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研究新突破！這位大牛，狂發(fā)頂刊150余篇，引用超3.2w次
來(lái)源： 時(shí)間：2023-12-06 15:12:45 瀏覽：3485次

姚彥，休斯敦大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系講席教授、德州超導(dǎo)中心成員，休斯敦大學(xué)能源存儲(chǔ)微電網(wǎng)中心副主任，美國(guó)發(fā)明家學(xué)院高級(jí)會(huì)員，科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士。



姚彥教授2000年獲復(fù)旦大學(xué)學(xué)士學(xué)位。隨后繼續(xù)在復(fù)旦大學(xué)攻讀碩士，2003年獲復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位。2008年，姚彥教授獲加州大學(xué)洛杉磯分校博士學(xué)位。之后在工業(yè)界和斯坦福大學(xué)從事產(chǎn)業(yè)化及相關(guān)的基礎(chǔ)研究，在此期間完成了斯坦福大學(xué)博士后的研究工作。2012年，姚彥教授離開(kāi)斯坦福大學(xué)，以助理教授的身份加入休斯頓大學(xué)。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(xué)正式聘請(qǐng)為講席教授。


十年時(shí)間里，姚教授被先后授予十余項(xiàng)研究獎(jiǎng)，其帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Materials、Nature Energy、Nature Comunications、Science Advances、J. Am. Chem. Soc、Angewan、Joule等世界頂級(jí)期刊發(fā)表高水平論文150余篇，學(xué)術(shù)性演講講座超過(guò)120場(chǎng)，論文總引用超過(guò)32000次（圖1）。


圖1 谷歌學(xué)術(shù)檢索姚彥教授學(xué)術(shù)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(xué)體系、有機(jī)光電材料與器件領(lǐng)域均做出了重要貢獻(xiàn)，尤其是對(duì)多價(jià)離子電池、水系電池、鈉離子電池。


有鑒于此，筆者一覽國(guó)內(nèi)外頂級(jí)期刊上近期有關(guān)姚彥教授課題組發(fā)表的相關(guān)研究，介紹解讀了其中部分最新研究成果，“看一看”大牛的關(guān)注點(diǎn)，希望能給相關(guān)領(lǐng)域科研工作者帶來(lái)一絲啟發(fā)。




最新成果解讀


1. Matter：可持續(xù)殼聚糖-鋅電解質(zhì)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(shí)現(xiàn)碳中和，開(kāi)發(fā)用于儲(chǔ)存可再生能源的可持續(xù)、可充電電池至關(guān)重要。其中，使用鋅金屬負(fù)極和水系電解質(zhì)的鋅電池，由于其固有的安全性、快速充放電能力、環(huán)境友好、材料豐富和低成本特性，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，鋅金屬負(fù)極極易產(chǎn)生鋅枝晶，導(dǎo)致電池的循環(huán)穩(wěn)定性迅速遭到破壞，商業(yè)化應(yīng)用遙遙無(wú)期。開(kāi)發(fā)具有高機(jī)械強(qiáng)度、高倍率能力和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的鋅金屬電池迫在眉睫。


有鑒于此，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和休斯敦大學(xué)姚彥教授設(shè)計(jì)了一種鋅配位殼聚糖作為鋅電池電解質(zhì)。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(guò)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(zhì)（圖2）。結(jié)果表明，高密度殼聚糖-鋅電解質(zhì)具有良好的可逆性、高機(jī)械強(qiáng)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(kù)倫效率循環(huán)超過(guò)1000次（圖3）。此外，這種殼聚糖基電解質(zhì)的可生物降解特性使制造可生物降解和可持續(xù)的鋅電池成為可能。因此，該生物聚合物殼聚糖基電解質(zhì)及其設(shè)計(jì)策略將推動(dòng)用于綠色儲(chǔ)能的高性能和可持續(xù)生物聚合物基電解質(zhì)的發(fā)展。


圖2 殼聚糖-鋅電解質(zhì)的設(shè)計(jì)及形貌


圖3 基于殼聚糖-鋅電解質(zhì)的鋅金屬電池的電化學(xué)性能



2. Nature Communications：室溫形成的電化學(xué)穩(wěn)定的均質(zhì)玻璃狀電解質(zhì)用于全固態(tài)鈉電池


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


基于固態(tài)電解質(zhì)和鈉金屬負(fù)極的全固態(tài)鈉金屬電池，因其高安全、低成本和高比能等顯著優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一，但固態(tài)電解質(zhì)與鈉金屬負(fù)極間的不穩(wěn)定界面是限制全固態(tài)鈉金屬電池發(fā)展的最主要瓶頸。目前鈉離子固態(tài)電解質(zhì)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(shí)滿足機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)以及制備加工等多方面的要求。


