孙学良、楼雄文、包信和能源类课题组简介

一、孙学良清洁能源课题组

人物介绍：

孙学良教授，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大纳米能源材料首席科学家，加拿大西安大略大学终身教授。1999年获得英国曼彻斯特大学材料化学博士学位。1999-2001年，在加拿大不列颠哥伦比亚大学从事博士后工作，2001-2004年，在加拿大魁北克大学国家科学研究院任助理研究员，2004年以助理教授身份加入西安大略大学，2008年升为副教授，2012年升为正教授。现任Electrochemical Energy Review（EER）的主编，连续4年（2018—2021年）入选科睿唯安全球“高被引科学家”。

研究内容：

孙院士的主要研究方向是清洁能源领域及能源材料在能源储存和转化，涉及了基础科学、应用纳米技术、新兴工程学等领域，以开发和应用基于纳米材料的新型能源系统和器件为研究核心。目前具体从事开发不同方法来合成低维纳米材料，如碳纳米管，石墨烯，半导体和金属纳米线，纳米颗粒，薄膜和它们的复合材料，它们可作为能量转换和存储的电化学电极，包括燃料电池，锂离子电池和锂空气电池。。同时，孙教授积极与工业界进行合作研究，目前的合作者包括加拿大巴拉德电源系统公司、美国通用汽车公司、加拿大庄信万丰电池公司和中国动力电池创新中心。与公司和政府实验室（如巴拉德动力系统、通用、加拿大Phostech公司以及加拿大国防部）也开展了相关合作研究。已在相关领域顶级期刊发表高水平论文500余篇，其论文总引用次数4万次，H因子105，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew.等高水平期刊。

近期研究进展：

Nano Energy：COFs基电解质加速准固态有机电池中Na⁺扩散，抑制枝晶生长(COFs-based electrolyte accelerates the Na⁺ diffusion and restrains dendrite growth in quasi-solid-state organic batteries, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106756)

固态钠离子电池在未来的储能领域有着广阔的发展前景，因此探索一种高效的钠离子导体是迫切需要解决的问题。共价有机框架(COFs)具有精确定向和明确定义的离子通道，是固体钠离子导体的理想平台。在本工作中，孙学良教授等人研究了羧酸钠功能化聚芳醚链COF(NaOOC-COF)作为一种先进的钠离子准固态导体薄膜的第一个例子。利用明确的离子通道，功能化NaOOC-COF在室温下的Na⁺电导率为2.68 × 10⁻⁴ S cm⁻¹，活化能(Ea)为0.24 eV，转移数为0.9。其中，NaOOC-COF在组装好的准固态电池中表现出长时间循环性能，并通过界面调控抑制枝晶生长。此外，还深入研究了Na⁺在全电池体系中的扩散机理。在此基础上，首次取得了如此优异的钠离子输运结果。这一新策略可以开拓钠离子准固态电解器件的新领域，同时也可以加速功能化COFs的发展。

图1 NaOOC-COF的SEM、TEM图像(b)及C, O和Na (d-g)的EDS成像

EnSM：实现活性Li₂S的可逆沉淀分解用于宽温度范围的高容量锂硫电池(Achieving reversible precipitation-decomposition of reactive Li2S towards high-areal-capacity lithium-sulfur batteries with a wide-temperature range, DOI: 10.1016/j.ensm.2021.10.035)

电催化促进多硫化物的转化是抑制锂-硫（Li-S）电池穿梭效应的一种很有前途的策略。然而，随着循环过程中Li2S钝化层的不断形成，电催化剂中的活性中心逐渐钝化，这无疑给实现硫物种的稳定转化带来了挑战。为此，孙学良等人提出了一种反应性Li₂S与双向Fe₃C电催化剂协同的策略，实现硫的快速连续转化，从而大幅提高Li-S电池的性能。在还原过程中，Fe₃C表面析出了具有独特三维多孔结构的活性Li₂S，不仅缩短了离子/电子扩散路径，而且暴露并保留了Fe₃C中更多的活性位点。而在接下来的氧化过程中，Fe₃C还促进了活性Li₂S的分解，刷新了电催化剂表面。因此，Fe₃C在整个电化学过程中保持了良好的高催化活性，综合实验和理论计算结果验证了这一点。最终，Fe₃C可以使高面积容量Li- S电池(> 6.0 mAh cm⁻²)在宽温度范围(-10 ~ 40℃)下稳定运行。双向电催化剂偶联反应性Li₂S的策略为开发高能宽温Li-S电池提供了新的途径。

