近日，深圳大學化學與環境工程學院任祥忠教授團隊在化學領域頂尖期刊《Angewandte Chemie》（影響因子16.6，中科院JCR 1區，TOP期刊）發表了題為《Creating High-entropy Single Atoms on Transition Disulfides through Substrate-induced Redox Dynamics for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution》的研究論文。深圳大學羅兆艷助理教授為論文第一作者，深圳大學任祥忠教授和加拿大西安大略大學孫學良院士為該論文共同通訊作者，深圳大學為第一作者單位和第一通訊單位。

多金屬單原子(SAs)可控地錨定到單一載體上展示了科學和技術機會，而將濃度復雜的多金屬SAs和高熵SAs(HESAs)結合到一個SAC系統中仍然是一個巨大的挑戰。

在本研究中，作者通過一種襯底介導的SAs形成策略，成功地在MoS₂和MoSe₂載體上制備了多金屬SAs和HESAs的文庫，可以精確地控制SAS的摻雜位置。特別是，SAs的含量可以不斷增加，直到TMDS載體上可達的Mo原子完全被SAs取代，從而允許更高的金屬含量。深入的機理研究表明，通過控制TMDS/TM離子界面上發生的可逆氧化還原反應，實現了多金屬SAS和HESA的良好控制合成。作為概念驗證的應用，各種SAs-TMDs被應用于析氫反應。優化的HESA-TMDs(Pt、Ru、Rh、Pd、Re-MoSe₂)比最先進的鉑具有更高的活性和耐用性。因此，本研究工作將拓寬單原子催化劑的家族，為合理設計高性能的單原子催化劑提供新的指導。

催化材料的電化學HER性能

該研究項目得到了國家自然科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究基金項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202405017

深圳大學化學與環境工程學院任祥忠教授團隊在材料領域頂尖期刊《Advanced Functional Materials》（影響因子18.5，中科院JCR 1區，TOP期刊）發表了題為《Synergistic M-O Dual-Atom Pairs Induced Interfacial Water Hydrogen Bonding Network for Boosting MoSe₂Electrocatalytic Performance》的研究論文。該團隊助理教授羅兆艷和碩士研究生生郭逸潤為論文共同第一作者，深圳大學任祥忠教授為該論文通訊作者，深圳大學為唯一作者單位和唯一通訊單位。

了解析氫反應（HER）過程中電極-溶液界面水網絡的動態變化，包括它如何受到電極材料和電解質pH值的雙重調節，以及其對反應中間體（H*和OH）的后續影響*)，在電化學中至關重要。 然而，由于水具有反應物和溶劑的雙重作用，相關研究受到限制。 因此，有必要構建一個能夠將界面水作用與表面催化HER過程的影響解耦的理想模型。

在這項研究中，作者通過開發了M-O原子對摻雜的MoSe2模型催化劑來實現這一目標，并在雙層微環境中定制水網絡結構。結合分子動力學模擬和原位光譜表征，成功建立了水構型、水網絡和水解離與HER活性之間的相關性。這一發現表明，與堿性介質相比，由親氧物質調節的pH依賴性氫鍵環境對酸性HER的影響更大。優化的Rh,O-MoSe_2-x催化劑在酸性和堿性電解質中均表現出優異的性能，并且在1.5 A cm^?2的PEMWE測試中沒有表現出活性衰減，使其有望用于可擴展的水電解槽。

Rh, O-MoSe_2-x為陰極電催化劑的PEMWE電解槽的性能

該研究項目得到了國家自然科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究基金項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202405017

深圳大學化學與環境工程學院任祥忠教授團隊在材料領域頂尖期刊《Advanced Energy Materials》（影響因子24.4，中科院JCR 1區，TOP期刊）發表了題為《Glutamic Acid Induced Proton Substitution of Sodium Vanadate Cathode Promotes High Performance in Aqueous Zinc-Ion Batteries》的研究論文。該團隊碩士生張鵬濤為論文第一作者，深圳大學任祥忠教授和羅兆艷助理教授為該論文共同通訊作者，深圳大學為第一作者單位和第一通訊單位。

水系鋅離子電池因其具有低成本、對環境友好、高容量（820 mAh g^?1）和較低的氧化還原電位(?0.78 V vs. SHE)等特點而成為最受關注的電化學儲能器件之一。然而，釩基正極材料仍然存在層間距窄、不可逆相變、結構溶解和電化學動力學緩慢等問題，這極大限制了其在水系鋅離子電池中的應用。

