H因子120+！支春义教授团队2023年优秀成果汇总！

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作者简介

支春义，博士毕业于中国科学院物理研究所，获物理学博士学位，主要研究方向为BCN纳米结构的性质研究。在日本国立材料科学研究所（NIMS）从事博士后研究两年后，晋升为 ICYS 研究员、NIMS 研究员（教师）和高级研究员（长期职位）。现为香港城市大学材料科学与工程学院讲座教授。

支春义教授团队在水性电解质电池、锌离子电池、柔性储能和可持续发展催化剂方面拥有丰富的经验。目前发表了 450 多篇论文，包括《Nature Review Mater》、《Nature Review Chem》、《Nature Commun》、《Joule》、《Chem》、《Matter》、《Energy Environ. Sci》、《Adv. Mater》、《J. Am. Chem. Soc》、《Angew Chem. In. Ed》等，H-索引为120，其他引用约为5万（Web of Science）。目前，支春义教授已获得 100 多项专利。他担任《Nano Research Energy》主编、《Materials Research Letters》编辑、《Materials Futures》副主编，以及《npj Flexible Electronics》、《Rare Metals》和《Green Energy & Environment Science》编委。（ 来源：支春义课题组主页 ）

数据来源：Web of science

支春义教授曾获香港城市大学杰出研究奖、校长奖、NML奖和北京市科学技术奖（一等奖）。他还是香港青年科学院院士、英国皇家化学会会士、Clarivate高被引研究员（2019-2022，材料科学）和RGC高级研究员。

今天，我们列举一下支春义教授团队在2023年取得的部分重要研究成果（ 备注：本文仅列举部分以支春义教授为通讯作者的论文 ）。

1

Nat. Commun.：同时满足阳极和阴极矛盾要求的非对称电解质

该研究讨论了在锌金属电池中阳极和阴极之间需求相互矛盾的问题。锌金属电池的一个主要障碍是水对阳极的腐蚀和枝晶的生长，从而抑制了可逆的锌镀层/剥离过程。另一方面，阴极需要水来实现高容量和长寿命，因为许多阴极材料需要同时插入/提取H ⁺ 和Zn ²⁺ 。为了解决这一矛盾，研究人员提出了一种非对称设计，将无机固态电解质与水凝胶电解质结合起来，以满足不同的要求。无机固态电解质用于锌阳极，以实现无枝晶和无腐蚀的高可逆锌镀层/剥离，而水凝胶电解质在阴极侧实现H ⁺ 和Zn ²⁺ 的插入/萃取，以获得高性能。

因此，在这种设计下，电池可以实现高容量，例如在Zn//Zn电池中可达到高达10 mAh cm ^-2 ，在Zn//MnO ₂ 电池中可达到约5.5 mAh cm ^-2 ，在Zn//V ₂ O ₅ 电池中可达到约7.2 mAh cm ^-2 ，而且没有观察到氢的生成和枝晶的生长。这些Zn//MnO ₂ 和Zn//V ₂ O ₅ 电池在1000次和400次循环中表现出显著的循环稳定性，分别保留了92.4%和90.5%的初始容量。这项研究为克服锌金属电池中的挑战提供了一种新的设计思路，并展示了高性能锌电池的潜力。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-38492-8

2

Nat. Commun.：利用基于氯的可逆氧化还原反应开发可充电高能量锌碘混合水系电池

该研究介绍了使用氯基氧化还原反应（ClRR）来生产二次高能水系电池的方法。高效和可逆的ClRR存在挑战，包括Cl ₂ 气体生成和电解质分解等寄生反应的影响。为了避免这些问题，研究人员在电池系统中使用碘作为正极活性材料，该系统由金属锌负极和浓缩氯化锌水电解质溶液组成。

在电池放电过程中，电解液中的氯离子与正极上的碘发生相互作用，产生卤素间配位化学反应，形成ICl ₃ ^- 。通过这种方式，具有氧化还原活性的卤素原子可以进行可逆的三电子转移反应。在实验室规模的电池实验中，在0.5 A g _I2 ^-1 和25°C条件下，可获得初始比放电容量为612.5 mAh g _I2 ^-1 （相当于计算比能量为905 Wh kg _I2 ^-1 ）。

研究人员还报道了Zn || Cl-I袋式电池原型的组装和测试情况，在200 mA和25°C条件下循环300次后，放电容量保持率约为74%（最终放电容量约为92 mAh）。这项研究展示了使用碘作为正极活性材料的水系电池的潜力，并为高能水系电池的开发提供了新的思路。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-37565-y

