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化学化工学院
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近期，我院赵国伟教授团队在ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Chemical Engineering Journal, The Chemical Record等国际著名期刊发表系列科研论文成果。
论文(1)：铈异质结抑制钠离子电池正极材料析氧机制
钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理，但钠元素储量丰富，有望成为锂离子电池潜在的低成本替代品。然而，钠离子电池经典正极材料Na2/3Ni1/3Mn2/3O2在高电压下会析出氧气，导致电池循环稳定性下降，造成电池容量不可逆容量的损失。为解决Na2/3Ni1/3Mn2/3O2在高电压下析氧问题，赵国伟团队利用CeO2纳米片自身可快速储存/传输氧阴离子的特性，在Na2/3Ni1/3Mn2/3O2材料表面构建了CeO2异质结，有效抑制了Na2/3Ni1/3Mn2/3O2表面的氧阴离子在高电压下的析氧现象，改善了钠电正极材料Na2/3Ni1/3Mn2/3O2在高电压下的综合电池特性。
该成果发表在高水平论文ACS Sustainable Chemistry & Engineering上(Ceria Heterostructure Suppresses Oxygen Release of Na-ion Battery Cathode Materials, ACS Sustain. Chem. Eng. 12, 2729 (2024).10.1021/acssuschemeng.3c07220)。黄冈师范学院为成果第一单位，本科生陈炽超(应用化学2021级)参与了研究工作，团队张怡博士为论文第一作者，赵国伟教授为论文通讯作者。
图1. 论文(1)中代表性研究结论展示
论文(2)：二维金属硼化物在能源储存应用上的研究进展综述
二维材料因其在能源储存领域的巨大潜力而受到广泛关注。其中，二维过渡金属硼化物(MBenes)因其具有高导电性、柔韧性、丰富的表面化学性质及优异的机械性能，使其在单价/双价电池等能源储存领域中展现了巨大的应用潜力。尽管MBenes在能源储存与转换器件中的多方面特性已被广泛研究，但MBenes的应用研究仍处于初步阶段，因此许多预期特性和潜在应用尚未得到深入探讨。针对上述问题，赵国伟团队对二维MBenes材料在合成方法、结构和形貌特征等最新进展方面进行了深入系统的分析总结，对其研究现状进行了全面回顾，展望了其未来的发展方向，探讨了其在能源储存及其他方面的应用前景、面临的挑战和机遇，旨在为MBenes材料的进一步研究和应用提供宝贵的参考。
该成果发表在高水平论文Chemical Engineering Journal上(2D Metal Borides (MBenes): Synthesis Methods for Energy Storage Applications,Chem. Eng. J. 497, 154429 (2024)，10.1016/j.cej.2024.154429)。黄冈师范学院为论文第一单位，团队Jabbar Khan博士为论文第一作者，张怡博士参与了研究工作，高凌副教授、赵国伟教授为论文共同通讯作者。
图2. 论文(2)中代表性研究结论展示
论文(3)：用于固态电池的铈量子点改性聚合物复合电解质膜技术
固态电池因其高安全性和高能量密度，被广泛认为是下一代电池技术的有力候选者。然而，传统的固态聚合物电解质由于离子导电性低(通常低于10⁻⁶ S/cm)和厚度大(超过100微米甚至500微米)，在界面电阻和离子迁移方面存在显著缺陷。近期，赵国伟团队利用先进的3D打印技术成功制造出了厚度仅为20微米的铈量子点(CQD)改性的复合PEO聚合物电解质膜。CQD填料不仅降低了聚合物的结晶度， CQD上的氧空位还促进了钠盐NaTFSI中离子对的解离，释放出更多的自由Na⁺离子，从而显著提高了离子导电特性。此外，通过3D打印可精确调节膜厚度，进一步改善了Na⁺的迁移和传输。最终制造的钠离子固态电池展现了卓越的倍率性能和循环稳定性。通过CQD改性和3D打印厚度调控技术结合，为高性能固体电解质膜在钠离子固态电池中的实际应用开辟了新思路。
该工作发表在Polymers上(Ceria Quantum Dot Filler-Modified Polymer Electrolytes for Three-Dimensional-Printed Sodium Solid-State Batteries, Polymers (Basel), 16, 1707 (2024), 10.3390/polym16121707)。黄冈师范学院为论文唯一单位，本科生郑浩然(应用化学2022级)、丁宏庚(化学2022级)、Jabbar Khan博士参与了研究工作，张怡博士为论文第一作者，高凌副教授、赵国伟教授为论文共同通讯作者。
图3. 论文(3)中代表性研究结论展示
论文(4)：碲化物基高性能储能器件材料研究进展综述
随着能源存储技术的不断发展，超级电容器因其高功率密度和长循环寿命而备受关注。然而，电极材料的性能仍然是制约超级电容器发展的关键因素。为解决这一问题，迫切需要开发具有高能量/功率密度和优良循环稳定性的电极材料。近年来，碲及碲化物基材料因其出色的电子导电性、优良的晶体结构和卓越的体积容量，逐渐成为能量存储技术领域的研究热点。在此背景下，赵国伟团队详细总结了碲化物材料在超级电容器中的应用潜力，系统回顾了碲化物材料的物理化学性质、充电存储机制及其在超级电容器中的应用表现，分析了金属及碳基碲化物材料在超级电容器中的优势，并讨论了未来提升碲化物基超级电容器性能的挑战与前景。本工作为碲化物材料在超级电容器中的应用研究提供了全面的见解，为未来的研究方向提供了参考。
