人物介紹
支春義教授 ，香港城市大學教授。在中國科學院物理研究獲得物理學博士學位。曾在日本國立材料科學研究所（NIMS）從事兩年博士后研究后，并獲得NIMS的ICYS研究員、研究員（faculty）和高級研究員（永久職位）。課題組鏈接：http://www.comfortablenergy.net/.（以下信息來源于支教授課題組網頁） 該課題組在柔性儲能、水系電解質電池、鋅離子電池和電催化 H-index為94，論文被他引次數超過28000次 。此外，獲授權專利80多項，現任Materials Research Letters主編、Materials Futures副主編、《npj Flexible Electronics》、Rare Metals、Green Energy & Environment Science編委。支春義教授曾獲得青年教師杰出研究獎、香港城市大學校長獎、NML獎和北京市科學技術獎（一等獎）。他還是香港青年科學院院士、英國皇家化學會會士和科睿唯安高被引研究員（2019、2020，材料科學）。 （1）柔性儲能；（2）Zn基電池和水系電解質電池；（3）氧和氮還原反應的催化劑。 在2021年12月21日和22日，該課題組與其他團隊合作或獨自先后在Angew. Chem. Int. Ed.（IF=15.336）和ACS Nano（IF=15.881）上發表了最新成果。下面，對這兩篇成果進行簡要的介紹，以供大家學習和了解！
支春義&何宏艷Angew.：碘離子轉換電池新突破！容量翻倍、創紀錄能量密度
有機碘電池的單電子轉移模式和穿梭行為導致電池容量不足、氧化還原電位低、循環耐久性差。在傳統的鋰-碘（Li-I）電池中，緩慢的動力學被很好地識別出來，不如其他同類轉換電池。基于此，香港城市大學支春義教授和中科院過程工程研究所何宏艷研究員（共同通訊作者）等人 報道了一種有效的鹵素間活化的I– /I+ 的新雙電子氧化還原化學策略，以在碘離子轉換電池中實現所需的可逆多價躍遷。利用鹵化物（甲基碘化銨；MAI）被選為活性碘供應以替代元素I2 ，其中實現對I物質的化學吸附而不是物理吸附。通過調節商業電解質中的Cl– （0.1 M），可逆的I0 /I+ 氧化還原被完全激活和穩定。因此，MAI正極與Li金屬負極配對表現出兩個明確的輸出平臺，分別為2.91 V和3.42 V。 通過實驗測試發現，該碘離子轉換電池的總容量為408 mAh gI -1 ，增加了一倍，同時能量密度達到了創紀錄的1324 Wh kgI -1 ，是傳統單電子氧化還原對的238%，優于目前已報道的所有有機金屬-I2 對應物（Li-I、KI、Na-I、Mg-I）和大多數嵌入型Li-氧化物系統。此外，該氧化還原化學反應對溫度不敏感，在-30 ℃下有效工作。密度泛函理論（DFT）計算和實驗分析證實了新的氧化還原過程和機制，重點是引入的Cl– 離子在激活和穩定高壓區正I+ 方面的重要作用。
總之，作者提出了一種有效的鹵素間活化策略，通過改性電解質實現穩定和可逆的多價氧化還原。由新激活的I– /I+ 氧化還原產生的所需雙電子轉移化學帶來了大大增強的電化學性能，遠遠超出了傳統的I– /I3 – /I0 對。具體而言，碘離子轉換電池在3.42 V時，其完全放電容量為408 mAh gI -1 ，同時能量密度（1324 Wh kgI -1 ）顯著地增加到原始數字（通常為 550-580 Wh kgI -1 ）的238%。
此外，新的氧化還原表現出優異的動力學和循環穩定性。實驗分析和DFT模擬揭示了Cl– 添加劑的詳細作用方式，有效促進了I+ 的生成，并通過I-Cl物種的形成進一步穩定它們，同時新的氧化還原表現出卓越的環境適應性。該研究展示了一種新的雙電子轉移碘化學，它顯著提高了碘離子轉換電池的電壓和容量輸出，實現了前所未有的能量密度。同時，開發的有趣的鹵素間策略有望激發其他鹵化物轉化系統的新化學。
Two-Electron Redox Chemistry Enabled High-Performance Iodide Ion Conversion Battery.Angew. Chem. Int. Ed. , 2021 , DOI: 10.1002/anie.202113576. https://doi.org/10.1002/anie.202113576. 支春義ACS Nano：AD-Fe NS高效電化學制備硝酸鹽
電催化N2 氧化（NOR）轉化為硝酸鹽是新興的電化學N2 還原（NRR）轉化為氨氣的潛在替代方案，可以實現更高的人工N2 固定效率和選擇性，因為競爭性析氧反應（OER）產生的O2 可能有利于氧化NOR，不同于NRR的寄生析氫反應（HER）。 基于此，香港城市大學支春義教授（通訊作者）等人 報道了在N-摻雜的碳納米片上開發了一種原子分散的Fe基催化劑（AD-Fe NS），該催化劑表現出卓越的催化NOR性能。通過實驗測試發現，AD-Fe NS催化劑催化制備硝酸鹽的產率達到了創紀錄的6.12 μmol mg-1 h-1 （即2.45 μmol cm-2 h-1 ），其法拉第效率（FE）也達到了35.63%，優于所有已報道的NOR催化劑和大多數開發良好的NRR催化劑。同位素標記NOR測試證實了由AD-Fe NS催化的N2 電氧化制備硝酸鹽時，所制備的硝酸鹽的N源是來源于N2 。 此外，通過實驗和密度泛函理論（DFT）計算等研究發現，AD-Fe NS中的Fe原子是NOR的活性位點，它可以有效地捕獲N2 分子并通過Fe 3d軌道和N 2p軌道之間的雜化來拉長N≡N鍵。這種雜交會激活N2 分子并觸發后續的NOR。此外，作者還提出了一種與NOR相關的途徑，該途徑揭示了來自寄生OER的O2 對NO3 – 形成的具有積極的影響。
總之，作者開發了一種原子分散的Fe催化劑（AD-Fe NS），用于通過N2 電氧化進行電化學合成硝酸鹽。由于活性Fe位點對N2 分子的異常鍵外活化能力，AD-Fe NS催化劑具有優異的催化NOR活性，其中NO3 – 產率為6.12 μmol mg-1 h-1 （2.45 μmol cm-2 h-1 ），以及法拉第效率（FE）為35.63%。
通過理論研究表明，活性Fe位點的空3d軌道接受N2 分子的孤對電子，活性Fe位點的3d軌道將它們的電子貢獻給N2 分子的空π*軌道，因此N2 分子有效地結合到活性Fe位點并被激活，從而觸發隨后的NOR。
此外，作者還提出了一種與NOR相關的途徑，它指出了來自寄生OER的O2 在NO3 – 合成中的積極作用。該工作不僅證明了AD-Fe NS對N2 氧化成硝酸鹽的優異催化活性，而且在人工將N2 固定為含氮化學品方面為低效率N2 還原成氨提供了有希望的替代方案。
Electrochemical Nitrate Production via Nitrogen Oxidation with Atomically Dispersed Fe on N-Doped Carbon Nanosheets. ACS Nano, 2021 , DOI: 10.1021/acsnano.1c08109. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08109.
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