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師從Charles Lieber、鮑哲南和崔屹的余桂華，在納米能源環(huán)境材料領(lǐng)域頻發(fā)頂刊！

來源：科學(xué)10分鐘時間：2020-12-02 14:40:06 瀏覽：3598次

余桂華博士，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校材料科學(xué)與工程系、機(jī)械工程系終身教授。2003年畢業(yè)于中國科技大學(xué)化學(xué)系，取得學(xué)士學(xué)位并獲本科生最高獎“郭沫若獎學(xué)金”，2009年于哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位，師從美國科學(xué)院院士和世界納米領(lǐng)域著名科學(xué)家Charles Lieber教授。2009年于斯坦福大學(xué)師從鮑哲南教授和崔屹教授從事博士后研究工作，2012年加入德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。該團(tuán)隊主要致力于納米能源環(huán)境材料，特別是功能化凝膠材料、二維能源材料。納米結(jié)構(gòu)功能凝膠材料結(jié)合了傳統(tǒng)高分子和納米材料的特性，應(yīng)用前景廣泛。在多功能凝膠的研究上取得多項突破性的科學(xué)進(jìn)展，開發(fā)多功能凝膠的實際應(yīng)用。其實驗室研究出的有機(jī)多功能凝膠，在未來能源器件中將有大的突破。相關(guān)詳細(xì)信息可查閱該課題組的網(wǎng)頁：http://yugroup.me.utexas.edu/。

目前，該團(tuán)隊已在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Communications、PNAS、Chemical Society Reviews、Energy Environ. Sci.等國際著名刊物上發(fā)表論文超過150篇，被引用超過23000次，其中多篇論文被期刊選為非常重要論文或熱點論文。其發(fā)表工作曾被多個國際媒體亮點報道，其中包括Nature News、Science News、ABC News、Fox News等等?，F(xiàn)任Chem (Cell Press)、Energy Storage Materials (Elsevier)等6個國際期刊的編委。曾獲多項重要的國際學(xué)術(shù)獎勵，他曾獲得2019年國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)100周年青年化學(xué)家獎，2018年獲美國化學(xué)會“杰出青年科學(xué)家”獎，2018年獲美國化學(xué)會能源科技新興領(lǐng)袖獎，2017年當(dāng)選英國皇家化學(xué)學(xué)會會士(FRSC)，2016年獲得美國最著名的獎項之一斯隆研究獎(Sloan Research Fellow)，2014年榮膺美國麻省理工(MIT)評選的全球35位杰出青年創(chuàng)新人物之一，2010年躋身國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會頒發(fā)的五位國際青年化學(xué)家獎之一等。在此，本文選擇了余桂華團(tuán)隊本年度在納米能源環(huán)境材料等方面的部分工作成果進(jìn)行匯總，以便大家了解和學(xué)習(xí)。

1、Nat. Rev. Mater.：用于太陽能蒸發(fā)水的材料研究進(jìn)展

Nat. Rev. Mater.：用于太陽能蒸發(fā)水的材料研究進(jìn)展

眾所周知，太陽能蒸發(fā)水，即利用太陽能將液態(tài)水變?yōu)樗魵?，為綠色且高效益生產(chǎn)淡水奠定了基礎(chǔ)。目前，廣泛的實驗和理論研究集中于水管理以實現(xiàn)有效的太陽能產(chǎn)生水蒸氣。已報道一些新材料能實現(xiàn)高度可控和高效的太陽能到熱能的轉(zhuǎn)換，以解決從微觀到分子水平的能源-水關(guān)系中的挑戰(zhàn)?；诖?，余桂華團(tuán)隊總結(jié)了材料設(shè)計的基本原理，以實現(xiàn)高效的太陽能到熱能的轉(zhuǎn)化和水蒸汽的產(chǎn)生。同時，作者還討論如何集成光熱材料、納米/微米結(jié)構(gòu)和水材料的相互作用，以通過原位利用太陽能來提高蒸發(fā)系統(tǒng)的性能。此外，作者著眼于材料科學(xué)和工程，還概述了基礎(chǔ)研究和實際水凈化應(yīng)用中納米/微米結(jié)構(gòu)材料的主要挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

文章信息：Fei Zhao et al.Materials for solar-powered water evaporation.Nat.Rev.Mater.,2020,DOI:10.1038/s41578-020-0182-4.

