28歲便成為年輕博導：北理工王博、浙大陸盈盈、北航宮勇吉2019工作紀實

王博

人物介紹：北京理工大學教授、博士生導師，北京理工大學前沿交叉科學研究院常務副院長，北京理工大學黨委常委、副校長。28歲時入選“北京理工大學杰出中青年教師發展支持計劃”，成為學校最年輕的教授、博導。

研究領域：

作為第一作者或主要完成人在國際頂級學術期刊Nature、Science等學術期刊上發表60余篇論文，論文SCI他引超過8000次；獲美國授權專利6項，獲中國授權發明專利3項。

工作介紹：

長期從事MOF材料研究，研發的MOF材料能過濾PM2.5、分解臭氧，已被應用于空氣凈化器等。主持開發的霧霾濾清、危化物降解技術對大氣污染治理具有很高的價值和社會效益，為首都環保事業做出了貢獻；

國際范圍內首次提出并發展了納米穿插編織(Interweaving)和合成后聚合(PSP)等金屬有機骨架(MOF)薄膜材料的新穎的設計合成方法學，實現了MOF材料的功能化與器件化，賦予MOF薄膜在爆炸物檢測和綠色儲能等領域的新功能和新應用；

參與MOF材料的工業化量產研究，實現了MOF噸級中試，參與MOF車用高能量密度氫氣、甲烷分離制備與儲存技術等工業化應用研究。

2019年發文情況：

基于Web of Science數據，2019年SCI發文50篇，其中包括EES.、Nature Commun.、JACS、Angew.等。

部分工作賞析

超高MOF擔載量膜吸附器用于高效分離｜Nature Commun.

具有高孔隙率和可設計功能的金屬有機骨架(MOFs)具有高滲透率和高選擇性的優點。然而，制造具有良好柔性和超高MOF負載的混合基質膜(MMMs)的可擴展制造方法是迫切需要的，但在很大程度上還沒有得到滿足。在此，北京理工大學的王博、馮霄研究團隊報道了一種熱誘導相分離-熱壓(TIPS-HoP)策略，以生產10種不同的輥對輥高擔載量、柔性MOF膜(負載重量可達86% wt%)。MOF分散到熔融態的超高分子量的聚乙烯顆粒中，交織在一起，提高了其機械強度。研究表明水通量為125.7 L m^-2?h^-1?bar^-1的有機染料在橫流過濾模式下的殘留為99%，NH₂-UiO-66 PE MMMs 中MOF顆粒間的微米級通道轉化為快速水滲透，而多孔MOFs通過快速吸附排斥溶質。這一策略為開發用于關鍵分離過程的高性能膜吸附器鋪平了道路。作為概念的證明，膜吸附劑分離外消旋體和蛋白質的能力已經得到證明。相關研究以“Membrane adsorbers with ultrahigh metal-organic framework loading for high flux separations”為題目，發表在Nature Commun.上。

文獻鏈接：DOI:?10.1038/s41467-019-12114-8

圖1?TIPS-HoP編寫的MOF PE MMM示意圖

光催化殺菌活性MOF用于整體空氣凈化｜Nature Commun.?

北京理工大學王博教授團隊在空氣綜合凈化方面取得新的研究進展。該研究團隊結合前期的研究工作制備了一系列具有光催化活性的MOFs，篩選了具有超高光催化殺菌活性的ZIF-8，實現對水體中大腸桿菌的高效殺滅，殺菌率大于99.9999%。然后利用熱壓法設計合成了新型的高效綜合空氣過濾器(MOFilter)，PM微粒捕獲效率能達到98%以上，同時還可以殺滅空氣中99.99%的細菌。機理研究發現，ZIF-8在太陽光催化作用下光生電子產生于LMCT（配體與金屬電荷轉移），并且可以有效的活化O₂形成?O^2–和H₂O₂，其可以使空氣中的致病細菌氧化致死。相關研究以“Metal-organic frameworks with photocatalytic bactericidal activity for integrated air cleaning”為題目,發表在Nature Commun.上。?

