8月20日，記者從安徽大學(xué)了解到，該校材料科學(xué)與工程學(xué)部朱滿洲教授、康熙教授、朱凌云教授聯(lián)合重慶大學(xué)唐青教授組成的研究團(tuán)隊(duì)，在材料科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破。他們創(chuàng)新性地發(fā)展了團(tuán)簇晶體工程，成功將系列團(tuán)簇二維晶態(tài)材料應(yīng)用于新型鋰離子固態(tài)電池電解質(zhì)，將安徽大學(xué)燈牌點(diǎn)亮。相關(guān)成果日前在線發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·合成》上。

晶體工程作為現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，是功能材料定制與高端器件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵支撐。長(zhǎng)期以來(lái)，基于氫鍵、范德華力等弱相互作用的晶態(tài)超分子組裝技術(shù)，雖能構(gòu)建出有序結(jié)構(gòu)，但在晶體填充模式調(diào)控和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面始終面臨重大挑戰(zhàn)。引入作用力更強(qiáng)的共價(jià)鍵或配位鍵，可以提供更可靠的結(jié)構(gòu)調(diào)控能力和穩(wěn)定性。因此，開(kāi)發(fā)新策略以平衡分子間強(qiáng)或弱相互作用力，定制功能導(dǎo)向的多模式組裝材料，成為材料化學(xué)研究領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。

金屬團(tuán)簇作為原子精確材料的重要組成部分，其自適應(yīng)的表面環(huán)境為多維組裝結(jié)構(gòu)的定向設(shè)計(jì)提供了可能。二維材料憑借卓越的電化學(xué)性能，在能源領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特且廣闊的應(yīng)用前景。然而，團(tuán)簇晶態(tài)組裝大多集中在零維或三維模式，二維組裝因其需要在維持團(tuán)簇平面配位模式的同時(shí)，還需克服分子的高表面能，從而極具挑戰(zhàn)性。

面對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)迎難而上，創(chuàng)新發(fā)展出“團(tuán)簇分子—堿金屬離子—溶劑分子協(xié)同導(dǎo)向”策略，成功攻克了團(tuán)簇二維材料表面能高、難以維持平面性的技術(shù)難關(guān)。團(tuán)隊(duì)以Ag29為金屬團(tuán)簇模板，通過(guò)磷配體定向羧基化處理，使團(tuán)簇與堿金屬離子及溶劑分子形成平面化相互作用，進(jìn)而制備出系列團(tuán)簇基二維晶態(tài)組裝材料，并深入分析了其二維組裝拓?fù)鋵W(xué)特征。這種新型材料具備結(jié)構(gòu)精確、孔隙可調(diào)、離子可導(dǎo)等顯著特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)控堿金屬和溶劑分子的類型，能夠?qū)ζ渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、層間距、孔隙率進(jìn)行精準(zhǔn)控制，為材料的個(gè)性化定制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

科研人員通過(guò)模擬進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種團(tuán)簇基二維晶態(tài)材料內(nèi)部，鋰離子與羧基存在弱相互作用，且材料層間形成了便于離子移動(dòng)的通道。這一結(jié)構(gòu)使其如同“離子海綿”一般，能夠讓鋰離子實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的移動(dòng)。將這種“團(tuán)簇基離子海綿”用作電解質(zhì)，在室溫環(huán)境下，由其構(gòu)建的鋰離子全電池展現(xiàn)出較高的電化學(xué)穩(wěn)定性，為鋰電池性能的提升帶來(lái)了新的希望。

朱滿洲表示，這項(xiàng)研究不僅為金屬團(tuán)簇組裝材料的定向設(shè)計(jì)提供了全新思路，更在電解質(zhì)領(lǐng)域?yàn)樾虏牧系难邪l(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力。

值得一提的是，這是安徽大學(xué)金屬團(tuán)簇研究團(tuán)隊(duì)繼2023年《科學(xué)》上發(fā)表成果后的又一重大突破，有力推動(dòng)了該校“材料科學(xué)與工程”雙一流學(xué)科的深化建設(shè)，彰顯了學(xué)校在材料科學(xué)研究領(lǐng)域的強(qiáng)勁實(shí)力和持續(xù)創(chuàng)新能力。