材料原子?分子科學研究所在《ACS Nano》等國際知名期刊發(fā)表7篇高水平論文

近日，前沿院材料原子分子科學研究所在許并社教授的帶領下在能源、環(huán)境、光電等領域取得系列重要研究進展，相繼在《ACS Nano》（IF=14.588）等國際知名期刊發(fā)表7篇高水平論文。該系列成果的取得標志著我校大力引進高層次人才的成效日趨凸顯，科研團隊和科研平臺的建設逐漸成熟，為我?？茖W研究和人才培養(yǎng)提供了強有力支撐，也將進一步提升我校在材料科學領域的國際影響力。

蘇慶梅和杜高輝教授在抑制多硫化物的穿梭，提高鋰硫電池性能方面取得了重要研究進展。相關(guān)成果以“Tuningthe Band Structure of MoS₂via Co₉S₈@MoS₂Core-Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium-Sulfur Batteries”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Nano》上。蘇慶梅、杜高輝和許并社教授為共同通訊作者，我校為第一單位和唯一通訊單位。

由于理論能量密度高（2600 Wh kg^-1），成本低以及元素硫的自然資源豐富，鋰硫電池被認為是儲能設備的極佳潛在替代品。但是，由于若干嚴重的技術(shù)挑戰(zhàn)，如可溶性多硫化鋰的“穿梭效應”，緩慢的轉(zhuǎn)化反應動力學，硫和放電產(chǎn)物（Li₂S₂/Li₂S）的低電導率，以及在放電過程中高達80％的體積膨脹，使鋰硫電池的實際應用受到一定的限制。針對這一問題蘇慶梅和杜高輝教授設計了一種集高導電、高催化活性和良好吸附性能的一體化功能層。通過靜電紡絲和高溫退火處理，嚴格控制制備工藝獲得了Co₉S₈@MoS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)原子級別MoS₂包覆的精確控制。通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑實現(xiàn)了對MoS₂能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控，該結(jié)構(gòu)被用作抑制多硫化鋰穿梭效應的功能層，可以有效吸附多硫化鋰并催化Li₂S₂轉(zhuǎn)化為Li₂S，抑制多硫化鋰的穿梭，提高硫的利用率，進而優(yōu)化鋰硫電池的性能。

Co₉S₈@MoS₂/CNF用作鋰硫電池功能層的示意圖

Co₉S₈@MoS₂核殼結(jié)構(gòu)的TEM，HRTEM及STEM-mapping表征結(jié)果

Li₂S的成核實驗結(jié)果及Li₂S₂在不同功能層結(jié)合能和解吸能的DFT計算結(jié)果

【論文鏈接】

Tuning the Band Structure of MoS₂via Co₉S₈@MoS₂Core-Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium-Sulfur Batteries.ACS Nano,https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07332.

郝曉東副教授通過超臨界水合成出{100}晶面暴露的Cr摻雜CeO₂納米晶，結(jié)合先進的球差校正電子顯微鏡，深入研究了Cr摻雜元素對CeO₂納米晶中的原子結(jié)構(gòu)、離子價態(tài)、氧空位形成和分布，及影響儲氧性能的關(guān)系和規(guī)律。本研究加深了對摻雜CeO₂納米材料的缺陷形成和作用機制的理解，為設計和制備基于活性摻雜、晶面調(diào)控、納米尺寸化等功能化因素的新型的CeO₂基催化劑提供可靠的理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊Acta Materialia(IF= 7.565)（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.11.015）上。