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41467-019-10218-9.

圖2基于金屬有機骨架(MOF)的濾波器原理圖

3D石墨烯網絡(MnO@NC-G) 實現高效Li–CO₂正極設計｜EES

Li-CO₂電池是近年來發展起來的一種有效的儲能介質，但仍存在能效低、速率能力差、循環壽命短等問題，需要設計更高效的CO₂陰極。在此，王博教授研究團隊聯合北京市光電/電光轉換材料重點實驗室制備了超細MnO納米顆粒嵌入氮摻雜碳骨架的3D石墨烯網絡(MnO@NC-G)。該材料滿足了高效CO₂正極設計應該考慮的三個方面：（1）分散的催化位點；（2）快速的電子傳輸；（3）穩固的互聯網絡。將該材料用作Li–CO₂電池的正極，可以在電池中實現低電壓滯后(50 mA g-1時為0.88 V)，高倍率性能(高達1 A g^-1)和長循環壽命(超過200圈循環)。在電壓區間為2.0–4.5 V，電流密度為50 mA g^-1時，電池的最大放電容量可達25021 mA h g^-1。另外，可循環的MnO@NC-G陰極只需更換陽極就可以補充其性能，這表明有效的陽極保護可以進一步延長電池的壽命。其為提高鋰-二氧化碳電池的性能提供了有用的指導，從而為開發基于氣體陰極的鋰電池系統提供了思路。相關研究以“Monodispersed MnO nanoparticles in graphene-an interconnected N-doped 3D carbon framework as a highly efficient gas cathode in Li–CO₂?batteries”為題目，發表在EES上。

文獻鏈接：DOI: 10.1039/c8ee03283a

圖3用于Li-CO₂電池的不同Mn（II）催化劑的結構特征示意圖及材料性質和電池性能的對比

聚乙二醇加速COF內離子轉運途徑｜JACS

為了解決全固態電解質中殘留的微量電解液可能會在實際應用過程中帶來一定的安全隱患，該團隊將低分子量聚乙二醇（PEG）裝載入COF孔道中加速鋰離子傳導，制備出沒有溶劑殘留的全固態電解質，并系統性研究了COF骨架電荷對于鋰離子傳導行為的影響，實現大于0.6的鋰離子遷移數以及120°C下1.8 mS cm^?1的離子傳導速率。這一簡單的通過擔載PEG加速離子傳導并提高工作溫度范圍的策略為將多孔材料進一步應用于全固態電池領域提供了可能。相關研究以“Fast Ion Transport Pathway Provided by Polyethylene Glycol Confined in Covalent Organic Frameworks”為題目，發表在JACS上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/jacs.8b13551

圖4?COFs中Li⁺運輸的示意圖及結構表征

水穩性MOF具有光催化抑菌活性，用于自主室內濕度控制｜Angew.

金屬有機骨架具有長期穩定性和可逆的高吸水性能，是集水和室內濕度控制的理想選擇。在此，北京理工大學王博、林政國教授等人報導了一種新型介孔且高度穩定的MOF(BIT-66)，具有室內濕度控制能力和光催化抑菌效果。BIT-66: (V₃(O)₃(H₂O)(BTB)₂),在相對濕度為45% ~ 60%的范圍內，水分可調性顯著，吸水率和工作能力分別為71%和55% wt%，分別在水的吸附-解吸循環中表現出良好的可回收性和優異的性能。重要的是，BIT-66在可見光下表現出獨特的光催化抑菌行為，可有效改善吸水性材料中的細菌、霉菌滋生問題。相關研究以“A Hydrolytically Stable V(IV)-Metal-Organic Framework with Photocatalytic Bacteriostatic Activity for Autonomous Indoor Humidity Control”為題目，發表在Angew.上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/anie.201914762

圖5?BIT-66 N₂等溫線吸附曲線及水蒸氣等溫線吸附曲線

陸盈盈

人物介紹：

2010年6月畢業于浙江大學化學工程與生物工程學院，獲得學士學位；2014年6月獲得美國康奈爾大學（Cornell ? University）博士學位；博士畢業后在康奈爾大學和斯坦福大學（Stanford ? University）從事能源材料領域博士后研究工作。2015年回浙江大學工作，成為浙大27歲年輕博導。

研究領域：

2015年10月全職回浙江大學工作，主要研究方向為鋰離子電池，承擔了國家自然科學面上項目、國家科技部重點研發計劃課題等，發表高水平研究論文三十余篇。

工作介紹:?