图2 Fe₃C@FC/S-CF负极电化学特征

Sci. China Chem.：Ru在N掺杂石墨烯上的合理设计促进水解离析氢(Rational design of Ru species on N-doped graphene promoting water dissociation for boosting hydrogen evolution reaction,DOI: 10.1007/s11426-021-1163-7)

孙学良等人通过调节Ru前驱体与咪唑酸分子筛骨架-8 (ZIF-8)的结合方式，可以合理调控Ru在氮掺杂石墨烯(NG)上的形态分布。通过阳离子交换和主客体策略，钌前驱体与ZIF-8锚定在石墨烯上形成了两种不同的结合模式。通过对上述前驱体的热解，可以选择性地在NG(分别表示为Ru SASs+NPs/NG和Ru SASs/NG)上形成Ru单原子位点(SASs)。Ru SASs+NPs/NG在碱性溶液(η₁₀=12 mV, 12.57 A mg⁻¹_Ru在100 mV下)中表现出优异的析氢反应(HER)性能，明显优于Ru SASs/NG。实验和理论研究表明，Ru SASs能以最佳吸附强度吸附氢，而Ru NPs能降低水分子解离的障碍，因此Ru SASs和Ru NPs能协同促进碱性溶液中HER的催化性能。

图3 Ru SASs+NPs/NG和Ru SASs/NG合成方案

二、楼雄文课题组

人物介绍：

楼雄文，新加坡南洋理工大学化学与生物工程系教授，先后于2002和2004年在新加坡国立大学获得学士学位和硕士学位，2008年在美国康奈尔大学获得化学与生物分子工程专业博士学位研究方向。毕业后，加入南洋理工大学，2017年当选为英国皇家化学会会士。他兼任国际著名杂志Science Advances副编辑、Journal of Materials Chemistry A副主编、Small Methods编委。在培养人才方面也成绩卓然，很多博士已经在浙江大学、武汉大学、华中科技大学、南京大学、中科院等知名大学或研究机构任教。目前为止，课题组产生了16位青年千人，3位优青。连续4年（2018—2021年）入选科睿唯安全球“高被引科学家”。

研究方向：

主要研究兴趣为设计合成纳米结构材料（如 MOFs、微纳中空材料等）及其在能源方向的应用，深度探讨了新型纳米结构材料在能源贮存和结构中的应用。具体可分为电催化、光催化、电池及电容器等能源转化及存储领域。已在相关领域顶级期刊发表高水平论文300余篇，其论文总引用次数9万次，H因子186。

近期研究进展：

AM：基于拓扑化学反应构筑Ni(CN)₂/NiSe₂异质结构实现高效电催化析氧(Construction of Ni(CN)2/NiSe2 Heterostructures by Stepwise Topochemical Pathways for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution”, DOI: 10.1002/adma.202104405)

开发基于复杂异质结构的高效电催化剂用于析氧反应(OER)是提高水裂解效率、生产清洁能源氢的一种有前途的策略。然而，由于合成方面的挑战，构建具有催化活性的结构和组成新颖的异质结构仍未得到很好的发展。楼雄文教授开发出一种包括脱水和阴离子交换在内的逐步拓扑化学策略，将Ni-Ni 霍夫曼型配位聚合物（HCP）纳米板转变为独特的Ni(CN)₂/NiSe₂异质结构。当用作OER电催化剂时Ni(CN)₂/NiSe₂异质结构的性能得到了提高，这主要是由于两组分协同作用所赋予的催化中心的几何结构和电子结构得到了优化。这项工作为创造一种新型的镍基OER电催化剂提供了一条合理的合成路线，该催化剂具有纳米级的异质结构，其组成、空间组织和界面构型可以被精细控制。