2、Chem. Rev.：水凝膠及其膠衍生的材料助力能源和水的可持續(xù)性研究進(jìn)展

Chem. Rev.：水凝膠及其膠衍生的材料助力能源和水的可持續(xù)性研究進(jìn)展

眾所周知，能源和水對現(xiàn)代社會至關(guān)重要，因而可持續(xù)能源存儲和轉(zhuǎn)換以及水資源管理方面的先進(jìn)技術(shù)已成為研究的重點。水凝膠不僅具有傳統(tǒng)的生物應(yīng)用，而且能應(yīng)用于能量和水等領(lǐng)域。基于此，余桂華團(tuán)隊總結(jié)了水凝膠及其膠衍生的材料在這些領(lǐng)域的成果。首先，作者重點介紹了各種水凝膠的高度可調(diào)控合成，其中涉及關(guān)鍵的合成元素，例如單體/聚合物結(jié)構(gòu)單元、交聯(lián)劑和功能性添加劑，并且討論了如何使用水凝膠作為前體和模板設(shè)計電化學(xué)材料的三維（3D）框架。然后，作者將基于凝膠化學(xué)對水凝膠材料的結(jié)構(gòu)特性影響進(jìn)行深入討論，最終針對諸如增強(qiáng)的離子/電子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度、柔性、刺激響應(yīng)性和理想的溶脹行為等特性。水凝膠獨特的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)能夠在提供大表面積，同時實現(xiàn)快速的電荷/質(zhì)量傳輸，并且可以調(diào)節(jié)聚合物的水相互作用，實現(xiàn)水凝膠內(nèi)所需的保水、吸收和蒸發(fā)。此類結(jié)構(gòu)派生的特性也進(jìn)行了密切協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)針對不同目標(biāo)器件的多功能性和穩(wěn)定性。其中，在超級電容器、電催化劑、太陽能水凈化和水收集等方面都展示了水凝膠和水凝膠衍生材料所帶來的優(yōu)異技術(shù)潛力。最后，作者還研究了這些挑戰(zhàn)和解決它們的潛在方法，以揭示潛在的機(jī)制，并將目前水凝膠材料的發(fā)展轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的能源和水技術(shù)。

文章信息：Youhong Guo et al. Hydrogels and Hydrogel-Derived Materials for Energy and Water Sustainability. Chem. Rev., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00345.

3、Adv. Mater.：生物質(zhì)衍生的混合水凝膠蒸發(fā)器用于高效的太陽能凈水

Adv. Mater.：生物質(zhì)衍生的混合水凝膠蒸發(fā)器用于高效的太陽能凈水

研究發(fā)現(xiàn)，利用太陽能蒸發(fā)水具有高的能量轉(zhuǎn)化和利用效率，因此在廢水處理和海水淡化方面具有巨大的潛力。但是，如何實現(xiàn)高蒸發(fā)速率和低的成本以提供可持續(xù)太陽能驅(qū)動的凈化水系統(tǒng)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。基于此，余桂華團(tuán)隊將天然豐富的生物質(zhì)魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan）與易于合成的鐵（Fe）基金屬有機(jī)框架衍生的光熱納米顆粒一起引入聚乙烯醇網(wǎng)絡(luò)中，從而以低成本的方式構(gòu)建了混合水凝膠蒸發(fā)器（材料總成本為$14.9 m^-2）。該混合水凝膠蒸發(fā)器具有足夠的水分輸送、有效的水活化作用和防止鹽結(jié)垢等優(yōu)點，在1個太陽（1 kW m^-2）的照射下，在酸/堿度（pH=2-14）和高鹽度海水（最高330 g/kg）的廢水中實現(xiàn)了3.2 kg m^-2 h^-1的高蒸發(fā)速率。更特別的是，通過在水凝膠中形成氫鍵和與羥基的配位鍵，可以有效地除去重金屬離子。該研究將為可部署的、具有成本效益的太陽能凈水系統(tǒng)提供新的可能性，同時還能確保水質(zhì)，這對于經(jīng)濟(jì)貧困地區(qū)更為重要。

文章信息：Youhong Guo et al.Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification.Adv.Mater.,2020,DOI:10.1002/adma.201907061.

