晶相-非晶相氧空位协同调控钒电子态解锁锌离子存储新效能【科学指南针·计算支持·2025】

齐齐哈尔大学李少斌教授团队在《Advanced Functional Materials》发表创新研究成果，通过晶相-非晶相与氧空位协同调控策略，成功提升钒基材料锌离子存储性能。科学指南针为本研究提供密度泛函理论计算支持，助力电子态调控机制解析与材料设计优化。

研究背景与锌离子电容器挑战

锌离子电容器（ZICs）结合超级电容器高功率密度和锌离子电池高能量密度优势，成为极具潜力的储能技术。然而，电极材料性能限制其实际应用发展。

​技术瓶颈分析：​​

• 碳基电极材料双电层电容机制限制能量密度提升

• 钒基氧化物电极材料导电性差、离子扩散动力学缓慢

• 传统材料设计难以兼顾高容量和长循环稳定性

• 需要创新材料结构调控策略突破性能瓶颈

创新方法：晶相-非晶相协同调控策略

研究团队开发一步溶剂热合成结合退火处理新策略，构建三维交联VOₓ/MXene复合网络，实现晶相-非晶相结构与氧空位协同调控。

​技术突破要点：​​

• V-MOF原位生长于V₂CTₓ-MXene表面，形成三维交联网络

• 退火处理精确调控晶相-非晶相比例和氧空位浓度

• 晶相提供结构稳定性，非晶相增强离子传输动力学

• 氧空位优化电子结构，降低锌离子扩散能垒

材料合成与结构表征

通过一步溶剂热法成功制备V-MOF/MXene前驱体，经700°C氩气氛围退火获得VOₓ/MXene复合材料。

​结构特征验证：​​

• XRD显示V₂O₃晶体结构形成，保留无定形碳相

• 拉曼光谱证实V-MOF热解产生无定形碳组分

• EPR分析表明氧空位浓度与MXene含量正相关

• 三维交联网络缩短Zn²⁺扩散路径，提升反应动力学

图1. VO_X/MXene-x材料合成路线以及形貌表征

电子态调控与理论计算

密度泛函理论计算深入揭示晶相-非晶相转变对材料电子结构和锌离子存储性能的影响机制。

​计算研究发现：​​

• 非晶相V₂O₅带隙比晶相缩小12%，导电性显著提升

• 费米能级附近态密度增加，电荷离域化增强

• Zn²⁺在非晶相中吸附能降低，扩散势垒减小

• 氧空位促进V⁵⁺向V⁴⁺还原，优化电荷平衡机制

图2 VO_X/MXene-x材料的结构分析

图3 晶相-非晶相V₂O₅的态密度、Zn²⁺吸附能和差分电荷密度分析

储能机制与性能优化

通过异位和原位表征技术，系统研究VOₓ/MXene复合材料的锌离子存储机制和性能优化途径。

​机制研究突破：​​

• 电化学活化过程中V₂O₃转化为V₂O₅·nH₂O，进一步提升比容量

• 非晶相结构抑制Zn²⁺脱嵌引起的体积膨胀，增强循环稳定性

• 氧空位提供更多反应位点，促进离子快速传输

• 原位拉曼证实电化学反应可逆性和结构稳定性

图4 VO_X/MXene-4的储能机制探究

电化学性能与器件应用

评估VOₓ/MXene-4复合材料在锌离子电容器中的实际应用性能，展现出卓越的能量密度和循环稳定性。

​性能卓越表现：​​

• 1 A g⁻¹电流密度下比容量达336.39 mAh g⁻¹

• 10 A g⁻¹高倍率下仍保持213.06 mAh g⁻¹容量

• 能量密度356.27 Wh kg⁻¹，功率密度1280 W kg⁻¹

• 1000次循环后容量保持率75%，库仑效率近100%

• -15°C低温环境下保持稳定工作性能

图5.VO_X/MXene-4//Zn ZICs的稳定性、低温环境的实用性以及容量性能对比。

总结与展望

本研究通过晶相-非晶相与氧空位协同调控策略，为高性能锌离子电容器电极材料设计提供创新解决方案。

​创新价值总结：​​

• 三维交联网络结构优化离子传输路径

• 晶相-非晶相协同增强结构稳定性和反应动力学

• 氧空位工程优化电子结构和电荷转移效率

​应用前景：​​

• 为高功率密度储能器件开发提供新材料体系

• 推动锌离子电容器在新能源汽车、智能电网等领域的应用

• 为其他多价离子储能材料设计提供借鉴思路

论文信息：Advanced Functional Materials, 2025
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202501181

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