图4 Ni(CN)₂/NiSe₂异质结构的合成示意图

Adv. Sci.：氮掺杂且富含氧空位的KMn₈O₁₆用作稳定的用于稳定的锌离子电池(Synthesis of Nitrogen-Doped KMn8O16 with Oxygen Vacancy for Stable Zinc-Ion Batteries, DOI: 10.1002/advs.202106067)

锰基氧化物因具有低成本、低毒性、储量丰富、高工作电压等优点而备受关注，但同时面临着本征电导率低、晶体结构不稳定等问题，最终导致电池容量的快速衰减。为此，楼雄文教授等人提出了一种多功能修饰策略，通过简单的一步水热法构建了具有丰富氧空位和大比表面积的N掺杂KMn₈O₁₆ (N-KMO)。N-KMO中N掺杂、氧空位和多孔结构的协同作用能有效抑制锰离子的溶解，促进离子扩散和电子传导。结果表明，N-KMO阴极的稳定性和反应动力学显著提高，优于原始MnO₂和只有氧空位的MnO₂。值得注意的是，N-KMO负极在1 A g⁻¹的电压下循环2500次后，可逆容量高达262 mAh g⁻¹，容量保持率高达91%。同时，在0.1 A g⁻¹时，最高比容量可达298 mAh g⁻¹。理论计算表明，氧空位和N掺杂可以提高MnO₂的导电性，从而可以解释MnO₂优异的速率性能。此外，通过各种非原位表征方法证实了N-KMO正极材料的储能机理主要是H ⁺ 和Zn²⁺ 共嵌入/脱出过程。

图5 基于N-KMO、O_v-MnO_2-x和MnO₂阴极的AZIBs的电化学性能

AEnM：原位监测和解析析氧电催化中的结构演化(Operando Monitoring and Deciphering the Structural Evolution in Oxygen Evolution Electrocatalysis”,DOI: 10.1002/aenm.202103383)

析氧反应(OER)是水电解、二氧化碳电解、金属-空气电池等关键能量转换和存储技术的瓶颈。通过开发高效的电催化剂，可以克服OER反应动力学缓慢的问题，在反应过程中，电催化剂经历了一个动态的结构演化过程。然而，对OER过程中电催化剂结构转变的反应机理和真正活性位点的构效关系的理解仍是一个谜。幸运的是， 动态现场原位表征为研究OER电催化剂的结构演化过程和反应机理提供了平台。楼雄文教授等人主要介绍了电催化剂结构演化过程的跟踪、电催化反应中间体的记录以及电催化剂结构与活性/稳定性之间的联系等方面的研究进展。此外，作者还强调了模拟过程的理论考虑，以制定更有效的计算模型。本综述中对 动态现场原位表征结果的当前进展的总结和所提供的观点有望为OER电催化剂在电催化过程中的结构演化过程和反应机制，特别是结构-性能关系提供更全面的理解，从而提供为在不久的将来大规模商业化设计和制备更高效的OER电催化剂提供了合理的指导。

图6  动态现场原位表征 OER示意图

三、纳米和界面催化课题组

人物介绍：

包信和院士，在大连化学物理研究所工作，任催化基础国家重点实验室研究员，博士生导师，所学术委员会主任，洁净能源国家实验室能源基础和战略研究部部长，中国科学院研究生院教授；2020年，包信和院士作为第一完成人的项目《纳米限域催化》被提名为国家自然科学一等奖；2017年6月起任中国科学技术大学校长。2009年当选为中国科学院院士；2011年当选为发展中国家科学院院士；2016年当选为英国皇家化学会荣誉会士。

研究方向：

包信和院士长期从事从事能源高效转化相关的表面科学和催化化学基础研究，以及新型催化剂研制和开发工作，首次提出纳米限域催化新概念，是国际催化领域的领军人物之一。包信和院士课题组在催化相关的表面科学和催化化学基础研究，新型催化材料的开发以及能源清洁高效转化过程等领域做出了重要贡献，研究领域主要包括金属催化剂的表面化学和纳米催化理论，多孔材料的合成与表征，甲烷活化、合成气催化转化以及小分子选择氧化等。相关研究成果分别于2014年和2016年入选“中国科学十大进展”。目前在Science、Nature Mater.、JACS、Angew.、 Energy & Env. Sci. 等国际顶级期刊上发表论文700余篇。

