第一作者：张树超

通讯作者：邹正光*，高义华*

单位：桂林理工大学，华中科技大学

水性锌离子电池（ZIBs）作为一种新兴的储能设备，因其具有优越的理论容量（820 mAh g^-1）、低氧化还原电位（−0.76 V vs SHE）、成本低和安全性高等优点，已经得到广泛关注。氧化钒作为一种有前景的锌离子电池正极材料，虽然具有大的层间距， 易于调节的钒价态，但是较差的电导率以及脆弱的结构造成了较低的倍率性能和较短的循环寿命。因此，如何改善氧化钒的电导率，稳固氧化钒的晶体结构成为目前开发高性能水系锌离子电池的关键。

基于此，桂林理工大学邹正光教授课题组与华中科技大学高义华教授合作，在国际知名期刊《Nano Energy》 上发表题为“Boosting zinc-ion storage in vanadium oxide via “dual-engineering” strategy”的研究论文。

该研究是在密度泛函理论（DFT）计算的指导下，发现结晶水和较多的氧空位共存可以有效改善氧化钒的电导率并降低锌离子在氧化钒中的扩散能垒。因此，通过一种简单的过还原溶剂热法将结晶水和更多的氧空位同时引入到氧化钒中。得益于结晶水和氧空位所带来的双重优势，所制备的O_d-V₂O₅·4VO₂·0.82H₂O正极展现出优异的电化学性能。另外，通过一系列的非原位表征手段证实了锌离子与质子的顺序嵌入机理。本研究所提出的双重改性策略为高性能锌离子电池的开发利用带来了希望。

作者首先构筑了三种氧化钒模型，即带有氧空位但没有结晶水的氧化钒（VO），同时带有氧空位和结晶水的氧化钒（VH）以及带有更多的氧空位和结晶水的氧化钒（VHO）。理论计算计算结果发现更多的氧空位有利于提升材料的电导率，而且相比于VO和VH材料，VHO具有更低的锌离子扩散能垒。上述结果为后续材料的制备提供了理论指导。

在溶剂热反应6h的基础上，继续增加反应时间到8h，从而引入更多的氧空位。从图2（b−d）可以看出，合成的VHO形貌为纳米带。图（e）中所观察到的晶格缺陷可能为氧空位。另外，图2（f）中的EDS元素分布图表明了V、O元素的均匀分布。图3（a−b）中（002）和（200）晶面峰位的向左偏移表明了结晶水的成功保留。另外，图3（c）和（d）中VHO拉曼光谱的蓝移以及TG曲线证实了氧空位的存在。图3（e）和（f）中的XPS光谱为氧空位的增加以及结晶水的保留提供了进一步的证据。以上结果表明包含结晶水和更多的氧空位的VHO已被成功制备。

为了验证增加的氧空位和保留的结晶水对于VHO的双重改性作用，将VHO作为正极组装成扣式电池并测试了其电化学性能。作者所制备的VHO正极展现出优异的电化学性能，其中包括高的初始比容量（441.2 mAh g⁻¹ 在电流密度为0.10 A g⁻¹ 时）；卓越的倍率性能（在20.0 A g⁻¹ 时的放电比容量高达194.5 mAh g⁻¹）以及良好的循环耐久性（循环1000次完成了95.3%的容量保留）。VHO电极的电化学性能改善的原因可以归结为以下三点：第一，结晶水的保留不仅扩展了VHO的层间距，而且其作为一种“支柱”在一定程度上抑制了锌离子在VHO中扩散时结构的坍塌；第二，氧空位的存在改善了VHO的电导率；第三，氧空位和结晶水都可以有效地抑制锌离子与主体结构之间强烈的静电相互作用。

作者首先通过非原位XRD证实了锌离子在VHO电极中的可逆脱嵌机制，并进一步通过非原位XPS光谱证明了质子在VHO电极中的嵌入与脱出。更重要的是，非原位SEM，TEM-EDS与拉曼光谱等测试相结合表明，VHO电极中存在锌离子与质子的顺序嵌入机制，即锌离子主导高电位（1.40 −0.70 V）的嵌入，而质子主导低电位（0.70 −0.20 V）嵌入。

Boosting zinc-ion storage in vanadium oxide via“dual-engineering” strategy

Shuchao Zhang, Zhengguang Zou*, Yihua Gao*, Jing Geng, Min Chen, Wenqin Ling, Fangan Liang, Xiaoxiao Peng, Mengxuan Zhou, Fagang Yu, Shengkun Jia

邹正光教授简介：邹正光，男，教授，博士生导师。1998年获武汉理工大学材料学工学博士学位。曾任桂林工学院材料与化学工程系副主任、主任，科技处处长，材料科学与工程院院长，兼任广西硅酸盐学会常务理事，全国高校金相与显微分析学会常务理事，中国有色金属学会理事，并入选广西新世纪“十百千”人才工程第二层次人选, 广西优秀专家。

邹正光教授长期从事无机材料、复合材料、功能材料的合成与制备等领域的研究工作。在金属/陶瓷复合材料原位合成、计算材料学、锂离子电池正极材料、太阳能电池材料及磁性材料等方面取得了突出的成就。先后主持和参与承担四十多项科研项目的研究工作，包括国家自然科学基金项目、国家863高技术项目、国家重点实验室基金、广西重大创项目、广西自然科学基金项目、广西科技攻关项目、桂林科技攻关项目和广西区教育厅基金项目、广西新世纪人才基金多项其它生产合作项目等。

邹正光教授曾出版《TiC/Fe复合材料的自蔓延高温合成工艺及应用》学术专著一部，并在ACS Nano、Journal of Power Sources、Nano Energy、Electrochimica Acta 等重要学术期刊上发表学术论文200余篇。科研成果曾获广西自然科学二等奖一项，广西科技进步一等奖二项、广西科技进步二等奖一项、三等奖一项，获发明专利10多项。

高义华教授简介：1998年，高义华毕业于中国科学院物理研究所并取得博士学位，1999年3月赴日本National Institute for Materials Science（NIMS）工作（其中2003年5月−2004年2月，美国西北大学访问学者），2005年1月入职华中科技大学，2006年3月回国全职工作。现任华中科技大学二级教授、博士生导师和华中学者特聘教授, 物理学院&武汉光电国家研究中心双聘教授，物理学院纳米材料与器件物理团队负责人。

高义华教授长期从事新型光电力热材料与器件的研究，在电能存储、光发射与光力热探测等方面的微纳尺度结构器件研究中取得了一系列突出进展。在全球所有领域的顶尖10万名学者中排名为第45279名<2022年8月31日更新>，网址：http://www.globalauthorid.com/WebPortal/EliteOrder。

参与一项973项目，获6项国家自然科学基金的面上项目支持。共发表SCI文章210余篇，其中在Nature；Nat. Commun.; Adv. Mater.; Adv. Funct. Mater.; Nano Energy; Nano Lett.; ACS Nano等权威期刊上发表第一作者或通讯作者文章128篇。1篇学术论文获“湖北省第十六届自然科学优秀学术论文”一等奖。作为团队负责人（共5名老师成员），团队内共培养3名博士后，27名博士和45名硕士，其中3名学生已成为正教授，14名学生已成为副教授。个人名下已培养3名博士后，21名博士和32名硕士。10多名学生获“国家奖学金”奖励，1篇博士论文获“湖北省优秀博士论文”荣誉。