麦立强教授课题组：2025年度代表性成果集锦！

米测MeLab

2026-05-11

麦立强，武汉理工大学首席教授，博导，副校长，国家杰出青年科学基金获得者（2014），长江学者特聘教授（2016），“万人计划”领军人才（2016），国家重点研发计划首席科学家，英国皇家化学会会士（2018），中国微米纳米技术学会会士（2022），中国化学会会士（2023）。材料化学与功能材料领域知名专家，长期从事新能源材料与器件科学技术及应用研究，构筑了国际上第一个单根纳米线器件电子/离子输运原位表征的普适新模型，建立了调控电化学反应动力学的“麦-晏”场效应储能等电子/离子双连续输运理论，突破了储能材料与器件的批量化制备技术，并实现成果转化与应用。在Nature（3篇）、Science（1篇）等刊物发表SCI论文610余篇，其中以第一或通讯作者发表Nature 2篇、Nature子刊及Cell子刊24篇，SCI他引1000次以上1篇、800次以上5篇、400次以上20篇，高被引论文117篇，热点论文26篇，SCI总他引5.6万余次，撰写中文专著2部、英文专著2部、英文专著章节2部，参编《中国材料科学2035发展战略》1部。获授权国家发明专利148项，其中28项专利与华为等31家企业进行产学研成果转化与应用。主持国家重大科研仪器专项等国家级项目30余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖（每年仅2人）、国际车用锂电池协会卓越研究奖、国家教学成果二等奖、教育部/湖北省自然科学一等奖（3项）和中国材料研究学会技术发明一等奖，连续五年入选科睿唯安全球高被引科学家。

麦立强教授担任Journal of Energy Storage副主编，National Science Review学科编辑，Interdisciplinary Materials学术编辑，Nano Research、Joule、ACS Energy Letters编委，Advanced Materials和Chemical Reviews客座编辑等。现任中国材料研究学会理事、中国化学会能源化学专业委员会委员。培养毕业博/硕士研究生76名，培养国家级人才5人、省部级青年人才18人

有鉴于此，米测编辑部简要总结了麦立强教授课题组2025年部分重要研究成果，供大家交流学习。

1）由于相关论文数量较多，本文仅限于通讯作者文章。

2）由于学术有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。

3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。

1. Nat. Commun.：平面氯化工程诱导对称破缺单原子位点催化剂增强CO₂电还原

本研究提出了一种“平面氯化工程”策略，通过引入C-Cl键，诱导传统的低活性和选择性的Zn-N4位点自重构为高活性的Zn-N3位点，从而打破对称性并优化CO2RR性能。

1. 催化剂制备与表征：通过NaCl共热解策略制备了Zn单原子催化剂（Zn-SA/CNCl）。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和能量色散X射线光谱（EDX）确认了Zn单原子的均匀分布和C、N、Zn、Cl元素的存在。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，随着热解温度的升高，Zn-Cl键逐渐断裂，C-Cl键得以保留，表明平面氯化工程成功诱导了Zn-N4位点的自重构。

2. 电催化性能测试：在1 M KOH电解液中，Zn-SA/CNCl-1000催化剂表现出最高的总电流密度和CO法拉第效率（FECO），在-0.63 V vs RHE时FECO达到97.5%。在-0.93 V vs RHE时，Zn-SA/CNCl-1000的CO部分电流密度（JCO）为271.7 mA/cm²，周转频率（TOF）为29325 h⁻¹，分别是未进行平面氯化工程的Zn-SA/CN-1000的29倍和83倍。此外，Zn-SA/CNCl-1000在200 mA/cm²的高电流密度下连续运行50小时，表现出良好的稳定性。

3. 原位X射线吸收光谱（XAS）和密度泛函理论（DFT）计算：原位XAS测量和DFT计算揭示了C-Cl键诱导的Zn-N4位点自重构为Zn-N3位点的过程。这种自重构打破了Zn-N4位点的平面D4h对称性，增强了*COOH中间体的吸附能力，从而显著提高了CO2RR活性和选择性。

Shengjie Wei, Jiexin Zhu, Xingbao Chen, Rongyan Yang, Kailong Gu, Lei Li, Ching-Yu Chiang, Liqiang Mai & Shenghua Chen, Planar chlorination engineering induced symmetry-broken single-atom site catalyst for enhanced CO2 electroreduction, Nature Communications. (2025)16:1652.

