这篇论文由 Daming Chen、Ming Yang、Yang Ming、Wei Cai、Shuo Shi、Yicai Pan、Xin Hu、Rujun Yu、Ziqi Wang 和 Bin Fei 等研究人员联合撰写。他们主要分别隶属于香港理工大学时尚与纺织学院材料合成与加工实验室、深圳大学化学与环境工程学院以及暨南大学化学与材料科学学院等多个科研机构。文章发表在《Small》期刊，发表日期为 2024 年，其 DOI 为 10.1002/smll.202405168。
该研究属于新一代能源存储技术领域，主要聚焦于水系锌离子电池（Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs）的阴极材料开发。AZIBs 因具备高理论容量（820 mAh g-1）、卓越的能量密度、固有的安全性、潜在的成本效益及环保特性而受到关注。然而，其实际应用受到适配阴极材料缺乏的严重限制。研究中指出，常规阴极材料（例如 V2O5 等氧化钒化合物）虽然具备较高的理论容量，但因存在结构稳定性差、导电性不足及锌离子（Zn2+）扩散动力学受限等问题，导致循环寿命和储能性能不理想。为解决以上问题，研究团队提出通过氧空位（oxygen vacancies, OVs）及钼（Mo）掺杂的联合效应，设计高性能的阴极材料。
研究的目标是通过制备一种新型的 Mo 掺杂并含氧空位的氧化钒（Mo-V2O3-x@NC），并深入分析其电化学性能、Zn2+ 储存机制及材料结构的稳定性，从而为 AZIBs 的高性能阴极材料的设计提供新思路。
研究的流程分为实验材料制备、结构表征、电化学性能测试及理论分析四大环节。
研究团队采用了一种基于金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）的材料合成策略，首先通过简单的水热法制备前体材料 Mo 掺杂的 MOF（Mo-doped V-MOF）。前体材料在 800°C 的氩气或氩/氢气氛中热处理生成 Mo-V2O3-x@NC 纳米复合材料。同时，通过控制磷钼酸（PMA）的加入量，调节材料中 Mo 掺杂比例（5%、7.5%、10%）。随后，研究人员通过电化学活化（充电至 1.6 V）将 Mo-V2O3-x@NC 转变为最终活性材料 Mo-V2O5-x·NH2O@NC。
通过多种表征手段包括 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）、X 射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）等手段，详细分析样品结构及化学组成。结果表明，Mo-V2O3-x@NC 具有均匀的纳米棒状结构、高浓度氧空位及良好的元素分布特性，这为提高 Zn2+ 储存行为奠定了基础。
利用 CR2023 型纽扣电池测试电化学性能，研究内容包括倍率性能、长循环稳定性、伽伐诺间歇滴定技术（GITT）和电化学阻抗谱（EIS）。此外，通过循环伏安（CV）分析伪电容贡献率，并评估首次电化学活化后材料的氧化还原行为。
通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算，构建 V2O5·NH2O、V2O5-x·NH2O 和 Mo-V2O5-x·NH2O 的结构模型，以阐明 Mo 掺杂及氧空位在提高电子导电性和降低 Zn2+ 迁移能垒方面的关键作用。
XRD 和 TEM 显示 Mo 掺杂的样品保持 V2O3 的晶相，SEM 确认了 Mo 的加入可显著减小颗粒尺寸，EPR 和 O1s XPS 谱图证明材料中的氧空位浓度随 Mo 掺杂含量增加而显著提升。
首次循环中，材料从 Mo-V2O3-x 转变为 Mo-V2O5-x·NH2O。随后的充放电过程中，Zn2+ 的插/脱过程表现出高可逆性，XPS 进一步验证了 V 的价态在 +5 和 +3 之间变化，以及 H+ 共插的存在。
DFT 计算表明，Mo 掺杂和氧空位的协同作用使材料的 Zn2+ 吸附能降低到 -31.8 eV，扩散能垒降至 0.23 eV，同时提高了电子导电性。
通过引入 Mo 掺杂和氧空位协同效应，研究团队成功制备了具有优异电化学性能的 Mo-V2O5-x·NH2O@NC 阴极材料。研究表明，该材料在提高倍率性能、循环稳定性和反应动力学方面具有显著优势。这一创新性方法为未来开发高性能 AZIBs 阴极材料提供了新思路和参考，同时也验证了使用 MOF 衍生复合材料优化能源储存性能的潜力。
此项研究展现了 AZIBs 阴极材料设计和优化领域的重要进展，对未来新型能源存储设备的发展具有重要意义。