江苏大学邓久军、吕晓欣等团队在《Chemical Engineering Journal》上发表的论文展示了通过超快速闪蒸焦耳加热（FJH）技术制备的晶体V₂O₃与无定形钒酸钠（V₂O₃/a-NVO）异质结构，及其在先进水系锌离子电池（ZIBs）中的优异性能。这一研究为高效钒基氧化物阴极材料的设计提供了新策略。

      锌离子电池（ZIBs）因其高安全性、低成本和环境友好性，在下一代储能技术中备受关注。然而，阴极材料的性能瓶颈（如导电性差、动力学缓慢和循环稳定性低）限制了其进一步发展。非晶-晶体异质结构的设计为解决这些问题提供了新思路，但其制备仍面临技术挑战。闪蒸焦耳加热（FJH）技术以其超快升降温特性，为高效合成非晶-晶体异质结构提供了新方法。

研究方法

   1）  闪蒸焦耳热（FJH）技术通过瞬时高电流加热，能够在极短时间内实现材料的快速升温和冷却，从而制备出独特的晶体-非晶异质结构。江苏大学团队利用这一技术成功合成了晶体V₂O₃与非晶钒酸钠（a-NVO）的异质结构，以下是该制备过程的关键细节及其意义：

一.、制备过程的关键细节

• 高电流加热：

• 通过施加高电流，样品在约0.3秒内被快速加热至1600°C，实现了超快速升温。

• 快速冷却：

• 加热后，样品迅速冷却至室温，升降温速率高达≈ 10⁴ K/s。

• 异质结构形成：

• 在超快升降温过程中，部分材料形成晶体V₂O₃，而另一部分保持非晶态（a-NVO），最终形成晶体-非晶异质结构。

  
  

2）晶体V₂O₃与非晶钒酸钠（a-NVO）异质结构的设计通过两者的协同作用，显著优化了电化学性能。以下是其协同作用的具体机制及其对电化学性能的提升。

非晶a-NVO的优势


• 丰富的存储位点：

• 非晶a-NVO具有大量缺陷和悬挂键，提供了更多的活性位点，增强了锌离子（Zn²⁺）和质子（H⁺）的存储能力。

• 各向同性离子扩散通道：

• 非晶相的无序结构为离子提供了更短的扩散路径，改善了离子传输动力学。

• 高反应活性：

• 非晶相的高活性位点能够有效吸附和反应，提高了材料的比容量。

晶体V₂O₃的优势

• 高导电性：

• 晶体V₂O₃具有规则的晶格结构，有利于电子的快速传输，降低了电荷转移阻抗。

• 结构稳定性：

• 晶体V₂O₃在循环过程中能够维持结构完整性，抑制了材料的结构退化和容量衰减。

• 机械强度：

晶体相的高机械强度能够缓解锌离子嵌入/脱出过程中的体积变化，提高材料的循环稳定性。




晶体-非晶协同作用


• 紧密接触带来的赝电容贡献：

• 晶体V₂O₃与非晶a-NVO的紧密接触形成了丰富的界面区域，这些界面区域能够提供额外的赝电容贡献，进一步提高材料的比容量。

• 加速反应动力学：

• 非晶a-NVO的快速离子扩散与晶体V₂O₃的高导电性相结合，显著加快了反应动力学，使材料在高倍率下仍能保持优异的性能。

• 协同离子存储机制：

• 非晶a-NVO的丰富活性位点和晶体V₂O₃的稳定结构共同作用，优化了Zn²⁺和H⁺的存储行为。

• 3）循环伏安法、恒电流充放电测试、电化学阻抗谱和循环性能测试，研究团队全面验证了V₂O₃/a-NVO异质结构在锌离子电池中的优异电化学性能。其高比容量、长循环稳定性和高倍率性能证明了闪蒸焦耳加热技术制备策略的高效性与应用潜力。这一研究为高性能锌离子电池阴极材料的设计和开发提供了重要参考，并推动了其在能源存储领域的实际应用。

