Prof. Jin

 

Zhong Jin (金 钟)

Professor
Key Laboratory of Mesoscopic Chemistry, MOE
School of Chemistry & Chemical Engineering
Nanjing University, Jiangsu, China

  Office:+86-25-89689028
Email: zhongjin@nju.edu.cn
Office: D401, Chemistry Building
Labs:   B309; B315; B316; B107

News

 

06.14
2019
研究方向:液流电池
       液流电池是大规模储能的最佳选择之一,具有储能规模大、循环寿命长、安全可靠等优势,但其发展受限于低能量密度和高成本。在液流电池氧化还原新体系的探索中,有机物因其电化学性能可调控、来源丰富而备受关注。但是很多有机物存在溶解度低、化学稳定性差,易于发生副反应等问题,这些都制约了其在液流电池中的应用和发展。为了解决上面的问题,金钟课题组设计了一种水系分散的聚合物微粒“泥浆”电池。该聚合物泥浆电池采用可以发生多电子氧化还原反应、易于制备的聚对苯二酚和聚酰亚胺分别作为电池的正极和负极活性材料,将聚合物制成微粒,均匀分散在酸性水溶液中。高浓度的聚合物微粒“泥浆”打破了聚合物在水相溶液中的溶解限制,有效地拓宽了不溶性氧化还原可逆物质在液流电池中的应用。
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04.29
2019
研究方向:镁电池
       镁电池具有理论容量大、安全性高、环境友好、原料成本低等优点,是一种在大规模储能方面很有前途的电化学储能器件。然而,由于带两个正电荷的二价镁离子的半径小,极性大,溶剂化作用强,使其在正极材料中的嵌入/脱出动力学行为较为缓慢,故可用于镁离子存储的正极材料很少。另外,由于金属镁在很多溶剂中会生成钝化膜,且该钝化膜是镁离子的不良导体,因此寻找具有良好可逆沉积镁的能力、宽的电化学窗口、且能够与正负极材料兼容的电解液体系也非常重要。 为了解决上面的问题,在该研究工作中,采用了通过离子液体改善的基于Mg(HMDS)2-4MgCl2/THF电解液,表现出良好的可逆沉积镁性能、更宽的电化学窗口以及提升的热稳定性。同时,通过便捷的一步液相法合成了一种有机胺分子插层使得层间距扩大的二硫化钒纳米花,作为镁电池正极材料时,能够与该电解液很好的兼容,并表现出很好的电化学储镁能力。由于有机胺分子的插入可以有效地拓宽离子通道,为活性镁物种的插入提供更多的活性位点,并且能够有效屏蔽活性镁物种与正极材料晶格阴离子之间的静电作用力,促进离子传输。同时,有机胺分子作为“支撑柱”有益于保持正极材料的结构完整性。因此,该层间距扩大的二硫化钒正极表现出了优异的电化学储镁性能。
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01.10
2019
研究方向:镁电池
       采用金属镁作为负极的可充电镁电池具有资源丰富、理论比能量高、无锂枝晶生长、安全性好、价格低廉等潜在的优点。然而,由于二价Mg2+的极性较大、Mg2+嵌入到正极材料中的动力学缓慢等问题,严重制约了镁电池的实际性能。到目前为止,在镁电池中只有少数的金属/合金型或离子嵌入型负极材料表现出合适的放电容量和循环稳定性。 为了改善镁电池电极材料的综合性能,必需对其原子结构和表界面进行优化设计。电极材料中的晶格缺陷,例如氧空位,对于过渡金属氧化物的物理和化学性质有很大影响。电极材料中的氧空位可以促进电子和离子的传输,有效提高电池的电化学性能。 南京大学金钟教授和马晶教授团队密切合作,提出了一种新的原子取代方法,以超薄TiS2纳米片为前驱体来合成含有丰富氧空位(OVs)的超薄、多孔、黑色TiO2-x(B-TiO2-x)纳米片,用于镁电池负极材料。实验结果和DFT理论计算均证实,B-TiO2-x电极材料中存在的大量OVs能够显著提高材料的导电性和提供大量的镁离子存储位点,并表现出了较快的电化学反应动力学和优异的比容量和循环稳定性。该工作证明利用缺陷工程策略可以有效改善镁电池电极材料的整体电化学性能。
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09.21
2018
研究方向:液流电池
