孫學良、樓雄文、包信和能源類課題組簡介

一、孫學良清潔能源課題組

人物介紹：

孫學良教授，加拿大皇家科學院院士，加拿大工程院院士，加拿大納米能源材料首席科學家，加拿大西安大略大學終身教授。1999年獲得英國曼徹斯特大學材料化學博士學位。1999-2001年，在加拿大不列顛哥倫比亞大學從事博士后工作，2001-2004年，在加拿大魁北克大學國家科學研究院任助理研究員，2004年以助理教授身份加入西安大略大學，2008年升為副教授，2012年升為正教授。現任Electrochemical Energy Review（EER）的主編，連續4年（2018—2021年）入選科睿唯安全球“高被引科學家”。

研究內容：

孫院士的主要研究方向是清潔能源領域及能源材料在能源儲存和轉化，涉及了基礎科學、應用納米技術、新興工程學等領域，以開發和應用基于納米材料的新型能源系統和器件為研究核心。目前具體從事開發不同方法來合成低維納米材料，如碳納米管，石墨烯，半導體和金屬納米線，納米顆粒，薄膜和它們的復合材料，它們可作為能量轉換和存儲的電化學電極，包括燃料電池，鋰離子電池和鋰空氣電池。。同時，孫教授積極與工業界進行合作研究，目前的合作者包括加拿大巴拉德電源系統公司、美國通用汽車公司、加拿大莊信萬豐電池公司和中國動力電池創新中心。與公司和政府實驗室（如巴拉德動力系統、通用、加拿大Phostech公司以及加拿大國防部）也開展了相關合作研究。已在相關領域頂級期刊發表高水平論文500余篇，其論文總引用次數4萬次，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。

近期研究進展：

Nano Energy：COFs基電解質加速準固態有機電池中Na⁺擴散，抑制枝晶生長(COFs-based electrolyte accelerates the Na⁺ diffusion and restrains dendrite growth in quasi-solid-state organic batteries, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106756)

固態鈉離子電池在未來的儲能領域有著廣闊的發展前景，因此探索一種高效的鈉離子導體是迫切需要解決的問題。共價有機框架(COFs)具有精確定向和明確定義的離子通道，是固體鈉離子導體的理想平臺。在本工作中，孫學良教授等人研究了羧酸鈉功能化聚芳醚鏈COF(NaOOC-COF)作為一種先進的鈉離子準固態導體薄膜的第一個例子。利用明確的離子通道，功能化NaOOC-COF在室溫下的Na⁺電導率為2.68 × 10^?4 S cm^?1，活化能(Ea)為0.24 eV，轉移數為0.9。其中，NaOOC-COF在組裝好的準固態電池中表現出長時間循環性能，并通過界面調控抑制枝晶生長。此外，還深入研究了Na⁺在全電池體系中的擴散機理。在此基礎上，首次取得了如此優異的鈉離子輸運結果。這一新策略可以開拓鈉離子準固態電解器件的新領域，同時也可以加速功能化COFs的發展。

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

EnSM：實現活性Li₂S的可逆沉淀分解用于寬溫度范圍的高容量鋰硫電池(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)

電催化促進多硫化物的轉化是抑制鋰-硫（Li-S）電池穿梭效應的一種很有前途的策略。然而，隨著循環過程中Li2S鈍化層的不斷形成，電催化劑中的活性中心逐漸鈍化，這無疑給實現硫物種的穩定轉化帶來了挑戰。為此，孫學良等人提出了一種反應性Li₂S與雙向Fe₃C電催化劑協同的策略，實現硫的快速連續轉化，從而大幅提高Li-S電池的性能。在還原過程中，Fe₃C表面析出了具有獨特三維多孔結構的活性Li₂S，不僅縮短了離子/電子擴散路徑，而且暴露并保留了Fe₃C中更多的活性位點。而在接下來的氧化過程中，Fe₃C還促進了活性Li₂S的分解，刷新了電催化劑表面。因此，Fe₃C在整個電化學過程中保持了良好的高催化活性，綜合實驗和理論計算結果驗證了這一點。最終，Fe₃C可以使高面積容量Li- S電池(> 6.0 mAh cm^?2)在寬溫度范圍(-10 ~ 40℃)下穩定運行。雙向電催化劑偶聯反應性Li₂S的策略為開發高能寬溫Li-S電池提供了新的途徑。

