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北京化工大學(xué)楊志宇研究員及團隊在知*期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Elevating the Orbital Energy Level of dxy in MnO6 via d–π Conjugation Enables Exceptional Sodium-Storage Performance"的文章。過(guò)渡金屬氧化物 (TMO) 具有固有的低電子電導率，而原子軌道相關(guān)的調節對于促進(jìn)儲能應用中的電子轉移動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。該研究利用 d-π 共軛策略來(lái)提高 TMO 的電子電導率。選擇具有大共軛體系的酞菁 (Pc) 分子來(lái)修飾過(guò)渡金屬氧化物 (δ-MnO2)。通過(guò)密度泛函理論（DFT）模擬，驗證MnO2和Pc之間的強d-π共軛可以提高M(jìn)nO6單元中低能軌道（dxy）的軌道能級，進(jìn)而提高dxy的氧化還原活性，從而顯著(zhù)提高電化學(xué)鈉存儲性能。

結果與討論

作者采用掃描電鏡和透射電鏡等設備分析材料的形貌結構，X射線(xiàn)能譜分析樣品的電子結構和成分信息，紫外可見(jiàn)吸收光譜檢測材料在250-800nm波長(cháng)范圍帶隙，采用X射線(xiàn)吸收光譜展現材料的邊緣結構和精細結構。使用北京卓立漢光儀器有限公司自主研發(fā)的Finder Viseta激光顯微共聚焦拉曼光譜儀檢測原位拉曼光譜，用于揭示其充放電循環(huán)過(guò)程中結構變化。

圖1 a)MnO2-Pc合成示意圖；b）XRD譜圖；c)FTIR光譜圖；d)能量損失圖；e） TEM圖像；f)選定區域電子*攝圖；g)高分辨率TEM圖像；h-l)元素映射圖

圖2：a)CV曲線(xiàn)，MnO2-Pc 和MnO2 在20 mV s?1；b）GCD曲線(xiàn)，MnO2-Pc 和MnO2 在 1 Ag?1；c)GCD曲線(xiàn)，MnO2-Pc在不同電流密度下；d)比容量 ，MnO2-Pc和MnO2在不同電流密度下；e）Nyquist圖，MnO2-Pc and MnO2；f) CV曲線(xiàn)，MnO2-Pc在不同掃描速率下；g)擬合曲線(xiàn); h)電流貢獻值; i)三次充放電過(guò)程中原位拉曼光譜圖

     如圖2i所示：兩個(gè)主峰和分別歸屬于Mn-O沿和軌道的伸縮振動(dòng)，再一次循環(huán)中主峰和的可逆變化充分證明了在充放電過(guò)程中Mn(IV)和Mn(III)之間的可逆價(jià)態(tài)轉變以及Na+的嵌入/脫嵌過(guò)程。通過(guò)以上表征手段有力的驗證了MnO2-Pc可以提供增強的比電容和高速率，并極大改善電荷轉移特性，拉曼光譜數據展現的可逆結構變化可以保證MnO2-Pc長(cháng)期運行。

圖3  a-c）pDOS(投影狀態(tài)密度)曲線(xiàn)；d)軌道能級圖；e-f)計算 ELF的DFT切片；g)軌道能級提升和加速電子轉移特征示意圖。

圖4 a) MnO2-Pc(陰極)// AC(陽(yáng)極)ASC原理圖。b) 1.0 m Na2SO4溶液中MnO2-Pc和AC的CV曲線(xiàn)。c) 100 mV s?1時(shí)不同電位范圍的CV曲線(xiàn)。d)不同掃描速率下CV曲線(xiàn)；e) GCD曲線(xiàn)(不同電流密度)。f)本工作中ASC的Ragone圖與報道結果進(jìn)行比較。

結論：

本文用 Pc 修飾 MnO2 以調節低能軌道 dxy 的軌道能級，并獲得了更高的 MnO2-Pc 電化學(xué)儲能性能。DFT 研究表明，軌道雜化引起的強 d-π 共軛提高了 dxy 的軌道能級并擴展了軌道能量分布，從而促進(jìn)了電子轉移動(dòng)力學(xué)并激活了 dxy 的氧化還原活性。軌道能級提升策略有效地提高了 MnO2-Pc 的電化學(xué) Na+ 存儲能力。獲得的 MnO2-Pc 在 1 A g-1 時(shí)顯示出 310.0 F g-1 的高比電容，在 20 A g-1 時(shí)顯示出 211.6 F g-1 的優(yōu)異倍率容量。這項工作為改進(jìn) 過(guò)渡金屬氧化物的電化學(xué) Na+ 存儲提供了軌道能級提升策略的機理見(jiàn)解，這種有效的策略可以擴展到儲能應用中其他先進(jìn)電極材料的設計。

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本研究的拉曼光譜采用Finder系列拉曼光譜儀檢測，該系統全新升級為930全自動(dòng)化拉曼光譜分析系統，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢(xún)。

作者簡(jiǎn)介

楊志宇，北京化工大學(xué)研究員。北京理工大學(xué)博士學(xué)位，清華大學(xué)博士后。主要研究方向為電化學(xué)領(lǐng)域。目前的研究方向是 (i)電化學(xué)儲能，(ii)電催化CO2還原，電催化甲酸氧化和電催化氮還原 (iii)電容除鹽。已發(fā)表一作、通訊SCI論文60余篇，包括JACS、AEM、AFM、Nano Energy、JEC、Small、CEJ、JMCA、JPS，申請專(zhuān)*7項，授權5項。

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