近期研究进展：

Angew.：Cu₂P₂O₇重构催化剂用于CO₂电还原多碳产物 (A Reconstructed Cu₂P₂O₇ Catalyst for Selective CO₂ Electroreduction to Multicarbon Products,DOI: 10.1002/anie.202114238)

电化学CO₂还原反应(CO₂RR)在将CO₂转化为多碳(C₂₊)燃料和化学品方面显示出巨大的潜力。包信和院士等人通过固相反应合成方法，将A₂M₂O₇结构引入Cu基催化剂中，开发了重构的Cu₂P₂O₇催化剂用于CO₂RR，该催化剂是一种高效的CO₂RR催化剂。在CO₂RR条件下，Cu₂P₂O₇催化剂被电化学还原成金属Cu，并发生了由颗粒聚集到高孔结构的显著结构演化。在350 mA cm^-2的电流密度下，重构的Cu₂P₂O₇催化剂对C₂₊产物的法拉第效率达到73.6%，乙烯法拉第效率达到39.8%。C₂₊产物的法拉第效率和部分电流密度均显著高于CuO催化剂。重构Cu₂P₂O₇催化剂具有较高的电化学活性表面积、丰富的缺陷和低配位位点。原位拉曼光谱和密度泛函理论计算表明，CO在具有缺陷和低配位的Cu上的桥状和顶部构型的吸附得到了很大的改善，降低了C₂₊产物C-C耦合反应的能垒。

图7 CO₂RR过程中不同电流密度下的原位拉曼光谱

J.Phys. Chem. C：铜(111)表面上氧化铁纳米结构的动态结构变化(Dynamic Structural Changes of Iron Oxide Nanostructures On Cu(111), DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c08309)

解负载型氧化铁纳米结构(NSs)及其与金属界面的结构动力学，对于合理设计氧化铁基催化剂用于许多主要的催化反应至关重要。在本研究中，包信和院士等人在Cu(111)上构建了FeO纳米颗粒，利用扫描隧道显微镜(STM)和x射线光电子能谱(XPS)研究其表面结构和氧化还原过程中的动态变化。在Cu(111)表面上发现了多层FeO_x、位错和缺陷线。FeO NSs的存在促进了FeO/Cu(111)表面在O₂中的氧化，导致FeO周围Cu₂O_1+x条带相的形成。同时，FeO NSs的氧化也导致FeO x团簇的形成，主要是Fe³⁺。在退火后转化为三维FeO_x纳米粒子(NPs)在800 K的特高压下，XPS显示Fe³⁺没有明显的还原。总的来说，在Cu(111)氧化还原过程中，FeO NSs在原子水平上观察到了不可逆的结构动力学，这进一步加深了对FeO - Cu界面的理解。

图8 Cu(111)表面生长FeO NSs的形态和结构

Chinese Journal of Catalysis：能源催化材料的电化学合成(Electrochemical synthesis of catalytic materials for energy catalysis,DOI: 10.1016/S1872‐2067(21)63940-2)

电催化是一种处理化学能和电能相互转换的电化学反应的过程。催化活性纳米结构的精确合成是阻碍许多重要的能源相关电催化反应实际应用的关键挑战之一。与传统的湿化学法、固相法和气相沉积法相比，电化学合成法是一种简单、快速、经济、精确可控的制备高效催化材料的方法。包信和院士等人综述了近年来电化学合成单原子、球形和形状纳米粒子、纳米片、纳米线、核壳纳米结构、层状纳米材料、树枝状纳米结构、分层多孔纳米结构以及复合材料等催化材料的研究进展纳米结构。讨论了电化学合成的基本原理和几种主要的电化学合成方法。电化学合成的催化剂及其独特的电催化性能之间的结构-性能相关性通过选择的例子加以说明。提供了利用电化学方法合成高效催化剂的基本指南，并提出了该领域的一些研究挑战和未来的机遇。

图9 能源催化材料的电化学合成示意图

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本文由ｊｕｎａｓ供稿。