也证明了其潜在的可应用性。相关论文“Interlayer Engineering of Molybdenum Trioxide toward High-Capacity and Stable Sodium Ion Half/Full Batteries”在线发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202001708）。

这种插层化学策略是基于部分还原和有机分子插层方法。结果表明，MoO₃的层间距从6.92 Å逐渐增大到10.40 Å，层间铋硫醇(DMcT)分子增强了层间的结构稳定性。综合电化学表征和密度泛函理论（DFT）计算证明，插层铋硫醇（DMcT）分子显着增强了电子电导率，降低了扩散能垒(0.82 eV→0.53 eV)，并通过共轭双键有效屏蔽了Na⁺和MoO₃主体之间的静电相互作用，且具有较低较低的反应内阻和电荷转移电阻，从而使得Na⁺的嵌入/脱出动力学得到显著改善。并且，不同循环全输后的非原位HRTEM图像和原位XRD图谱表征显示在整个充放电电过程中其形貌结构保持完整，没有被破坏或电极粉化现象，进一步证明了这种具有大的层间距的结构的稳定性。基于这些优点，优化后的MoO₃表现出优异的倍率性能以及出色的大电流循环稳定性。更重要的是，组装的全电池也显示出优异的电化学性能，这进一步证明了其具有广阔的应用潜力。这些成果对于利用插层化学制备具有高倍率性能和长循环寿命的钠离子电池负极材料具有重要意义。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202001708

图1. DMcT-MoO₃负极材料的制备流程、形貌结构以及电化学性能

作者介绍

李成超，博士，教授，珠江学者，博士生导师，2013年获湖南大学/新加坡联合培养博士学位，广东工业大学百人计划特聘教授引进人才。目前从事新能源材料的设计合成与能源存储研究。在低维多孔材料制备与电化学储能材料及器件研究领域做出了一系列创新性的工作，取得了一批具有国际先进水平的研究与应用成果。研制出高能量密度、高功率密度和柔性器件用碳复合电极材料及电化学储能器件，部分成果实现了产业化。近五年，主持了自然科学基金项目 2 项、湖南省自然科学基金2项、省部级课题4项，学术新人奖项目1项，并作为主要参与人参加了多项新加坡教育部科学基金，国家自然科学项目，重点项目等。以第一作者/通讯作者身份在Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际权威期刊上发表高水平学术论文56 篇，共发表论文近100篇。