圖2 Fe₃C@FC/S-CF負極電化學特征

Sci. China Chem.：Ru在N摻雜石墨烯上的合理設計促進水解離析氫(Rational design of Ru species on N-doped graphene promoting water dissociation for boosting hydrogen evolution reaction,DOI: 10.1007/s11426-021-1163-7)

孫學良等人通過調節Ru前驅體與咪唑酸分子篩骨架-8 (ZIF-8)的結合方式，可以合理調控Ru在氮摻雜石墨烯(NG)上的形態分布。通過陽離子交換和主客體策略，釕前驅體與ZIF-8錨定在石墨烯上形成了兩種不同的結合模式。通過對上述前驅體的熱解，可以選擇性地在NG(分別表示為Ru SASs+NPs/NG和Ru SASs/NG)上形成Ru單原子位點(SASs)。Ru SASs+NPs/NG在堿性溶液(η₁₀=12 mV, 12.57 A mg^?1_Ru在100 mV下)中表現出優異的析氫反應(HER)性能，明顯優于Ru SASs/NG。實驗和理論研究表明，Ru SASs能以最佳吸附強度吸附氫，而Ru NPs能降低水分子解離的障礙，因此Ru SASs和Ru NPs能協同促進堿性溶液中HER的催化性能。

圖3 Ru SASs+NPs/NG和Ru SASs/NG合成方案

二、樓雄文課題組

人物介紹：

樓雄文，新加坡南洋理工大學化學與生物工程系教授，先后于2002和2004年在新加坡國立大學獲得學士學位和碩士學位，2008年在美國康奈爾大學獲得化學與生物分子工程專業博士學位研究方向。畢業后，加入南洋理工大學，2017年當選為英國皇家化學會會士。他兼任國際著名雜志Science Advances副編輯、Journal of Materials Chemistry A副主編、Small Methods編委。在培養人才方面也成績卓然，很多博士已經在浙江大學、武漢大學、華中科技大學、南京大學、中科院等知名大學或研究機構任教。目前為止，課題組產生了16位青年千人，3位優青。連續4年（2018—2021年）入選科睿唯安全球“高被引科學家”。

研究方向：

主要研究興趣為設計合成納米結構材料（如 MOFs、微納中空材料等）及其在能源方向的應用，深度探討了新型納米結構材料在能源貯存和結構中的應用。具體可分為電催化、光催化、電池及電容器等能源轉化及存儲領域。已在相關領域頂級期刊發表高水平論文300余篇，其論文總引用次數9萬次，H因子186。

近期研究進展：

AM：基于拓撲化學反應構筑Ni(CN)₂/NiSe₂異質結構實現高效電催化析氧(Construction of Ni(CN)2/NiSe2 Heterostructures by Stepwise Topochemical Pathways for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution”, DOI: 10.1002/adma.202104405)

開發基于復雜異質結構的高效電催化劑用于析氧反應(OER)是提高水裂解效率、生產清潔能源氫的一種有前途的策略。然而，由于合成方面的挑戰，構建具有催化活性的結構和組成新穎的異質結構仍未得到很好的發展。樓雄文教授開發出一種包括脫水和陰離子交換在內的逐步拓撲化學策略，將Ni-Ni 霍夫曼型配位聚合物（HCP）納米板轉變為獨特的Ni(CN)₂/NiSe₂異質結構。當用作OER電催化劑時Ni(CN)₂/NiSe₂異質結構的性能得到了提高，這主要是由于兩組分協同作用所賦予的催化中心的幾何結構和電子結構得到了優化。這項工作為創造一種新型的鎳基OER電催化劑提供了一條合理的合成路線，該催化劑具有納米級的異質結構，其組成、空間組織和界面構型可以被精細控制。