DOI：10.1038/s41467-025-56271-5

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56271-5

2. Nat. Commun.：快速热冲击激活Bi催化剂实现高效CO₂还原

本研究通过张力应变工程激活惰性非缺陷位点，显著提升了Bi基催化剂在CO₂电还原反应（CO₂RR）中的性能。研究团队采用快速热冲击处理Bi基金属-有机框架（Bi-MOF-TS），在催化剂中引入了大面积的张力应变。快速热冲击通过瞬间高温诱导Bi-MOF中的Bi-O键断裂，形成微小的Bi团簇，这些团簇在后续电化学还原过程中作为晶体核，促进了Bi⁰的沉积，并在周围引入了显著的张力应变。这种应变不仅增强了反应中间体的吸附能力，还大幅降低了反应势垒，使得Bi-MOF-TS在宽电位范围内实现了超过90%的甲酸法拉第效率，并在工业级电流密度下表现出优异的性能。特别是在酸性电解质中，Bi-MOF-TS实现了96%的甲酸法拉第效率，并在锌-CO₂电池中展现出卓越的功率密度和稳定性。通过密度泛函理论计算和多种原位表征技术，研究揭示了张力应变对催化剂活性位点的调控机制，为设计高效CO₂还原催化剂提供了新的思路。

Xingbao Chen, Ruihu Lu, Chengbo Li, Wen Luo, Ruohan Yu, Jiexin Zhu, Lei Lv, Yuhang Dai, Shanhe Gong, Yazhou Zhou, Weiwei Xiong, Jiahao Wu, Hongwei Cai, Xinfei Wu, Zhaohui Deng, Boyu Xing, Lin Su, Feiyue Wang, Feiyang Chao, Wei Chen, Chuan Xia, Ziyun Wang & Liqiang Mai , Activating inert non-defect sites in Bi catalysts using tensile strain engineering for highly active CO2 electroreduction, Nature Communications, (2025)16:1927.

DOI: 10.1038/s41467-025-56975-8.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56975-8

3. Nat. Commun.：减轻离子通量涡旋实现可逆沉积！

本文通过LAPONITE涂层调控离子传输、抑制离子通量涡旋，从而实现锌的可逆电沉积，具体过程如下：  LAPONITE具有分离的正负电荷中心，其表面因电子富集呈现负电位，可吸引Zn²⁺并排斥SO₄²⁻，而边缘区域产生正电位，促进SO₄²⁻吸附并排斥Zn²⁺。这种独特结构使Zn²⁺能通过堆叠的LAPONITE薄片形成的通道，同时将SO₄²⁻锚定在通道外部，有效分离Zn²⁺与SO₄²⁻。  

在ZnSO₄水系电解液中，Zn²⁺与SO₄²⁻易形成电中性但不对称的接触离子对（CIPs），这些CIPs在电场中的行为与自由Zn²⁺不同，会导致离子通量涡旋，破坏锌沉积的均匀性。而LAPONITE涂层能减少扩散路径中的Zn²⁺·SO₄²⁻ CIPs，缓解离子通量涡旋，促进更均匀的Zn²⁺通量和沉积。  计算流体动力学（CFD）模拟证实，LAPONITE涂层因其对SO₄²⁻的吸附能力，在 homogenizing Zn²⁺通量方面效果优于裸锌和缺乏离子筛分能力的普通涂层。其表面不同位置的Zn²⁺通量与平均通量的比值更接近1，残差平方和（RSS）更小，表明离子运动更稳定，减少了涡旋现象。  

此外，LAPONITE涂层产生的极性电场引导离子运动，且其表面的电子局域化促进Zn²⁺的选择性吸附，加快锌沉积动力学。电化学阻抗谱（EIS）测量显示，LAPO@Zn的界面电荷转移活化能更低， galvanostatic测试表明其成核过电位更小，交换电流密度更高，均体现出更优的动力学性能和更少的表面离子通量涡旋。  这种对离子传输的调控和涡旋的抑制，最终引导锌沿（100）晶面均匀、致密且垂直取向生长，显著减轻枝晶生长，提升电池的循环稳定性和安全性。

