注：文末有研究團隊簡介及本文科研思路分析
自上世紀六十年代，人們發現鋰離子在金屬硫化物中的可逆儲存行為，插層化學已逐漸發展成了一種至關重要的儲存機制。客體離子在層狀材料的可逆插層帶來最小的主體結構破壞，因此實現了最為優異的結構穩定性。近些年來，主客體插層的研究主要集中在對鋰離子的研究方面，例如石墨和層狀氧化物 (LiMO2, M= Co, Ni, Mn)。目前，其他離子如 (Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+ 和Al3+) 由於價格低廉和原料豐富的特點，逐漸受到了人們的關注。然而，只有非常有限的層狀材料可以實現多種金屬陽離子的插層儲存，特別是在水系電解質體系。因此，發展新型多離子儲存材料可逆插層並揭示陽離子插層和層狀結構之間的關係具有重要意義。
鈷基化合物，長期以來一直被看作金屬離子儲存的明星材料而廣泛應用。例如，層狀鈷酸鋰材料 (LiCoO2) 由於其結構穩定、比容量高的特點被作為鋰離子電池正極材料大規模使用。鈷基層狀氫氧化物具有較大層間距，可以提供較大的離子儲存空間，但是其層間為陰離子插層，理論上限制了其對金屬陽離子的儲存。近期，北京化工大學邵明飛教授課題組透過電化學活化成功實現了α-Co(OH)2 對多種金屬離子的儲存，並系統研究了具有不同相的氫氧化鈷對金屬陽離子儲存性質的內在規律，該工作對發展新型儲能材料提供了新的思路。
經過電化學活化後，兩相氫氧化鈷均表現出多離子(Li+、Na+、K+、Mg2+ 和Ca2+)儲存效能，相較於未活化的樣品有了明顯的效能提升，這一結果再次表明脫氫重構是多離子儲存效能提升的關鍵。同時，活化後的α-Co(OH)2 儲存多種離子的儲存效能4倍於活化後的β-Co(OH)2。並且，活化後的α-Co(OH)2 顯示出超長的迴圈壽命（在5000次迴圈後，仍然能夠保持初始容量的93.9%），這一結果遠高於活化後的β-Co(OH)2(~74.8%)。在隨後的儲存機制研究中發現，具有插層結構的α-Co(OH)2材料比非插層β-Co(OH)2更傾向於發生相轉變。伴隨著充放電過程中，活化後的α-Co(OH)2 中Co元素價態發生可逆的升高降低且金屬陽離子在層間進行可逆的嵌入脫出。然而在充放電過程中，活化後的β-Co(OH)2中無論是價態和層間距均無明顯變化，因此導致了其較低的金屬陽離子儲存能力。
本工作成功揭示了陽離子插層與層狀結構之間的關係，這對於今後設計多離子儲存材料具有重要的指導意義。相關研究工作發表在Chemical Science 上，文章的第一作者是北京化工大學博士研究生李劍波。
Phase engineering of cobalt hydroxide toward cation intercalation
Jianbo Li, Zhenhua Li, Fei Zhan, Mingfei Shao
Chem. Sci., 2021, DOI: 10.1039/d0sc06250b
邵明飛教授簡介
北京化工大學化學學院教授、博士生導師、國家優秀青年基金獲得者（2019）、入選北京化工大學優秀青年英才百人計劃A類。2014年於北京化工大學取得博士學位，2013年於牛津大學博士聯合培養。研究方向為插層化學與能源材料、光電催化化學、先進儲能器件等。目前以第一或通訊作者在J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Energy Environ. Sci.等發表SCI論文70篇，12篇論文入選ESI高被引TOP 1%論文，入選RSC TOP 1%中國高被引作者(2018)。論文發表以來已被引6100餘次（Google Scholar），H因子為39。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49701
科研思路分析
Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？
A：我們課題組主要的研究方向是插層化學與能源材料，因此近年來我們圍繞著二維材料的離子儲存效能開展了諸多研究。2015年我們在研究層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）的電解水制氫效能中偶然發現，LDHs經析氧測試以後，其在中性溶液中的電容明顯提升，就這樣開啟了過渡金屬氫氧化物對金屬離子儲存的大門。隨後我們一直在深挖其中的原因，最後我們透過系統的實驗和理論模擬證明了LDHs表面經過活化後，會產生脫氫重構，從而提供了豐富的金屬離子儲存位點，相關工作發表在Chem, 2018, 4, 2168。隨後我們又利用這一性質實現了對金屬鋰的調控（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 3962）。但是，二維層狀材料中，層間客體離子往往又會影響其儲存效能，因此我們設計了具有不同相結構的Co(OH)2，來進一步探究層狀結構與儲能性質之間的聯絡。
Q：研究過程中遇到哪些挑戰？
A：在本項研究中最大的挑戰是如何把變數歸一化，單純地探究層狀結構與儲能性質之間的差異。在這過程中，為了排除多元素的及奈米材料特性干擾，最後我們選用了具有穩定的不同相結構Co(OH)2，分別是α-Co(OH)2 (具有層間陰離子插層)和β-Co(OH)2 (無層間陰離子插層)進行研究工作。隨後，我們透過調控實驗條件，得到了具有相似形貌和尺寸的單晶兩相Co(OH)2。實驗的合理設計是成功的關鍵。
此外，該工作繼續延續了我們前期活化重構的思想，兩相Co(OH)2在活化後均有效能提升，但是具有陰離子插層結構的α-Co(OH)2表現出更為優異的儲存效能，隨後我們將工作的重心集中在了兩相重構過程的具體變化和充放電過程中的微觀結構精細變化上，在這個攻克這一難題的過程中我們團隊積攢了很多寶貴的經驗。
Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？
A：針對目前人們對儲能需求的日益高漲，開發新型的儲能材料迫在眉睫。我們課題組始終堅信，二維層狀材料獨特的結構優勢可以解決多離子儲存的問題。在這個工作中，我們分析了陽離子儲存與層狀材料的插層結構之間的關聯，這將有助於對多離子儲能材料的合理設計，也對構築更安全的水系電池等領域具有重要應用價值。同時，我們針對該方向正開展更系統深入的基礎與應用基礎研究工作，值得一提的是我們的工作也得到了企業的關注，相關儲能與新材料公司也在跟我們洽談合作與專利問題。