材料原子?分子科學研究所在《ACS Nano》等國際知名期刊發表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。相關成果以“Tuningthe Band Structure of MoS₂via Co₉S₈@MoS₂Core-Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium-Sulfur Batteries”為題發表在國際知名期刊《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挑戰，如可溶性多硫化鋰的“穿梭效應”，緩慢的轉化反應動力學，硫和放電產物（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異質結構，實現原子級別MoS₂包覆的精確控制。通過異質結構的構筑實現了對MoS₂能帶結構的調控，該結構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轉化為Li₂S，抑制多硫化鋰的穿梭，提高硫的利用率，進而優化鋰硫電池的性能。

Co₉S₈@MoS₂/CNF用作鋰硫電池功能層的示意圖

Co₉S₈@MoS₂核殼結構的TEM，HRTEM及STEM-mapping表征結果

Li₂S的成核實驗結果及Li₂S₂在不同功能層結合能和解吸能的DFT計算結果

【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納米晶中的原子結構、離子價態、氧空位形成和分布，及影響儲氧性能的關系和規律。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和實驗數據。相關成果發表在國際知名期刊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分布

馬淑芳教授利用變溫微區光致發光譜儀（PL）和球差校正電子顯微鏡（ACTEM）分析了GaN基綠光LED老化后發光性能和有源區微觀結構的變化。PL結果表明，老化后GaN基LED的發光強度下降36.8%且峰值波長藍移1.6nm；STEM觀察進一步發現了老化后InGaN量子阱中出現In間隙原子，InGaN量子阱的馳豫度達80%。結合HRXRD結果以及DFT計算，老化后GaN基綠光LED發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發光性能的影響機制。相關成果發表在國際知名期刊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狀交聯聚合物作為納米石墨烯片前驅體。最終在煅燒氧化還原過程中，利用納米網狀交聯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。并且展現出了與金屬納米顆粒復合優勢。相關成果發表在期刊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，與電解液會發生副反應，在電化學循環中容易損耗，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電池內部短路、熱失控，甚至發生起火爆炸等問題，構筑了無機陶瓷和有機聚合物互嵌的雙連續結構復合固態電解質，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筑了Li_0.35La_0.55TiO₃納米線填充PVDF復合固態電解質，該復合電解質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，相關成果以“Li_0.35La_0.55TiO₃Nanofibers Enhanced Poly(vinylidene fluoride)-Based Composite Polymer Electrolytes for All-Solid-State Batteries”為題發表在期刊ACS Appl. Mater. & Interface(IF=8.758)(https://doi.org/10.1021/acsami.9b14824)上。

PVDF/LLTO復合固態電解質的制備流程圖

進一步，針對高鎳正極的強氧化性和金屬鋰的強還原性，構筑了三明治結構的超薄復合固態電解質，該研究中將固態電解質的厚度控制到了9.6μm，此三明治結構可以很好地抑制鋰枝晶的生長，并提供優良的界面接觸，優化電池性能，相關成果以“Ultrathin, flexible, and sandwiched structure composite polymer electrolyte membrane for solid-state lithium batteries”為題發表在期刊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的光催化產氫活性。相關成果發表在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）