Yuhang Dai, Wenjia Du, Haobo Dong, Xuan Gao, Chang Su, Partha P. Paul, Bratislav Lukic, Chengyi Zhang, Chumei Ye, Jinghao Li, Wei Zong, Jianwei Li, Yiyang Liu, Alexander Rack, Liqiang Mai, Paul R. Shearing & Guanjie He, Mitigating ion flux vortex enables reversible zinc electrodeposition, Nature Communications,(2025)16:7312, 

DOI: 10.1038/s41467-025-62470-x.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56975-8

4. Energy Environ. Sci.：定制锌双原子双向催化剂实现轨道耦合-杂化助力超长循环寿命锌碘电池

本研究通过共热解法制备了氮掺杂碳纳米片中的蜂窝状锌双原子催化剂（Zn₂NC），并将其用作锌碘电池的碘宿主。HAADF-STEM、XANES 和 FT-EXAFS 证实了锌双原子位点的存在及其 Zn-N 配位结构。理论计算表明，锌双原子位点通过优化电子结构实现轨道杂化，增强对多碘化物的吸附 / 脱附能力，并提供更多活性位点加速 redox 动力学。

基于 I₂@Zn₂NC 阴极的锌碘电池表现出优异性能：0.5C 下初始容量 208 mAh g⁻¹，100 次循环保持率98%；50C 下实现 100,000 次循环，每循环衰减0.0002%；-20℃、10C 下完成 7000 次循环。该工作为开发高性能双原子催化剂提供了新方法，揭示了其对多碘化物的作用机制，为设计高性能锌碘电池开辟了新途径。

Chenxu Dong, Yongkun Yu, Changning Ma, Cheng Zhou, Jiajing Wang, Jiapei Gu, Juan Ji, Shubin Yang, Zunfeng Liu, d Xu Xu* and Liqiang Mai*, Tailoring zinc diatomic bidirectional catalysts achieving orbital coupling–hybridization for ultralong-cycling zinc–iodine batteries, Energy Environ. Sci., 2025, 18, 3014. 

DOI: 10.1039/d4ee05767h.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d4ee05767h

5. AM：解锁π-d共轭配位聚合物中配体主导的氧化还原活性以实现高容量钾存储！

该研究系统性证明了通过π-d共轭配位聚合物中的d轨道构型工程可有效解决KIB负极材料中氧化还原活性与结构稳定性之间的长期矛盾。通过选择具有闭壳层d⁸构型的Ni²⁺替代顺磁性的Co²⁺和Mn²⁺，实现了协同轨道相互作用，同时增强了电荷转移和框架稳定性。t₂g→π反键机制稳定了反键轨道，而dₓ²₋y²轨道与BTA配体的σ-π杂化使K⁺吸附能较Co/Mn类似物降低了44%。这些电子效应转化为优异的电化学性能：Ni-BTA在100 mA g⁻¹下实现了452 mAh g⁻¹的高可逆容量（500次循环后保持99.2%），并在1000 mA g⁻¹下循环4000次后仍保持292 mAh g⁻¹。值得注意的是，多模态原位表征表明BTA配体中的氮杂环通过可逆C=N/C-N转换驱动了三电子氧化还原过程，而电化学惰性的Ni中心在循环中充当结构支柱。这种氧化还原活性与稳定作用的解耦从根本上解决了传统体系的容量衰减难题。该研究不仅推动了KIB技术的发展，还为能源材料的轨道层面工程提供了重要见解。 

Kang Han, Zhenhang Zhong, Hao Zhang, Guangwan Zhang, Xuanpeng Wang, Fang Liu, Chaojiang Niu,* and Liqiang Mai*, Unlocking the Ligand-Dominated Redox Activity in Π–d Conjugated Coordination Polymers for High-Capacity and Stable Potassium Storage, Adv. Mater. 2025, e09022.

DOI: 10.1002/adma.202509022.