3

Nat. Commun.：用于锌离子电池的贫水水凝胶电解质

固体聚合物电解质和水凝胶电解质在锌离子电池中的具有广泛的应用。支春义教授团队开发了一种贫水水凝胶电解质，旨在平衡离子传输、阳极稳定性、电化学稳定窗口和电阻。这种水凝胶具有分子润滑机制，可以确保离子的快速传输。该设计还拓宽了电化学稳定性窗口，并实现了高度可逆的镀锌/剥离过程。在实验中，全电池在高电流率和低电流率下均表现出优异的循环稳定性和容量保持率。

此外，这种水凝胶电解质还具有出色的附着能力，满足柔性设备的需求。这项研究为锌离子电池的电解质开发提供了新的思路，并展示了贫水水凝胶电解质在提高性能和稳定性方面的潜力。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-39634-8

4

Nat. Commun.：用于生产高效安培小时级锌金属袋式电池的含硫烷水电解质溶液

本文讨论了锌金属水系电池作为电网储能的理想选择，然而锌金属负极的电化学可逆性不足限制了电池在大规模水平上的性能。为了解决这个问题，研究人员通过对电解质溶液进行工程设计，开发出了实用的安培小时级水系锌金属袋式电池。

在确定质子还原是金属锌电沉积过程中H ₂ 生成的主要来源后，研究人员设计了一种含有反向胶束结构的电解质溶液。这种电解质溶液中的磺烷分子将水限制在纳米尺度范围内，从而阻碍了质子还原反应。此外，他们还开发并验证了一种电化学测试协议，用于全面评估电池的库仑效率和锌金属电极的循环寿命。

最后， 研究人员 利用反胶束电解质，组装并测试了一个实用的安培小时级Zn||Zn _0.25 V ₂ O ₅ -nH ₂ O多层袋式电池。该电池在56 mA g ^-1 阴极和约25°C条件下循环390次后，容量保持率约为80%。在56 mA g ^-1 阴极和约25°C条件下循环5个月后，容量保持率约为80%。这种电池能够提供初始能量密度为70 Wh L ^-1 （基于电池组件的体积）。这项研究展示了安培小时级水系锌金属电池袋电池的实用性，并为锌金属电池的长寿命和高性能提供了一种解决方案。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-37524-7

5

Nat. Commun.：酸性条件下电化学硝酸盐还原可实现高效氨合成和高压污染物基燃料电池

该研究讨论了在酸性条件下硝酸盐还原反应的潜力以及其在氨电合成中的应用。目前，大多数研究都集中在碱性/中性介质下合成氨的电化学硝酸盐还原反应，而酸性条件下的研究报道相对较少。

在这项工作中，研究人员证明了具有固有低氢化活性的TiO ₂ 纳米片在酸性条件下具有选择性地将硝酸盐快速还原成氨的潜力。通过与铁酞菁杂化后的催化剂相比较，TiO ₂ 纳米片催化剂增强了对硝酸盐的吸附，抑制了氢的演化，并降低了决定速率步骤的能垒，从而显著提高了氨的生成效率。

此外，研究人员还开发了一种碱酸混合型硝酸锌电池，其开路电压高达1.99 V，功率密度为91.4 mW cm ^-2 。这种混合电池不仅能用于氨电合成，还可以为环境硫回收提供动力。此外，肼硝酸盐燃料电池还可以同时用于肼/硝酸盐的转换和发电。这项研究证明了酸性硝酸盐还原反应在氨电合成中的潜力，并为能源转换领域提供了新的可能性。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-43897-6

6

JACS：用于高性能锌电池的具有可逆六电子转移化学性质的碲

该研究探讨了作为转换型阴极材料的碲（Te）在锌电池（ZB）中的潜在应用。碲具有丰富的价态和高能量密度，具有广阔的应用前景。然而，碲的转化反应通常仅限于Te ^2- /Te ⁰ 的氧化还原，在相对于Zn ²⁺ /Zn的低电压平台（约0.59V）上发生，而不是预期中Te ⁰ 到Te ⁿ⁺ 的正价转化，这限制了碲基电池向高输出电压和能量密度方向的发展。

在这项研究中，研究人员通过使用高浓度的含Cl ^- 电解质成功激活了所需的Te ^2- /Te ⁰ /Te ²⁺ /Te ⁴⁺ 可逆氧化还原行为，并实现了多达六个电子的转移。该电池在三个平坦的放电平台（分别为1.24V、0.77V和0.51V）下达到了总容量为802.7 mAh g ^-1 的性能。

