华北电力大学&中国科学院Science Bulletin：原位合成含O缺陷C包覆δ-MnO2：基于生物工程多功能设计策略

研究背景:

随着世界范围内不可再生能源的不断消耗，在持续的全球排放危机中，环境友好技术被认为是实现碳中和的一种可持续途径。廉价、安全的大规模储能技术的发展对于建立绿色现代化电力系统具有重要意义。锂离子电池由于其制造成本高、易燃等特点不可避免地阻碍了其在大规模储能中的应用。水系锌离子电池因其安全、成本低廉等特点展现出巨大的发展潜力。MnO₂因其晶型多样且结构易于调节、可观的理论容量(~ 616 mAh g⁻¹)和低廉的价格而成为AZIBs的正极材料。然而，MnO₂的应用仍然受到结构不稳定和Mn溶解、Jahn-Teller效应等引起的容量衰退问题的限制。据文献报道，以MnSO₄为电解质添加剂，C复合或O空位的方法均可提高MnO₂的性能。然而，MnSO₄的加入，不可避免地造成对MnO₂性能评估的不准确性。且在纯ZnSO₄电解质中，C复合和O空位对MnO₂结构和性能的协同效应，也鲜有报道。因此，探究碳包覆和O空位对电池性能的协同效应及水系锌电在其他领域的应用潜力意义重大。

示意图

成果简介：

近日，华北电力大学吕玮&徐超联合中科院生物物理所丁芳原位合成了含O缺陷碳包覆δ-MnO₂正极材料，实现421.2.2 mAh g⁻¹的高比容量（0.1 A g⁻¹），循环4000圈具有90.88%的优异循环稳定性（10 A g⁻¹），能量密度高达595.53 Wh kg⁻¹，库伦效率接近100%。该原位合成法可以有效抑制正极副产物Zn₄SO₄(OH)₆·4H₂O生成、调控Mn价态并抑制Jahn-Teller效应，进而大幅提升正极结构稳定性及电荷转移动力学。此外，研究人员通过体外细胞毒性实验结果表明该正极材料能够有效抑制女性宫颈癌和卵巢癌细胞增殖并促进肿瘤细胞凋亡。该研究成果发表在国际顶级期刊Science Bulletin上，题为“In situ synthetic C-encapsulated δ-MnO₂ with O-vacancies: A versatile programming in bio-engineering”。

图文解读：

图1 微观表征。

图2 理论计算。

图3 电化学性能。

图4 机理分析。

图5 体外细胞毒性试验。

文献链接：

Wei Lv*, Zilei Shen, Junlin Liu, Xudong Li, Fang Ding*, Dongyue Zhang, Licheng Miao*, Xuefeng Lyu, Ruijie Li, Miaomiao Wang, Yiming Li, Jingwen Meng, Chao Xu*, In situ synthetic C-encapsulated δ-MnO2 with O-vacancies: A versatile programming in bio-engineering. Science Bulletin. https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.10.034.

通讯作者简介

吕玮，华北电力大学副研究员。主要研究领域：可再生水系电池关键材料在规模储能及生物医用领域的应用。在Nano-Micro Letters、Energy Storage Materials等期刊发表科技论文40余篇，授权发明专利10余项，担任《eScience》、《Nano Research Energy》、《Next Materials》、《National Science Open》、《Journal of Materials Science & Technology》、《Rare Metals》等期刊青年编委，获“中国材料学会科学技术奖一等奖”、“Green Carbon优秀青年编委”等荣誉，兼任科技部专家库成员、科创中国新材料专家、有色金属智库认证专家、中国华能集团评标专家、燕山大学外聘硕导，Nano-Micro Letters、Energy Storage Materials、Carbon Energy等期刊审稿人，承担及参与多项国家重点研发计划、国家自然科学基金、装备预研基金、中央高校专项资金等项目。

丁芳，中国科学院生物物理研究所助理研究员。美国University of Wisconsin, Madison联培博士（师从James Ntambi），中国科学院化学研究所博士后。主要研究领域：干细胞与肿瘤发生、纳米药物递送、RNA转录调控等，相关成果发表在Biomaterials、Nanoscale Horizons等期刊，主持协和医学院青年创新基金1项，参与多项国家重点研发计划项目和国家自然科学基金面上项目，Advanced Science等期刊审稿人。

徐超，华北电力大学教授。长期从事太阳能转化、存储及燃料电池等领域中涉及的多场耦合复杂传输现象中的关键科学问题开展基础和应用基础研究。获第三批国家“万人计划”青年拔尖人才、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者、中国可再生能源学会优秀青年科技人才等荣誉，先后主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家973项目课题、国家重点研发计划子课题等国家级项目6项，参加国家自然科学基金委创新群体项目1项，担任中国动力工程学会学术委员会委员、中国工程热物理学会传热传质分会青年工作委员会委员、中国可再生能源学会青年工作委员会委员、全国太阳能光热发电标准化技术委员会委员、《Energies》和《Frontiers in Heat and Mass Transfer》编委，发表SCI学术论文150余篇，获国家授权发明专利10余项。