文章亮点

•通过闪蒸焦耳热技术快速合成了晶体V2O3与非晶钒酸钠的异质结构。

•所得异质结构表现出显著的比容量和稳定的循环性能。

•性能提升归因于加速的电荷转移和反应动力学。

•提供了一种便捷快速的策略，用于设计高效的钒基氧化物正极材料。

图2：通过闪焦耳热（flash Joule heating）在约3秒内快速加热至1600°C，随后快速冷却。加入尿素：XRD图谱显示生成的主要产物为晶体V₂O₃和非晶钠钒酸盐（Na₂V₂O₁₆）未加尿素：XRD图谱显示生成的主要产物为晶体VO₂和钠钒酸盐（Na₁₀V₂₄O₆₄和Na₂₄V₇₆O₂₆₈）

       这种V₂O₃/a-NVO异质结构在电化学储能、催化等领域具有潜在的应用前景，其独特的形貌和元素分布为其性能优化提供了基础。商业V₂O₅粉末经NaCl溶液浸泡处理后，颗粒形貌发生显著变化，从原始粉末转变为纳米带束结构（图b）。纳米带在闪蒸焦耳热高温下部分熔化，形成类似纳米片的形貌（图c）。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像（d, e）揭示了晶体V₂O₃与非晶钠钒酸盐的杂化结构，其中晶体V₂O₃的晶面间距为0.27 nm（对应(104)晶面），表明V₂O₃具有良好的晶体结构。元素分布图（f）显示O、V、Na元素在V₂O₃/a-NVO异质结构中分布均匀，这种结构有助于显著提升电荷转移能力。

图中（a）（b）V 2p光谱中多种氧化态的钒信号证实了V₂O₃/a-NVO异质结构中同时存在晶体V₂O₃和非晶钠钒酸盐（a-NVO）。通过热重分析，推算出样品中V₂O₃与非晶NVO的质量比分别为88.2%和11.8%。证明异质结构的成功构建。

图a,b是循环伏安法3次和20次 V₂O₃/a-NVO电极的氧化峰位于∼1.30 V和∼1.40 V，表明电极在充放电过程中发生了可逆的氧化还原反应。图c：V₂O₃/a-NVO电极在不同电流密度下表现出较低的极化电位，表明其具有快速的Zn²⁺离子插层/脱层动力学。V₂O₃/a-NVO电极在高电流密度下仍保持较高的放电容量，显著优于VO₂/NVO电极。V₂O₃/a-NVO电极在1 A/g电流密度下表现出较高的初始容量。在10 A/g的高电流密度下，V₂O₃/a-NVO电极在5000次循环后仍保持较高的容量，显示出优异的长效稳定性。

V₂O₃/a-NVO电极的CV曲线显示出明显的氧化还原峰，表明其具有可逆的氧化还原反应。电容性贡献在电荷存储中占主导地位，尤其是在高扫描速率下。CV曲线分析为理解V₂O₃/a-NVO电极的电化学性能和电荷存储机制提供了重要依据。

V₂O₃/a-NVO电极的存储机制涉及复杂的离子插层/脱层反应和相变过程。通过XRD、XPS等表征手段，可以深入理解其电荷存储机制和反应可逆性。在第一次放电过程中，出现了新的Zn₄(OH)₆SO₄·5H₂O（ZHS）相。在放电过程中，Na⁺离子从非晶钠钒酸盐（a-NVO）中脱出，同时H⁺离子插入。这一过程未影响V₂O₃的晶体结构，表明V₂O₃在反应中具有较高的结构稳定性。

结论

        通过简便且成本低廉的闪蒸焦耳加热法快速构建非晶-晶体V₂O₃/a-NVO异质结构。闪蒸焦耳加热法能够在极短时间内（几秒）实现高温加热和快速冷却，从而形成非晶与晶体共存的异质结构。非晶NVO相提供了更多的活性位点，增强了Zn²⁺的存储能力。晶体V₂O₃提供了稳定的电子传导路径，增强了电极的结构稳定性。该研究为设计高效的水系锌离子电池钒基阴极提供了可行的策略，推动了锌离子电池技术的发展。通过非晶-晶体异质结构的设计和闪蒸焦耳加热法的应用，V₂O₃/a-NVO电极在锌离子电池中展现出巨大的应用潜力，为下一代高性能储能器件的开发提供了重要参考。

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