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研究新突破！這位大牛，狂發頂刊150余篇，引用超3.2w次

來源：時間：2023-12-06 15:12:45 瀏覽：3244次

姚彥，休斯敦大學電子與計算機工程系講席教授、德州超導中心成員，休斯敦大學能源存儲微電網中心副主任，美國發明家學院高級會員，科睿唯安“全球高被引科學家”，英國皇家化學會會士。

姚彥教授2000年獲復旦大學學士學位。隨后繼續在復旦大學攻讀碩士，2003年獲復旦大學碩士學位。2008年，姚彥教授獲加州大學洛杉磯分校博士學位。之后在工業界和斯坦福大學從事產業化及相關的基礎研究，在此期間完成了斯坦福大學博士后的研究工作。2012年，姚彥教授離開斯坦福大學，以助理教授的身份加入休斯頓大學。隨后幾年，姚彥教授醉心科研，先后晉升為副教授、正教授，并于2022年被休斯頓大學正式聘請為講席教授。

十年時間里，姚教授被先后授予十余項研究獎，其帶領的研究團隊在Nature Materials、Nature Energy、Nature Comunications、Science Advances、J. Am. Chem. Soc、Angewan、Joule等世界頂級期刊發表高水平論文150余篇，學術性演講講座超過120場，論文總引用超過32000次（圖1）。

圖1 谷歌學術檢索姚彥教授學術成果信息

姚彥教授主要從事新能源、新材料的研究，在多種電池化學體系、有機光電材料與器件領域均做出了重要貢獻，尤其是對多價離子電池、水系電池、鈉離子電池。

有鑒于此，筆者一覽國內外頂級期刊上近期有關姚彥教授課題組發表的相關研究，介紹解讀了其中部分最新研究成果，“看一看”大牛的關注點，希望能給相關領域科研工作者帶來一絲啟發。

最新成果解讀

1. Matter：可持續殼聚糖-鋅電解質用于高倍率鋅金屬電池

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238522004143

為了減少碳排放實現碳中和，開發用于儲存可再生能源的可持續、可充電電池至關重要。其中，使用鋅金屬負極和水系電解質的鋅電池，由于其固有的安全性、快速充放電能力、環境友好、材料豐富和低成本特性，成為人們關注的焦點。然而，鋅金屬負極極易產生鋅枝晶，導致電池的循環穩定性迅速遭到破壞，商業化應用遙遙無期。開發具有高機械強度、高倍率能力和長循環穩定性的鋅金屬電池迫在眉睫。

有鑒于此，馬里蘭大學胡良兵教授和休斯敦大學姚彥教授設計了一種鋅配位殼聚糖作為鋅電池電解質。作者首先將殼聚糖生物聚合物與Zn2+飽和的氫氧化鈉溶液中互溶，然后通過壓縮材料擠出多余的水，形成致密的殼聚糖-Zn膜，從而形成種凝膠電解質（圖2）。結果表明，高密度殼聚糖-鋅電解質具有良好的可逆性、高機械強度和良好的鋅沉積形貌，在50 mA cm-2的電流密度下，能夠以99.7%的庫倫效率循環超過1000次（圖3）。此外，這種殼聚糖基電解質的可生物降解特性使制造可生物降解和可持續的鋅電池成為可能。因此，該生物聚合物殼聚糖基電解質及其設計策略將推動用于綠色儲能的高性能和可持續生物聚合物基電解質的發展。

圖2 殼聚糖-鋅電解質的設計及形貌

圖3 基于殼聚糖-鋅電解質的鋅金屬電池的電化學性能

2. Nature Communications：室溫形成的電化學穩定的均質玻璃狀電解質用于全固態鈉電池

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30517-y

基于固態電解質和鈉金屬負極的全固態鈉金屬電池，因其高安全、低成本和高比能等顯著優勢，被認為是最有前景的大規模儲能技術之一，但固態電解質與鈉金屬負極間的不穩定界面是限制全固態鈉金屬電池發展的最主要瓶頸。目前鈉離子固態電解質主要有氧化物陶瓷基和硫化物玻璃基兩大類，但兩者均難以同時滿足機械、化學、電化學以及制備加工等多方面的要求。

有鑒于此，美國休斯敦大學姚彥和愛荷華州立大學Martin教授團隊合作，巧妙地通過將硫化物和氧化物固態電解質體系有機結合，開發出了一種新型氧硫化物Na₃PS_4-xO_x（0<x≤0.60）均質玻璃固態電解質體系（圖4），實現了該電解質的超高致密度和無結構缺陷特性，使得鈉金屬枝晶的形成和刺穿等問題得到有效抑制。此外，新型氧硫化物玻璃固態電解質與鈉金屬在界面處形成了自鈍化的界面SEI層，賦予該電解質體系優異的化學和電化學穩定性（圖5），組裝的鈉金屬對稱電池和鈉-硫全固態電池分別表現出目前文獻報道最高的臨界電流密度和能量密度。該研究成果進一步推動了固態鈉電池的規模化應用進程。

