Prof. Jin

 

Zhong Jin (金 钟)

Professor
Key Laboratory of Mesoscopic Chemistry of MOE
Jiangsu Key Laboratory of Advanced Organic Materials
School of Chemistry & Chemical Engineering
Nanjing University, Nanjing 210023, China

Email: zhongjin@nju.edu.cn
Office: D401, Chemistry Building
Labs:   B309; B315; B316

News

 




研究方向:二氧化碳还原
                 电化学CO2还原反应(CO2RR)有望用于合成一系列基本有机化工产品和中间体的重要原料,在工业生产中具有良好的发展前景。然而,电化学CO2催化还原过程面临着活性低、产物选择性差、稳定性低等问题。该文章利用溶剂热法合成出锆团簇卟啉中空纳米胶囊锚定的金属单原子催化剂(M-SAs/Zr-CPF,M:多种过渡金属)。相较于Mn、Fe、Ni、Cu等过渡金属,原子级分散的Co位点可以更有效地降低*COOH中间体的生成能及*CO中间体的吸附能,从而提升CO2向CO分子的催化转化效率。同时,经过连续10小时的电催化测试后,Co-SAs/Zr-CPF仍然可以保持良好的活性和稳定性。此外,在大面积[Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95]Pb0.9(I0.85Br0.15)3 (CsFAMA)基钙钛矿太阳能电池(PSC)供电的集成太阳能驱动CO2RR-OER系统中,Co-SAs/Zr-CPF电催化剂实现了较高的太阳能到CO的能量转换效率(12.5%),能量转换效率比自然界中植物的光合作用效率要高很多(约1个数量级)。另外,对太阳能驱动的CO2RR-OER电催化体系的稳定性也进行了评价,结果表明此催化剂在碳循环、碳中和方面具有良好的应用潜力。



研究方向:硝酸根还原
                 在现已开发的人工合成氨技术中,电催化N2还原(NRR)或电催化硝酸盐还原(NITRR)合成氨技术由于具有操作条件温和,环境友好等优点,因而日益受到研究者们的青睐。为提高电催化NRR和NITRR性能,该课题组通过一种简便且操作条件温和的螯合共还原法在碳纳米管(CNTs)上原位均匀生长具有极小纳米尺寸的无定形Ru纳米团簇(粒径约为1.2 nm),其中柠檬酸三钠(TCD)作为螯合剂对无定形Ru纳米团簇的可控合成具有至关重要的作用。相比于晶体Ru纳米团簇,无定形Ru纳米团簇在NRR和NITRR中表现出更好的电催化合成氨性能。这是因为无定形金属催化剂表面具有丰富的低配位原子,使其催化剂表面形成丰富的“悬挂键”,这为电催化合成氨反应提供更多的催化活性位点。




研究方向:硝酸根还原
                 电催化硝酸盐还原合成氨是有效缓解硝酸盐/亚硝酸盐水体污染和人工氮循环利用的有效方案。合理设计和开发高效NITRR电催化剂,仍然是电催化合成氨领域的热点研究课题。本文中以Zr6纳米团簇和具有氧化还原活性的四硫富瓦烯(TTF)衍生物分别作为无机节点和有机连接体,用于构建稳定且具有氧化还原活性的Zr金属有机骨架(Zr-MOF),其中TTF高度的供电子属性赋予了Zr-MOF优异的导电性和还原性。在无需额外添加还原剂的情况下,具有氧化还原活性的Zr-MOF通过界面还原贵金属前体并在Zr-MOF上原位均匀生长贵金属M纳米点(NDs)(M-NDs/Zr-MOF, M = Pd、Ag或Au)。M-NDs/Zr-MOF电催化剂的NITRR活性在含有500 ppm NO3-的0.1 M Na2SO4溶液中进行测试。相比于炭黑负载Pd纳米颗粒(Pd-NPs/CB)和初始的Zr-MOF,M-NDs/Zr-MOF对NITRR表现出明显增强的催化性能。在M-NDs/Zr-MOF(M = Pd、Ag或Au)中,Pd-NDs/Zr-MOF对NITRR在-1.3 V vs RHE电位下表现出最高的产氨率(287.31 mmol·h−1·g−1cat.)和FENH3(58.1%)。此外,通过空白对照实验和15N同位素标记实验证实产物中的氨来源于电催化硝酸盐还原而非催化剂或环境中存在的氨氮污染。