4、Materials Today：利用水凝膠骨架中的單原子銅實現(xiàn)高原子利用率的電催化氧還原

Materials Today：利用水凝膠骨架中的單原子銅實現(xiàn)高原子利用率的電催化氧還原

目前，單原子催化劑（SACs）已成為非均相催化領(lǐng)域的重點。但是，該領(lǐng)域的主要目標(biāo)是通過補(bǔ)充不同的技術(shù)從根本上理解催化劑的復(fù)雜性及其在特定反應(yīng)中的性能?；诖?，余桂華團(tuán)隊和四川大學(xué)的肖丹（Dan Xiao）團(tuán)隊等人報道了一種超分子水凝膠策略，可以有效的隔離互連碳纖維上的銅（Cu）原子，作為堿性氧還原反應(yīng)（ORR）的有效電催化劑。作者通過X射線吸收光譜和像差校正的掃描透射電子顯微鏡確認(rèn)了Cu-N2的配位態(tài)和原子色散。此外，通過掃描電化學(xué)顯微鏡的表面探詢模式（SI-SECM）研究了原子利用率（η_atom），即參與催化作用的Cu(I)位點與可用的總Cu(I)位點之間的比率。合成的Cu-SACs具有的90％以上的原子利用率，非常接近SACs的理論值（100％），表明所提出的超分子方法可以實現(xiàn)Cu位點的超高暴露。此外，SI-SECM的原位時間分辨滴定和第一性原理計算進(jìn)一步證明分離的Cu-N2位點可以顯著提高ORR活性。

參考文獻(xiàn)：Panpan Li et al. Supramolecular confinement of single.Cu.atoms.in.hydrogel.framework.for.oxygen.reduction.electrocatalysis.with.high.atom.utilization.Material.Today,2020,DOI:10.1016/j.mattod.2019.10.006.

5、Adv. Mater.：蒸發(fā)誘導(dǎo)的垂直排列2D納米片實現(xiàn)電極中快速定向的離子傳輸

Adv. Mater.：蒸發(fā)誘導(dǎo)的垂直排列2D納米片實現(xiàn)電極中快速定向的離子傳輸

二維（2D）納米片具有極高的電化學(xué)活性和快速的固態(tài)擴(kuò)散，被廣泛地用作電極材料。然而，制備基于這種類型材料的可伸縮電極時，通常因為太厚而限制了離子傳輸動力學(xué)，從而造成嚴(yán)重的性能損失?；诖耍?strong>余桂華團(tuán)隊報道了一種基于蒸發(fā)誘導(dǎo)的組裝新策略，即通過形成垂直排列的納米片來實現(xiàn)定向性離子傳輸。在電極制造過程中，通過快速蒸發(fā)混合溶劑可以實現(xiàn)定向排序。對比傳統(tǒng)的電極，基于垂直排列的納米片電極即使在高質(zhì)量負(fù)載和電極厚度下也能夠保持原有的高倍率性能，但是傳統(tǒng)的電極表現(xiàn)出納米片的隨機(jī)排列，并且隨著厚度的增加，倍率性能會明顯降低。通過電化學(xué)和結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合，揭示了由取向控制的納米片組成的電極具有較低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，從而使得活性材料中相變更加完全。

文章信息：Yue Zhu et al. Evaporation-Induced Vertical Alignment Enabling Directional Ion Transport in a 2D-Nanosheet-Based Battery Electrode. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201907941.