針對目前鋰離子電池在能量密度方面的局限性，提出研究金屬鋰電池等新型電池，對金屬鋰負極的安全性提高進行了深入研究；

通過改善電極-電解質界面、開發高機械強度電解質等方法增加電池壽命；

通過合成多功能離子液體，并與無機納米顆粒接枝形成無機有機納米結構雜化物，可有效改善離子液體作為電解質材料的鋰離子遷移率及機械強度等性能。

2019年發文情況：

基于Web of Science數據，2019年SCI發文17篇，其中包括AEM、AFM、CM等。

部分工作賞析

優異的親Na/Li特性的多級Co₃O₄納米纖維-碳片骨架用于高度穩定的堿金屬電池｜AFM

堿金屬陽極不可控的枝晶行為和膨脹導致高能電池存在嚴重的安全隱患和使用壽命短。構建一個穩定的、具有優越的親Na/Li性質的宿主是實現商業化的前提。在這里，浙江大學陸盈盈教授團隊報道了具有優異親Na/Li的多級Co₃O₄納米纖維-碳片（CS）骨架，作為堿金屬電極的穩定基體。采用商用導電碳布作為一級結構，采用簡單的水熱法制備垂直生長的二級Co₃O₄納米纖維，之后再將熔融堿金屬注入骨架中形成金屬/Co-CS復合負極。與傳統的銅網和鎳泡沫等3D金屬集流體相比，所制備的Li/Na-Co碳片復合負極，提供足夠的鋰成核位點和充足的電解質/電極接觸來快速電荷轉移。基于上述新穎的設計和優點，Li/Co-CS對稱電池可以在20mA cm^-2的超高電流密度下循環超過120圈。與LiFePO₄正極配對時，Li/Co-CS電池在2C下200次循環后顯示出88.4%的容量保持率。使用NaClO₄基電解質的Na/Co-CS對稱電池中也觀察到明顯的改善。相關研究以題為“Hierarchical Co₃O₄ Nanofiber–Carbon Sheet Skeleton with Superior Na/Li-Philic Property Enabling Highly Stable Alkali Metal Batteries”為題目，發表在AFM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201808847

圖1?堿金屬/Co-CS復合負極的制備與表征

通過調節界面有機相LUMO能級提升鋰金屬負極的穩定性｜ACS Energy?Letters

界面穩定性被認為是高能鋰金屬電池(LMBs)的一個重點，這是由于鋰金屬極低的電化學電位和其固有的高反應活性。鋰金屬極高的反應活性會導致電解液等在負極界面處自發的副反應，從而構成原生的SEI層。原生的SEI層含有有機組分（比如R₁OCOOR₂, ROLi）和無機組分（比如Li₂CO₃, Li₃N)，他們相對于鋰金屬而言熱力學不穩定，從而會加劇界面不穩定性并進一步引發鋰枝晶的生長。浙江大學陸盈盈課題組聯合洪鑫課題組報道了一個高度穩定的有機間相(HSOI)與良好的調諧，提高SEI組分的抗還原能力，增強LMBs的長期循環能力。在SEI的分子結構中使用?CF₃，由于?CF₃官能團具有很強的吸電子性，因此可以顯著地調節軌道能量和HOMO - LUMO間隙。在高化學穩定有機相（HSOI）的保護下，Li/Li對稱電池可以持續循環1300h，壽命提高了5倍,?Li/S電池可以在3.345 ?mA/cm²高電流密度下穩定循環300圈。相關研究以“Tuning the LUMO Energy of an Organic ?Interphase to Stabilize Lithium Metal Batteries “為題目，發表在ACS Energy?Letters上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02483