在本研究中，研究團隊通過客體材料介導的NVO合成策略，利用谷氨酸（Glu）誘導質子取代Na，實現Na₂V₆O₁₆·3H₂O（NVO）的晶體轉變，從而探索出一種有機-無機混合正極HNaV₆O₁₆·4H₂O-Glu（HNVO-Glu）。其中，通過Glu可以將H引入NVO框架中，誘導形成結構更穩定的單斜HNaV₆O₁₆·4H₂O相，防止結構相變和V₆O₁₆層狀結構材料坍塌；同時Glu作為支柱擴大層間距，提升Zn²⁺擴散動力學；此外，Glu表面的極性基團削弱了Zn²⁺與宿主材料之間的靜電作用，進一步提高了Zn²⁺遷移速率；理論計算表明Glu的引入可以將原始的p型半導體轉化為n型半導體結構，提高了HNVO正極的導電性。該研究為未來合理設計具有有機-無機雜化結構的先進水系鋅電正極提供了潛在的見解。

原位XRD/Raman和非原位ICP/XPS解析充放電反應機理

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202401493

深圳大學化學與環境工程學院任祥忠教授團隊在材料領域頂尖期刊《Journal of Colloid And Interface Science》（影響因子9.1，中科院JCR 1區，TOP期刊）發表了題為《Polypyrrole pre-intercalation engineering-induced NH₄⁺removal in tunnel ammonium vanadate toward high-performance zinc ion batteries》的研究論文。該團隊碩士生龔洋洋和張鵬濤為本文的共同第一作者，深圳大學任祥忠教授和范爽專職研究員為該論文共同通訊作者，深圳大學為第一作者單位和第一通訊單位。

在水系鋅離子電池釩基正極材料中，NH₄V₄O₁₀因其銨根離子(NH₄⁺)具有較大的離子半徑(約143 pm)和相對較小的摩爾質量(18 g mol^?1)，從而使得正極層間間距大，具有較高的Zn²⁺存儲容量。然而在重復的充放電過程中，NH₄V₄O₁₀層間NH₄⁺離子的不可逆脫出，導致正極的主鏈結構往往會發生嚴重的崩塌，從而進一步降低反應動力學以及循環壽命差。因此，減少過量的NH₄⁺帶來的副作用對于提高釩酸銨正極的電化學性能至關重要。

在本研究闡明了一種通過引入聚吡咯（ppy）部分取代NH₄V₄O₁₀層間多余的銨離子以提高電化學性能的新策略。首先聚吡咯的引入協同去除NH₄⁺，同時伴隨著層間行間距的擴大和豐富的氧空位，為鋅離子遷移提供了更多暴露的活性位點，提高了界面的電子/離子電導率。其次Ppy聚合物與層中剩余的NH₄⁺可以共同作為支柱支撐層的結構，打破Zn²⁺離子與主體框架之間的排斥靜電相互作用，進而促進反應動力學。因此，該正極具有高容量（0.5 A g^?1時為431.9 mA h g^?1）、優異的倍率能力和長期循環穩定性（20 A g^?1時1500次循環后為219.1 mAh g^?1）。該方案為水系鋅電釩基正極材料的設計提供一種新的思路和見解。

原位和非原位表征探究NVOY正極充放電反應機理

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.03.025

深圳大學化學與環境工程學院任祥忠教授團隊在材料領域頂尖期刊《Carbon Energy》（影響因子19.5，中科院JCR 1區）發表了題為《Building Fe atom-cluster composite sites using a site occupation strategy to boost electrochemical oxygen reduction》的研究論文。該團隊碩士研究生周廷儀為論文第一作者，深圳大學任祥忠教授和羅兆艷助理教授，中國科學院長春應化所邢巍教授為該論文共同通訊作者，深圳大學為第一作者單位和第一通訊單位。

制備M-N-C單原子催化劑的高溫熱解過程通常會導致產品結構的高度異質性，同時包含從單原子（SA）、原子團簇到納米顆粒的多尺度金屬相。因此，了解這些組分之間的相互作用，尤其是單原子位點和原子團簇位點之間的協同效應，對于提高M-N-C催化劑的氧還原反應（ORR）活性至關重要。

在本研究中，作者通過位點占據策略構建了一種由原子分散的FeN₄SA位點和相鄰鐵簇組成的模型催化劑。本研究中發現，鐵簇可以通過引入電子吸收-OH配體和降低鐵中心的d帶中心來優化氧還原中間產物在FeN₄SA位點上的吸附強度。所開發的催化劑具有令人鼓舞的ORR活性，在酸性和堿性介質中的半波電位（E_1/2）分別為0.831 V和0.905 V。此外，該催化劑的耐久性也超過了Fe-N-C SA催化劑。Fe(Cd)-CN_x催化劑在金屬-空氣電池裝置中的卓越活性和穩定性進一步驗證了它的實際應用。本研究工作表明，多相金屬物種之間的協同效應在改進單原子位點催化劑方面具有巨大潛力。