       受自然界中存在的天然有机染料小分子——指甲花醌(2-HNQ)的启发,南京大学金钟课题组及李桂根课题组合作研发了一种低成本的萘醌类衍生物——2-羟基-3-羧基-萘醌(2,3-HCNQ)。 该分子在碱性环境中具有良好的氧化还原可逆性(ΔEp=48 mV)和高溶解度(1.2 M),与常见的亚铁氰化钾分子可组成一种新型的有机液流电池。2,3-HCNQ分子的制备过程简单且成本低廉(图2)。更重要的是,该有机分子在电极上的电化学反应速率比VO2+/VO+,V3+/V2+,Fe3+/Fe2+等常见过渡金属离子氧化还原电对高很多(图3),这使得组装的液流电池在无需任何催化剂的情况下,充放电电流密度为100 mA cm-2时,电池的库伦效率仍然接近100%,能量转换效率近70%(图4)。在目前研究阶段,电池的开路电压为1.02 V,电池的比容量已超过18 Ah L-1,容量保持率达99.95% cycle-1。此外,该电池的最大输出功率为0.255 W cm-2,与商业化的燃料电池相当,并仍有提高的空间。
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06.27
2018
研究方向:镁电池
       金钟和马晶课题组合作设计和制备了具有特殊一维原子链结构的高分枝状VS4作为一种新型的、有较高的可逆容量、优异的倍率性能和循环稳定性的Mg电池的正极材料VS4纳米结构优异的储镁性能可以归功于其独特的一维原子链结构。这些VS4原子链的排列取向一致,每一条原子链之间通过较弱的范德华力结合,使得VS4材料中的线性开放通道有利于Mg2+迁移/扩散,VS4和Mg2+之间的相互作用也较弱,S22-二聚体可以提供大量的活性位点,因此可以储存大量的Mg2+离子。 为了阐明在VS4中的可逆镁化/脱镁化机制,研究人员通过在不同Mg2+离子嵌入状态下的X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和密度泛函理论(DFT)计算, 详细分析了VS4中Mg2+传输/扩散特性和特殊的内部氧化还原行为。通过实验表征发现,Mg2+离子在VS4中的嵌入和脱出过程伴随着V和S原子的价态可逆变化。由于VS4上述独特的电化学性质,基于分枝状VS4纳米结构的电极材料显示了优异的Mg2+性能,在100 mA g-1下具有了251 mAh g-1的可逆容量,同时也具有很好的循环稳定性,在500 mA g-1的较大电流密度下循环800圈后,容量仍保持在74 mAh g-1
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05.16
2018
研究方向:锂硫电池
       随着大量柔性电子设备的不断涌现,开发新型的、具有较好柔韧性的能源存储与转换器件显得尤为迫切。锂硫电池是一种高理论容量、高能量密度的新型能源存储技术。近年来,柔性锂硫电池的研究与发展逐渐引起了科研工作者的广泛关注。但是,柔性锂硫电池也会受到一些关键问题的限制,例如,硫导电性低、多硫化锂中间体的穿梭效应及弯折过程中硫载体材料的结构破坏与导电性严重降低等等。金钟课题组通过电纺丝结合溶剂热过程的方法成功合成了碳纳米管增强的“吸管状”碳包覆CoS同轴微管纳米结构(CNTs/CoS-NSs)。当其用于锂硫电池方面时,表现出优异的电化学性能。作者也通过实验与理论分析发现,碳纳米管与外层碳层的存在能够显著的增强产物的结构完整性和稳定性、提高硫正极材料的电子导电性;管状纤维的强毛细作用可以有效的保持锂硫电池电解液,增加电解液与活性物质的接触面积;CoS的强化学吸附作用及电催化效应能够降低多硫化锂中间体的穿梭效应。
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03.15
2018
研究方向:锂离子电池电极材料
       为了提高锂离子电池(LIBs)的综合迅能,设计和开发高能量密度、长循环寿命、低成本的新型负极材料来替代较低容量的石墨负极是一个重要的研究方向。金属氧化物具有容量高、易制备、对环境友好等优点,是一类有前景的候选电极材料。然而,其在充放电期间的巨大体积变化使得材料易粉碎和聚集,导致电池循环寿命差。此外,金属氧化物通常导电性较差,会影响活性材料的充放电速度和利用率。为了减轻这些问题,一种有效的策略将金属氧化物材料粒径减小到纳米尺度,并与其他导电骨架材料(如碳材料)结合在一起,形成具有无机杂化纳米结构的复合电极材料。金钟课题组设计了一种减半有效的两步方法,合成了MnO颗粒填充的氮掺杂碳纳米胶囊(MnO@NC)材料,该材料呈现出核桃状多核壳结构,不仅提供了良好导电性和较短的离子扩散路径,而且能有效地缓解循环中MnO纳米颗粒的体积膨胀。作为LiBs负极材料时,表现出优异的电化学性能。