研究方向:二氧化碳还原
                 光催化CO2RR是一个多电子反应过程。通常,贵金属(Au、Ag等)能够通过界面电子转移过程提升光催化材料表面吸附位点的局域电子密度,因此有助于提高光催化CO2RR活性。因此,通过设计具有丰富表面活性位点的精准结构银基纳米团簇负载的氧化物半导体催化剂以实现高效光捕获和光激发电子迁移,从而达到CO2RR高催化活性和产物选择性,这是一种将CO2选择性光催化还原成多电子产物的良好策略。通过SBA-15作为模板制备出具有高比表面积和多活性位点的介孔Co3O4纳米催化剂,该催化剂在不同的反应温度下表现出迥异的CO2催化活性和选择性,其在350 °C的催化条件下催化活性最好,但是目标产物甲烷的选择性不高。为了提高甲烷的选择性和转化率,具有精确原子结构和类分子特性的Ag24Au团簇作为助催化剂负载于介孔C3O4上。通过实验结果可以得出经Ag24Au团簇助催化剂协同作用,目标产物甲烷的产率提高了近三倍,选择性提高了一倍多。同时研究人员利用CO2-TPD谱和时间分辨瞬态PL谱研究了目标产物产率和选择性提高的机理等相关理论工作。  



研究方向:液流电池
             水系电解液具有不可燃,电导率高,安全性高,成本低廉等优点。中性水系有机液流电池,避免了极端pH条件下的水分解和一系列有机副反应,被认为是最有前景的绿色清洁能源存储体系之一。其中,基于TEMPO/紫精分子的氧化还原电对是中性水系有机液流电池中最具代表性的体系。本文章设计并成功合成了阳离子型吡咯烷基团修饰的TEMPO和π共轭延伸紫精衍生物,即Pyr-TEMPO和[PyrPV]Cl4,分别作为中性水系有机液流电池的正负极材料,实现了1.57 V的超高电池电压和1000圈的超长循环寿命(循环周期接近15天),以及16.8 Wh L-1的能量密度和317 mW cm-2的峰值功率密度。此外,该工作阐明了苯基桥连双吡啶衍生物的氧化还原过程是一步的二电子还原还是两个分步的单电子还原这一争议性问题。进一步地,利用对电池循环后的电解液进行电化学和谱学表征,阐明了Pyr-TEMPO的跨膜及跨膜后的加氢还原是液流电池循环容量衰减的关键因素



研究方向:液流电池
           水系氧化还原液流电池由于其可靠的安全性和易于模块化调控的电池结构,在固定式大规模储能应用中具有很宽阔的前景。但其发展受限于水系电解液窄的电压窗口和离子交换膜所带来的高成本。该文章提出了一种高盐水系锂离子“泥浆”流体电池的原型设计,该“泥浆”由可储存锂的活性物质微粒和导电剂混合分散在高盐水电解液中组成,并使用低成本的透析膜代替昂贵的离子交换膜作为隔膜。首先,透析膜的价格仅为离子交换膜的百分之一左右,大大降低了电池系统的成本。其次,电解液在长时间循环前后一致的拉曼特征峰证实了其长期运行的高稳定性,这可以降低电池的维护成本。第三,泥浆中的微粒可以采用过滤、离心等简单的液固分离方法轻松回收利用,极大地方便了活性物质的回收和再利用。



研究方向:锂硫电池
               锂硫 (Li-S) 电池因其高理论比容量,硫为 1675 mAh g-1,锂为 3860 mAh g-1,以及 2600 Wh kg-1的高理论能量密度,长期以来被认为是最有前途的能源存储系统之一。然而,硫的绝缘性和中间体 Li2PSn (4 ≤ n ≤8) 在 Li-S 电池中的穿梭等问题,使得Li-S电池容量衰减严重,阻碍了Li-S电池的实际应用。设计并合成了嵌入高度分散的钴纳米团簇的空心立方碳,作为锂硫电池的有效硫储层。大空腔结构和分散良好的钴纳米团簇(尺寸均匀,接近 11 nm),使宿主结构能够保持高硫负载,在2 C下循环 500 次后容量保持 70 %,硫负载高达 6.5 mg cm-2,可以有效的释放应力,减轻体积膨胀,加速多硫化物的转化,具有强大的物理约束和化学吸收能力,表现出优越的循环性能和倍率性能。进一步的密度泛函理论计算表明,主体结构中分散良好的钴纳米团簇在提高吸收和转化多硫化物的能力方面起着关键的电催化作用。