https://doi.org/10.1002/adma.202509022

6. Small:飞秒激光诱导纳米结构牺牲层来改善锌金属阳极性能

水系锌离子电池因其成本效益高和安全性好，在大规模储能领域极具应用前景。具有高质量比容量和适中氧化还原电位的锌金属负极，能够助力实现高能量密度的锌电池。然而，商用锌金属箔的表面不稳定性会导致电池容量衰减和循环寿命受限。本文提出了一种牺牲层策略，即通过飞秒激光在锌金属基底上诱导构筑纳米结构（Fs-Zn）来解决上述问题。该牺牲层在初始剥离过程后会暴露出有序排列的晶体边缘，形成规整的界面。这种结构能够诱导锌金属沿（101）晶面进行近外延生长，并在锌电镀/剥离过程中提供更多活性位点，从而有效抑制枝晶生长和副反应。实验结果显示，相较于商用锌金属，采用Fs-Zn的对称电池循环寿命显著延长，在1 mA cm⁻²/1 mA h cm⁻²条件下可稳定运行超过500小时，在0.5 mA cm⁻²/1.5 mA h cm⁻²条件下可运行180小时。此外，Fs-Zn||MnO₂全电池也展现出增强的循环稳定性，可稳定循环超过500次。这种飞秒激光诱导的牺牲层策略为水系锌离子电池的实际应用提供了一种有效的解决方案。

Sitian Lian, Bo Mai, Zhijun Cai, Yunfan Yue, Zhongle Zeng, Kesong Yu, Xuewen Wang,* and Liqiang Mai*, Femtosecond Laser-Induced Nanostructured Sacrificial Layer for Stable Zinc Metal Anode, Small 2025, 21, 2505751.

DOI: 10.1002/smll.202505751.

https://doi.org/10.1002/smll.202505751

7. AM：非水系电解液在可充电镁电池中的溶剂化化学

本文论述了镁电解液中的溶剂化化学对离子传输、电荷传输动力学以及固体电解质界面形成的影响。

1. 离子-离子相互作用：主要由库仑力主导，涉及异性电荷离子之间的静电吸引和同性电荷离子之间的静电排斥。在非水系镁电解液中，由于有机溶剂的介电常数（ɛ）显著低于水（20℃时为80.2），导致库仑力更强，从而促进了离子对（如MgCl⁺）、离子簇（如Mg₂Cl₃⁺）和络合物（如[Mg₂(μ-Cl)₃(THF)₆]⁺）的形成。这些结构影响盐的溶解度、电解液的离子电导率以及电极-电解液界面的兼容性。

2. 离子-溶剂相互作用：源于阳离子和阴离子的溶剂化过程，主要由离子-偶极相互作用和路易斯酸碱相互作用驱动。阳离子的溶剂化结构决定了其扩散、去溶剂化和成核过程。溶剂分子在阳离子溶剂化壳中更容易接受电子，从而加速溶剂的还原分解；而在阴离子溶剂化中，溶剂分子的氧化稳定性增强。根据分子轨道理论，阳离子配位的溶剂具有更低的最低未占据分子轨道（LUMO）和最高占据分子轨道（HOMO）能级，而阴离子配位的溶剂则具有更高的LUMO/HOMO能级。

3. 溶剂-溶剂相互作用：主要受偶极-偶极相互作用、氢键和范德华力的影响。这些相互作用决定了电解液的溶解性、沸点、介电常数、蒸汽压和粘度等性质。

通过设计活性阳离子、阴离子受体、弱配位阴离子和溶剂化结构，可以优化镁电解液的性能。例如，通过引入具有强吸电子能力的阴离子受体（如AlCl₃），可以增强镁盐的解离，提高电解液的氧化稳定性。此外，通过设计弱配位阴离子（如[B(Ohfip)₄]⁻），可以减少镁离子与阴离子之间的强静电相互作用，从而提高电解液的离子电导率和电化学稳定性。这些策略不仅有助于实现可逆的镁沉积/剥离，还能优化电解液的微观结构，从而提高可充电镁电池的整体性能。

DOI: 10.1002/adma.202510488.

https://doi.org/10.1002/adma.202510488

8. Angew：电偶极耦合离子-偶极工程调控溶剂化-去溶剂化行为以构建稳定的固态锂金属电池

提出了一种电偶极耦合离子偶极策略，用于调节Li⁺的溶剂化结构并增强Li⁺的去溶剂化动力学。实验表征和理论计算表明，通过离子偶极相互作用锚定自由溶剂和FSI⁻，有助于Li⁺的转移并获得宽电化学稳定性窗口。电偶极相互作用促进锂盐解离和快速离子去溶剂化，有助于获得更多的移动Li⁺并实现富含无机物的电解质/电极界面。得益于上述优势，组装的锂对称电池和全电池展现出超长循环寿命。更重要的是，高载量正极（LiFePO₄为11.25 mg cm⁻²，NCM811为7.84 mg cm⁻²）的全电池以及软包电池仍表现出稳定的循环性能。这项研究为调节SPEs中的溶剂化-去溶剂化行为提供了宝贵的见解，并推动了先进锂金属电池的发展。

