扬州大学庞欢/张松涛/南昌大学徐一团队 | 蛋黄壳结构 MnMoO₄ 形貌工程助力电化学储能
- 2026-03-23 20:05:20
01
研究背景
为应对日益严峻的化石能源危机，开发高性能储能材料已成为科研和工业界的重要方向。但是，大多数材料在电化学反应过程中由于充放电过程中的内部应力，导致其较大的体积膨胀，循环稳定性差以及容量快速衰减等问题。通过新颖的结构设计优化可以有效缓解上述问题。特别是具有复杂内部结构的蛋黄壳以及多壳结构，它们拥有高比表面积以及特殊的体积变化调节能力，可以显著增强电极材料的比表面积与离子/电子传输效率，从而提升整体性能。
02
研究内容
近日，扬州大学化学与材料学院庞欢教授、测试中心张松涛博士和南昌大学徐一教授团队通过简单的一步自模板法，使用尺寸、形貌可控的金属甘油酸盐纳米球为前驱体，在空气气氛中进行高温煅烧，得到了蛋黄壳结构 MnMoO₄。并且通过多种材料表征技术系统地研究了影响蛋黄壳形貌形成的关键因素。研究表明，由于蛋黄壳材料独特的空心结构能够有效缓冲充放电循环中产生的机械应力，蛋黄壳 MnMoO₄ 表现出优异的电化学性能，为过渡金属氧化物蛋黄壳结构在储能应用中的合理合成和性能优化提供了宝贵数据。
图1 蛋黄壳结构 MnMoO₄ 合成示意图。
以 Mn:Mo = 1 的甘油酸盐前驱体探究其煅烧温度对蛋黄壳结构生成过程的影响，并通过多种表征测试系统的探究了不同产物的微观形貌以及物相组成。TEM 图像显示，蛋黄壳材料的内核尺寸随着煅烧温度的上升逐渐减小，BET 数据表明，由于其内核尺寸的减小，空腔体积增加，其比表面积也同步上升。
图2 (a1-e2) 不同煅烧温度下材料的 SEM 及 TEM 图像；(a3-e4) 不同煅烧温度下材料的产物的 N2 吸附-脱附等温线和孔径分布图。
不同的金属比例是蛋黄壳结构形成的另一重要因素。在同一煅烧条件下，以不同金属比例的 Mn、Mo 双金属甘油酸盐探究了金属比例对其形貌的影响。TEM 图像显示，当前驱体中 Mn:Mo > 1 时，随着体系中 Mn 元素比例降低，蛋黄壳结构的内核尺寸也逐渐减小。但当前驱体中 Mo:Mn > 1 时，蛋黄壳结构消失，其原因是形成的 MoO₃ 阻碍了 Mn²⁺ 的扩散并且抑制了内核的形成。
图3 (a-e) 不同金属比例煅烧产物的 TEM 和 SEM 图像；(f，g) M₄MA-500 的 HRTEM 图像和 EDS 元素分布图；(h-j) MMA-500 的 HRTEM 图像及 EDS 元素分布图；(k，l) MM₄A-500 的 HRTEM 图像及 EDS 元素分布图；(m) MₓMᵧA-500 的 XRD 光谱；与对应的 (n) Mn 2p；(o) Mo 3d 和 (p) O 1s 的高分辨率 XPS 光谱。
将所得材料作为超级电容器正极材料进行了电化学性能测试，其中蛋黄壳 MnMoO₄ 表现出最优异的比电容以及循环稳定性。为了进一步评价电极材料的实际应用，将其作为柔性凝胶超级电容器器件的正极材料，在不同的扫描速率下，组装的器件在 0-1.2 V 电压窗口下可以稳定的工作，证明了该材料的实际应用潜力。
图4 不同煅烧温度的产物的 (a) 20 mV s⁻¹ 时的 CV 曲线；(b) 0.5 A g⁻¹ 时的 GCD 曲线；(c) EIS 曲线。蛋黄壳 MnMoO₄ 电极的 (d) 在不同扫描速率下的 CV 曲线；(e) GCD 曲线；(f) 不同样品的比电容；(g) 对数峰值电流与对数扫描速率图；(h) 不同扫描速率下的电容贡献；(i) 长期循环稳定性。
图5 两电极设备的电化学测试：(a) 不同扫描速率下的 CV 曲线；(b) 不同电流密度下的 GCD 曲线；(c) 不同电流密度下的比电容和电容保持率；(d) 对数峰值电流与对数扫描速率图；(e) 不同扫描速率下的电容贡献；(f) 长循环稳定性测试。柔性超级电容器器件的：(g) 光学图片；(h) 不同扫描速率下的 CV 曲线；(i) 1000 圈长循环稳定性测试。
03
总结展望
本研究成功通过自模板法合成了蛋黄壳结构的 MnMoO₄，并探究了前驱体金属比例和退火温度对蛋黄壳结构形成的影响。将所得材料用作超级电容器的电极材料，深度研究了材料 “结构-性能” 关系。实验结果表明，在 Mn:Mo 比例为 1:1，且退火温度为 500°C 时合成的材料表现出最佳电化学性能。此外，组装的不对称超级电容器也表现出优异的循环稳定性。系统的材料表征以及电化学性能测试为蛋黄壳结构材料的可控合成以及在储能应用中的性能优化提供了可靠的数据支持和新见解。
04
论文信息
Rational construction of 3D hierarchical yolk–shell MnMoO₄ micro/nanospheres for electrochemical energy storage
Yaxun Hu, Songtao Zhang, Xingyu Huang, Jinfeng Wang, Chenlu Zhao, Weifeng Peng, Xiaotian Guo, Guangxun Zhang, Yecan Pi, Tian Tian, Yi Xu and Huan Pang
Inorg. Chem. Front., 2026, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D5QI02325D
*文中图片皆来源上述文章
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05
通讯作者简介
庞欢
扬州大学
庞欢，扬州大学产业技术处处长、二级教授，博士生导师。教育部青年长江学者、新世纪优秀人才；江苏省杰出青年；英国皇家化学学会会士；全球高被引学者。在纳米 MOF 合成、应用领域总发表论文被他人正面引用 >35000 次，H > 100。相关研究获教育部 “高等学校科学研究优秀成果奖” 一等奖、二等奖。近五年以通讯作者身份在《国家科学评论》、Adv. Mater.、Nature Comm.、JACS、Angew. 等期刊发表 100 余篇论文。主持或完成国家自然科学基金 4 项 (重点 1 项)，省级优秀教学团队带头人、主持省教改项目 2 项。主编/著书籍 3 本 (省重点教材 2 部)。全国大学生挑战杯获奖作品指导老师。
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