研究方向:电催化析氧
          氮碳共渗改性的双连续纳米多孔FeCoNiMg合金电极具有大的电化学活性表面积、高的结构稳定性、优异的润湿性、高的导电性能和多元素协同效应。氮碳共渗改性的双连续纳米多孔FeCoNiMg合金电极在1 M KOH溶液中表现出良好的水电解析氧性能,拥有低的Tafel斜率 (34.6 mV dec-1),在10 mA cm-2电流密度下过电位仅为235 mV。此外,在连续大电流密度反应下,合金电极依旧表现出优异的长期稳定性,1000 mA cm-2电流密度下老化100 h后电极的析氧活性甚至有所提高。研究采用传统的高温烧结和氮碳共渗改性法,制备工艺简单,资源丰富,成本低,环境友好,可制备大尺寸纳米多孔合金电极,高的电催化活性和稳定性,具有大规模应用前景。


研究方向:电催化合成氨
        近年来,电催化氮气还原合成氨是在常温常压下,通过催化氮气与水反应生成氨,且外部电能可以由一些绿色环保的发电装置提供,因而受到了研究者们的广泛关注。目前电催化氮气还原合成氨技术发展的主要瓶颈在于缺乏高效稳定的电催化剂。因此,设计和开发高性能电催化氮气还原合成氨催化剂仍然是电催化合成氨领域的热点研究课题。文章报道了三种具有氮配位过渡金属中心(Ti,Cu和Co)的共价有机框架用于电催化氮气还原合成氨。实验结果和密度泛函理论(DFT)分析表明相比于Cu和Co金属中心,Ti金属中心更有利于吸附和活化氮气分子,同时Ti金属中心引入COF结构中能有效抑制析氢反应(HER)。因此,电催化合成氨性能优于大部分文献报道的电催化氮气还原合成氨催化剂的性能。此外,通过空白对照实验和15N同位素标记实验证实产物中的氨来源于电催化氮气还原而非催化剂或环境中存在的氨氮污染。


研究方向:二维材料
          黑砷磷(b-AsP)是一种通过引入可变比例的砷原子将黑磷与外源As原子进行合金化所得到的新型二维材料。黑砷磷与黑磷具有类似的晶体结构,但由于As和P原子的比例可变,其带隙变化更大,具有可调节的电荷输运性质和光电性能,能够进一步拓宽BP的应用范围。理论预测研究表明,黑砷磷二维材料具有较高的电子迁移率和可调节的直接带隙(0.15至1.54 eV,对应波长约8.5 μm至800 nm),此外还表现出很强的平面内各向异性光吸收和拉曼散射,在电子学、光子学、光伏和能源器件等方面具有巨大的应用潜力。该综述首先介绍了黑砷磷二维材料原子结构与电子结构特征,并与黑磷进行了详细的比较。接着,详细介绍了用机械剥离、液相剥离、电化学剥离和分子束沉积制备具有不同成分比例的黑砷磷二维材料的方法。随后,讨论了黑砷磷二维材料的光电特性,如能带结构、表面能、热电性能、电可调光学特性、拉曼散射效应和载流子迁移率等。最后,还列举了黑砷磷二维材料的一系列有潜力的器件应用前景,包括:纤维超短波激光器、中红外光电探测器、热电器件、锂离子电池等等。


研究方向:卤素基材料二次电池
        近年来,新型电池技术正在涌现并逐渐应用于国民经济的各个领域,包括:固定式储能电站、便携电子器件以及电动车辆等。未来电池技术的发展将主要依赖于以下几个方面:高性能的电极、电解质材料研发和新型的电池系统设计。卤素基材料在电化学电池中的应用主要可划分为以下两种不同的功能原理:(i)卤素作为载能物质在充电/放电过程中参与了氧化还原反应,并产生了化合价的变化;(ii)卤素在充电/放电过程中无氧化还原行为发生,但作为重要组分提供了特定的功能,例如:作为重要组分构成电极或电解质、促进电荷转移并提高电化学动力性能、钝化金属负极表面并促进均匀沉积和剥离等。在这篇综述中,作者以这两种高度凝练的功能原理作为出发点,详细综述了卤素单质和化合物材料在多种新型二次电池中的应用,并重点强调了卤素基材料为提高二次电池的电化学性能所发挥的关键作用。同时,作者还提出了现阶段卤素基材料在二次电池中的应用所面临的挑战和潜在的机遇,为下一步的研究指明了方向,同时希望能够鼓励和激发未来在该领域更多的研究工作。