Fe(Cd)-CN_x催化劑在酸性和堿性溶液中的電化學ORR性能

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/cey2.477

深圳大學化學與環境工程學院任祥忠教授團隊在國際能源領域著名期刊《Journal of Colloid And Interface Science》（影響因子9.4，中科院JCR1區，TOP期刊）上發表了題為《Polar groups promoting in-situ polymerization phase separation for solid electrolytes enabling solid-state lithium batteries》的論文。該團隊碩士生羅永睿和博士生錢音男為共同第一作者，任祥忠教授和羅兆艷助理教授為共同通訊作者，深圳大學為唯一通訊單位。

固態聚合物電解質（SPEs）面臨著低離子導電性、機械強度弱和電化學穩定性有限等挑戰。研究人員開發了如復雜聚合物結構、交聯系統和添加填料或增塑劑等戰略來克服這些障礙。其中，使用聚合物化學誘導相分離（PIPS）策略設計的聚合物復合電解質（PCEE）是一種非常有前景的SPE。這種方法在聚合過程中誘導了共聚物中離子導電相和塑晶相的相分離，形成特定的功能結構。然而，PCEE中聚合物基體單體的分子設計仍待深入探討。

本文中，研究團隊選擇了不同電子基團的單體（如-OH為電子供體基團，-CN和-F為電子吸收基團），以研究這些基團特性對PIPS過程的影響，并闡明固態鋰金屬電池中性能變化的結果。實驗顯示，含有-CN和-F基團的單體引起了相分離，形成了一個被聚合物相包圍的3D塑晶相。值得注意的是，使用-F單體合成的PCEE（FBA-PCEE）在30°C下具有高達2.02 mS cm?1的離子導電性、高達0.75的鋰離子遷移數以及5.1 V的寬電化學窗口。此外，FBA-PCEE在鋰金屬對稱電池中表現出與鋰金屬陽極的優良界面穩定性。引入極性-F基團增強了聚合物的電子吸引能力，促進了聚合物段的低能量遷移，從而確保了全固態鋰金屬電池（ASSLMB）中的優異電化學性能。本研究通過聚合物化學誘導相分離為高性能PCEEs和高能量密度的聚合物鋰金屬電池的設計提供了新的見解。

PCEEs的相關理論計算以及紅外光譜測試

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.08.132

深圳大學化學與環境工程學院任祥忠教授團隊在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（影響因子8.3，中科院JCR2區，TOP期刊）上發表了題為《Unveiling the Role of Filler Characteristics in Enhancing High-Voltage Performance of Succinonitrile-Based Solid-State Lithium Metal Batteries》的論文。該團隊碩士研究生尹若男和張兆昊為共同第一作者，任祥忠教授和羅兆艷助理教授為共同通訊作者。深圳大學為唯一作者單位和唯一通訊單位。

隨著對清潔和高效能源存儲需求的日益增長，可充電鋰離子電池（Lithium-ion Batteries, LIBs）得到了顯著發展。其中，固態鋰金屬電池因其高能量密度和安全性而被視為未來電池技術的重要發展方向。因此，開發具有高離子導電性和良好電化學穩定性的固態電解質的重要性，能夠為高能量密度、高安全性的電池技術提供新的解決方案。

本研究中，為了開發具有卓越離子導電性和廣泛電化學穩定性的電解質，制備了3D PAN納米纖維和包含不同路易斯酸-堿屬性的無機填料的聚合物電解質。PAN@Al-SSE展現出優異的離子導電性（室溫下為0.48 mS·cm^?2）、高Li⁺傳輸數（0.41）和寬電化學窗口（5.26 V）。該裝置能在0.03 V下，0.2 mA·cm^?2的電流密度下穩定運行超過1000小時。此外，該技術為高電壓Li-LiCoO₂固態電池提供了卓越的循環性能（在0.2和1 C下100次循環后分別保留91.3%和82.1%）。機制研究表明，表面填料的路易斯酸-堿屬性對于形成穩定的固體-電解質界面層至關重要。特別是，具有更多路易斯酸位點的γ-Al₂O₃確保了LiTFSI的解離，并誘導了丁二腈的過度分解和聚合。在丁二腈基固態電解質中，解離和聚合之間的平衡效應對于改善丁二腈基固態鋰電池的性能，尤其是在高電壓條件下，起著關鍵作用。

本工作闡明了丁二腈基固態電解質的強化機制對于高電壓條件下的ASSLMBs至關重要。在SN基固態電解質中存在解離和聚合之間的平衡效應。特別是，添加γ-Al₂O₃導致溶脹SN分子和接觸離子對濃度增加，從而顯著加速了鋰鹽的解離。同時，富含鋰的固體電解質界面成分（例如LiF和Li₃N）的發展變得更加可行。SEI膜可以有效地防止SN在鋰陽極表面的副反應，從而增強基于SN的高電壓固態鋰電池系統。

納米纖維和聚合物電解質的制備合成示意圖和丁二腈基固態鋰電池的性能測試圖

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c10917