电化学储能（EES）设备，如锂离子电池，深刻地改变了我们目前的交流、工作和娱乐方式。目前电化学插入仍然是优化电极容量和动力学的最佳EES机制。在这方面，由于质子的小尺寸和通过氢键进行相关输运的可行性，人们对其电化学插入重新产生了浓厚的兴趣。快速质子导体的一个共同特征是结构水的存在。在某些材料中，人们提出了结构水以通过固态Grotthuss机理实现快速质子传输。拓扑化学反应可用于通过选择性蚀刻掉原子阵列，同时保留前体中的大部分键，将热力学稳定相转变为相关的亚稳态相。
近日，美国北卡罗来纳州立大学Veronica Augustyn报道了H2W2O7是一种亚稳态材料，通过选择性蚀刻与aurivillius相关的Bi2W2O9，可以用作高功率的质子基储能电极。
文章要点
1）研究人员通过X射线衍射(XRD)、中子对分布函数(neutron PDF)、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和拉曼光谱分析，对H2W2O7进行了全面的结构表征，得到了高保真度的晶体结构，同时结合密度泛函理论（DFT）的原子建模。
2）在硫酸电解液中使用循环伏安法进行电化学表征结果显示，与1 mV s-1（约16分钟的充电/放电时间）相比，在1000 mV s-1（1.5 s充电/放电时间）下的容量保持率约为80％。通过对循环伏安法峰值电流的分析，研究人员确定了质子在微米级粒子中的插入动力学受有限空间扩散的限制。在20 mV s-1循环(约23 s充放电时间)下，10万次循环时容量保持率为89%。
3）研究人员通过原位X射线衍射(XRD)、原位拉曼光谱(Raman)和DFT计算研究了其插入机理。这些结果表明，质子存储发生在水合层间的末端氧位点。此外，原位拉曼光谱采集的光学显微照片显示出可逆的多色电致变色，颜色由淡黄色变为蓝色、紫色，最后是橙色，颜色随水溶液中H2W2O7中质子含量的变化而变化。
研究结果突出了选择性蚀刻层钙钛矿用于合成高功率、亚稳态过渡金属氧化物材料的应用，以及使用H2W2O7作为阳极材料用于质子基储能或水电致变色应用。
Ruocun Wang, et al, Fast Proton Insertion in Layered H2W2O7 via Selective Etching of an Aurivillius Phase, Adv. Energy Mater. 2020
DOI: 10.1002/aenm.202003335
https://doi.org/10.1002/aenm.202003335
