西北工业大学王洪强/徐飞教授：通过激光合成亚稳态铋纳米晶与还原氧化石墨烯化学键合实现高效锂存储

研究背景

随着电动汽车与大规模储能系统的快速发展，锂离子电池（LIBs）对高容量、高功率密度电极材料的需求日益迫切。在众多负极材料中，铋（Bi）因其适宜的氧化还原电位（0.5～0.75 V）、高质量比容量（385 mAh/g）和高体积比容量（3800 mAh/cm³）而备受关注。然而，Bi基负极在充放电过程中存在显著的体积膨胀（约215%），导致电极结构粉化、容量快速衰减。此外，Bi与还原氧化石墨烯（rGO）之间的界面相容性差，限制了离子/电子的高效传输。

工作简介

针对上述挑战，西北工业大学王洪强/徐飞教授团队提出了一种“液相脉冲激光辐照+溶剂热反应”的联合策略，成功制备了尺寸仅为2 nm的超细Bi纳米晶，并通过Bi–O–C共价键将其均匀锚定在rGO纳米片上。该结构不仅有效抑制了纳米颗粒的团聚，还显著提升了界面离子/电子传输效率，并缓解了合金化过程中的体积膨胀。该Bi-rGO-2负极在100 mA/g的电流密度下循环500次后，仍能保持586.7 mAh/g的可逆容量，几乎是未键合Bulk Bi/rGO复合负极（318 mAh/g）的2倍。理论计算与动力学分析进一步证实，小尺寸Bi纳米晶增强了与rGO的结合能，并加速了Li⁺的扩散。该文章发表在国产期刊New Carbon Materials上，苏延霞教授为本文第一作者，王洪强教授、徐飞教授为论文共同通讯作者。

工作简介

图1. Bi-rGO复合材料的合成与结构表征：（a）示意图展示了激光合成亚稳态Bi纳米晶并锚定于rGO的过程。（b–d）TEM、HRTEM及XRD结果表明，激光辐照后Bi纳米晶尺寸约为5.5 nm，晶体结构保持完整。（e–h）溶剂热反应后，Bi纳米晶尺寸进一步缩小至2 nm（迄今报道的最小值），均匀分布于rGO基体，HAADF-EDS图像证实Bi、O、C元素均匀分布。

结论

本研究成功开发了一种激光辅助合成亚稳态超细Bi纳米晶并共价键合于rGO的策略，解决了Bi基负极界面传输动力学差、体积膨胀严重等关键问题。所制Bi-rGO-2负极在容量、循环稳定性和倍率性能方面均表现出显著优势，为高性能合金型负极材料的设计提供了新思路。

文章信息

Yanxia Su, Xiuhai Zhang, Yuqian Qiu, et al. Laser-synthesized metastable bismuth nanocrystals chemically bonded to reduced graphene oxide for excellent lithium storage. New Carbon Materials, 2026, 41 (2): 365-378.

苏延霞，张秀海，邱玉倩，等.激光合成的亚稳态铋纳米晶与还原氧化石墨烯化学键合实现优异的储锂性能. 新型炭材料（中英文）, 2026, 41 (2): 365-378.

DOI: 10.1016/S1872-5805(26)61068-2

通讯作者简介

徐飞教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，德国洪堡学者。于2015年在中山大学获博士学位，2012-2014年以国家公派在日本分子科学研究所从事博士联合培养，2018-2020年在德累斯顿工业大学从事洪堡博士后研究，主要从事功能多孔聚合物和碳材料的分子设计、可控制备及物化性能研究，在新能源材料与器件和吸附分离等基础应用领域积累了研究经验，共发表SCI论文140余篇，总引用10000余次，其中以第一/通讯作者在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等SCI期刊发表论文80余篇。申请中国发明专利15项（授权11项）。受聘担任陕西省纳米学会常务理事、《SusMat》与《Carbon Energy》等青年编委等职。

王洪强教授，西北工业大学教授，博士生导师，材料学院副院长，国家万人计划创新领军人才，英国皇家化学会会士，2008年于中国科学院固体物理研究所获凝聚态物理专业博士学位。在Chem. Soc. Rev.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.等国际重要期刊发表SCI论文160余篇，总引用8000余次，H因子51。申请中国、日本发明专利30项（授权21项）。担任总装材料专家组成员、中国体视学学会材料科学分会副主任委员、陕西省一带一路国际联合实验室主任、陕西省学科创新引智基地负责人JPhys. Mater.国际编委等职，主持国家重点研发专项、国家自然科学基金委（面上3项、青年、国际合作2项）等国家级项目。研究成果在材料领域知名期刊发表第一/通讯作者SCI论文130余篇，H因子60（Web of Science），授权中国、日本发明专利31件。