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師從Charles Lieber、鮑哲南和崔屹的余桂華，在納米能源環境材料領域頻發頂刊！

來源：科學10分鐘時間：2020-12-02 14:40:06 瀏覽：3544次

余桂華博士，美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程系、機械工程系終身教授。2003年畢業于中國科技大學化學系，取得學士學位并獲本科生最高獎“郭沫若獎學金”，2009年于哈佛大學獲得博士學位，師從美國科學院院士和世界納米領域著名科學家Charles Lieber教授。2009年于斯坦福大學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奧斯汀分校。該團隊主要致力于納米能源環境材料，特別是功能化凝膠材料、二維能源材料。納米結構功能凝膠材料結合了傳統高分子和納米材料的特性，應用前景廣泛。在多功能凝膠的研究上取得多項突破性的科學進展，開發多功能凝膠的實際應用。其實驗室研究出的有機多功能凝膠，在未來能源器件中將有大的突破。相關詳細信息可查閱該課題組的網頁：http://yugroup.me.utexas.edu/。

目前，該團隊已在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術獎勵，他曾獲得2019年國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)100周年青年化學家獎，2018年獲美國化學會“杰出青年科學家”獎，2018年獲美國化學會能源科技新興領袖獎，2017年當選英國皇家化學學會會士(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位杰出青年創新人物之一，2010年躋身國際純粹與應用化學聯合會頒發的五位國際青年化學家獎之一等。在此，本文選擇了余桂華團隊本年度在納米能源環境材料等方面的部分工作成果進行匯總，以便大家了解和學習。

1、Nat. Rev. Mater.：用于太陽能蒸發水的材料研究進展

Nat. Rev. Mater.：用于太陽能蒸發水的材料研究進展

眾所周知，太陽能蒸發水，即利用太陽能將液態水變為水蒸氣，為綠色且高效益生產淡水奠定了基礎。目前，廣泛的實驗和理論研究集中于水管理以實現有效的太陽能產生水蒸氣。已報道一些新材料能實現高度可控和高效的太陽能到熱能的轉換，以解決從微觀到分子水平的能源-水關系中的挑戰?；诖耍?strong>余桂華團隊總結了材料設計的基本原理，以實現高效的太陽能到熱能的轉化和水蒸汽的產生。同時，作者還討論如何集成光熱材料、納米/微米結構和水材料的相互作用，以通過原位利用太陽能來提高蒸發系統的性能。此外，作者著眼于材料科學和工程，還概述了基礎研究和實際水凈化應用中納米/微米結構材料的主要挑戰和機遇。

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性研究進展

Chem. Rev.：水凝膠及其膠衍生的材料助力能源和水的可持續性研究進展

眾所周知，能源和水對現代社會至關重要，因而可持續能源存儲和轉換以及水資源管理方面的先進技術已成為研究的重點。水凝膠不僅具有傳統的生物應用，而且能應用于能量和水等領域?；诖耍?/span>余桂華團隊總結了水凝膠及其膠衍生的材料在這些領域的成果。首先，作者重點介紹了各種水凝膠的高度可調控合成，其中涉及關鍵的合成元素，例如單體/聚合物結構單元、交聯劑和功能性添加劑，并且討論了如何使用水凝膠作為前體和模板設計電化學材料的三維（3D）框架。然后，作者將基于凝膠化學對水凝膠材料的結構特性影響進行深入討論，最終針對諸如增強的離子/電子電導率、機械強度、柔性、刺激響應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構能夠在提供大表面積，同時實現快速的電荷/質量傳輸，并且可以調節聚合物的水相互作用，實現水凝膠內所需的保水、吸收和蒸發。此類結構派生的特性也進行了密切協調，以實現針對不同目標器件的多功能性和穩定性。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異技術潛力。最后，作者還研究了這些挑戰和解決它們的潛在方法，以揭示潛在的機制，并將目前水凝膠材料的發展轉化為可持續的能源和水技術。