研究方向:二维材料
        单一元素二维材料通常表现出奇异的物理化学特性,例如高的面内各向异性效应、大的比表面积、优异的机械性能、优良的导热性、可调控的能带间隙、量子自旋霍尔效应、强光物质相互作用和超高表面灵敏度等,为探索新奇的物理现象提供了一个平台。砷烯是磷烯的同系物,也是第五主族典型的单质二维材料之一,已经被大量理论和实验研究报道。二维砷烯和砷材料的理论研究报道揭示了砷烯是一种很有潜力的半导体,具有厚度依赖的能带结构、量子自旋霍尔效应、高载流子迁移率等优异性质。同时,机械剥离、液相剥离和化学气相沉积也先后应用于二维砷烯和砷材料的实验制备,随后一些砷烯的奇异性质和潜在应用也得到了广泛的研究和验证。二维砷烯和砷材料的这些优异的电化学特性,预计可以有效地补足和丰富现有二维材料家族。虽然此前的一些综述总结了单元素二维材料或第五主族单质二维材料的理论和实验研究进展,但是聚焦于二维砷烯和砷材料的系统性综述和展望仍然缺乏。


研究方向:铝离子电池
        金属铝作为一种可以进行多电子储能的电池负极材料,具有资源丰富,易于在空气中储存、理论比容量高等优点,故而可充电铝电池在大规模储能体系中具有很大的应用潜力。本篇工作提出了无负极铝离子电池的概念并构建一系列非金属铝作为负极集流体的无负极铝离子电池,打破了传统铝离子电池负极一定是金属铝的观念,为未来提供了新的方向,有助于加速铝离子电池领域的研究及实际应用。文章提出并构建无负极铝电池,结合原位和非原位表征系统分析了无负极铝离子电池的正负极机理,证明在传统的AlCl3/EMImCl离子液体基铝电池中金属铝只起到导电作用,任何具有导电性的碳材料或者金属材料都可以作为无负极铝离子电池的负极集流体(ACC),同时提出基本不与电解液发生副反应的石墨基材料和金属钼是无负极铝离子电池负极集流体的有利选择。


研究方向:锂离子电池
          电动汽车、便携/可穿戴电子设备的飞速发展极大地促进了锂离子电池储能技术的进步,同时,也对其能量密度、功率密度、续航能力、成本、安全性等提出了更高的要求。金属有机框架(MOFs)具有丰富的拓扑结构,其高度结晶性和规整有序的多孔结构有利于锂离子的快速传输,是潜在的储能电极材料。然而,MOFs材料的导电性不足制约了其在大功率锂离子电池中的进一步应用。文章报道了一种簇桥配位钴铱双金属有机框架Co44-O)[Ir(ppy-COO)3]2(Co4-Ir MOF)作为高性能储锂负极材料。通过优化金属有机框架的组成和拓扑结构,构建了具有团簇桥连配位、二维层状共轭结构的Co4-Ir双金属MOFs。该Co4-Ir MOF电导率比传统绝缘MOF高4个数量级,锂离子扩散系数比石墨高2个数量级,从而显著提高了倍率性能。此外,Co4-Ir MOF的层状堆积结构和有序多孔骨架保障了锂离子的快速传输和存储,在脱/嵌锂过程中不会发生较大的体积变化,表现出良好的循环稳定性。


研究方向:二氧化碳还原
          光催化CO2还原为具有高附加值的烃类产品,是实现碳中性经济的一种绿色可持续的有效途径。鉴于大多数过渡金属不具备同时满足光驱动CO2甲烷化对光吸收,催化活性和化学稳定性的要求。因此,设计具有广谱太阳光吸收和转换性质的高性能LSPR光催化剂以实现高效光驱动CO2甲烷化,仍然是一项充满挑战的研究课题。文章报道了一种Rh/Al纳米天线催化剂,对广谱(包括紫外光,可见光和近红外)光催化CO2甲烷化表现出超高的CH4产率(550 mmol·g-1h-1)和近100%的高选择性。实验结果表明在光催化过程中,Rh/Al纳米结构的局域表面等离子体共振和Rh/Al催化剂的纳米天线作用有利于促进CO2甲烷化反应。控温原位红外表征表明Rh/Al纳米天线催化剂上的CO2甲烷化反应是以CO作为关键中间体并与温度相关的多步反应。


