【Angew. Chem.】浙江大学杨凯杰百人研究员团队：“原子级界面调控”实现高效宽温域可充电氢氯电池|上海大学|博士后|原子级|杨凯杰|氢氯电池|浙江大学

导语

近日，浙江大学杨凯杰百人研究员团队在国际化学领域权威期刊《德国应用化学》（ Angewandte Chemie International Edition ）发表题为“Atomic–level interfacial regulation enables efficient chlorine redox chemistry in rechargeable H 2 –Cl 2 batteries”的研究成果（DOI: 10.1002/anie.5210125），旨在从“原子级界面调控”探究宽温域可充电氢氯电池的内在机制。该论文第一作者为浙江大学曹莹楠博士和澳大利亚阿德莱德大学王真真，通讯作者为浙江大学杨凯杰研究员、上海大学王勇教授以及浙江农林大学郭超飞博士。研究工作得到了国家自然科学基金委员会的支持。

研究背景

可充电氢氯（H2–Cl2）电池兼具高理论能量密度（755 mAh g-1）和附产高值盐酸的优势，是一种极具潜力的高功率储能体系。然而，气态Cl2极易扩散逃逸，导致严重自放电和低库仑效率；同时，Cl-/ Cl2可逆还原动力学迟缓，强酸性产物易使催化材料失活，严重制约了其循环寿命和倍率性能。因此，如何同时实现Cl2的高效限域、界面反应提升以及长期耐蚀稳定，是当前面临的核心挑战。

（来源：Angew. Chem.）

文章要点

设计带活性位点的氢键卟啉框架：通过向四膦酸卟啉配体预先引入原子级分散的Cu–N4位点，并自组装构筑氢键框架，形成SACu-GTUB5，使材料兼具高孔隙率和催化活性中心。

宽温域稳定循环：该电极在-40至60 °C范围内均能稳定工作，室温下经300次循环仍保持2.55 mAh cm-2面积比容量，库仑效率达85.7%；-40 °C下200次循环后容量保持2.66 mAh cm-2。

Cu–N4位点调控反应路径：光谱表征和理论计算表明，Cu–N4位点通过强电子耦合增强Cl2吸附，降低Cl2解离能垒（0.46 eV vs. 0.74 eV）和扩散势垒，并促进Cl⁻向HCl转化，同时抑制副产物HClO生成。

结论解析

1.材料合成与表征：

通过溶剂热法制备SACu-GTUB5，HAADF-STEM证实Cu原子级分散，EXAFS和XANES确认Cu–N4配位结构，XRD以及氮气吸脱附表征表明材料保持微孔框架，且在HCl中浸泡30天后结构仍维持稳定。

图1. SACu-GTUB5结构与表征。（来源：Angew. Chem.）

2.电化学性能：SACu-GTUB5电极在2~10 C倍率下容量保持率高，库仑效率从87.1%提升至92.4%；在3 mAh cm-2下循环300次无衰减，而H-GTUB5电极仅循环约75次即失效。其次，SACu-GTUB5电极在宽温域下（-40至60 °C）均表现出稳定的界面反应以及优异性能。

图2. SACu-GTUB5电极组装的氢气-氯气电池电化学性能。（来源：Angew. Chem.）

图3. SACu-GTUB5电极组装的氢气-氯气电池在不同温度下的电化学性能。（来源：Angew. Chem.）

3.机理揭示：TOF-SIMS和DEMS证实Cl2/Cl-可逆转化；XANES显示不同放电状态下Cu的K-edge发生偏移以及Cu–N键长发生动态变化，结合Cl 2p和Cu 3d 的XPS峰偏移，表明Cu位点周围的电子环境因氯气的吸附以及氧化还原发生规律性的改变。另外，通过吸附密度分布模拟以及DFT计算表明Cu–N4对Cl2更强的吸附能力（-0.44 eV）以及更低的反应物扩散势垒；在促进Cl2至Cl-的转化过程中，SACu-GTUB5也表现出更低的解离和还原反应能垒。

