从电化学储能和转化出发 探索能源化学新发展

——北京化工大学化学学院刘文教授

能源作为人类社会繁荣进步的坚实支柱，在驱动经济蓬勃发展、提升民众生活质量方面发挥着至关重要的作用。北京化工大学刘文教授致力于无机材料合成及能源化学的应用研究，涵盖电化学储能、电化学产氢、燃料电池等多个领域。刘文教授专注于电化学反应的电极材料、表面状态及界面相互作用 3 个核心要素，通过精心设计电极材料的微纳米结构、发展绿色合成方法，以及进行表面修饰和改性，在可充电电池和电化学催化剂等新能源技术领域取得显著的研究成果。

刘文教授开发了锂离子电池材料合成与表面修饰的新技术，同步增强了锂离子电池的能量密度和稳定性；通过极性调控策略，构建了多元复合的锂硫电池正极材料，发展了高效的固硫技术。此外，他从多组分纳米结构的构建、催化剂电子结构优化以及表面浸润性改善等角度出发，开发出活性高、性能稳定的新一代电催化材料，进而提升了电解水和燃料电池器件的能源转化效率。

在致力于基础研究的同时，刘文教授亦长期投身于锂离子电池材料技术的开发，涵盖了磷酸铁锂、三元正极材料，以及钛酸锂负极材料等锂电池材料和新体系的研究。他多次参与国家和北京市的重点科技计划项目，积累了丰富的应用基础研究和产业技术研发经验。特别是磷酸盐正极材料及其配套原料生产工艺，已成功应用于商业化生产。

1 构建多元复合的锂硫电池正极材料，发展新颖高效的固硫策略

锂硫电池的理论能量密度高达2600瓦时每千克，这一指标大幅超越了目前市场上主流的锂离子电池。尽管如此，锂硫电池在放电过程中产生的多硫化锂中间产物却容易溶解于电解质中，这直接导致了电池容量的迅速下降。针对这一挑战，刘文教授巧妙地采用了X射线光电子能谱技术（XPS）与理论计算相结合的方法，深入探讨了不同金属氧化物极性表面与锂多硫离子间的相互作用机制。

刘文教授基于对极性的调控，提出了创新的多元复合硫电极设计理念。该理念通过电极中极性成分的化学固硫作用，有效地将可溶解的多硫离子固定下来。更进一步，刘教授还利用树枝状高分子和石墨烯打造了超薄超轻的电极表面涂层，这一创新在无需牺牲能量密度的同时，成功地将锂硫电池的循环寿命提升至1200次以上。这一简洁而高效的方法，不仅适用于各种硫电极表面，更被视为实现长寿命锂硫电池的关键性进展。

近期，刘文教授及其团队在双壳纳米碳笼中负载了两种单原子极性位点，这种设计独特的纳米反应器材料，能够实现多硫化物的级联催化，极大地促进了锂硫电池的电化学转换效率。双壳结构的设计不仅为硫提供了充足的储存空间，还能够适应电池充放电过程中的体积变化，进一步提升了电池的整体性能。

2 发展无机有机复合固体电解质，提高固态锂金属电池的稳定性

在全固态电池体系中，聚合物电解质扮演着至关重要的角色，它是核心材料的关键组成部分。尽管如此，要在室温条件下，同时实现锂离子的高电导率和固态聚合物电解质的高机械强度，依旧是一项充满挑战的任务。

针对这一难题，刘文教授从分子设计的视角出发，提出了一种创新的策略，成功实现了聚合物质的电解离子电导率与机械性能的分离，并确保了高电压的稳定性。基于这一策略，刘文教授精心设计了一种新型的硫醇支化固体聚合物电解质，即M-S-PEGDA。该电解质在25摄氏度下展现出2.26×10^-4 S/cm的高离子电导率，锂离子迁移数达到0.44，并且具有高达5.4伏特的电化学窗口。通过采用“桥梁分子”四（3-巯基丙酸）季戊四醇（PETMP）连接MOF（Uio-66-MET）与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），该电解质不仅获得了约500%的拉伸应变，还具备了9.4 MPa的机械强度。

