研究方向
氧化物材料种类繁多，具有重要的应用。氧化物纳米材料往往体现出较块体材料更优越的性能，一般认为这和纳米材料表面配位不饱和的位点以及可能出现的 O 空位有关，然而其中很多细节尚不清楚。虽然电子显微镜技术能观测纳米材料的表面 ，但由于目前其分辨率还很难提供成键方面的信息，加上电子显微镜观测的样品量太少，代表性并不理想， 因此，亟待发展新的针对氧化物纳米结构表面的表征方法。 我们以具有广泛和重要工业应用的氧化铈材料为例，借助 17O 固体核磁共振技术，结合密度泛函理论计算，成功将氧化铈纳米结构表面第1层、第2层、第3层的 O 离子、以及O空位附近的O离子、表面OH和位于纳米结构内部的 “体相” O离子区分开来。同时，我们还开发了新的高效选择表面同位素标记的技术， 展示了如何对氧化铈表面和小分子的相互作用， 以及氧原子的迁移进行研究。 我们正将新的核磁共振表征方法应能应用在研究其它氧化物纳米材料以及两种材料的界面上， 提供与其功能直接相关的表面、界面结构信息。 相关论文：Sci. Adv., 2015, 1, e1400133.; Nat. Commun., 2017, 8, 581.; Nat. Commun., 2019, 10, 5420.; J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 11173-11182.; Nat. Commun., 2022, 13, 707.; ACS Catal., 2023, 13, 3485. |
2、发展研究层状双氢氧化物结构和性质的新谱学方法 层状双氢氧化物（LDHs）在催化、环境、医药等领域有广泛的应用， 而这些应用与其局域结构（如阳离子有序性）密切相关。这一信息最近才借助 1H 超高转速魔角旋转核磁共振谱学获得。 然而，该方法需要较为苛刻的实验条件，即超高转速魔角旋转、高磁场，且其分辨率有待提高。我们巧妙地借助LDHs“记忆效应”对材料进行同位素标记，通过 17O 核磁共振谱学在中等磁场和中等转速下，获得了比高场下超高转速魔角旋转 1H 谱更高的分辨率。我们还从提升 1H 分辨率出发，借助简单的 2H 代方法，在中等磁场只需低转速就借助 1H 谱实现了高分辨率观测LDHs的局域结构；同时，这一新方法结合数值模拟还能用来研究 LDHs 可能的超晶格结构。更多相关研究正在开展中。 相关论文：Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 1696-1702.; J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, 363-369.; J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 12325-12334.; Chem. Phys. Lett., 2018, 706, 47-52.; ACS Sustainable Chem. Eng., 2022, 10, 12955-12961.; Nat. Commun., 2022, 13, 6093. |
锂离子电池新电极材料的开发近来一直是研究关注的热点。借助转化反应机理，许多氧化物都拥有很高的理论容量， 但实际容量随着循环次数的增加衰减很快，这是往往是其充放电过程中的巨大体积变化以及很低的导电率造成的。 我们用新方法合成特殊的氧化物结构以解决上述问题， 并借助包括核磁共振在内的多种物理化学表征手段和电化学性能测试方法确定新材料的结构、储能机理及其作为锂离子电池电极材料的性能。 为下一代锂离子电池应用提供新材料和设计思路。 相关论文：J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 699-704.; Electrochim. Acta, 2016, 211, 832-841.; Sci. Rep., 2017, 7, 44697. |