STEM-EELS逐層定量地研究了Cr摻雜CeO2納米晶中各原子層的價態(tài)分布

馬淑芳教授利用變溫微區(qū)光致發(fā)光譜儀（PL）和球差校正電子顯微鏡（ACTEM）分析了GaN基綠光LED老化后發(fā)光性能和有源區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的變化。PL結(jié)果表明，老化后GaN基LED的發(fā)光強度下降36.8%且峰值波長藍移1.6nm；STEM觀察進一步發(fā)現(xiàn)了老化后InGaN量子阱中出現(xiàn)In間隙原子，InGaN量子阱的馳豫度達80%。結(jié)合HRXRD結(jié)果以及DFT計算，老化后GaN基綠光LED發(fā)光性能下降是由于點缺陷密度的增加、量子限制效應減弱以及量子限制斯塔克效應增強導致。本項工作利用ACTEM直接觀察到In間隙原子，揭示了點缺陷對GaN基綠光LED發(fā)光性能的影響機制。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊Appl. Phys. Lett.(IF= 3.597)（https://doi.org/10.1063/5.0021659）上。

老化前后量子阱區(qū)域的STEMHAADF圖

丁書凱副教授和杜高輝教授采用納米液滴作為納米反應器，原位光聚合二官能團單體獲得納米網(wǎng)狀交聯(lián)聚合物作為納米石墨烯片前驅(qū)體。最終在煅燒氧化還原過程中，利用納米網(wǎng)狀交聯(lián)聚合物形成二維層流石墨烯納米片基體。該基體用于鋰離子電池負極材料，在電流密度100mAg^-1，500圈下，獲得了565mAhg^-1高比容量。并且展現(xiàn)出了與金屬納米顆粒復合優(yōu)勢。相關(guān)成果發(fā)表在期刊Carbon(IF=8.821)（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.01.075）上。

有機分子限域反應制備二維層狀石墨烯納米片基體

蘇慶梅和杜高輝教授針對金屬鋰具有高的活性，與電解液會發(fā)生副反應，在電化學循環(huán)中容易損耗，導致較低的庫倫效率；且在反復沉積/剝離過程中，鋰枝晶生長刺穿隔膜引發(fā)電池內(nèi)部短路、熱失控，甚至發(fā)生起火爆炸等問題，構(gòu)筑了無機陶瓷和有機聚合物互嵌的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)復合固態(tài)電解質(zhì)，提高了離子電導率、抑制了鋰枝晶的生長、改善了鋰金屬電池的性能。利用涂覆法室溫下構(gòu)筑了Li_0.35La_0.55TiO₃納米線填充PVDF復合固態(tài)電解質(zhì)，該復合電解質(zhì)具有較高的室溫離子電導率、較寬的電化學窗口和高的機械性能，相關(guān)成果以“Li_0.35La_0.55TiO₃Nanofibers Enhanced Poly(vinylidene fluoride)-Based Composite Polymer Electrolytes for All-Solid-State Batteries”為題發(fā)表在期刊ACS Appl. Mater. & Interface(IF=8.758)(https://doi.org/10.1021/acsami.9b14824)上。

PVDF/LLTO復合固態(tài)電解質(zhì)的制備流程圖

進一步，針對高鎳正極的強氧化性和金屬鋰的強還原性，構(gòu)筑了三明治結(jié)構(gòu)的超薄復合固態(tài)電解質(zhì)，該研究中將固態(tài)電解質(zhì)的厚度控制到了9.6μm，此三明治結(jié)構(gòu)可以很好地抑制鋰枝晶的生長，并提供優(yōu)良的界面接觸，優(yōu)化電池性能，相關(guān)成果以“Ultrathin, flexible, and sandwiched structure composite polymer electrolyte membrane for solid-state lithium batteries”為題發(fā)表在期刊J.Membr. Sci. (IF=7.183) (https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118734)上。

孫東峰副教授和余愿教授采用一步溶劑熱法原位合成Bi@Bi₂O₂CO₃光催化劑，而且Bi₂O₂CO₃納米片上的Bi納米顆粒具有可調(diào)控性，通過Bi納米顆粒的等離子體效應來提高Bi₂O₂CO₃的光催化產(chǎn)氫活性。相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Colloid and Interface Science（IF=7.489）（https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.03.021）上。

Bi@Bi2O2CO3光催化產(chǎn)氫示意圖

（終審：杜楊 核稿：強濤濤 編輯：宇文翔 學生編輯：韓佳蓉）