为了进一步验证M-S-PEGDA的实际应用价值，刘文教授对其在全固态磷酸铁锂电池中的性能进行了测试。在40摄氏度的环境下，该电池在不同的放电倍率下均表现出卓越的放电性能。经过500次循环的长周期测试，电池在0.5 C倍率下的容量保持率高达85.6%（初始容量为143.7 mA·h·g^-1），平均库仑效率约为98%。此外，即使在极端的弯曲、折叠和裁剪等条件下，软包电池依然能够正常工作，这充分证明了其卓越的应用前景。

3 单原子分散催化剂的普适性合成策略和局域电子结构调控

电解水技术被广泛认为是推动可持续氢能发展的关键途径。在这一过程中，氢气析出反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）和氧气析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）的过电位是决定电能转换为氢能效率的关键因素。目前，商业化的贵金属催化剂（例如铂、铱、钌等）虽然性能优良，但因其高昂成本和有限的资源储量而限制了其大规模应用。与此同时，非贵金属催化剂在活性和稳定性方面仍存在显著的不足。

针对这一挑战，刘文教授、北京化工大学的孙晓明教授以及美国俄勒冈州立大学的冯振兴教授联手开展合作研究。他们通过利用单原子分散的钌与水滑石（Layered Double Hydroxides, LDHs）载体之间的电荷相互作用，成功提高了氧析出反应的活性和稳定性。研究团队采用温和的化学方法，将钌单原子负载于多种水滑石表面（包括CoFe-LDHs、NiFe-LDHs、NiCo-LDHs和MgAl-LDHs），并研究了不同载体对钌单原子电荷相互作用的影响。

特别是在Ru/CoFe-LDHs体系中，得益于载体LDHs中Co和Fe原子的电子供体特性，钌原子在氧析出反应过程中能够保持低于正四价的氧化态，有效防止了高价钌的形成和溶解。这一独特的结构不仅确保了卓越的催化活性，还大幅提升了催化剂的稳定性。以Ru/CoFe-LDHs为研究对象，该团队运用原位同步辐射技术跟踪了催化活性中心与载体间的相互作用及其结构变化，并结合理论计算，揭示了负载型单原子催化剂的活性和稳定性背后的分子机制。

此项研究不仅为单原子催化剂的理性设计和性能优化提供了重要的参考范例，也为氢能技术的进步和可持续发展贡献了新的视角和思路。

刘文教授致力于电极表界面结构的构建、界面化学相互作用的分析，以及表界面电子态（包括能级、轨道、自旋）的调控规律研究。这些工作为材料功能表界面的理性设计与修饰提供了切实可行的途径。展望未来，他将继续致力于实现国家能源自主的战略目标，积极投身于构建一个清洁、低碳、安全、高效的能源体系。

专家简介

刘文，博士，北京化工大学化学学院教授，入选爱思唯尔发布的 2022“中国高被引学者”（化学工程与技术学科）。截至 2024 年 6 月，共发表论文 90 余篇，包括Nature Communications（3 篇）、Proceedings of the National Academy of Sciences （1 篇）、Energy & Environmental Science（2 篇）、 Angewandte Chemie International Edition（3篇）、Advanced Materials（5 篇 )、Advanced Energy Materials（3 篇）等，其中12篇入选 ESI 高被引论文，累计引用1.2万余次，H指数 47。获授权中国发明专利8件（一种固态电解质膜、制备方法和用途与包含它的锂电池，ZL202010028271.3；一种磷、氮共掺杂的铁单原子碳材料及其制备方法和用途，ZL202110184412.5；一种硫阴离子掺杂的二氧化锰材料及其制备与用途、以及包含其的锌离子电池，ZL202111203662.5 等）。