圖2?高化學穩定有機相（HSOI）保護下的鋰金屬負極

通過三維納米金剛石穩定鋰金屬沉積｜Small Methods

高能金屬鋰電池的實際使用仍然面臨很大的挑戰，主要是鋰沉積不均勻，陽極側體積波動較大，增加了電池短路的潛在風險。在此浙江大學陸盈盈教授利用簡單的熱灌注策略，制備了一種納米金剛石鋰復合陽極(ND-Li)，它可以機械地在釹基體中注入活性鋰金屬，并在電化學循環過程中最大限度地減小電極體積的變化。具有超高模量的幾何限制性釹基體可以使不均勻的鋰沉積發生機械變形，使沉積與釹基體相結合。Li/Li對稱電池在10mA/cm²下過電位僅為60mV，Li/S電池在1C下循環500圈容量保持為607.3mAh/g。相關研究以“Stable Li-metal Deposition via a 3D Nanodiamond Matrix with Ultrahigh Young’s Modulus”為題目，發表在Small Methods上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/smtd.201900325

圖3?ND-Li復合負極制備方法和形貌表征

宮勇吉

人物介紹：

北京航空航天大學材料科學與工程學院教授，28歲成為北航年輕的博士生導師。?2011年畢業于北京大學化學與分子工程學院，獲得本科學士學位。2011.08-2015.12在美國萊斯大學獲得博士學位，師從Ajayan教授，主要研究方向為新型二維材料及其異質結構；2016.03-2017.05在美國斯坦福大學從事博士后研究，師從Yi Cui教授，主要研究方向為二維材料的性質調控以及新能源材料等。

研究領域：

最近5年，在材料學相關領域發表頂級期刊20篇，包括nature materials, nature communications，Advanced materials，Nano letters等。外以共同作者的身份發表論文共60篇左右，包括Nature，Nature nanotechnology等。

工作介紹:

探索合成大規模二維材料及可得到二維半導體單晶的方法，系統分析二維材料的微觀結構與宏觀性質直接的構效關系;

通過對缺陷調控及雜原子摻雜的方法提高二維材料的性能，獲得高性能的石墨烯基的場效應晶體管，成功的得到穩定的T相硫化鉬的合金，并實現了穩定高效的電解水的催化劑；

發展了合成二維半導體異質結的方法，實現了原子級別銳利的異質結的界面；首次將插層技術應用到鋰硫電池的研究中，通過插層技術將金屬原子插入到二維層狀MOs的范德瓦爾斯層間，不僅有效的提高了鋰硫電池的倍率性能，還有效的抑制了“穿梭”效應的發生。

2019年發文情況:

基于Web of Science數據，2019年SCI發文17篇其中包括AEM、AFM、ACS Energy?Letters等。

部分工作賞析

插層技術應用到鋰硫電池｜AEM

利用雜原子摻雜策略來改善二維材料的導電性能和極性，以提高其作為鋰硫電池中硫陰極的性能。然而，由于摻雜原子的不均勻性和數量少，進一步的改進受到了限制。北航宮勇吉教授團隊提出了通過插層技術將金屬原子插入到二維層狀MOs的范德瓦爾斯層間，不僅有效的提高了鋰硫電池的倍率性能，還有效的抑制了“穿梭”效應的發生。第一次原理計算表明，Sn插層后，MoO₃與鋰多硫化物、鋰硫化物和硫的結合能明顯提高。Sn_0.063MoO₃-S陰極在0.1 C時的初始特殊容量為1390.3 mAh g^?1，庫侖效率高達99.7%，而且，Sn_0.063MoO₃-S電極在1C充放電條件下循環500次，容量保持率高達79.6%，進一步驗證了其優異的循環性能。這種插層方法為二維材料的工程設計提供了一種新的策略。相關研究以“Tin Intercalated Ultrathin MoO₃?Nanoribbons for Advanced Lithium–Sulfur Batteries”為題目，發表在AEM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/aenm.201803137

