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化学与环境工程学院任祥忠教授团队在化学领域顶尖期刊《Angewandte Chemie》（影响因子16.6，中科院JCR 1区，TOP期刊）发表了题为《Creating High-entropy Single Atoms on Transition Disulfides through Substrate-induced Redox Dynamics for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution》的研究论文。苹果版bd
罗兆艳助理教授为论文第一作者，苹果版bd
任祥忠教授和加拿大西安大略大学孙学良院士为该论文共同通讯作者，苹果版bd
为第一作者单位和第一通讯单位。
多金属单原子(SAs)可控地锚定到单一载体上展示了科学和技术机会，而将浓度复杂的多金属SAs和高熵SAs(HESAs)结合到一个SAC系统中仍然是一个巨大的挑战。
在本研究中，作者通过一种衬底介导的SAs形成策略，成功地在MoS2和MoSe2载体上制备了多金属SAs和HESAs的文库，可以精确地控制SAS的掺杂位置。特别是，SAs的含量可以不断增加，直到TMDS载体上可达的Mo原子完全被SAs取代，从而允许更高的金属含量。深入的机理研究表明，通过控制TMDS/TM离子界面上发生的可逆氧化还原反应，实现了多金属SAS和HESA的良好控制合成。作为概念验证的应用，各种SAs-TMDs被应用于析氢反应。优化的HESA-TMDs(Pt、Ru、Rh、Pd、Re-MoSe2)比最先进的铂具有更高的活性和耐用性。因此，本研究工作将拓宽单原子催化剂的家族，为合理设计高性能的单原子催化剂提供新的指导。
催化材料的电化学HER性能
该研究项目得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202405017
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化学与环境工程学院任祥忠教授团队在材料领域顶尖期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子18.5，中科院JCR 1区，TOP期刊）发表了题为《Synergistic M-O Dual-Atom Pairs Induced Interfacial Water Hydrogen Bonding Network for Boosting MoSe2Electrocatalytic Performance》的研究论文。该团队助理教授罗兆艳和硕士研究生生郭逸润为论文共同第一作者，苹果版bd
任祥忠教授为该论文通讯作者，苹果版bd
为唯一作者单位和唯一通讯单位。
了解析氢反应（HER）过程中电极-溶液界面水网络的动态变化，包括它如何受到电极材料和电解质pH值的双重调节，以及其对反应中间体（H*和OH）的后续影响*)，在电化学中至关重要。 然而，由于水具有反应物和溶剂的双重作用，相关研究受到限制。 因此，有必要构建一个能够将界面水作用与表面催化HER过程的影响解耦的理想模型。
在这项研究中，作者通过开发了M-O原子对掺杂的MoSe2模型催化剂来实现这一目标，并在双层微环境中定制水网络结构。结合分子动力学模拟和原位光谱表征，成功建立了水构型、水网络和水解离与HER活性之间的相关性。这一发现表明，与碱性介质相比，由亲氧物质调节的pH依赖性氢键环境对酸性HER的影响更大。优化的Rh,O-MoSe2-x催化剂在酸性和碱性电解质中均表现出优异的性能，并且在1.5 A cm−2的PEMWE测试中没有表现出活性衰减，使其有望用于可扩展的水电解槽。
Rh, O-MoSe2-x为阴极电催化剂的PEMWE电解槽的性能
该研究项目得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202405017
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化学与环境工程学院任祥忠教授团队在材料领域顶尖期刊《Advanced Energy Materials》（影响因子24.4，中科院JCR 1区，TOP期刊）发表了题为《Glutamic Acid Induced Proton Substitution of Sodium Vanadate Cathode Promotes High Performance in Aqueous Zinc-Ion Batteries》的研究论文。该团队硕士生张鹏涛为论文第一作者，苹果版bd
任祥忠教授和罗兆艳助理教授为该论文共同通讯作者，苹果版bd
为第一作者单位和第一通讯单位。
水系锌离子电池因其具有低成本、对环境友好、高容量（820 mAh g−1）和较低的氧化还原电位(−0.78 V vs. SHE)等特点而成为最受关注的电化学储能器件之一。然而，钒基正极材料仍然存在层间距窄、不可逆相变、结构溶解和电化学动力学缓慢等问题，这极大限制了其在水系锌离子电池中的应用。