研究方向:二氧化碳还原
          化石燃料持续使用产生的过量二氧化碳,导致了能源短缺和环境污染等问题。将过剩的CO2光催化还原为高附加值碳氢燃料是实现可持续发展和碳中和重要途径。过渡金属及其氧化物半导体在光催化还原CO2已具有广泛的应用,然而,多质子及多电子与CO2•–中间体的进一步结合会生成不同的还原产物从而导致CO2光催化产物选择性的降低。因此,通过设计具有精准结构纳米团簇有利于其表面暴露更多的活性位点以实现光捕获和光激发电子迁移,这是一种将CO2选择性光催化还原成多电子产物的良好策略。采用合成具有精准原子结构同时拥有分子特性和表面等离激元共振特性的银纳米团簇,实现高选择性光催化还原CO2为CH4。实验结果表明,Ag25催化还原CO2具有近100%甲烷选择性且其产率达到28.95 μmol h−1 mg−1。原位红外光谱分析揭示甲烷的生成是通过甲酰和甲醛物种转化生成表面CHx的−H辅助的多电子反应途径。


研究方向:二维材料
        二维材料由于其独特的光电性质和宽阔的应用范围,在过去十几年来引起了世界各地科学家广泛的研究兴趣。虽然液相剥离法制备了少层灰砷烯纳米片,但其半金属特性和环境易氧化性限制了灰砷烯在光电子器件中的应用。为了进一步调控砷烯的物理和化学性质,采用合理的策略精确调节其原子构型和电学结构并保持灰砷烯原始的二维特殊形态,通过氢氟酸(HF)溶液对砷烯进行表界面处理的湿化学法,成功地将半金属性的灰砷烯纳米片可控地转化为半导体性的玻璃态砷烯纳米片。通过详细的结构表征,证实了玻璃态砷烯纳米片具有典型的玻璃化特性,与高结晶度的原始灰砷烯有明显的结构差别。理论模拟计算和机理分析表明,灰砷烯纳米片的玻璃化过程是由于HF和溶解氧共同参与了对砷烯纳米片的刻蚀作用,消耗了砷烯界面和内部的一部分砷原子,从而形成了砷原子缺陷/空位和无序的原子结构,有效改变了砷烯的电子能级结构。这种新型的湿化学处理方法提供了一种能够诱导半金属性的灰砷烯向半导体性的玻璃态砷烯进行可控转变的有效策略,有目标、有针对性地调控了砷烯纳米片的电学和光学性质,从而为二维纳米材料的界面和能带结构调制提供了崭新的思路。


研究方向:液流电池
         中性水系液流电池,通常以无机盐如氯化钠为支持电解质,不仅具有高的离子电导率,而且具有无腐蚀性、高安全、低成本以及易于操作与维护等优点,是可持续性新能源体系的典型代表之一。甲基紫精分子(MV2+)是目前中性水系有机液流电池关注较多的负极活性材料,该分子存在两个单电子还原峰,分别为-0.45 V和-0.76 V (vs. SHE)。但是,甲基紫精分子的第二个单电子氧化还原过程(-0.76 V)是不可逆的,只有第一个单电子氧化还原过程(-0.45 V)可以实现可逆的充放电,所以它的有效氧化还原电位为-0.45 V,电位位移较高,且电化学活性位点不能得到充分利用。为了有效解决上述科学问题,研究了“加长型”紫精类活性小分子对中性水系液流电池中的性能提升作用及其工作机理。研究和分析表明,在两个吡啶环之间引入苯基,使其与两个吡啶环不在一个平面上,既可以削弱这两个吡啶环在得失电子过程中的关联(即位阻效应),极大地降低分子的氧化还原电位;又可以缓解两个吡啶阳离子固有的分子内库伦斥力,并保持一定程度的大π共轭效应,有利于提升分子的电化学稳定性。此外,还可以引入稳定的阳离子型亲水性基团,这样既有利于提升有机活性材料的水溶性,又可以利用其相互强的库伦斥力来抑制氧化还原过程中分子间的二聚,从而提高分子的电化学可逆性。


