匯總：近年南開陳軍教授的科研成果

人物簡介;

陳軍，無機化學家，1967年9月生于安徽省宿松縣，1988年12月加入中國共產黨， 1985-1992年在南開大學化學系學習，先后獲學士、碩士學位，并于1992年留校工作；1996-1999年在澳大利亞Wollongong大學材料系學習，獲博士學位；1999-2002年在日本工業技術院大阪工業技術研究所任日本新能源?產業技術綜合開發機構(NEDO)研究員。自2002年任南開大學教授、博士生導師，2017年當選中國科學院院士，現任南開大學化學學院院長、先進能源材料化學教育部重點實驗室主任。

2003年獲國家杰出青年基金資助，2005年受聘教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，2010年受聘科技部973納米首席，2011年獲國家自然科學二等獎，2013年入選中組部萬人計劃科技創新領軍人才、獲中國電化學貢獻獎，2014年被選為英國皇家化學會會士（FRSC），2016年入選天津市首批杰出人才。目前擔任《Inorganic Chemistry Frontiers》、《Science China Materials》、《應用化學》副主編，《Solid State Sciences》、《Nano Research》、《ACS Eenergy Letters 》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《 Journal of Energy Chemistry 》、《化學學報》等雜志編委。

主要從事無機固體化學的研究。在無機固體功能材料的合成化學、固體電極制備以及新型電池電極材料開發研究方面做出了重要創新性貢獻。提出了“室溫-氧化還原-轉晶”新合成方法，室溫合成出穩定的導電納米尖晶石CoMn2O4，替代了貴金屬鉑電極，應用于可充電金屬鋰、鋅空氣電池。提出電極微納化可改善多電子電極反應活性和結構穩定性的設想，經大量實驗制備了可充鋰、鈉、鎂電池的微納多級結構電極，提高了電池的安全性，為降低電池電極材料成本及解決電池燃燒爆炸提供了新思路。曾獲國家自然科學獎二等獎。

為方便大家快速預覽近年來陳軍院士和他的研究團隊的科研成果，小編匯總了在材料人上宣傳過的成果：

Science Advances：可持續醌電極的高容量水系鋅二次電池

陳軍院士團隊在Science Advances上發表題為“High-capacity aqueous zinc batteries using sustainable quinone electrodes”的研究論文，首次系統研究了醌類電極在水系鋅電池中的應用。其中，研究人員發現杯[4]醌(C4Q)正極與陽離子選擇性膜結合，在20 mA g^?1電流密度下比容量高達335 mA h g^?1，能量效率達到93%。在500 mA g^?1電流密度下循環1000次，容量保持率達87%。同時，軟包鋅-C4Q電池基于C4Q正極和理論鋅負極的質量計算，能夠提供220 Wh kg^?1的能量密度。研究人員還將實驗研究與理論計算結合，開發了一種靜電勢計算方法來證明羰基是電化學的活性中心。同時，結合原位紅外光譜、拉曼光譜和紫外可見光譜，研究了活性物質在放電和充電過程中的結構演化和溶解行為。闡明了可逆電化學反應的作用機制。文章表明在水電解質中，使用醌類正極和金屬負極的電池是一種有前景的大規模能量儲存選擇。

文獻鏈接：High-capacity aqueous zinc batteries using sustainable quinone electrodes，(Science Adcances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aao1761)

Angew. Chem. Int. Ed.：基于卟啉的對稱氧化還原液流電池用于冷氣候儲能

陳軍院士（通訊作者）課題組的帶領下，構建了基于5,10,15,20-四苯基卟啉（H₂TPP）的非水有機RFB?作為雙極性氧化還原活性材料（陽極：[H₂TPP]^2-/H₂TPP，陰極：H₂TPP/[H₂TPP]²⁺）和具有高離子電導率的Y型沸石-聚偏二氟乙烯（Y-PVDF）離子選擇膜作為隔膜。卟啉作為RFB的活性物質，源于分子環具有良好導電性和可逆氧化/還原穩定性的芳族π共軛大環。而Y-PVDF離子選擇膜的分離器保留了H₂TPP以及氧化還原產物，并且由于微孔排阻效應，允許ClO₄^-而不是TBA⁺運輸。所構建的RFB在20?-40°C的溫度范圍內具有8.72 AhL^-1的高容量和2.83 V的高電壓以及出色的循環穩定性（每次循環容量保持率超過99.98％）。相關成果以題為“Porphyrin-Based Symmetric Redox-Flow Batteries towards Cold-Climate Energy Storage”發表在了Angew. Chem. Int. Ed.上。

文獻鏈接：Porphyrin-Based Symmetric Redox-Flow Batteries towards Cold-Climate Energy Storage（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/ange.201713423）