Feng Tao, Kaijian Yan, Chenxu Dong, Jiajing Wang, Qianmu Pan, Minjian Gong, Jiapei Gu, Chunli Shen, Ruohan Yu, Yuanzhi Jiang, Mingjian Yuan, Cheng Zhou, Meng Huang, Xu Xu, and Liqiang Mai*, Electric-Dipole Coupling Ion-Dipole Engineering Induced Rational Solvation-Desolvation Behavior for Constructing Stable Solid-State Lithium Metal Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202503037.

DOI: 10.1002/anie.202503037.

https://doi.org/10.1002/anie.202503037

9. Adv. Funct. Mater.：可充电铝硫电池的关键挑战和优化需求

随着对高效、经济节能的储能系统需求的日益增长，推动了针对锂离子电池替代方案的研究。在这些替代技术中，铝硫电池已成为一种颇具前景的选择，并在过去十年中展现出显著的进展。这类电池具有高理论能量密度、低成本及安全性更佳等优势。然而，与其他硫基电池类似，铝硫电池仍面临一些基本的电化学挑战，包括反应动力学缓慢、多硫化物穿梭效应显著以及负极上不可控的枝晶生长。本文全面综述了可充铝硫电池在关键挑战及其优化策略方面的最新进展。文章首先概述了铝硫电池的发展历程及当前体系所面临的挑战。接着，聚焦于各电池组件（包括正极、负极、电解质和隔膜）的优化，系统总结了提升铝硫电池性能的有效策略。文中详细探讨了关键突破性进展的结构特征、电化学性能、构效关系以及增强机制。最后，探讨了可充铝硫电池未来研究面临的挑战与潜在机遇。本综述旨在为高性能铝硫电池的理性设计提供深刻的见解，并加速其在实际大规模储能应用中的发展进程。

Yu Wang, Xiaolin Wu, Jiashen Meng*, Hao Zhang, Yibo Song, Xuanpeng Wang, Yakun Liu, and Liqiang Mai*, Critical Challenges and Optimization Strategies for Rechargeable Aluminum-Sulfur Batteries, Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2423454.

DOI: 10.1002/adfm.202423454.

https://doi.org/10.1002/adfm.202423454

10. Nat. Commun.：电化学原位形成的岩盐相决定二氧化钛的赝电容储钠

该研究通过结合对储钠行为变化和微观结构演变的系统分析，深入揭示了纳米TiO2(A)通过电化学驱动的多步c-a'-RS相转变而原位地形成纳米RS-NaTiO2的储钠机制。Na+离子首次嵌入到结晶锐钛矿中迫使晶格无定形化，这种缓慢的动力学限制了近表面无定形区的厚度，而该厚度决定了表面依赖的容量。更重要的是，电化学形成的无定形区域在经过多次循环后会转变为RS-NaTiO2纳米晶。RS-NaTiO2的储钠反应遵循伴随着Ti3+/Ti4+氧化还原反应的固溶过程，因此展现位于~0.75 V vs. Na+/Na的一对宽氧化还原峰的赝电容“类镜像”CV曲线。TiO2(A)中电化学地原位形成RS相后，Na+扩散系数显著增加，这有助于实现高倍率性能。RS相晶格在（去）钠化过程中的体积变化仅为2.0%，从而实现了出色的循环稳定性。该研究证明了在无预钠化处理的全电池中，TiO2(A)负极依旧能够被电化学激活而原位地形成RS相，显示了其在实际应用中的潜力。总体而言，二氧化钛优异的储钠性能主要归因于RS-NaTiO2，其具有极富前景的高倍率和长寿命循环的储钠性能。该研究结果为开发高性能钛基储钠电极材料开辟了方向。

Dafu Tang, Ruohan Yu, Yalong Jiang, Jiantao Li, Zerui Yan, Sicheng Fan, Xiaojuan Huang, Sungsik Lee, Tianyi Li, Qingshui Xie, Liqiang Mai, Dong-Liang Peng & Qiulong Wei , Electrochemically in situ formed rocksalt phase in titanium dioxide determines pseudocapacitive sodium-ion storage, Nature Communications | (2025)16:2015.

DOI: 10.1038/s41467-025-57310-x.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-57310-x