研究方向:锂金属电池
        锂金属由于其超高的比容量(3860 mAh g-1)和极低的氧化还原电位(-3.04 V)一直以来被人们视为二次电池研究领域的圣杯。然而,锂金属作为负极面临的突出问题是不稳定的固态电解质界面层(SEI)的形成和针状锂枝晶的成核和生长。活泼的锂金属与电解液发生反应,会在锂金属表面形成一层不均匀、不稳定的SEI。而由于尖端效应,在充放循环过程中,锂沉积的不均匀性会不可避免地导致锂枝晶的形成,最终导致锂金属负极库伦效率低、循环性能差,甚至带来严重的安全隐患。近几年,对于如何稳定锂金属负极的研究引起了广泛关注,其中一个很重要的方向,就是通过构建合适的负极基体材料,促进锂离子的均匀沉积。本工作便是从此研究思路出发,通过牺牲模板热熔法构筑和金纳米晶种修饰获得了性能优异的3D多孔基体材料用于锂金属复合负极,实现了锂金属负极的稳定循环。我们设计了一种基于牺牲模板热熔策略构筑和金纳米晶种修饰的3D多孔铜骨架用于稳定循环的锂金属负极基体材料。以该方法构筑的锂金属复合电极所组成的对称电池在1.0 mA cm-2,1.0 mAh cm-2的条件下能稳定循环1300 h而不表现出明显的电压滞后。此外,以该复合锂电极为负极,磷酸铁锂为正极组装的全电池也同样展现出高库伦效率、优异的循环稳定性和倍率性能。


研究方向:锂硫电池
        锂硫电池的理论能量密度高(2600 Wh kg-1)、原料成本低,是非常有发展潜力的高能电池体系。研究人员致力于硫正极材料的优化设计研究以提升锂硫电池的倍率性能和循环稳定性。针对电极硫载体的设计,目前主要有两种策略:一种是用多孔纳米无机材料对单质硫进行物理封装。在该方案中,材料中有序纳米孔对单质硫的均匀分布和含量至关重要,但往往伴随着比较复杂的合成过程。另一种是将单质硫与有机物通过共价键交联形成有机硫共聚物。环状的单质硫分子发生开环反应,形成两端自由基的线性链状硫分子,与有机物官能团(不饱和碳氢化合物、硫醇、腈等)发生交联聚合反应,形成有机硫共聚物。有机物来源广泛、分子结构多样,易于规模化合成。有机硫共聚物中的硫含量不受孔体积约束,可以提高电极负载量,增加电池的能量密度。然而,有机硫共聚物的导电性较差,严重限制了电极材料的高倍率性能,尤其是在电极中硫含量较高时;另一方面,有机硫共聚物的电化学反应过程、有机单元对硫储能机制的影响还有待进一步研究。设计有机硫共聚物电极材料的分子结构、探索电化学反应机制, 对高性能锂硫电池的开发和应用具有十分重要的意义。


研究方向:二氧化碳还原
        化石燃料的过度开采造成大量温室气体二氧化碳(CO2)的排放,使得气候变化、环境灾害等问题日趋严重。为了降低CO2排放量,实现CO2的高效化学转化与利用具有重要的研究意义。近年来,利用电催化CO2还原反应将CO2转化为高值含碳化合物引起了科研者的关注。其中,甲酸盐(HCOOH/HCOO-)产物具有易于储存和高安全性的突出优点,在氢载体和HCOOH燃料电池领域中具有广泛的应用前景。然而,催化剂在电催化CO2还原过程中面临着低活性、选择性和稳定性的问题。针对这一问题,南京大学化学化工学院金钟教授研发团队利用瑞利不稳定性原理构筑了“滴管状”一维中空结构的Bi纳米棒@N掺杂碳纳米管(Bi-NRs@NCNTs)复合催化剂,在较低的过电势下可以将CO2高选择性地催化转换成甲酸盐产物。实验结果表明,Bi-NRs@NCNTs在-0.9 V(vs. RHE)电压下对甲酸盐的选择性可以达到90.9%;此外,经过连续24小时的长期电催化测试后,Bi-NRs@NCNTs仍然可以保持良好的活性和稳定性。