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10.19
2017
研究方向:钙钛矿太阳能电池
       钙钛矿太阳能电池是一种非常有前途的新型光伏器件。常见的有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿是ABX3八面体构型,其中A位点是有机阳离子(甲基铵(MA+)或甲脒(FA+)等),B位点通常是Pb2+,X位点通常是卤素阴离子,这使其具有适当的带隙、强的吸光性能、高的载流子寿命和迁移率。然而,常规的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中的杂化钙钛矿和空穴传输材料中的有机成分在外界环境(如水汽、氧气、温度和紫外光照等)影响下的稳定性较差,这使得钙钛矿太阳能电池的应用受到了阻碍。 从问题的源头来考虑,一种能从根本上提高钙钛矿太阳能电池稳定性的解决方案是完全摒弃该器件中不稳定的有机成分。基于此,金钟课题组提出了基于无机钙钛矿和纳米碳电极的“全无机”钙钛矿太阳能电池的新概念(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15829)。在该思路的指导下,通过能带工程对无机钙钛矿材料进行成分、结构和能隙调控,在近期实现了一种混合Pb/Sn离子、混合I/Br离子的无机钙钛矿材料CsPb0.9Sn0.1IBr2的合成。在无需手套箱操作的空气气氛中,通过简便的溶液反应-退火方法制备了新型无机卤化物钙钛矿CsPb0.9Sn0.1IBr2,利用Sn2+和I-离子的双掺杂策略获得了1.79 eV的较合适带隙,并将导带底(CBM)和价带顶(VBM)的位置调节到了更合适的水平。基于CsPb0.9Sn0.1IBr2和纳米碳对电极的全无机钙钛矿太阳能电池,完全摒弃了不稳定的有机成分和贵金属电极,并展现出1.26 V的高开路电压和11.33%的光电转换效率。此外,这种全无机钙钛矿太阳能电池具有较高的长期稳定性、耐热(100°C)和耐湿性。
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09.20
2017
研究方向:锂硫电池
       现阶段,锂硫电池普遍采用的传统醚类电解液的沸点和闪点较低,无法满足电池在高温下的工作需求;同时,高温工作环境也会加速多硫化锂在电解液中的溶解,从而引发严重的“穿梭效应”。针对这些关键问题,该团队设计了一种自模板合成法,将ZIF-67在碳纳米管(CNTs)的交联网络上成核形成纳米立方体,然后将CNTs/ZIF-67前驱体转化为碳纳米管/Co3S4空心纳米盒子(CNTs/Co3S4-NBs)。该结构设计具有以下几个优势:
(1) 提供了一个微区化和整体化的三维导电网络(特别是Co3S4空心纳米盒子内部的活性硫),显著提高活性硫的利用率和倍率性能。
(2)可加速电子传输并且缩短了锂离子扩散路径,从而促进电化学氧化还原过程的动力学行为。
(3)提高了电极/电解液接触面积(尤其是内部纵深位置的活性硫)并且提供了更多的开放通道以便电解液渗透。
       研究结果表明,这种S@CNTs/Co3S4-NBs正极材料具有非常出色的高倍率性能。此外,该电极在醚类电解液中和50°C下,以0.2 C充放电循环300次后,其放电比容量仍可维持在718 mAh/g
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07.14
2017
研究方向:锂硫电池
       锂硫电池由于其高理论比容量(~1672 mAh g-1)和能量密度(~2600 Wh kg-1)而受到广泛关注。另外,在自然界中,硫的储量非常丰富,这也使得锂硫电池在大规模应用方面具有明显的潜在优势。然而,锂硫电池的实际应用也存在一些待解决的问题,比如:单质硫在锂化时的体积膨胀、多硫化锂中间体(Li2Sx)在电解液中的溶解扩散、以及单质硫和硫化锂(Li2S)的低导电性等等。这些问题限制了锂硫电池的性能和应用推广。