此外，为了提高Te ⁿ⁺ 产物的稳定性并增强循环稳定性，研究人员还制备了一种基于改性离子液体（IL）的电解质，从而制备出了一种高性能的Zn∥Te电池。该电池具有高单体容量（7.13mAh cm ^-2 ）、高能量密度（542Wh kgTe ^-1 或227Wh L _{cathdoe+anode} ^-1 ）、优异的循环性能以及低自放电率（基于400mAh级袋式电池）。这些结果深化了人们对碲化学在电池中的理解，并为先进的碲化镉电池开辟了新的研究方向。

原文链接： https://doi.org/10.1021/jacs.3c06488

7

Angew：通过阴离子化学操纵水系锌电池阴极的库仑效率

支春义教授团队系统地研究了阴离子如何影响锌电池阴极的库仑效率（CE）。通过以插层型V ₂ O ₅ 和转化型I ₂ 阴极为案例进行深入研究，研究发现阴离子的电子特性，包括电荷密度和分布，可以调节转化或插层反应，从而导致显著的阴极电荷效率差异。

通过操作视觉拉曼显微镜和理论模拟，研究人员证实阴离子与I ^- 之间的竞争性配位可以通过调节Zn-I ₂ 电池中多碘化物的扩散速率来调节CE。在Zn-V ₂ O ₅ 电池中，阴离子调节的溶解结构通过改变Zn ²⁺ 插层动力学极大地影响了CE。高电子捐赠性的阴离子可以使转换型I ₂ 阴极的CE达到99%，而与Zn ²⁺ 强相互作用的优选电荷结构的阴离子可以使插层型V ₂ O ₅ 的CE接近100%。

了解阴离子对CE的调控机制有助于评估电解质与电极的兼容性，并为高能量、长循环的锌电池中的阴离子选择和电解质设计提供指导。这项研究为深入理解锌电池中的离子传输和反应机制提供了重要见解。

原文链接： https://doi.org/10.1002/ange.202303292

8

Angew：通过阴离子化学操纵水系锌电池阴极的库仑效率

本文研讨论了构建可靠的固态电解质界面（SEI）对于实现高度可逆的锌金属电极至关重要。研究人员发现，与传统的“体溶解”机制不同，SEI结构主要由电双层（EDL）吸附所主导。研究人员利用醚添加剂（如15-冠醚-5、12-冠醚-4和三聚氰胺）来调控EDL吸附和Zn ²⁺ 溶出。

其中，12-crown-4在EDL上具有中等吸附力，可以形成层状结构的SEI。SEI的内层由无机ZnF _x /ZnS _x 组成，而外层则由有机C-O-C成分构成。这种结构赋予SEI高硬度和强韧性。在实验中，使用这种SEI结构的100平方厘米的Zn||Zn袋式电池，在等面积容量为10 mAh cm ^-2 的条件下，显示出累积容量达到4250 mAh cm ^-2 。

更重要的是，研究人员还制备了2.3 Ah的Zn||Zn _0.25 V ₂ O ₅ ⋅nH ₂ O袋式电池，在苛刻条件下（低负极/正极比、贫电解质和高平均电容量），提供了记录能量密度为104 Wh L _cell ^-1 ，并可连续运行超过70天。这项研究表明，通过操纵EDL吸附和设计SEI结构，可以实现高性能的锌金属电池。这对于锌金属电池的可靠性和长寿命具有重要意义，并为实现高能量密度的锌金属电池提供了新的途径。

原文链接： https://doi.org/10.1002/ange.202302583

9

Adv. Mater.：富含羟基的水凝胶电解质在锌/钾混合电池中完全活化和相变的 KFeMnHCF，循环次数达14500次

本文讨论了金属六氰基铁氧体作为锌和锌混合电池的优质阴极材料，尤其是普鲁士蓝类似物（PBA）。然而，PBA的开发面临一些限制，包括较小的容量（<70 mAh g ^-1 ）和较短的寿命（<1000次循环）。这些限制通常是由于氧化还原位点未完全活化和PBA中金属离子插层/脱插层过程中的结构坍塌所致。根据这项研究，研究人员采用具有扩展电化学稳定窗口（ESW）的富羟基（OH-rich）水凝胶电解质成功激活了K _x Fe _y Mn _1-y [Fe(CN) ₆ ] _w ·zH ₂ O（KFeMnHCF）阴极材料的氧化还原位点，并调整了其结构。

此外，水凝胶电解质的强粘附性抑制了KFeMnHCF颗粒从阴极上脱落和溶解。在所开发的富含OH的水凝胶电解质中，金属离子容易脱溶，从而实现了金属离子在PBA阴极中快速、可逆地插层/脱插层。