Nature子刊：高能量密度、高功率密度可充水系鋅錳電池

陳軍教授、程方益研究員（共同通訊作者）等人在Nature Communications上發表最新研究成果 “Rechargeable aqueous zinc-manganese dioxide batteries with high energy and power densities”。在該文中，研究者提出以弱酸性三氟甲烷磺酸鋅/錳鹽為電解質制備高性能可充鋅-二氧化錳電池，該研究發現首次放電時隧道結構的氧化錳晶體發生相變轉化為層狀結構的Zn-Buserite相，后者的層狀結構使得鋅離子能夠可逆插入和脫出。水系電解質中三氟甲烷磺酸錳添加劑抑制了Mn²⁺的溶解而在正極表面上形成了均一多孔無定形MnO_x保護層，提高了β-MnO₂的正極容量及循環穩定性。最終，研究者組裝得到軟包鋅錳電池，其總能量密度高達75.2 Wh kg^-1，遠高于其他常見的水系電池。由于其性能優異、安全、工藝簡易、廉價的優勢，此可充鋅錳電池體系有望應用在大規模儲能方面。

文獻鏈接：Rechargeable aqueous zinc-manganese dioxide batteries with high energy and power densities（Nat.Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00467-x）

Nano Lett. ：具有高容量和快速鈉離子存儲性能的硫化銻-石墨烯化合物

陳軍教授和康奈爾大學Lynden A. Archer（共同通訊）在Nano Lett.上發文，題名“High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture”。文中通過一種簡單的水熱方法在石墨烯泡沫上制備Sb₂S₅納米顆粒，并將其作為高性能的鈉電極材料。該材料展現出優異的性能，高容量性能 (電流密度 0.1 A g^?1時，容量為845 mA h g^?1), 高循環穩定性 (在電流密度0.2 A g^?1下循環300圈，容量保持91.6%), 和良好的倍率性能 (電流密度10.0 A g^?1，容量525 mA h g^?1)。該種新型電極材料為以后制備一種安全，高能量密度電池提供了新的思路。

文獻鏈接：High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture（Nano Lett. 2017. DOI: ?10.1021/acs.nanolett.7b00889）

Angew. Chem. Int. Ed.：無液體電解質柔性Li-CO2 電池

陳軍教授（通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上發表了題為“Flexible Li-CO₂ Batteries with Liquid-Free Electrolyte”的文章，報道了一種無液體電解質的柔性Li-CO₂電池，采用聚甲基丙烯酸酯(PMA)/聚乙二醇(PEG)-LiClO₄-3 wt% SiO₂復合聚合物電解質(CPE)和多層碳納米管(CNTs)結構陰極。該電池結構穩定，界面電阻較小，100次充放電循環后，其比容量依然保持為1000 mAhg^-1。此外，研究人員對尺寸為5*16 cm²的組裝電池進行了電化學性能測試，在不同彎曲程度(0-360^o)下，該電池性能優異，充發電容量可達993.3 mA·h，能量密度高達521 Wh˙kg^-1，工作時間長達220 h。

文獻鏈接：Flexible Li-CO₂ Batteries with Liquid-Free Electrolyte（Angew. Chem. Int. Ed.，2017, DOI:10.1002/anie.201701928）

Angew. Chem. Int. Ed.：用于快速充電電池的碳氧鹽材料

陳軍教授（通訊作者）等人制備了有機碳氧鹽M（CO）_n并研究了其性質，研究者分別使用了不同的金屬離子和不同結構的碳氧鹽相結合，發現四元環鹽在特定的電壓區域較難接受陽離子，而五元環鹽和六元環鹽接受一定數量的陽離子是可行的。此外發現K₂C₆O₆（或K₂C₅O₅）可以作為鉀離子的超快插入/脫嵌通道，DFT計算顯示K₂C₆O₆是一個有接近0.9eV窄帶隙的半導體。鉀離子碳氧鹽材料也比鈉離子、鋰離子碳氧鹽材料具有更高的離子電導率，鉀離子在電極材料中的擴散速率也更快。以K₂C₆O₆為負極、K₄C₆O₆為正極的鉀離子電池能量密度可達35 Wh·kg^-1。

文獻鏈接：Oxocarbon Salts for Fast Rechargeable Batteries（Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI:?10.1002/ anie.201607194）

Angewandte Chemie International Edition：新型陰極材料與多功能粘結劑

陳軍教授課題組最近制備了一種將硫雜環醌（DTT）作為陰極， poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate )（PEDOT:PSS）作為粘結劑的高性能鋰離子電池。由于DTT和PEDOT:PSS之間存在著非共價鍵的相互作用，這將有助于抑制DTT溶解，同時會增加DTT的導電能力，從而使電化學性能得到極大的改善。將DTT作為陰極，PEDOT:PSS作為粘結劑表現出了極好的循環穩定性（首次循環292 mAh g^-1，0.1 C下200循環后為266 mAh g^-1）和高倍率性能（1C下220 mAh g^-1）。

原文鏈接：A Sulfur Heterocyclic Quinone Cathode and a Multifunctional Binder for a High-Performance Rechargeable Lithium-Ion Battery

