武科大网讯 近期，美高梅集团耐火材料与冶金国家重点实验室先进材料研究团队在能源材料与器件研究领域取得了系列重要研究进展。
目前有关硫氧化还原催化的研究主要集中在多硫化锂（LiPSs）的吸附和催化转化上，忽略了对催化剂电子结构的调控，包括“电荷转移”和“轨道相互作用”在内的电子结构均对催化剂的吸附和催化性能有着显著影响。因此，本团队设计并合成了高熵合金纳米颗粒修饰的多通道碳纳米管复合催化剂（MnxFeCoNiCu/MCCFs，图1），以其作为宿主材料研究了催化剂催化活性与其表面电子结构之间的关系。在此基础上，结合密度泛函理论计算和实验结果，证明通过“本征电子转移-补充机制”可以调控催化剂表面的电荷分布，改善其多电子反应性能，实现吸附和解吸之间的平衡。Mn1.00FeCoNiCu/MCCFs组装的电池具有938 mAh g−1的高比容量，在1.0 C的电流下循环500次后，其容量衰减率仅为0.013%每圈。
研究论文“Regulating the Electronic modulation Configuration of MnxFeCoNiCu High entropy alloy for Reliable Sulfur Redox Kinetics”，在线发表于材料科学领域国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上(2024年影响因子20.2，论文链接DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.124788)，美高梅集团材料学部2023级博士研究生于英杰为本文第一作者，耐火材料与冶金国家重点实验室雷文副教授和张海军教授为本文共同通讯作者。
SiOC因具有可调的结构组成、高的可逆容量和体积膨胀小等优势被视为下一代锂离子电池阳极的候选材料之一，但其也存在比表面积较低和导电性不足等缺点，制约了该材料的进一步发展。本团队通过简单的水热掺杂合成策略，成功制备了氮元素掺杂的空心多孔SiOC球形颗粒(Hp-SiOCN，图2)，不仅有效提高了其导电性，增大了离子/电子在电极材料中的迁移速率；而且还在SiOC中形成了大量的缺陷，为电化学反应提供更多的活性位点。密度泛函理论计算结果表明，N原子可以与SiOC中的Si或者C形成化学键，氮掺杂的SiOC对锂离子有着较强的吸附能力。以Hp-SiOCN为锂离子电池的负极材料时，在0.5和1.0 A·g-1的电流密度下分别循环300和500圈后，其可逆比容量仍能保持在487和412 mAh·g-1，远高于未掺杂的Hp-SiOC。
研究论文“Collaborative Hollow Porous Structure Design and N Doping to Achieve a Win-Win Situation of "Stable" and "Fast" Lithium Battery”，在线发表于材料科学领域国际顶级期刊SusMat上(2024年影响因子18.7，论文链接DOI: 10.1002/sus2.257)，美高梅集团材料学部2021级博士研究生李可琢为本文第一作者，耐火材料与冶金国家重点实验室雷文副教授和张海军教授为本文共同通讯作者。
钛基复合材料因具有优异的耐化学腐蚀性、高的结构稳定性和较低的晶格应变，在超级电容器和金属离子电池等多功能电化学储能领域有着广泛的应用前景。然而，钛基超级电容器通常面临几何形状简单、比表面积有限以及活性位点密度低等问题，难以满足小型化和集成化设备的需求。因此，本团队先采用选区激光熔化(SLM)技术制备了具有复杂形状的钛阵列基体，再对其进行了表面纳米化改性处理，成功制备了具有分级多孔结构和高比表面积的三维Ti/TiN纳米管阵列复合材料(Ti/TiN NTAs)，系统研究了不同SLM工艺条件对Ti/TiN NTAs微观结构及超级电容器性能的影响(图3)。得益于Ti/TiN NTAs复合材料三维几何结构、分级多孔结构和异质结效应的协同作用，所制备的超级电容器具有优异的电容性能(134.4 mF/cm2)、高的功率密度(4.1 mW/cm2)和良好的循环稳定性(3000次循环后，比电容保持率为80.2%)。
研究论文“Laser Additive Manufacturing of Three-Dimensional Ti/TiN Nanotube Arrays with Hierarchical Pore Structures and Promoted Supercapacitor Performances”，在线发表于纳米材料领域国际顶级期刊Nano Letters上(2023年影响因子9.6，论文链接DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c01633)。美高梅集团材料学部2021级硕士研究生吕俊毅和2017级硕士研究生刘杰为本文共同第一作者，耐火材料与冶金国家重点实验室刘江昊副教授和张海军教授为本文共同通讯作者。
上述研究工作得到了省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、国家自然科学基金等项目资助。本年度至今，先进材料研究团队已在Advanced Materials(1篇)、Energy Storage Materials(1篇)、Applied Catalysis B(1篇)、SusMat(1篇)、Nano Letters(1篇)、Chemical Engineering Journal(4篇)、Journal of the European Ceramic Society(4篇)等国际知名刊物发表接受SCI文章30余篇。（材料学部）