       针对以上问题,金钟课题组设计了一种基于极性金属氧化物/氮掺杂微介孔碳球复合物的锂硫正极材料。通过硝酸铈溶液的水解,即可在氮掺杂微介孔碳球(MMNC)的孔隙内部镶嵌尺寸均一的氧化铈(CeO2)纳米晶。一方面,该复合结构中碳球的微孔-介孔组合体系能够有效缓冲单质硫在锂化时的体积膨胀、阻止多硫化锂的穿梭效应并提高了复合正极材料的导电性,另一方面,该复合结构可以充分利用极性金属氧化物对多硫化锂的化学吸附以及电催化作用,达到进一步限制多硫化锂的目的。以上两种作用的协同效应充分保证了锂硫电池的高比容量以及高循环稳定性。
       作者通过调节CeO2/MMNC-S复合电极中的硫担载量,获得了电化学性能最优化的锂硫电池。此外,作者通过将CeO2/MMNC-S与MMNC-S(不含CeO2)电极进行对比,证实了CeO2/MMNC对多硫化锂具有很强的吸附能力以及催化性能,且其循环稳定性和倍率性能都有很大提升。这种电极材料表现出较为优异的倍率性能;以1.0 C的电流密度循环500圈后,比容量仍能维持在836 mAh g-1;以2.0 C的电流密度循环1000圈后,比容量仍能维持在721 mAh g-1,平均每圈的衰减速率仅为0.024%。更为重要的是,在单质硫的面积负载率高达3.4 mg cm-2下,仍然具有稳定的循环性能和高面积容量。
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04.05
2017
研究方向:柔性电子皮肤
       为了设计高灵敏度的柔性电子皮肤,金钟课题组设计了一种基于少壁碳纳米管取向阵列/高分子复合薄膜的通用器件结构,能够监测人体关节的弯曲以及拉伸情况。在柔性高分子基底上平铺一层少数壁碳纳米管取向阵列的透明薄膜,再涂覆一层超薄的弹性高分子以形成表面光滑的碳纳米管复合材料,蒸镀上电极后即完成柔性电子皮肤的制备。测试弯曲电子皮肤的在不同电压下的电学特性,显示其为欧姆特性,而且电流大小与电子皮肤的弯曲角度呈现出高灵敏度、高度可重复的线性响应,即使弯曲上万次仍能保持良好的性能。
       有趣的是,研究人员发现,没有覆盖高分子涂层的碳纳米管取向阵列对弯曲并不敏感;同样,随机分散的碳纳米管薄膜器件,无论有无高分子涂层都对弯曲没有响应。这种灵敏度的差异是由于不同材料之间的界面导电特性的不同所造成的。在少壁碳纳米管取向阵列/高分子复合薄膜中,高分子的引入导致了电子皮肤的弯曲会显著地改变碳纳米管之间的界面电阻,而这种效应在随机分散的碳纳米管/高分子复合薄膜中是无法实现的。研究人员用Van der Pauw方法检测了碳纳米管取向阵列/高分子复合薄膜的各向异性电学特性,以及随机分散碳纳米管/高分子复合薄膜的各向同性电学特性,证明了这种机理的存在。
       研究人员将柔性电子皮肤贴在手指关节部位上,可以用来非常迅速、灵敏地检测手指弯曲和伸直的状态变化。此外,如果采用弹性硅橡胶作为透明柔性基底,还可以制备同样对拉伸敏感的电子皮肤,对拉伸应力具有高灵敏度、检测范围宽、性能稳定等优点。这些功能在可穿戴人机通信接口、人体生理信号检测、仿生机器人部件、便携式运动检测器等方面都有潜在的应用前景。
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12.07
2016
研究方向:锂硫电池
       锂硫电池因为其高理论比容量(~1672 mAh g-1)和能量密度(~2600 Wh kg-1)而受到广泛关注,有望成为替代锂离子电池的新一代二次电池。然而,由于单质硫在锂化时的体积膨胀、多硫化锂中间体(Li2Sx)在电解液中的扩散、以及单质硫和硫化锂(Li2S)的低导电性,锂硫电池通常表现出较快的容量衰减、较低的库伦效率和较差的循环稳定性。这些关键问题严重阻碍了锂硫电池的实用化。 针对这些问题,金钟课题组设计了一种双金属有机骨架衍生的“海胆”状锂硫正极材料。通过将双金属ZnCo-ZIFs前驱体在Ar/H2混合气氛中于800 °C煅烧获得Co纳米粒子镶嵌的“海胆”状氮掺杂碳纳米管-碳多面体超级结构Co-NCNT/NP,该结构能有效缓冲单质硫在锂化时的体积膨胀、阻止多硫化物的穿梭效应并提高了复合正极材料的导电性。 作者通过与S@NCNT/NP(不含Co)以及S@Co-NCNP(不含氮掺杂碳管)两个样品的对比进一步佐证了Co-NCNT/NP有很高的导电性和很强的多硫化锂吸附能力,其循环稳定性和倍率性能都有很大提升。这种电极材料在单质硫的担载量为80 wt%的情况下,以1.0 C的电流密度循环1500圈后,比容量仍能维持在570 mAh g-1,平均每圈的衰减速率仅为0.026%。更为重要的是,在单质硫的面积负载率高达3.2 mg cm-2下,仍然具有稳定的循环性能和较高的面积容量。这项工作设计了一种全新结构的锂硫正极复合材料,为实现发展新一代高容量锂硫电池提供了新的思路。