研究方向:锂硫电池
        随着便携式电子器件和智能穿戴设备的飞速发展,对柔性、高能量密度储能电池的研发备受关注。锂硫电池具有极限能量密度高(2600 Wh kg−1)、环境友好、成本低等优势,在便携储能领域的应用前景广阔。与传统的刚性电池不同,柔性电池中所有的功能组分(包括正极、负极、电解液/隔膜、集流体、封装材料等)。该研究电池由高弹性、高延展度的凝胶硫正极、凝胶电解质、模块化的锂片负极和高分子封装材料组成。其中,凝胶硫正极通过聚合物相转换方法制备,形成了由三维多孔硫碳复合物、碳纳米管导电网络、弹性高分子骨架组成的三元复合结构,这样的多组分一体化设计既能保证电极在拉伸时充分维持其导电性(最大可拉伸至初始长度的16倍),也能有效抑制多硫化锂的穿梭效应,确保电池的循环稳定性。另一方面,与正极相匹配的凝胶电解质也被成功应用于柔性可拉伸锂硫电池中。得益于电极材料和凝胶电解质的稳定性,该电池可以在80 °C的高温环境下正常工作。在反复拉伸测试的实验条件下,电池保持了良好的充放电稳定性,并在超高的面积载硫量下(14 mg cm−2)获得了良好的面积容量(11 mAh cm−2)和长期循环性能。本研究为开发基于新材料体系、新器件结构的柔性可拉伸锂硫电池的提供了思路。



研究方向:水系液流电池
        相比于电解液成本较为昂贵的全钒氧化还原液流电池(VRFB),价格低廉的水系有机氧化还原液流电池(AORFB)越来越受研究人员的关注。其中,苯醌、萘醌和蒽醌衍生物由于来源丰富,在碱性液流电池中得到了广泛的研究。然而,具有电化学活性的有机分子在水溶液中经常存在溶解度低、化学稳定性差等问题,可能会导致电池的能量密度较低、循环衰减较快。因此,通过设计新型的具有氧化还原活性的有机分子,来提升活性物质的水溶性,化学稳定性和氧化还原可逆性,是设计长循环寿命的水系有机液流电池的关键问题。通过低成本、简便的两步合成路线合成了N-烷基羧酸化的氨基蒽醌衍生物(DAEAQ),并将其作为负极材料与K4Fe(CN)6正极配对,组装成碱性水系液流电池。文章采用成本低廉、高磺化度的自制sPEEK膜作为离子交换膜,组装的电池在pH≥12时提供1.12V的开路电压,最大功率密度可以达到0.34 W cm-2,在pH=14下的容量保持率达到99.86%/天,并且100mA/cm2下的平均库伦效率超过99.9%,平均能量效率达到80%,表现出优异的循环稳定性。


研究方向:镁金属电池
        金属镁作为一种可以进行双电子储能的电池负极材料,具有资源丰富、理论体积容量高、镁沉积/溶解过程不易形成枝晶等优点,故而可充电镁电池在大规模储能体系中具有很大的应用潜力。然而,Mg2+离子的电荷半径比大,极化率高,导致其与正极材料中的晶格阴离子之间发生强的静电相互作用,大大降低了Mg2+离子在正极活性材料中的嵌入和扩散动力学。因此,缺乏高性能正极材料严重阻碍了金属镁二次电池的发展。由于活性材料Cu2-xSe和放电产物MgSe都属于面心立方结构,且晶胞尺寸大小接近,同时,Cu2-xSe结构中铜离子迁移率较大,在充放电循环过程中,在保持Se2-阴离子骨架的同时,镁离子和铜离子在发生快速置换反应,这将有利于Cu2-xSe正极的结构完整性和容量的保持。此外,在放电过程中,通过离子置换原位形成的金属铜,大大提高了电极导电性,促进了电荷的传输。得益于这些优点,以镁金属镁负极,Cu2-xSe为正极组装的镁电池能够在100 mA g-1电流密度下表现出222 mAh g-1的最大放电比容量;在1000 mA g-1大电流密度下放电比容量仍可达155 mAh g-1,表现出优异的倍率性能;此外,在1000 mA g-1大电流密度下,电池循环500次之后,容量保持率约为84.3%

