近日，我校伟德国际1946官网張校剛教授課題組與美國的俄勒岡州立大學、加州大學河濱分校、阿貢國家實驗室等中美聯合研究團隊在超高功率儲能器件方面取得重要研究進展。相關研究成果（Ultra-fast NH4+ Storage: Strong H Bonding between NH4+ and Bi-layered V2O5”）以我校為第一單位發表在《Cell》子刊《Chem》（化學類頂級期刊；IF=14.104）上，第一作者是我校伟德国际1946官网的博士研究生董升陽。

 迄今為止，在電池和超級電容器的研究方面，研究者把大量的精力放在了電極材料的設計和制備上，盡管取得了重大研究進展，但對電極材料和儲荷離子之間相互作用的理解仍然十分有限，特别是對于锂離子、鈉離子電池之外的電化學儲能體系更是知之甚少。然而，儲荷離子-電極材料相互作用可能會對電化學儲能器件的比容量、倍率性能和循環壽命等性能産生深遠的影響。

 鑒于此，該研究以具有雙層結構的V₂O₅作為模型材料研究了NH₄⁺可逆的嵌入行為，與類似大小的K⁺存儲相比，NH₄⁺在雙層V₂O₅中的存儲具有更大的比容量、更高的倍率性能和更好的循環穩定性。他們發現這與NH₄⁺和雙層V₂O₅之間較強的氫鍵有關，并通過實驗和理論計算得到了驗證。

 實驗上，傅裡葉變換紅外（FTIR）光譜和固态核磁共振（NMR）譜等表征技術證實了NH₄⁺與雙層V₂O₅之間氫鍵的存在，而K⁺與雙層V₂O₅之間不可能存在氫鍵。他們還采用密度泛函理論對NH₄⁺和K⁺在雙層V₂O₅中的儲荷機制進行了研究。研究發現，與球形的K⁺在雙層V₂O₅中的擴散方式不同，四面體構型的NH₄⁺能夠通過扭動和旋轉保持與V₂O₅的氫鍵結構的方式進行擴散。具體地，NH₄⁺通過扭動斷開其中一個氫鍵，然後在前進方向形成新的氫鍵，同時其他的三個N-H鍵保持不變。他們把這種特殊的離子擴散方式稱之為“monkey bars swinging”。進一步的研究發現，NH₄⁺與V₂O₅之間存在電荷轉移現象，即V₂O₅通過氫鍵将0.17個電子轉移到每個NH₄⁺，因此可以将NH₄⁺在V₂O₅中的存儲看作是一種“化學吸附”行為，但是這種“化學吸附”并不僅僅發生在電極材料的外表面，主要是發生在雙層V₂O₅晶體結構内部。他們将這種化學吸附引起的嵌入赝電容稱之為“CI pseudocapacitance”。

 該研究工作旨在深入理解大容量、高功率儲能器件中儲荷離子和電活性材料之間化學鍵合的重要性，從而為高性能電化學儲能器件的設計提供新思路。