省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室先进材料研究团队取得丰硕研究成果

武科大网讯 近日，我校省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室张海军教授领导的“先进材料研究团队”在材料领域取得新进展，并在国际知名期刊发表一系列研究成果。

锂硫电池具有理论能量密度高和活性物质硫资源丰富的优点，是极具发展潜力的二次电池之一。然而，硫颗粒较低的导电率、充放电过程中的体积膨胀以及多硫化锂的穿梭效应等问题严重降低了活性物质的利用率、电池的循环稳定性以及倍率性能。针对上述问题，团队对硫载体进行结构设计，在追求高硫载量的同时，协同调控多硫化物的热力学和动力学扩散。

团队成员采用静电纺丝结合化学气相沉积法制备了自支撑多孔道碳纤维/碳纳米管负载CoS纳米颗粒复合材料以及钴掺杂多通道碳纤维，并将它们用作硫载体宿主材料，所组装的电池表现出优异的电化学性能。研究论文分别以“Self-standing lotus root-like host materials for high-performance lithium-sulfur batteries”和“Cobalt Nanoparticles Decorated “Wire in Tube” Framework as a Multifunctional Sulfur Reservoir”在线发表于Advanced Fiber Materials（2021年影响因子12.9）和ACS Sustainable Chemistry & Engineering （2021年影响因子9.2，DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c01883）。论文第一作者均为材料与冶金学院2019级硕士研究生罗谨，通讯作者为雷文副教授和张海军教授。

Xene因具有较大的表面积、可调的层间距以及丰富的表面官能团等优点，被认为是碱金属离子电池最具有前景的负极材料之一。然而，与其他二维材料相似，单层或少层的MXene纳米片容易因相邻层间较强的范德华力作用而发生自堆积，从而大大降低其可利用比表面积，阻碍表面活性位点的有效利用，导致循环过程中离子扩散动力学迟缓，进而严重影响MXene材料的电化学性能。

团队通过静电自组装结合热处理去除模板的方法构建了三维Ti3C2Tx MXene中空管，不仅解决了二维MXene纳米片的堆叠团聚问题，而且还消除了–F和–OH官能团对电化学性能的不利影响。得益于微观结构设计和表面官能团有效调控的协同作用，该材料用于锂离子/钾离子电池的负极材料时，均表现出较高的表面电容贡献和快速的离子扩散动力学；在0.1 A g−1的电流密度下，经过300次和200次循环后，钾离子电池和锂离子电池的容量分别高达199.2和586.0 mAh g−1；此外，该材料的倍率性能和循环性能优于目前已报道的大部分MXene基负极材料。论文以“Structure and surface modification of MXene for efficient Li/K-ion storage”为题发表在Journal of Energy Chemistry上（2021年影响因子13.6，DOI: 10.1016/j.jechem.2022.08.023），论文第一作者为省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室2019级博士研究生管可可，通讯作者为雷文副教授和张海军教授。

能源存储技术的革命性变化对下一代锂离子电池负极材料提出了更高的要求。近年来，一类具有复杂化学计量比的新兴材料——高熵氧化物(HEO)，逐渐在电化学储能领域崭露头角。鉴于HEO材料的优异性能及发展潜力，本团队对其最新成果进行了总结，并梳理了HEO材料研究中存在的问题和挑战。相关内容以“High-entropy oxide: A future anode contender for lithium-ion battery”为题发表在EcoMat上（2021年影响因子12.2，DOI: 10.1002/eom2.12261），论文第一作者为省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室2020级博士研究生刘雪枫，通讯作者为雷文副教授和张海军教授。

ZnFe2O4（ZFO）具有饱和磁化强度高、微波吸收能力强和微波响应频带宽等优点，被应用于微波诱导催化过程，但其在微波催化还原水中Cr(VI)离子时存在着催化能力有限、反应速度慢且只适用于酸性环境等缺点。基于此，团队采用两步水热法将具有高比表面积和高化学稳定性的ZnIn2S4（ZIS）与ZFO复合，制备了具有核/壳结构的ZFO@ZIS复合催化剂，并用其微波催化还原水中的Cr(VI)离子。团队成员通过一系列实验，揭示了ZFO@ZIS微波催化还原Cr(VI)离子的理论机制，在pH=6的近中性环境中于15 min内实现了浓度高达100 mg/L的Cr(VI)离子溶液的完全还原，其催化效率远高于目前已报道的其它类型的催化剂，对Cr(VI)离子近中性条件下的快速高效处理具有重要意义。研究论文“Preparation of core/shell-structured ZnFe2O4@ZnIn2S4 catalysts and its ultrafast microwave catalytic reduction performance for aqueous Cr(VI)”在线发表于Chemical Engineering Journal上（2021年影响因子16.744，DOI: 10.1016/j.cej.2022.138182）。论文第一作者为省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室2021级博士研究生张竞哲，通讯作者为李发亮副教授和张海军教授。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室和“澳门青年学者”计划等资助。（省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室）