研究方向:纳米材料
        高度有序的纳米线结构,例如定向排列的纳米线阵列、分叉的纳米线结和交联纳米线网络等,在逻辑电路、光电器件和透明电极等领域具有巨大的应用前景。然而,目前仍然缺乏高晶体质量、有序取向的纳米线分叉结和交联网络的有效构筑方法。通过纳米线“顶端-躯干”组装,成功实现了Bi2S3半导体纳米线分叉结和交联网络的可控生长和定向排列。此外,研究人员利用透射电镜详细研究了交联纳米线的晶体结构并建立了对应的原子模型,揭示了其基于晶面匹配的诱导生长机理和生长过程中的结构演变过程。由于Bi2S3纳米线的高晶体质量和直接带隙等特性,单根Bi2S3纳米线的光电探测器表现出优异的光电响应。而且通过制备纳米线分叉结的三终端器件,验证了纳米线结处流畅的载流子传输,为纳米线交联网络器件提供有利条件。最后,研究人员制备了基于纳米线交联网络的柔性光电探测器,即使在经过1000次弯曲后,也表现出很小的光电流衰减。该工作为如何可控构建半导体纳米线的有序阵列及如何规则组装低维纳米结构的交叉网络提供新的思路。

研究方向:锂离子电容器
        随着便携电子设备和电动汽车的快速发展,人们对储能器件的能量密度、功率密度、循环寿命都提出了更高的要求。锂离子电容器是一种介于超级电容器和锂离子电池之间的新型储能器件,其正极通常采用双电层电容型多孔碳材料,负极采用电池型离子嵌入脱出材料。Zr-MOFs中丰富的储锂位点确保了电极材料较大的比容量(561 mAh g-1)。另一方面,Zr-MOFs中三维多孔网络结构和稳定的Zr-O键有利于缓解材料锂化时的体积膨胀,维持电极的循环稳定性。采用Zr-MOF-1作为负极材料、活性炭(AC)作为正极材料的Zr-MOF-1||AC锂离子电容器展现出较高能量密度(122.5 Wh kg-1),高功率密度(12.5 kW kg-1)和长循环寿命(在2000 mA g-1电流密度下1000次充放电循环后容量保持86%)。此项研究为金属有机框架材料在储能应用中的分子结构设计和性能优化提供了新的思路。

研究方向:液流电池
        基于有机氧化还原活性物质的水系液流电池在大规模、可持续的储能应用方面具有广阔的前景。然而,电化学活性有机分子在水溶液中经常存在溶解度低、化学稳定性差等问题,可能会导致能量密度较低、循环衰减较快。因此,研究有机氧化还原活性物质在水溶液体系中的电化学反应机制,提升水溶性有机分子的氧化还原可逆性,是设计长循环寿命的有机水相液流电池的关键问题。南京大学金钟课题组最近报道了三种不同的吩嗪衍生物的低温绿色合成及其在碱性有机氧化还原液流电池中的性能。实验结果和机理分析表明,吩嗪衍生物中羟基的邻位取代基对电池性能有重要影响。通过在吩嗪的羟基邻位接入苯环和一个具有强增溶作用的羧基,1.0 M电子浓度的稠环苯并[a]羟基吩嗪-7/8-羧酸和KFe(CN)3的碱性水相液流电池,在1300多个循环中,容量保持率达到每圈99.986%(99.92% day-1),平均能量效率达到~80%,显示了优异的循环稳定性。

研究方向:电催化二氧化碳还原
        将二氧化碳电催化还原成碳氢燃料清洁能源符合可持续发展战略。然而,能够有效和选择性地还原二氧化碳的催化剂的研发仍需要面对巨大的挑战。金钟课题组通过电催化氧化/去合金化过程,将Ag52Cu39Sn9合金箔转化为具有双连续纳米孔几何构型的组分可调的二元金属Ag-Cu合金催化剂,用以电催化还原二氧化碳。组分从Ag91Cu9Ag65Cu35变化的过程中,活性位点周围的原子排列和电子结构的变化对不同反应中间体的结合强度产生了协同作用,从而实现了在高法拉第效率下从一氧化碳到甲酸盐的可调产物选择性。该研究提供了一种调节原子结构的有效途径,在电催化二氧化碳固定的过程中将发挥巨大的作用。

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。

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。

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。

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KFe(CN)3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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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!