图4. SACu-GTUB5电极在循环过程中的动态过程。（来源：Angew. Chem.）

图5. SACu-GTUB5电极的理论机制。（来源：Angew. Chem.）

4.结论：研究开发了一种新型氢键连接的卟啉框架材料（H-GTUB5），并引入原子级分散的铜位点（SACu-GTUB5），将其作为高性能催化电极应用于可充电H2–Cl2电池。H-GTUB5的分级多孔结构与精确调控的铜位点协同作用，通过物理限域和化学相互作用共同增强对Cl2的吸附能力。这种双重机制有效抑制了Cl2的逸出，同时加速其电化学还原过程，显著提升了库仑效率。EXAFS等表征技术揭示了循环过程中铜配位环境的动态演变，证实了其在促进Cl2氧化还原反应中的催化作用。与此同时，DFT模拟揭示了由于Cu–N4中心与Cl2之间的电子耦合效应，降低了Cl2的吸附和扩散能垒，并显著减少了Cl2解离与转化所需的能量。基于SACu-GTUB5的电池在极宽的温度范围（-40至60 °C）内均能稳定运行，经过300次循环后仍保持2.55 mAh cm-2（245.2 mAh g-1）的放电容量，展现出优异的可逆性和耐久性。

通讯作者简介

郭超飞简介：工学博士，毕业于上海大学，现任职于浙江农林大学化学与材料工程学院。主要研究方向为有机框架材料的制备，及其在能源动力电池中的应用与机理研究，致力于解决环境污染问题与能源高效转化利用问题，积极践行绿水青山就是金山银山的环保理念。目前在国际知名期刊如Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Func. Mater.上发表30余篇SCI论文，申请专利2项。获得浙江省自然科学基金、浙农林校启动基金等相关基金的资助，并参与多项国家重大研究计划和国家自然科学基金项目。

王勇教授简介：上海大学环化学院化工系教授，博士生导师，团队带头人，领导团队致力于新能源电池、环境催化、功能复合材料等高性能可持续新能源环境材料的研究，共发表200余篇SCI论文，如Nat. Chem., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano等，其中一区论文100多篇，他引超1万5千次，连续多年入选高被引中国学者，曾荣获上海市育才奖、上海市自然科学一等奖等荣誉。

杨凯杰研究员简介：浙江大学百人计划研究员、博士生导师，入选国家级青年人才。2018年获浙江大学环境科学博士学位，随后加入沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）开展博士后（Postdoctoral Fellow）研究，2022年晋升为研究科学家（Research Scientist）。2024年，全职回国，加盟浙江大学，担任“百人计划”研究员。已在权威期刊发表SCI论文30余篇，其中以第一/通讯作者发表SCI论文17篇，包括Nature Communications (3)、Nature Review Clean Technology (封面)、Science Advances、Environmental Science & Technology (2)等。获中国授权发明专利4件、美国发明专利2件，相关技术获多项成果转化项目资助。研究进展获美国科学促进会AAAS EurekAlert、欧洲物理协会PhysicsWorld、沙特Okaz Newspaper等科技媒体采访报道，担任Catalysts、Discover Energy等期刊客座编辑、Nano-Micro Letters (IF:36.3)、Water Cycle等期刊青年编委。

杨凯杰研究员课题组招聘

一、研究方向

因课题组工作需要，面向国内外公开招聘博士后2-3名，从事光热技术在环境污染控制与资源化领域的研究及应用，具体包括：光热蒸发、空气水收集、污染控制、资源回收等。欢迎具有环境科学/工程、材料、化学、理论计算等背景的青年学者加入。

杨凯杰研究员个人主页：https://person.zju.edu.cn/kaijie

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二、应聘条件

1. 身心健康，近三年获博士学位，年龄一般不超过35周岁；

2. 良好的科研素养、责任心和团队协作能力，能够独立从事科研工作，未来有志于继续从事科研工作；

3. 写作能力较强，且在国际主流学术期刊发表SCI论文2篇及以上。

三、岗位待遇

1. 工资及福利待遇按浙江大学博士后相关规定执行，根据已有业绩，一人一议，年薪20-30万RMB；支持可申请“求是博士后”，获批后年薪可达40万；课题组依据工作绩效另提供科研奖励。

2. 可申请学校公寓（优惠价格租赁）。