圖4 Ni(CN)₂/NiSe₂異質結構的合成示意圖

Adv. Sci.：氮摻雜且富含氧空位的KMn₈O₁₆用作穩定的用于穩定的鋅離子電池(Synthesis of Nitrogen-Doped KMn8O16 with Oxygen Vacancy for Stable Zinc-Ion Batteries, DOI: 10.1002/advs.202106067)

錳基氧化物因具有低成本、低毒性、儲量豐富、高工作電壓等優點而備受關注，但同時面臨著本征電導率低、晶體結構不穩定等問題，最終導致電池容量的快速衰減。為此，樓雄文教授等人提出了一種多功能修飾策略，通過簡單的一步水熱法構建了具有豐富氧空位和大比表面積的N摻雜KMn₈O₁₆ (N-KMO)。N-KMO中N摻雜、氧空位和多孔結構的協同作用能有效抑制錳離子的溶解，促進離子擴散和電子傳導。結果表明，N-KMO陰極的穩定性和反應動力學顯著提高，優于原始MnO₂和只有氧空位的MnO₂。值得注意的是，N-KMO負極在1 A g^?1的電壓下循環2500次后，可逆容量高達262 mAh g^?1，容量保持率高達91%。同時，在0.1 A g^?1時，最高比容量可達298 mAh g^?1。理論計算表明，氧空位和N摻雜可以提高MnO₂的導電性，從而可以解釋MnO₂優異的速率性能。此外，通過各種非原位表征方法證實了N-KMO正極材料的儲能機理主要是H ⁺ 和Zn²⁺ 共嵌入/脫出過程。

圖5 基于N-KMO、O_v-MnO_2-x和MnO₂陰極的AZIBs的電化學性能

AEnM：原位監測和解析析氧電催化中的結構演化(Operando Monitoring and Deciphering the Structural Evolution in Oxygen Evolution Electrocatalysis”,DOI: 10.1002/aenm.202103383)

析氧反應(OER)是水電解、二氧化碳電解、金屬-空氣電池等關鍵能量轉換和存儲技術的瓶頸。通過開發高效的電催化劑，可以克服OER反應動力學緩慢的問題，在反應過程中，電催化劑經歷了一個動態的結構演化過程。然而，對OER過程中電催化劑結構轉變的反應機理和真正活性位點的構效關系的理解仍是一個謎。幸運的是，?動態現場原位表征為研究OER電催化劑的結構演化過程和反應機理提供了平臺。樓雄文教授等人主要介紹了電催化劑結構演化過程的跟蹤、電催化反應中間體的記錄以及電催化劑結構與活性/穩定性之間的聯系等方面的研究進展。此外，作者還強調了模擬過程的理論考慮，以制定更有效的計算模型。本綜述中對?動態現場原位表征結果的當前進展的總結和所提供的觀點有望為OER電催化劑在電催化過程中的結構演化過程和反應機制，特別是結構-性能關系提供更全面的理解，從而提供為在不久的將來大規模商業化設計和制備更高效的OER電催化劑提供了合理的指導。

圖6 ?動態現場原位表征 OER示意圖

三、納米和界面催化課題組

人物介紹：

包信和院士，在大連化學物理研究所工作，任催化基礎國家重點實驗室研究員，博士生導師，所學術委員會主任，潔凈能源國家實驗室能源基礎和戰略研究部部長，中國科學院研究生院教授；2020年，包信和院士作為第一完成人的項目《納米限域催化》被提名為國家自然科學一等獎；2017年6月起任中國科學技術大學校長。2009年當選為中國科學院院士；2011年當選為發展中國家科學院院士；2016年當選為英國皇家化學會榮譽會士。

研究方向：

包信和院士長期從事從事能源高效轉化相關的表面科學和催化化學基礎研究，以及新型催化劑研制和開發工作，首次提出納米限域催化新概念，是國際催化領域的領軍人物之一。包信和院士課題組在催化相關的表面科學和催化化學基礎研究，新型催化材料的開發以及能源清潔高效轉化過程等領域做出了重要貢獻，研究領域主要包括金屬催化劑的表面化學和納米催化理論，多孔材料的合成與表征，甲烷活化、合成氣催化轉化以及小分子選擇氧化等。相關研究成果分別于2014年和2016年入選“中國科學十大進展”。目前在Science、Nature Mater.、JACS、Angew.、 Energy & Env. Sci. 等國際頂級期刊上發表論文700余篇。