6、Nano Lett.：具有快速離子傳輸通道和多硫化物捕獲網(wǎng)絡(luò)的分層多孔C/Fe₃C薄膜用于高面容量Li-S電池

Nano Lett.：具有快速離子傳輸通道和多硫化物捕獲網(wǎng)絡(luò)的分層多孔C/Fe3C薄膜用于高面容量Li-S電池

目前，Li-S電池的電極材料在實驗室規(guī)模上合成時，存在過程復(fù)雜和成本極高的問題，難以規(guī)模化生產(chǎn)。因此，理想的碳基Li-S電池電極應(yīng)具有設(shè)計良好的多孔結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高S負(fù)載量和離子/電解液的運輸，同時承受S的體積膨脹并防止可溶性多硫化物中間體的穿梭效應(yīng)。基于此，余桂華團(tuán)隊、大連理工大學(xué)的賀高紅教授和李祥村副教授等人報道了一種擴(kuò)展性高且可堆疊的C/Fe₃C薄膜，該薄膜具有通過快速的離子轉(zhuǎn)移微/納米通道和聚硫化物捕集網(wǎng)絡(luò)，適用于高面容量Li-S電池。研究表明，具有對齊通道和分層多孔網(wǎng)絡(luò)的薄膜正極促進(jìn)了Li⁺和電子的傳輸，同時通過在薄膜中摻雜Fe₃C納米顆?？梢栽鰪?qiáng)對LiPS的化學(xué)吸附，有效地捕獲可溶性多硫化物中間體（LiPSs）。進(jìn)一步研究證明，通過C/Fe₃C薄膜的逐層堆疊，可以輕松制備具有7.1 mg cm^-2的高S負(fù)載量的五層膜電極，該電極在100次循環(huán)后，仍可提供726 mA h g^-1的高容量，相當(dāng)于在6.4 μL/mg的低電解液/硫（E/S）比下具有5.15 mA h cm^-2的超高面容量。總之，可擴(kuò)展的多功能膜電極在高S負(fù)載量和稀薄電解液條件下具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在實際的Li電池中具有廣闊的應(yīng)用前景。

文章信息：Xiangcun Li et al. Hierarchically Porous C/Fe3C Membranes with Fast Ion-Transporting Channels and Polysulfide-Trapping Networks for High-Areal-Capacity Li-S.Batteries.Nano.Lett.,2020,DOI:10.1021/acs.nanolett.9b04551.

7、J. Mater. Chem. A：基于超薄MoSe₂納米片的3D有序大孔碳骨架分層納米結(jié)構(gòu)用于高性能鈉離子電池

J. Mater. Chem. A：基于超薄MoSe2納米片的3D有序大孔碳骨架分層納米結(jié)構(gòu)用于高性能鈉離子電池

鈉離子電池（SIBs）具有低成本和豐富的資源，因此非常有希望取代鋰離子電池用于大規(guī)模的儲能上。然而，缺乏高容量和長循環(huán)穩(wěn)定性的負(fù)極嚴(yán)重阻礙了SIBs的商業(yè)化。基于此，余桂華團(tuán)隊和澳大利亞伍倫貢大學(xué)的Zhongchao Bai等人報道了一種在3D有序大孔（3DOM）碳上強(qiáng)力結(jié)合的超薄2D MoSe₂納米片（?2 nm），從而極大地提高材料的儲鈉能力。所制備的MoSe₂@C復(fù)合材料具有高容量（在電流密度為0.5 A g^-1時，100次循環(huán)后仍具有410 mA h g^-1的高容量，基于MoSe₂@C的總重量）、優(yōu)異的倍率性能（10 A g^-1，279 mA h g^-1）和長的循環(huán)穩(wěn)定性（5 A g^-1，2000次循環(huán)后，容量仍為384 mA h g^-1）。這是因為由2D MoSe₂納米片構(gòu)建的雜化結(jié)構(gòu)與3DOM碳基結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應(yīng)，可以提供更大的層間距（單層為0.76 nm），從而促進(jìn)Na⁺沉積/溶解。而Mo-C的強(qiáng)電子耦合鍵的結(jié)合，促進(jìn)了快速的電子/離子轉(zhuǎn)移，并且有序的立體腔適應(yīng)了體積的膨脹并防止了MoSe₂納米片在循環(huán)時的堆疊。

文章信息：Yuanlin Liu et al. Hierarchical Nanoarchitectured Hybrid Electrodes Based on Ultrathin MoSe2 Nanosheets on 3D Ordered Macroporous Carbon Frameworks for High-Performance Sodium-Ion Batteries. J. Mater. Chem. A,2020, DOI: 10.1039/C9TA13377A.

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