有鑒于此，美國(guó)休斯敦大學(xué)姚彥和愛(ài)荷華州立大學(xué)Martin教授團(tuán)隊(duì)合作，巧妙地通過(guò)將硫化物和氧化物固態(tài)電解質(zhì)體系有機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了一種新型氧硫化物Na3PS4-xOx（0<x≤0.60）均質(zhì)玻璃固態(tài)電解質(zhì)體系（圖4），實(shí)現(xiàn)了該電解質(zhì)的超高致密度和無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷特性，使得鈉金屬枝晶的形成和刺穿等問(wèn)題得到有效抑制。此外，新型氧硫化物玻璃固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)體系優(yōu)異的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性（圖5），組裝的鈉金屬對(duì)稱電池和鈉-硫全固態(tài)電池分別表現(xiàn)出目前文獻(xiàn)報(bào)道最高的臨界電流密度和能量密度。該研究成果進(jìn)一步推動(dòng)了固態(tài)鈉電池的規(guī)?；瘧?yīng)用進(jìn)程。


圖4 Na3PS4-xOx固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析


圖5 基于Na3PS4-xOx固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)性能



3. Materials Today：電化學(xué)溶脹誘導(dǎo)鎂離子電池多孔聚合物正極實(shí)現(xiàn)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(fù)極資源豐富、安全性高、體積比容量高（3833 mAh cm-3）等特點(diǎn)，成為大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的潛在候選者。其中，有機(jī)聚合物作為正極材料具有來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、成本低、不含過(guò)渡金屬等特點(diǎn)，在鎂電池中的應(yīng)用已經(jīng)有較多報(bào)道。然而，目前報(bào)道的大部分有機(jī)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(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用。


有鑒于此，深圳大學(xué)何傳新教授和休斯敦大學(xué)姚彥教授聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種柔性孔狀聚合物電極（PSHATN），具有98%的ηMg/ηLi和196 mAh g-1的可逆儲(chǔ)存容量。通過(guò)電化學(xué)阻抗測(cè)試、原位光學(xué)顯微技術(shù)測(cè)試等方法，作者證明了PSHATN電極容量與其電化學(xué)溶脹過(guò)程具有強(qiáng)相關(guān)性，進(jìn)一步分析證明了線性聚合物不充分的電化學(xué)溶脹過(guò)程是限制離子傳輸和材料利用率的關(guān)鍵（圖6）。相比于易于鏈段纏結(jié)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(xué)溶脹更充分，其鎂離子擴(kuò)散系數(shù)（10-9 cm2 s-1）比線性聚合物（記為PAQS和PNDIE）提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖7）。該研究證明了聚合物電化學(xué)溶脹過(guò)程對(duì)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(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。


圖6 多孔聚合物與線性聚合物的電化學(xué)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(duì)比


4. eScience：電解質(zhì)陰離子對(duì)水系電池中聚合物電極循環(huán)壽命的影響


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


隨著傳統(tǒng)能源的枯竭，人們對(duì)電能存儲(chǔ)的龐大需求正在推動(dòng)低成本、長(zhǎng)循環(huán)儲(chǔ)能裝置的快速發(fā)展?？紤]其需求量巨大，儲(chǔ)能材料應(yīng)選擇地殼儲(chǔ)量豐富的元素，并且可以用節(jié)能、環(huán)保的方法合成。在各種候選材料中，有機(jī)聚合物正極材料在可持續(xù)性方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它們由儲(chǔ)量豐富的元素（C、H和O）組成，并能通過(guò)低碳工藝合成。此外，聚合物能存儲(chǔ)的離子種類多樣，且通常比有機(jī)小分子電極具有更長(zhǎng)的壽命，雖然一些研究已經(jīng)認(rèn)識(shí)到電解液的選擇對(duì)聚合物電極的循環(huán)壽命存在影響，但仍缺乏對(duì)機(jī)理的深入理解。


有鑒于此，美國(guó)休斯敦大學(xué)姚彥教授團(tuán)隊(duì)[4]通過(guò)電化學(xué)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(duì)聚合物循環(huán)壽命的影響，并發(fā)現(xiàn)在聚苯醌基硫醚（PBQS）中存在Zn2+和陰離子混合存儲(chǔ)機(jī)制（圖8）。作者通過(guò)對(duì)電極微觀結(jié)構(gòu)和電池壓力變化的分析，發(fā)現(xiàn)電極體積變化會(huì)造成電極裂紋，導(dǎo)致電池容量衰減。在Zn(CF3SO3)2中測(cè)試的電極體積變化相比ZnSO4減少了61%（圖9）。原位紅外光譜進(jìn)一步揭示了體積變化程度與陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)相關(guān)，并對(duì)電池的循環(huán)壽命起主導(dǎo)作用。這項(xiàng)工作為不同聚合物電極與電池循環(huán)壽命的影響研究提供了思路。


圖8 聚合物電極的儲(chǔ)能機(jī)理


圖9  基于電化學(xué)石英晶體微天平的電池壓力隨電化學(xué)循環(huán)的變化


參考文獻(xiàn)

[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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