因此，Zn||KFeMnHCF混合电池实现了前所未有的14,500次循环、1.7 V放电平台和100 mAh g ^-1 放电容量。这项研究的结果为开发PBA正极材料的锌混合电池提供了新的认识，并为这一应用提供了一种前景广阔的新型电解质材料，这对于改善锌混合电池的性能具有重要意义。

原文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202304878

10

Adv. Mater.：锌双离子水系电池中的硒化氯氧化还原化学反应

该研究介绍了使用硒基有机分子作为氯固定剂，并通过铬卤配位化学实现原子级氯固定的方法。研究人员利用这种方法开发了具有氯基氧化还原反应（ClRR）的电池，该电池具有高性能储能潜力，因为氯基反应具有较高的氧化还原电势和理论容量。传统的ClRR电池存在气液转换特性和Cl固定能力较差的问题，导致Cl ₂ 泄漏，从而降低了电池的可逆性。

为了解决这个问题，研究人员使用二苯基二硒化物（ di -Ph-Se）作为氯固定剂，并通过铬卤配位化学实现了原子级的氯固定。在单个Ph-Se上锚定两个氧化的Cl ⁰ ，有助于促进Cl的固定。Se的多价转换使得电池能够实现高达507 mAh g-1和1.51 V的六电子转换过程，以及高达665 Wh Kg ^-1 的高能量密度。基于这种具有ClRR的二掺杂磷-硒电极的卓越可逆性，该电池展现出出色的速率性能（在5 A g ^-1 时达到205 mAh g ^-1 ）和循环性能（经过500个循环后容量保持率为77.3%）。

此外，该袋式电池的平均容量达到了创纪录的6.87 mAh cm ^-2 ，并具有非凡的自放电性能。这项研究揭示了硒电极与氯之间的卤素配位化学反应，为开发具有卤素氧化还原反应的可逆高效电池提供了新的视角。这对于储能领域的发展具有重要意义，并为设计更高性能的电池提供了新的思路和方法。

原文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202309330

11

Energy Environ. Sci：高能量密度的水系Zn‖NO ₂ 电化学电池：NO ₂ 固定和发电的新策略

废气中的氮氧化物（NO ₂ ）对空气的污染是一个根深蒂固的问题，因此迫切需要新的捕获和减排技术。与此同时，电催化将二氧化氮转化为高附加值化学品是缓解人类造成的全球氮循环失衡的一项前景广阔的战略。在此，支春义教授团队提出了一种基于 Zn‖NO ₂ 水系电化学电池，该体系以沉积的纳米氧化镍催化剂为阴极，以金属锌箔为阳极，以 ZnCl ₂ 水溶液为电解质。

重要的是，该电解质可有效捕获二氧化氮，然后将其转化为NO ₂ ^- ，最终转化为具有附加值的 NH ₃ ，同时产生电力。作为概念验证，该研究制造出了一种电池，它具有双功能活性和稳定性（大于 100 小时），可进行可逆的二氧化氮还原和生成反应。袋式电池（2.4 Ah）的能量密度高达 553.2 W h kg ^-1 _cell /1589.6 W h L ^-1 _cell 。

作为额外的绿色特性，Zn‖NO ₂ 电池产生的 NO ₂ ^- 随后通过自供电机制转化为 NH ₃ ，从而在单个设备中完成氮循环中的多个关键转化步骤，为可扩展的高度集成解决方案铺平了道路。

原文链接： https://doi.org/10.1039/D2EE03749A

12

Energy Environ. Sci.：不相溶分相电解质和界面离子转移电化学使锌/锂混合电池的工作电压达到 3.5 V

该研究介绍了一种新型的相分离电解质（PSE），用于开发具有高电化学性能的碱性锌/锂混合电池。传统的锌质子混合电池由于阴极窗口狭窄和阴极材料与碱性电解质不相容的问题，难以实现高性能。为了解决这个问题，研究人员开发了一种由完全不相溶的水相和油相组成的独特PSE。碱性水电解质利用锌阳极的低电极电位，而PSE中的界面离子转移电化学进一步提高了工作电压约0.35 V。因此，所开发的锌/锂混合电池实现了前所未有的平均工作电压达到3.41 V，能量密度高达362.4 Wh kg _{anode+cathode} ^-1 （在N/P比为1的假设下），接近锂离子电池的电压水平。

PSE中的液-液界面可以完全阻止锌枝晶的传播，这是由于Zn ²⁺ 在油相中的扩散被完全阻碍。本文采用LiMn ₂ O ₄ 阴极的锌/锂混合电池在600次以上的循环中表现出色，库仑效率高达99.6%。为了进一步验证其实用性，研究人员制作了一个完整的电池，正极质量负载为18.3 mg cm ^-2 ，实现了高电压2.56 V和高电容2.14 mA h cm ^-2 。