在本研究中，研究团队通过客体材料介导的NVO合成策略，利用谷氨酸（Glu）诱导质子取代Na，实现Na2V6O16·3H2O（NVO）的晶体转变，从而探索出一种有机-无机混合正极HNaV6O16·4H2O-Glu（HNVO-Glu）。其中，通过Glu可以将H引入NVO框架中，诱导形成结构更稳定的单斜HNaV6O16·4H2O相，防止结构相变和V6O16层状结构材料坍塌；同时Glu作为支柱扩大层间距，提升Zn2+扩散动力学；此外，Glu表面的极性基团削弱了Zn2+与宿主材料之间的静电作用，进一步提高了Zn2+迁移速率；理论计算表明Glu的引入可以将原始的p型半导体转化为n型半导体结构，提高了HNVO正极的导电性。该研究为未来合理设计具有有机-无机杂化结构的先进水系锌电正极提供了潜在的见解。
原位XRD/Raman和非原位ICP/XPS解析充放电反应机理
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202401493
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化学与环境工程学院任祥忠教授团队在材料领域顶尖期刊《Journal of Colloid And Interface Science》（影响因子9.1，中科院JCR 1区，TOP期刊）发表了题为《Polypyrrole pre-intercalation engineering-induced NH4+removal in tunnel ammonium vanadate toward high-performance zinc ion batteries》的研究论文。该团队硕士生龚洋洋和张鹏涛为本文的共同第一作者，苹果版bd
任祥忠教授和范爽专职研究员为该论文共同通讯作者，苹果版bd
为第一作者单位和第一通讯单位。
在水系锌离子电池钒基正极材料中，NH4V4O10因其铵根离子(NH4+)具有较大的离子半径(约143 pm)和相对较小的摩尔质量(18 g mol−1)，从而使得正极层间间距大，具有较高的Zn2+存储容量。然而在重复的充放电过程中，NH4V4O10层间NH4+离子的不可逆脱出，导致正极的主链结构往往会发生严重的崩塌，从而进一步降低反应动力学以及循环寿命差。因此，减少过量的NH4+带来的副作用对于提高钒酸铵正极的电化学性能至关重要。
在本研究阐明了一种通过引入聚吡咯（ppy）部分取代NH4V4O10层间多余的铵离子以提高电化学性能的新策略。首先聚吡咯的引入协同去除NH4+，同时伴随着层间行间距的扩大和丰富的氧空位，为锌离子迁移提供了更多暴露的活性位点，提高了界面的电子/离子电导率。其次Ppy聚合物与层中剩余的NH4+可以共同作为支柱支撑层的结构，打破Zn2+离子与主体框架之间的排斥静电相互作用，进而促进反应动力学。因此，该正极具有高容量（0.5 A g−1时为431.9 mA h g−1）、优异的倍率能力和长期循环稳定性（20 A g−1时1500次循环后为219.1 mAh g−1）。该方案为水系锌电钒基正极材料的设计提供一种新的思路和见解。
原位和非原位表征探究NVOY正极充放电反应机理
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.03.025
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化学与环境工程学院任祥忠教授团队在材料领域顶尖期刊《Carbon Energy》（影响因子19.5，中科院JCR 1区）发表了题为《Building Fe atom-cluster composite sites using a site occupation strategy to boost electrochemical oxygen reduction》的研究论文。该团队硕士研究生周廷仪为论文第一作者，苹果版bd
任祥忠教授和罗兆艳助理教授，中国科学院长春应化所邢巍教授为该论文共同通讯作者，苹果版bd
为第一作者单位和第一通讯单位。
制备M-N-C单原子催化剂的高温热解过程通常会导致产品结构的高度异质性，同时包含从单原子（SA）、原子团簇到纳米颗粒的多尺度金属相。因此，了解这些组分之间的相互作用，尤其是单原子位点和原子团簇位点之间的协同效应，对于提高M-N-C催化剂的氧还原反应（ORR）活性至关重要。
在本研究中，作者通过位点占据策略构建了一种由原子分散的FeN4SA位点和相邻铁簇组成的模型催化剂。本研究中发现，铁簇可以通过引入电子吸收-OH配体和降低铁中心的d带中心来优化氧还原中间产物在FeN4SA位点上的吸附强度。所开发的催化剂具有令人鼓舞的ORR活性，在酸性和碱性介质中的半波电位（E1/2）分别为0.831 V和0.905 V。此外，该催化剂的耐久性也超过了Fe-N-C SA催化剂。Fe(Cd)-CNx催化剂在金属-空气电池装置中的卓越活性和稳定性进一步验证了它的实际应用。本研究工作表明，多相金属物种之间的协同效应在改进单原子位点催化剂方面具有巨大潜力。
Fe(Cd)-CNx催化剂在酸性和碱性溶液中的电化学ORR性能
论文链接：https://doi.org/10.1002/cey2.477