Adv. Energy Mater.: 硒的磷化物（Se4P4）用于鈉離子電池負極材料

陳軍教授（通訊作者）的研究團隊在Advanced Energy Materials上發表了題為Selenium Phosphide (Se₄P₄) as a New and Promising Anode Material for Sodium-Ion Batteries的文章。硒元素（Se）是鈉離子電池領域的一種有趣的材料，它具有很高的電導率和理論容量。另外，與Sn相比，Se具有更好的循環穩定性。純Se在反應過程中會形成容易溶解的中間產物從而導致容量的快速衰減；而將Se與P元素化合將有效避免中間產物的出現。該研究采用簡單的機械研磨方法制備出了無定形結構的Se₄P₄材料，并證明其能夠應用于鈉離子電池的負極材料。實驗結果表明Se₄P₄在循環過程中與鈉離子反應直接生成Na₂Se，在50 mA g^-1充放電條件下具有1048 mA h g^-1的可逆容量和很高的循環穩定性（在60次循環后的容量為804 mA h g^-1）。另外，500 mA g^-1充放電條件下，其可逆容量為724 mA h g^-1，甚至在3000 mA g^-1條件下仍然保留332 mA h g^-1的容量。與之前報道的磷化物相比，Se₄P₄具有更高的可逆容量，更好的倍率性能和循環穩定性。

原文鏈接：Selenium Phosphide (Se₄P₄) as a New and Promising Anode Material for Sodium-Ion Batteries.（Adv.Energy Mater.,?2016,DOI:10.1002/aenm.201601973）

Adv. Energy Mater：新型添加劑助力有機聚合物太陽能電池有望實現大面積印刷

陳軍武教授（通訊作者）、Zhang Lianjie （通訊作者）及曹鏞院士及上海交通大學劉烽教授（通訊作者）等共同合成了一種添加劑o-chlorobenzaldehyde（CBA，鄰氯苯甲醛）。相對于傳統的添加劑1,8-diiodooctane (DIO，二碘辛烷)，CBA的沸點由332.5℃降低為212℃，在對活性層進行真空干燥時更容易被去除，從而影響其形貌特征。將該添加劑應用在經典的PTB7:PC71BM體系中，當活性層厚度200-300nm時，使用CBA的活性層與使用DIO作為添加劑的的活性層相比，PCE效率分別為9.11%和8%。

文獻鏈接：Using o-Chlorobenzaldehyde as a Fast Removable Solvent?Additive during Spin-Coating PTB7-Based Active Layers:?High Effciency Thick-Film Polymer Solar Cells?（Adv. Energy Mater.，2016，DOI: 10.1002/aenm.201601344）

Adv. Funct. Mater. 類海膽結構CoSe2用作高性能鈉離子電池負極材料

研究發現，通過優化電解質和電壓窗口，過渡金屬硫族化合物可以獲得高倍率性能和長期循環性。其中，CoSe2具有類似于白鐵礦的結構，可廣泛用于析氫，Li-O2電池，水氧化催化劑以及染料敏化太陽能電池和超級電容器的電極。當CoSe2用于鋰離子電池的負極材料時，表現出了良好的循環性能和倍率性能，但是在有關鈉離子電池方面的研究進行的還較少。來自南開大學能源材料化學教育部重點實驗室的陳軍教授研究小組與韓國東國大學Yong-Mook Kang 教授研究小組共同合作對CoSe2作為鈉離子電池負極材料時的性能進行了研究。

文獻鏈接：Urchin-Like CoSe2 as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries

Joule綜述：固態鈉電電解質及其界面工程

陳軍院士團隊在Joule上撰寫了題為“Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries”的綜述文章。文章系統地總結了鈉離子固態電解質的發展和最新進展以及固態鈉電池內部的界面問題。討論了具有高離子電導率和高化學/電化學穩定性的固態電解質設計的基本原理。針對開發高性能固態鈉電池的關鍵問題，著重強調了電解質和電極之間的界面設計。

文獻鏈接：“Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries”(DOI.org/10.1016/j.joule.2018.07.028)

AM綜述：分子工程優化的羰基電極材料在固態/液態可充電電池中的應用

陳軍教授（通訊作者）課題組近日在Advanced ?Materials上發表了題為"Molecular Engineering with Organic Carbonyl Electrode Materials for Advanced Stationary and Redox Flow Rechargeable Batteries"的綜述，總結了運用分子工程的方法，使羰基有效調節固態/液流電池的容量、工作電壓、活性物質濃度、動力學和穩定性等性能，并很好的解決了有機碳電極材料存在的一些問題。這篇綜述中展示了羰基電極材料在新一代二次電池的電極材料中應用的基礎的原理以及一些具有創造性的想法。

文獻鏈接：Molecular Engineering with Organic Carbonyl Electrode Materials for Advanced Stationary and Redox Flow Rechargeable Batteries(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201607007)

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