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11.29
2016
研究方向:钙钛矿太阳能电池
       自从2009年无机-有机杂化钙钛矿材料首次应用于太阳能电池中以来,短短几年的时间内,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从最初的3%增长到了目前的22%。然而,虽然目前钙钛矿太阳能电池的效率已经很高,其器件稳定性却很差,这主要是由于杂化钙钛矿材料在高温或者潮湿的环境中极易分解。此外,钙钛矿太阳能电池的有机空穴传输层中的一些添加剂,例如锂(三氟甲磺酰基)亚胺和叔丁基吡啶,由于易吸湿而加速了器件性能的下降。到目前为止,文献中报道的钙钛矿太阳能电池绝大多数都必须在氮气保护的手套箱中制作和封装,这大大增加了其实际生产应用的难度和成本。另一方面,目前应用于无机-有机杂化钙钛矿太阳能电池的有机空穴传输材料(例如:spiro-MeOTAD或PTAA)和贵金属对电极材料(例如:金)都是非常昂贵的,因此,寻找廉价的空穴传输层材料和对电极材料也是目前面临的一大问题。
       为了寻找解决方案,金钟课题组首次提出了制作完全由无机材料构成的钙钛矿太阳能电池,即摒弃传统无机-有机杂化钙钛矿太阳能电池中所有不稳定的有机成分。由于全无机钙钛矿太阳能电池中的所有组分都具有高稳定性,因此整个制作过程都可以在空气中完成,无需任何密封环境或气氛保护。这种全无机太阳能电池在未封装的情况下,直接暴露在相对湿度为90-95%的环境中工作3个多月而性能没有任何衰减。其次,将全无机钙钛矿太阳能电池在高湿度环境中放置在高温(100 °C)或者低温(-22 °C)下进行性能测试时,同样显示该太阳能电池即使不封装也可以长时间正常工作而没有出现效率衰减。最后,该电池用廉价易得的碳电极取代了昂贵的有机空穴传输层和贵金属对电极,使其制备成本大大降低。该研究在钙钛矿太阳能电池的稳定性方面迈出了关键的一步,为发展下一代能够在严苛环境下工作的高性能钙钛矿太阳能电池提供了新思路。
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10.26
2016
研究方向:柔性器件
       能源与环境危机已经成为人类社会关注的重要问题,因此设计绿色高效的能源采集和存储器件是非常重要的。在过去的十多年里,染料敏化太阳能电池、超级电容器、锂离子电池、燃料电池等能源器件得到了广泛研究,但是传统的能源器件结构已经难以有效满足可穿戴设备微型化、便携化、集成化的发展需求。与传统的平面状能源器件相比,纤维状能源器件质量更轻、柔性更好、集成度更高,同时可以像高分子纤维一样,通过纺织技术进行大规模应用,从而满足可穿戴设备和各种便携式电子设备的应用需求。
       金钟教授课题组以新型二维材料(MoS2)为设计思路,以碳纳米纤维材料为基础,制备出多功能的CF@TiO2@MoS2同轴纳米复合纤维,该纤维在太阳能电池、超级电容器、锂离子电池以及电催化等方面均具有优异的性能。 在纤维状太阳能电池和超级电容器的研究基础上,该团队采用该复合纤维电极构筑了纤维状光电转换与能源存储一体化集成器件。在我们设计的自供电纤维状能源器件中,能源采集和能源存储单元共享同一根纤维电极,通过简单且低成本的方法,在单个纤维器件上同时实现“光-电-电化学”能源采集和存储,并且具有高效率、耐弯折、可编织等优点。该自供电器件的太阳能电池部分的光电转换效率达到了9.5%,是目前世界上已发表文献中纤维状太阳能电池效率的最高记录。在太阳光照条件下,该器件的超级电容器部分能够实现仅需7秒钟的快速充电。本项目在柔性可穿戴自供电能源系统中迈出了关键一步,为发展下一代先进能源器件提供了新思路。
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      本课题组正在招募副研究员/助理研究员、博士后、研究生和本科生,热烈欢迎有志于新能源和新材料研究的青年人才加盟!