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化学与环境工程学院任祥忠教授团队在国际能源领域著名期刊《Journal of Colloid And Interface Science》（影响因子9.4，中科院JCR1区，TOP期刊）上发表了题为《Polar groups promoting in-situ polymerization phase separation for solid electrolytes enabling solid-state lithium batteries》的论文。该团队硕士生罗永睿和博士生钱音男为共同第一作者，任祥忠教授和罗兆艳助理教授为共同通讯作者，苹果版bd
为唯一通讯单位。
固态聚合物电解质（SPEs）面临着低离子导电性、机械强度弱和电化学稳定性有限等挑战。研究人员开发了如复杂聚合物结构、交联系统和添加填料或增塑剂等战略来克服这些障碍。其中，使用聚合物化学诱导相分离（PIPS）策略设计的聚合物复合电解质（PCEE）是一种非常有前景的SPE。这种方法在聚合过程中诱导了共聚物中离子导电相和塑晶相的相分离，形成特定的功能结构。然而，PCEE中聚合物基体单体的分子设计仍待深入探讨。
本文中，研究团队选择了不同电子基团的单体（如-OH为电子供体基团，-CN和-F为电子吸收基团），以研究这些基团特性对PIPS过程的影响，并阐明固态锂金属电池中性能变化的结果。实验显示，含有-CN和-F基团的单体引起了相分离，形成了一个被聚合物相包围的3D塑晶相。值得注意的是，使用-F单体合成的PCEE（FBA-PCEE）在30°C下具有高达2.02 mS cm⁻¹的离子导电性、高达0.75的锂离子迁移数以及5.1 V的宽电化学窗口。此外，FBA-PCEE在锂金属对称电池中表现出与锂金属阳极的优良界面稳定性。引入极性-F基团增强了聚合物的电子吸引能力，促进了聚合物段的低能量迁移，从而确保了全固态锂金属电池（ASSLMB）中的优异电化学性能。本研究通过聚合物化学诱导相分离为高性能PCEEs和高能量密度的聚合物锂金属电池的设计提供了新的见解。
PCEEs的相关理论计算以及红外光谱测试
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.08.132
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化学与环境工程学院任祥忠教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（影响因子8.3，中科院JCR2区，TOP期刊）上发表了题为《Unveiling the Role of Filler Characteristics in Enhancing High-Voltage Performance of Succinonitrile-Based Solid-State Lithium Metal Batteries》的论文。该团队硕士研究生尹若男和张兆昊为共同第一作者，任祥忠教授和罗兆艳助理教授为共同通讯作者。苹果版bd
为唯一作者单位和唯一通讯单位。
随着对清洁和高效能源存储需求的日益增长，可充电锂离子电池（Lithium-ion Batteries, LIBs）得到了显著发展。其中，固态锂金属电池因其高能量密度和安全性而被视为未来电池技术的重要发展方向。因此，开发具有高离子导电性和良好电化学稳定性的固态电解质的重要性，能够为高能量密度、高安全性的电池技术提供新的解决方案。
本研究中，为了开发具有卓越离子导电性和广泛电化学稳定性的电解质，制备了3D PAN纳米纤维和包含不同路易斯酸-碱属性的无机填料的聚合物电解质。PAN@Al-SSE展现出优异的离子导电性（室温下为0.48 mS·cm−2）、高Li+传输数（0.41）和宽电化学窗口（5.26 V）。该装置能在0.03 V下，0.2 mA·cm−2的电流密度下稳定运行超过1000小时。此外，该技术为高电压Li-LiCoO2固态电池提供了卓越的循环性能（在0.2和1 C下100次循环后分别保留91.3%和82.1%）。机制研究表明，表面填料的路易斯酸-碱属性对于形成稳定的固体-电解质界面层至关重要。特别是，具有更多路易斯酸位点的γ-Al2O3确保了LiTFSI的解离，并诱导了丁二腈的过度分解和聚合。在丁二腈基固态电解质中，解离和聚合之间的平衡效应对于改善丁二腈基固态锂电池的性能，尤其是在高电压条件下，起着关键作用。
本工作阐明了丁二腈基固态电解质的强化机制对于高电压条件下的ASSLMBs至关重要。在SN基固态电解质中存在解离和聚合之间的平衡效应。特别是，添加γ-Al2O3导致溶胀SN分子和接触离子对浓度增加，从而显著加速了锂盐的解离。同时，富含锂的固体电解质界面成分（例如LiF和Li3N）的发展变得更加可行。SEI膜可以有效地防止SN在锂阳极表面的副反应，从而增强基于SN的高电压固态锂电池系统。
纳米纤维和聚合物电解质的制备合成示意图和丁二腈基固态锂电池的性能测试图
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c10917
