01 研究背景
具有开放晶体结构和高理论容量的层状钒氧化物被认为是有前途的水系锌离子电池（ZIBs）正极材料。然而，普通V2O5较低的比表面积和几乎无孔的特性导致了较少的电化学活性位点和缓慢的离子传输速率，而且V2O5较低的导电性和狭窄的层间距也严重影响了电极的反应动力学，阻碍了其实际应用。因此，构建具有宽层间距、高导电性和优异结构稳定性的V2O5基正极材料具有广阔的应用前景，这仍是一个巨大的挑战。
02 研究内容
鉴于此，中南大学材料科学与工程学院李芝华教授团队提出了一种新策略，将稀土铈离子（Ce3+）和导电高分子（聚苯胺，PANI）共插层到V-MOF衍生的多孔V2O5中作为ZIBs的正极材料（记为CPVO）。较高的比表面积和纳米片状多孔特性赋予了CPVO更多的Zn2+扩散通道和电化学活性位点，实现了更快的Zn2+扩散速率和高的放电比容量高。此外，共插层的Ce3+和PANI作为“支柱”极大地扩宽了CPVO的层间距（约为1.52 nm），Ce3+和PANI的协同作用有效地提高了整体材料的导电性，从而增强了电化学动力学和结构稳定性。这项工作为构建高容量性能和良好循环性能的钒基正极材料提供了一种创新的设计策略，期望应用于低成本和高安全性的水系锌离子电池。
该研究工作以“Ce ions and polyaniline co-intercalation into MOF-derived porous V2O5 nanosheets with synergistic energy storage mechanism for high-capacity and super-stable aqueous zinc-ion batteries”为题发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上。本文第一作者为博士研究生张一博，通讯作者为李芝华教授，通讯单位为中南大学。
03 图文导读
图1.(a-c) V-MOF衍生的多孔V2O5、CVO和CPVO的SEM图像；(d) CPVO的TEM图像；(e-f) CPVO的HRTEM图像；(g) CPVO的SEM图像和对应的EDS图。
图2.V2O5、CVO和CPVO的 (a) XRD图, (b) 红外光谱图, (c) N2吸附-脱附等温曲线及孔径分布图；V2O5、CVO和CPVO的(d) V 2
p(e) Ce 3高分辨XPS谱图；(f)PANI和Ce-PANI的电导率图
图3.(a) V2O5、CVO和CPVO电极的CV测试曲线；(b) 0.1 A g-1下的充放电曲线；(c)0.1 A g-1下的循环性能图；(d)倍率性能图；(e) CPVO电极的充放电曲线图；(f)V2O5、CVO和CPVO的阻抗图；(g)10.0 A g-1下的循环性能图；(h) 不同电极材料的电化学性能对比。
图4.(a)CPVO电极在不同速率下的CV测试曲线；(b) 峰值电流和扫速的拟合线；(c)1.0 mV s-1扫速下的电容贡献率；(d)在不同扫速下的电容和扩散控制贡献率；(e-f) GITT曲线与Zn2+扩散系数图。
图5.(a)CPVO电极的非原位XRD图谱；(b-e)CPVO电极的非原位XPS图谱。
图6.(a) V2O5、CVO和CPVO的态密度图；(b) V2O5、CVO和CPVO的Zn2+吸附能；(c-e)
V2O5、CVO和CPVO的差分电荷密度分布图；(f) V2O5和CPVO的循环性能对比图。
04 研究总结
在这项工作中，作者创新性地开发了一种“三合一”策略，将Ce3+和PANI共插层到V-MOF衍生的多孔V2O5中，形成纳米片状的CPVO复合材料。高的比表面积和纳米片状多孔结构赋予CPVO更多的Zn2+扩散通道和电化学活性位点，实现了更快的Zn2+迁移速率和较高的放电比容量（0.1 A g−1时为498.5 mAh g−1，100次循环后容量保持率为98.9%）。此外，共插层的Ce3+和PANI作为“支柱”极大地扩宽了CPVO的层间距，Ce3+和PANI的协同作用有效地提高了整体材料的导电性，从而实现了优异的倍率性能（在5.0 A g−1下为385.6 mAh g−1）和循环稳定性（在10.0 A g−1下循环2000次后容量保持率为93.8%）。研究结果表明，具有协同储能机制的稀土离子和导电高分子共插层策略有望为高性能水系ZIBs正极材料的设计提供新的见解。
文献信息
Ce ions and polyaniline co-intercalation into MOF-derived porous V2O5nanosheets with synergistic energy storage mechanism for high-capacity and super-stable aqueous zinc-ion batteries.
Yibo Zhang
, Zhihua Li* , Bo Zhao, Ziyi Wang, Jun Liu
Journal of Materials Chemistry A,
https://doi.org/10.1039/d3ta06554e.
作者信息
通讯作者：李芝华，中南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主持完成国家军工配套项目4项，主持完成国家863项目1项。主持完成湖南省重点科技攻关项目1项，主持完成广东省省部产学研结合项目1项。主持或参与湖南省一般科研项目研究多项。已发表研究论文近100余篇。其中SCI收录30篇；EI收录40篇。已完成主持的多项国家军品配套项目、国家863项目和湖南省攻关项目等的鉴定与验收。获得中国有色金属工业科技进步3等奖1次（排名第一，部级）。研究成果获得过2007年湖南省新产品奖。已申请国家发明专利21项，其中18项已获得国家授权的专利。
第一作者：张一博，博士研究生，中南大学材料科学与工程学院。主要研究方向为新型金属有机框架（MOFs）复合材料的设计合成及其在水系锌离子电池方面的应用研究。多项研究工作发表在Chemical Engineering Journal、
Journal of Energy Chemistry、Journal of Materials Chemistry A、Materials Today Chemistry、ACS Applied Energy Materials、Journal of Electroanalytical Chemistry、Journal of the Electrochemical Society等期刊上。