圖1?MoO₃和Sn_0.063MoO₃的表征

基于大面積原子層SnS₂場效應晶體管電學性能研究｜Small

二維金屬雙鹵族化合物層因其獨特的電子性質和原子薄的幾何形狀而受到高性能電子器件的廣泛關注。帶隙約為2.6 eV的二維SnS₂納米片作為現代電催化、電子或光電子氈的潛在候選材料，一直受到廣泛關注。然而，大尺寸、高質量的SnS₂原子層的可控生長仍然是一個挑戰。在此，北京航天航空大學宮勇吉教授聯合華東師范大學胡志高教授等人報道了一種簡易的熔融鹽輔助CVD法，成功地合成了大尺寸和高質量原子層的SnS₂。SnS₂的橫向尺寸可以長達410 μm，并且展現出良好的均勻性。通過原子分辨率掃描透射電子顯微鏡（STEM）觀察到SnS₂在不同層間具有高質量2H堆積晶格。此外，基于超薄SnS₂納米片的場效應晶體管（FET）展現出高開/關比（~108）和高載流子遷移率（2.58 cm²V^-1s^-1），表明SnS₂在低功耗FET中的潛在適用性。此外，二維SnS₂的這種良好性能及其可控方法將使我們能夠在儲能應用中釋放其電催化能力，例如析氫反應（HER）、析氧反應（OER）和氧還原反應（ORR）。相關研究以“Large-Scale Growth and Field-Effect Transistors Electrical Engineering of Atomic-Layer SnS2”為題目，發表在Small上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/smll.201904116

圖2?超薄SnS₂納米片的制備及表征

通過單原子摻雜輔助均勻鋰沉積的高性能金屬鋰陽極｜AEM

長期以來，鋰金屬一直被認為是最有前途的下一代充電電池陽極材料之一。盡管經過幾十年的集中研究，其實際應用仍然受到鋰金屬陽極的枝晶鋰沉積和晶體體積變化的阻礙。在此，北京航空航天大學宮勇吉教授、張千帆副教授與燕山大學聶安民教授合成了原子級分散的金屬摻雜石墨烯用來調控鋰金屬的成核過程并誘導鋰金屬沉積。摻氮石墨烯負載的單原子（SA）金屬不僅能以中等的吸附能梯度增加金屬原子位點周圍局部區域的Li吸附能，而且能通過構建M-NX-C的配位模式提高整體材料的原子結構穩定性。由此制備的電極能夠實現低至19 mV的電壓遲滯，循環250周后高達98.45%的庫倫效率以及4.0mA/cm²電流密度下穩定的沉積-剝離過程。相關研究以“Uniform Lithium Deposition Assisted by Single-Atom Doping toward High-Performance Lithium Metal Anodes”為題目，發表在AEM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/aenm.201804019

圖3?鋰離子的成核和電鍍過程及相應的能量分布圖

改變聚噻吩衍生物襯底來控制納米金電沉積形貌｜Chem. Commun.

提出了一種通過改變聚噻吩衍生物襯底來控制AuNPs形貌的新策略，采用電化學合成法在ITO電極上合成了四種鉑基板，在鉑基板表面進行了AuNP電沉積，并通過第原理計算系統地研究了鉑基板與金離子之間的熱力學性質。并從理論上進一步探討了AuNPs在PTs上的成核機理。結果表明，側鏈較長的PTs可以誘導不同形貌、不同粒徑的AuNPs電沉積。同時，PTs的活性吸附位點有利于形成金離子的早期沉積位點，形成成核表面，使納米顆粒形貌分布均勻，粒徑較小。相關研究以“Altering polythiophene derivative substrates to control the electrodeposition morphology of Au particles toward ultrafine nanoparticles”為題目，發表在Chem. Commun.上。

文獻鏈接：Chem. Commun., 2019, 55, 12088—12091.

圖4?金離子吸附后的PTs結構圖

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本文由Junas供稿。

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