圖4 Na₃PS_4-xO_x固態電解質的結構分析

圖5 基于Na₃PS_4-xO_x固態電解質的電化學性能

3. Materials Today：電化學溶脹誘導鎂離子電池多孔聚合物正極實現高利用率

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000967?via%3Dihub

可充電鎂電池因鎂金屬負極資源豐富、安全性高、體積比容量高（3833 mAh cm-3）等特點，成為大規模儲能技術的潛在候選者。其中，有機聚合物作為正極材料具有來源廣泛、環境友好、成本低、不含過渡金屬等特點，在鎂電池中的應用已經有較多報道。然而，目前報道的大部分有機聚合物正極材料在鎂電解液中的容量都比較低，材料利用率比（ηMg/ηLi）也很低，這也限制了鎂離子電池的大規模儲能應用。

有鑒于此，深圳大學何傳新教授和休斯敦大學姚彥教授聯合開發了一種柔性孔狀聚合物電極（PSHATN），具有98%的η_Mg/η_Li和196 mAh g^-1的可逆儲存容量。通過電化學阻抗測試、原位光學顯微技術測試等方法，作者證明了PSHATN電極容量與其電化學溶脹過程具有強相關性，進一步分析證明了線性聚合物不充分的電化學溶脹過程是限制離子傳輸和材料利用率的關鍵（圖6）。相比于易于鏈段纏結的線性聚合物和具有剛性骨架的COF孔狀正極材料，柔性孔狀聚合物PSHATN因具有大的孔徑和柔性鏈而使得電化學溶脹更充分，其鎂離子擴散系數（10^-9 cm² s^-1）比線性聚合物（記為PAQS和PNDIE）提升了一個數量級（圖7）。該研究證明了聚合物電化學溶脹過程對于提升離子傳輸能力和提高材料利用率具有重要作用，為鎂離子電池大規模應用奠定了基礎。

圖6 多孔聚合物與線性聚合物的電化學溶脹示意圖

圖7 多孔聚合物PSHATN與線性聚合物PAQS、PNDIE的材料利用率對比

4. eScience：電解質陰離子對水系電池中聚合物電極循環壽命的影響

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667141722000027

隨著傳統能源的枯竭，人們對電能存儲的龐大需求正在推動低成本、長循環儲能裝置的快速發展。考慮其需求量巨大，儲能材料應選擇地殼儲量豐富的元素，并且可以用節能、環保的方法合成。在各種候選材料中，有機聚合物正極材料在可持續性方面表現出獨特的優勢。它們由儲量豐富的元素（C、H和O）組成，并能通過低碳工藝合成。此外，聚合物能存儲的離子種類多樣，且通常比有機小分子電極具有更長的壽命，雖然一些研究已經認識到電解液的選擇對聚合物電極的循環壽命存在影響，但仍缺乏對機理的深入理解。

有鑒于此，美國休斯敦大學姚彥教授團隊[4]通過電化學石英晶體微天平和原位紅外光譜研究，研究了電解液中陰離子對聚合物循環壽命的影響，并發現在聚苯醌基硫醚（PBQS）中存在Zn2+和陰離子混合存儲機制（圖8）。作者通過對電極微觀結構和電池壓力變化的分析，發現電極體積變化會造成電極裂紋，導致電池容量衰減。在Zn(CF₃SO₃)₂中測試的電極體積變化相比ZnSO₄減少了61%（圖9）。原位紅外光譜進一步揭示了體積變化程度與陰離子溶劑化結構相關，并對電池的循環壽命起主導作用。這項工作為不同聚合物電極與電池循環壽命的影響研究提供了思路。

圖8 聚合物電極的儲能機理

圖9 基于電化學石英晶體微天平的電池壓力隨電化學循環的變化

參考文獻

[1] Meiling Wu, Ye Zhang, Lin Xu, Chunpeng Yang, Min Hong, Mingjin Cui, Bryson C. Clifford, Shuaiming He, Shuangshuang Jing, Yan Yao, and Liangbing Hu. A sustainable chitosan-zinc electrolyte for high-rate zinc-metal batteries. Matter 5, 3402-3416. https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.07.015

[2] Xiaowei Chi, Ye Zhang, Fang Hao, Steven Kmiec, Hui Dong, Rong Xu, Kejie Zhao, Qing Ai, Tanguy Terlier, Liang Wang, Lihong Zhao, Liqun Guo, Jun Lou, Huolin L. Xin, Steve W. Martin & Yan Yao. An electrochemically stable homogeneous glassy electrolyte formed at room temperature for all solid-state sodium batteries. Nat Commun 13, 2854 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30517-y

[3] Xiaojun Wang, Hui Dong, Alae Eddine Lakraychi, Ye Zhang, Xu Yang, Hongzhi Zheng, Xinpeng Han, Xiaonan Shan, Chuanxin He, Yan Yao. Electrochemical swelling induced high material utilization of porous polymers in magnesium electrolytes. Materials Today 55, 2022, 29-36. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.04.010

[4] Ye Zhang, Lihong Zhao, Yanliang Liang, Xiaojun Wang, Yan Yao. Effect of electrolyte anions on the cycle life of a polymer electrode in aqueous batteries. eScience 2 (2022) 110–115. https://doi.org/10.1016/j.esci.2022.01.002

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