该工作发表在高水平论文The Chemical Record上(Telluride-Based Materials: A Promising Route for High Performance Supercapacitors, Chem. Rec., 24, e202300302 (2024), 10.1002/tcr.202300302)。黄冈师范学院为论文第一完成单位，Jabbar Khan博士为文章第一作者，张怡博士参与了研究工作，高凌副教授、赵国伟教授为论文共同通讯作者。
图4. 论文(4)中代表性结论展示
论文(5)：具有高离子电导率特性的新型全固态钠电池固态电解质材料
全固态电池作为下一代高能量密度储能设备的关键技术之一，在未来的能源存储领域具有广阔的应用前景。然而，目前的技术瓶颈在于缺乏高离子导电率、高稳定性的固态电解质材料。电解质材料不仅需要具备优异的离子电导率，还必须在电化学性能和界面稳定性方面表现出色。富氯的银硫锗矿型锂离子固态电解质因具有较好的综合性能而成为了研究的焦点。赵国伟团队聚焦于这一关键材料，开发了富氯银硫锗矿型Na6−xPS5−xCl1+x钠离子固体电解质材料，并详细研究了其在0 ≤ x ≤ 0.5范围内的固溶体形成规律，成功将银硫锗矿型锂离子固态电解质扩展到钠离子固态电解质领域。其中，Na5.5PS4.5Cl1.5 (x = 0.5)表现出最高的离子电导率，达到了1.2 × 10⁻³ S/cm，比常规Na6PS5Cl的电导率提高百倍以上。循环伏安法和电化学阻抗谱结果表明，材料中的富氯元素显著提升了离子电导率与电化学稳定性。此外，Na5.5PS4.5Cl1.5还展现了纯离子导体的特性。为了验证其应用前景，团队还在实验室规模上构建了基于Na5.5PS4.5Cl1.5的全固态钠电池，并展示出优异的电池循环特性。
该工作发表在Materials上(Chlorine-Rich Na6–xPS5–xCl1+x: A Promising Sodium Solid Electrolyte for All-Solid-State Sodium Batteries, Materials (Basel). 17, 1980 (2024), 10.3390/ma17091980。黄冈师范学院为成果第一单位，本科生郑浩然(应用化学2022级)、优佳乐(化学2020级)、Jabbar Khan博士参与了研究工作，张怡博士为论文第一作者，高凌副教授、赵国伟教授为论文共同通讯作者。
图5. 论文(5)中代表性研究结论展示
论文(6)：具有高电化学性能的ZnO-CeO2纳米复合电极材料
超级电容器因其独特的特性，如高能量密度、长使用寿命、快速的充放电速率以及优异的安全性，正受到越来越多的关注。然而，实现具有高电化学性能的电极材料一直是推动超级电容器技术发展的关键挑战之一。为了应对这一挑战，赵国伟团队成功合成了一种基于ZnO-CeO2的纳米复合材料，通过水热法制备了六方纳米棒结构的ZnO和具有高纯度及结晶度的CeO2颗粒。该复合材料的良好电化学性能经过多项测试得到了充分验证。在三电极体系循环伏安法测试显示出ZnO-CeO2纳米复合材料理想的电容行为，主要得益于Ce3+/Ce4+与Zn2+离子间的快速氧化还原反应，其伪电容特性表现突出。在1 A/g电流密度下，该复合材料展现出1040.9 F/g的高比电容，并在8000次充放电循环后保持了97.0%的优异稳定性。此外，密度泛函理论计算结果表明，由于形成的异质结构，ZnO-CeO2复合材料展现出卓越的电荷传输特性。
该成果发表在Inorganic Chemistry Communications上(Synthesis of heterostructured ZnO-CeO2 nanocomposite for supercapacitors,Inorg. Chem. Commun. 159, 111794 (2024)，10.1016/j.inoche.2023.111794。黄冈师范学院为成果第一单位，Jabbar Khan博士为论文第一作者，高凌副教授参与了研究工作，赵国伟教授为论文通讯作者。
图6. 论文(6)中代表性研究结论展示
此外，该团队近期还先后授权4项固态电池材料方面的发明专利，其中3项中国专利、1项国际发明专利。
赵国伟教授团队于2021年4月成立黄冈师范学院全固态电池关键材料与技术实验室，该实验室以国家重点发展的新型锂离子电池产业为研究领域，聚焦高安全长寿命全固态电池实用化固体电解质及基础原料的制备，长期致力于高性能固态电池固体电解质新材料的研发、量化生产技术的开发及相关材料和生产技术的转化及推广工作。实验室团队主要由6人博士组成、含外籍专家1名，学生科研助手20余名，占地300余平米，固体电解质材料开发基础研究、材料性能表征、实验室级固态电池组装分析测试、公斤级材料小式生产线等设备和仪器完善，目前已承担多项国家自然科学基金青年基金、省自然科学基金杰出青年基金重点研究计划以及通用汽车（上海）投资有限公司、中国航天科工集团上海811研究所、北京恩力动力、河北昆仑新材、湖北宏源药业、湖北中源环保等10余项纵横向研究课题。近年来共发表高水平科研论文50余篇，授权发明专利20余项、参加国内外学术会议口头汇报30余次，受邀报告20余次，多项授权专利在BYD、宁德时代等国内头部企业实现生产实践参与和专利成果转化。