这项研究展示了一种具有高电化学性能的碱性锌/锂混合电池的新方法，通过使用相分离电解质和液-液界面的设计，克服了传统锌质子混合电池的限制。这对于锌电池的发展具有重要意义，并为开发高性能储能电池提供了新的思路和策略。

原文链接： https://doi.org/10.1039/D3EE01362F

13

Energy Environ. Sci.：利用立体阻碍效应调节电化学还原动力学以实现坚固的锌金属阳极

该研究介绍了一种改进的溶解结构和固体电解质相（SEI）层，用于解决金属锌阳极在锌离子电池中的寄生副反应和枝晶生长问题。研究人员通过在电解质中引入磷酸三丁酯等大分子，引入了具有立体阻碍效应的改良溶解结构。立体阻碍效应可以有效减缓阳极上溶解的Zn ²⁺ 离子的转移速度，缓解了快速电化学还原动力学，从而防止Zn ²⁺ 离子优先在尖端区域镀积。

此外，电极表面形成了均匀而坚固的固体电解质相（SEI）层，这有助于减轻原位电化学腐蚀和氢演化反应。这种改进的SEI层能够保护金属锌并提高电池的稳定性。在苛刻的循环条件下，Zn||Cu半电池表现出稳定的Zn镀层/剥离，平均库仑效率约为99.5%，累积容量达到3000 mAh cm ^-2 。当与Mn ²⁺ 膨胀的水合V ₂ O ₅ 阴极耦合时，完整的电池显示出很高的等容量（3.97 mAh cm ^-2 ），在650次循环后容量保持率高达91.4%。

这项研究通过改进溶解结构和SEI层的形成，解决了金属锌阳极在锌离子电池中的问题，提高了电池的稳定性和循环寿命。这对于锌离子电池的实际应用具有重要意义，并为开发高性能储能电池提供了新的思路和策略。

原文链接： https://doi.org/10.1039/D3EE02164E

14

Energy Environ. Sci.：可充电近中性锌-空气电池中的 MBene 促进过氧化锌化学反应

该文介绍了在近中性水电解质中开发高效的锌-空气电池（ZABs）的工作。传统基于过氧化锌（ZnO ₂ ）化学的近中性锌空气电池（NNZAB）制造具有挑战性，需要满足空气循环要求和世伟洛克结构。为了实现成本效益的NNZAB，在纽扣电池配置中，需要探索具有高催化活性的空气呼吸阴极。过去的研究主要集中在碱性ZAB催化剂上，而这些催化剂通常不适用于近中性电池。

在这项研究中，首次使用具有有序空位的Mo ₄ /3B _2-x T _z MBene作为近中性电池的高性能催化剂。有趣的是，在电流密度为2 mA cm ^-2 和循环周期为5小时的条件下，Mo ₄ /3B _2-x T _z MBene实现了380小时的稳定寿命，这归功于其高O ₂ ^- 吸附性和空气储存能力。

研究人员还证明，Mo ₄ /3B _2-x T _z MBene的Y位点空位是促进ZnO ₂ 缓慢化学动力学的活性位点。这项研究突出了引入高效阴极催化剂对于NNZAB的重要性，以及MBenes作为近中性体系中催化剂的高效性。这对于开发具有高可逆性和成本效益的锌-空气电池具有重要意义，并为近中性电池的研究提供了新的方向和策略。

原文链接： https://doi.org/10.1039/D3EE01297B

15

Chem：可在 -110°C 下工作的液相可充电锌空气电池

锌空气电池使用碱性水电解质、金属锌和空气作为电极，在大规模能源转换系统中备受关注。然而，水系电解质在低温下易于冻结，并且电催化剂的催化性能会下降，这限制了锌空气电池在超低温条件下的运行。为了解决这一问题，支春义教授团队通过微调传统的KOH电解质结构，开发出一种耐超低温的锌空气电池。同时，他们还开发了一种耐超低温的FeCo-PC双功能电催化剂，该催化剂能够在低至-110°C的超低工作温度下发挥作用，并展现出前所未有的电池性能。

该锌空气电池在-70°C下的循环稳定性约为140小时，最大功率密度为61.3 mW cm ^-2 ，容量为627.9 mAh g ^-1 。这项工作的取得标志着对传统KOH电解质抗冻特性和低温电催化剂设计的深入理解，并为开发具有显著增强环境适应性的锌空气电池迈出了重要一步。这对于锌空气电池在极端低温环境下的应用具有重要意义。

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.10.028

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