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.：生物質衍生的混合水凝膠蒸發器用于高效的太陽能凈水

Adv. Mater.：生物質衍生的混合水凝膠蒸發器用于高效的太陽能凈水

研究發現，利用太陽能蒸發水具有高的能量轉化和利用效率，因此在廢水處理和海水淡化方面具有巨大的潛力。但是，如何實現高蒸發速率和低的成本以提供可持續太陽能驅動的凈化水系統仍然面臨巨大挑戰?；诖?，余桂華團隊將天然豐富的生物質魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan）與易于合成的鐵（Fe）基金屬有機框架衍生的光熱納米顆粒一起引入聚乙烯醇網絡中，從而以低成本的方式構建了混合水凝膠蒸發器（材料總成本為$14.9 m^-2）。該混合水凝膠蒸發器具有足夠的水分輸送、有效的水活化作用和防止鹽結垢等優點，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）的廢水中實現了3.2 kg m^-2 h^-1的高蒸發速率。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提供新的可能性，同時還能確保水質，這對于經濟貧困地區更為重要。

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域的重點。但是，該領域的主要目標是通過補充不同的技術從根本上理解催化劑的復雜性及其在特定反應中的性能。基于此，余桂華團隊和四川大學的肖丹（Dan Xiao）團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（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了Cu-N2的配位態和原子色散。此外，通過掃描電化學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一步證明分離的Cu-N2位點可以顯著提高ORR活性。

參考文獻：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.：蒸發誘導的垂直排列2D納米片實現電極中快速定向的離子傳輸

Adv. Mater.：蒸發誘導的垂直排列2D納米片實現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活性和快速的固態擴散，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，從而造成嚴重的性能損失?；诖耍?strong>余桂華團隊報道了一種基于蒸發誘導的組裝新策略，即通過形成垂直排列的納米片來實現定向性離子傳輸。在電極制造過程中，通過快速蒸發混合溶劑可以實現定向排序。對比傳統的電極，基于垂直排列的納米片電極即使在高質量負載和電極厚度下也能夠保持原有的高倍率性能，但是傳統的電極表現出納米片的隨機排列，并且隨著厚度的增加，倍率性能會明顯降低。通過電化學和結構特征的結合，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絡的分層多孔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絡的分層多孔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模上合成時，存在過程復雜和成本極高的問題，難以規模化生產。因此，理想的碳基Li-S電池電極應具有設計良好的多孔結構，以實現高S負載量和離子/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。基于此，余桂華團隊、大連理工大學的賀高紅教授和李祥村副教授等人報道了一種擴展性高且可堆疊的C/Fe₃C薄膜，該薄膜具有通過快速的離子轉移微/納米通道和聚硫化物捕集網絡，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絡的薄膜正極促進了Li⁺和電子的傳輸，同時通過在薄膜中摻雜Fe₃C納米顆?？梢栽鰪妼iPS的化學吸附，有效地捕獲可溶性多硫化物中間體（LiPSs）。進一步研究證明，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負載量的五層膜電極，該電極在100次循環后，仍可提供726 mA h g^-1的高容量，相當于在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，可擴展的多功能膜電極在高S負載量和稀薄電解液條件下具有優異的電化學性能，在實際的Li電池中具有廣闊的應用前景。

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構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構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模的儲能上。然而，缺乏高容量和長循環穩定性的負極嚴重阻礙了SIBs的商業化。基于此，余桂華團隊和澳大利亞伍倫貢大學的Zhongchao Bai等人報道了一種在3D有序大孔（3DOM）碳上強力結合的超薄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復合材料具有高容量（在電流密度為0.5 A g^-1時，100次循環后仍具有410 mA h g^-1的高容量，基于MoSe₂@C的總重量）、優異的倍率性能（10 A g^-1，279 mA h g^-1）和長的循環穩定性（5 A g^-1，2000次循環后，容量仍為384 mA h g^-1）。這是因為由2D MoSe₂納米片構建的雜化結構與3DOM碳基結構之間的協同效應，可以提供更大的層間距（單層為0.76 nm），從而促進Na⁺沉積/溶解。而Mo-C的強電子耦合鍵的結合，促進了快速的電子/離子轉移，并且有序的立體腔適應了體積的膨脹并防止了MoSe₂納米片在循環時的堆疊。

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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