近期研究進展：

Angew.：Cu₂P₂O₇重構催化劑用于CO₂電還原多碳產物?(A Reconstructed Cu₂P₂O₇ Catalyst for Selective CO₂ Electroreduction to Multicarbon Products,DOI: 10.1002/anie.202114238)

電化學CO₂還原反應(CO₂RR)在將CO₂轉化為多碳(C₂₊)燃料和化學品方面顯示出巨大的潛力。包信和院士等人通過固相反應合成方法，將A₂M₂O₇結構引入Cu基催化劑中，開發了重構的Cu₂P₂O₇催化劑用于CO₂RR，該催化劑是一種高效的CO₂RR催化劑。在CO₂RR條件下，Cu₂P₂O₇催化劑被電化學還原成金屬Cu，并發生了由顆粒聚集到高孔結構的顯著結構演化。在350 mA cm^-2的電流密度下，重構的Cu₂P₂O₇催化劑對C₂₊產物的法拉第效率達到73.6%，乙烯法拉第效率達到39.8%。C₂₊產物的法拉第效率和部分電流密度均顯著高于CuO催化劑。重構Cu₂P₂O₇催化劑具有較高的電化學活性表面積、豐富的缺陷和低配位位點。原位拉曼光譜和密度泛函理論計算表明，CO在具有缺陷和低配位的Cu上的橋狀和頂部構型的吸附得到了很大的改善，降低了C₂₊產物C-C耦合反應的能壘。

圖7 CO₂RR過程中不同電流密度下的原位拉曼光譜

J.Phys. Chem. C：銅(111)表面上氧化鐵納米結構的動態結構變化(Dynamic Structural Changes of Iron Oxide Nanostructures On Cu(111), DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c08309)

解負載型氧化鐵納米結構(NSs)及其與金屬界面的結構動力學，對于合理設計氧化鐵基催化劑用于許多主要的催化反應至關重要。在本研究中，包信和院士等人在Cu(111)上構建了FeO納米顆粒，利用掃描隧道顯微鏡(STM)和x射線光電子能譜(XPS)研究其表面結構和氧化還原過程中的動態變化。在Cu(111)表面上發現了多層FeO_x、位錯和缺陷線。FeO NSs的存在促進了FeO/Cu(111)表面在O₂中的氧化，導致FeO周圍Cu₂O_1+x條帶相的形成。同時，FeO NSs的氧化也導致FeO x團簇的形成，主要是Fe³⁺。在退火后轉化為三維FeO_x納米粒子(NPs)在800 K的特高壓下，XPS顯示Fe³⁺沒有明顯的還原。總的來說，在Cu(111)氧化還原過程中，FeO NSs在原子水平上觀察到了不可逆的結構動力學，這進一步加深了對FeO - Cu界面的理解。

圖8 Cu(111)表面生長FeO NSs的形態和結構

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

電催化是一種處理化學能和電能相互轉換的電化學反應的過程。催化活性納米結構的精確合成是阻礙許多重要的能源相關電催化反應實際應用的關鍵挑戰之一。與傳統的濕化學法、固相法和氣相沉積法相比，電化學合成法是一種簡單、快速、經濟、精確可控的制備高效催化材料的方法。包信和院士等人綜述了近年來電化學合成單原子、球形和形狀納米粒子、納米片、納米線、核殼納米結構、層狀納米材料、樹枝狀納米結構、分層多孔納米結構以及復合材料等催化材料的研究進展納米結構。討論了電化學合成的基本原理和幾種主要的電化學合成方法。電化學合成的催化劑及其獨特的電催化性能之間的結構-性能相關性通過選擇的例子加以說明。提供了利用電化學方法合成高效催化劑的基本指南，并提出了該領域的一些研究挑戰和未來的機遇。

圖9 能源催化材料的電化學合成示意圖

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本文由ｊｕｎａｓ供稿。