南航张校刚院长领衔!南京信息工程大学AM | 近零应变隧道型钼铌氧化物用于氢键辅助铵离子存储!

水系铵离子电池（AAIBs）已成为可持续大规模储能领域引人注目的竞争者。然而，其发展因缺乏高能电极材料以及扩散动力学与通道尺寸之间关系不明而受到严重阻碍。

在此，南京信息工程大学董升阳，南京航空航天大学张校刚、澳门大学邵怀宇等人报道了一种秒级制备的3D隧道结构二元过渡金属氧化物——钼铌氧化物（Nb₂Mo₃O₁₄）——作为AAIBs的高性能负极材料。

在不同金属离子体系（Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）中的对比电化学评估表明，Nb₂Mo₃O₁₄ 对 NH₄⁺ 离子表现出优异的存储性能，并具有近零应变特性。在乙酸铵电解液中，Nb₂Mo₃O₁₄ 电极在 0.2 A g⁻¹ 的电流密度下可提供 210.9 mAh g⁻¹ 的高比容量，并在 1 A g⁻¹ 下循环 14,000 次后仍保持 88.9% 的优异容量保持率。

此外，实验和理论结果表明，氢键化学促进的 NH₄⁺ 存储依赖于隧道尺寸的匹配。相对较弱的氢键促进了体积较大的 NH₄⁺ 在 3D 隧道型 Nb₂Mo₃O₁₄ 中的高效运动。这些发现凸显了 3D 隧道状二元过渡金属氧化物作为高性能铵离子存储的有价值模型，为开发先进的 AAIBs 铺平了道路。

图1.机制研究

总之，该工作阐明了3D隧道结构的Nb₂Mo₃O₁₄作为水系铵离子电池负极材料的优异性能。在20 m乙酸铵电解液中，其在0.2 A g⁻¹下可实现210.9 mAh g⁻¹的高比容量。在1 A g⁻¹下经过14,000次长期循环后，容量保持率约为88.9%。各向异性的晶格演化在动态维持Nb₂Mo₃O₁₄整体结构于NH₄⁺插入和脱出过程中处于近零应变状态方面起着关键作用。

此外，通过全面的电化学分析和机理研究，我们揭示了NH₄⁺插入主体隧道涉及形成强度不同的氢键。NH₄⁺与隧道M-O骨架之间的强相互作用导致离子在较大隧道内不对称定位，产生更强的氢键相互作用，紧密附着于隧道侧壁一侧的O原子上（如五边形隧道中的图5g）。

尺寸合适隧道内相对较弱的氢键促进了有利的NH₄⁺迁移动力学，表明离子尺寸与隧道尺寸之间的最佳匹配对于实现快速电化学反应动力学至关重要。这些发现为理解氢键化学在铵离子存储中的作用提供了关键见解，并为设计高性能AAIBs提供了宝贵指导。

图2. 电池性能

Demystifying Tunneled Niobium Molybdenum Oxide With Near-Zero-Strain for Hydrogen Bond-Assisted Ammonium Ion Storage, Advanced Materials 2025 DOI: 10.1002/adma.202521722

董升阳 南京航空航天大学和美国俄勒冈州立大学联合培养博士（导师：张校刚、纪秀磊）。目前主要从事新能源材料与器件、柔性电子材料与器件等方面的研究，先后在Chem、NSR、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、JACS、Angew.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.、Energy Storage Mater.、Nano Energy、Carbon  Energy等期刊发表学术论文70余篇，H因子39。

张校刚 南京航空航天大学教授 博士生导师。 迄今以通讯作者在包括 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv.Energy.Mater.等国际权威杂志发表学术论文300余篇，SCI他引超过10000余次，连续入选爱思维尔中国高被引学者及科睿唯安全球高被引学者。

邵怀宇，澳门大学化学物理系副教授，专注于金属氢化物基储能材料与氢能存储技术研究

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