深圳大学周学龙团队:实现全钒液流单电池在800mA/c㎡下能量效率超过80%,稳定循环10000圈

2026年01月29日，深圳大学周学龙团队在Advanced Materials期刊发表题为“Edge-Activated Few-Layer Bismuthene for Ampere-Level Vanadium Redox Flow Batteries”的研究论文，深圳大学/港城大Zhang Xiangyang、港城大Walid A. Daoud为论文共同第一作者，周学龙为论文通讯作者。

第一作者：Zhang Xiangyang、Walid A. Daoud

通讯作者：周学龙

通讯单位：深圳大学

论文DOI：10.1002/adma.202520913

该研究首次在氧化还原液流电池（RFBs）领域提出了一种少层铋烯纳米片（Bi_ene NF）催化剂。该设计策略性地利用了Bi_ene NF最外层晶格外围的超高本征反应活性，包括单个铋烯单层边缘，其中协同的纳米结构效应和表面化学共同增强了钒氧化还原反应的动力学和热力学。值得注意的是，这种边缘激活的催化机制相比块体铋表现出显著的本征活性提升，有效应对了液流电池系统中的失活和欧姆损耗双重挑战。相应地，搭载该催化剂的VRFB获得了高达80.51%的能源效率（EE）和在0.8 A cm⁻²下超过10000次循环的可靠催化剂稳定性，以及创纪录的3.047 W cm⁻²的峰值功率密度。所展示的性能指标不仅为VRFB技术设立了新的基准，而且为电化学储能系统中设计高活性纳米结构催化剂提供了一种可推广的策略。

在此，该研究展示了一种少层二维Bi_ene NF设计，其特征是每个铋烯单层高度暴露的边缘，使得即使在电流密度超过0.8 A cm⁻²的情况下也能实现高效钒氧化还原电化学（VRE），并因面积比电阻（ASR）大幅降低至约0.217 Ω cm²而获得了创纪录的3.047 W cm⁻²峰值功率密度。研究人员通过碳热还原法制备了富含碳缺陷的石墨毡（CGF）电极（1 mm厚）作为前驱体，随后通过电沉积获得了二维超薄Bi_ene NF，在此过程中Bi-C共价键的形成有利于机械稳定性和电子转移能力。值得注意的是，该研究证实了优异的电池性能源于Bi_ene NF催化剂的表面化学和纳米结构同时增强了VRE的热力学和动力学。溢出的外围悬挂键高度局域化在边缘铋原子上，即每个单层铋烯的最外层铋原子，这显著提高了局部载流子迁移率。这种电子边缘态反过来增强了[V(H₂O)₆]²⁺/[V(H₂O)₆]³⁺离子的吸附能力，显示出比块体铋表面更有利的吸附能。此外，所利用的薄至约5 nm的Bi_ene NF由于其高曲率纳米结构，富集了最外层晶格外围亥姆霍兹层中[V(H₂O)₆]²⁺/[V(H₂O)₆]³⁺离子的局部浓度，导致其经电化学活性表面积（ECSA）归一化的反应速率常数（k⁰_ECSA）是铋纳米颗粒（BiNP）的3.23倍。这是在FRBs领域首次揭示金属烯-铋烯与其铋块体之间的本征性质差异。得益于原位拉曼光谱技术，可以检测到明显的依赖于电压的对称A_1g纵模位移，进一步证实了Bi_ene NF的外围是氧化还原反应的主要活性区域。因此，搭载Bi_ene NF修饰CGF电极（表示为Bi_ene NF-CGF）的VRFB，在0.8 A cm⁻²下获得了80.51%的能源效率（EE）以及超过10000次循环的稳健催化剂稳定性，超越了目前报道的VRFBs。铋烯的首次成功应用将开启金属烯电催化剂在RFBs中的快速发展。

图2 | Bi_ene NF的结构与表面特征。

图3 | Bi_ene NF的成核与生长机制。

图4 | Bi_ene NF的热力学与动力学特性。

图5 | 电阻分析及全电池性能。