温州大学王舜教授课题组近年来重要工作进展

王舜，瓯江特聘教授，博士生导师，温州大学化学与材料工程学院院长；长期致力于面向高效能量储存与转化的碳基和碲基三维超结构纳米固体的原创性设计、制备、多尺度结构与性能关系的基础科学研究和应用探索，发表SCI论文80余篇，其中以第一/通讯作者发表IF>20的学术论文5篇、IF>10的11篇，包括Nature Communications（1篇）、Journal of the American Chemical Society（2篇）、Advanced Materials（2篇）、Advanced Energy Materials（3篇）、Nano Energy（2篇）以及Energy Storage Materials（1篇）等；多项研究成果被全球科技媒体如英国Nature China作为研究亮点报道，并应邀为Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Energy、J. Mater. Chem. A 等撰写综述论文；多次组织和担任国际国内学术会议大会主席、副主席，并应邀在国际和国内会议、高校及科研院所做报告30余场；先后入选并担任中国化学会电化学委员会委员、国际电化学能源科学院理事会理事、浙南科技城-温州大学新材料与产业技术研究院院长以及浙江省化学一流学科方向带头人，获评教育部自然科学奖二等奖，浙江省科学技术奖一等奖、二等奖，浙江省优秀教师以及温州市杰出人才等荣誉；与John Wiley & Sons Inc.公司合作创办碳能源领域学术期刊Carbon Energy 并担任主编，同时受邀担任Chinese Chemical Letters 编委。

王舜教授课题组近五年代表性的创新成果包括：

（一）围绕三维碳基超结构纳米固体储锂体系，以提高能量储存密度、倍率性能及循环稳定性为目标，建立了多种储能增强新机制和量化合成新方法，设计发展了多种具有新颖结构的高比能和高稳定性的储锂纳米固体，并实现了规模化的制备与应用；系列成果发表在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.以及Energy Storage Mater.等国际顶尖学术期刊上，并应邀在Adv. Mater.、Nano Energy 以及J. Mater. Chem. A上发表3篇综述论文；获授权中国发明专利15项，申请国际发明专利1项，2项技术进入中试开发。

Li-S和Li-Te_xS_y等电池是一类很有发展前景的新一代高比能电池，被认为是未来锂离子电池潜在的理想替代品，在电动汽车、智能电网等领域具有广泛的应用价值。然而，上述新型储能电池的产业化应用仍面临诸多重大的挑战：一是硫、碲及其放电产物的导电性差，导致电池的倍率性能不理想；二是充放电过程中形成的多硫化锂中间产物易溶于电解液，不但增加了电解液的黏度，降低离子的导电性，而且造成电池性能的大幅度衰减；三是硫、碲在嵌锂过程中体积膨胀大，存在粉化失效的问题。因此，如何减少硫、碲等活性物质的溶失，如何在保证高导电的基础上实现活性物质的高载量以提高电池的比能量和倍率性能，这些都是目前纳米储锂固体在实际应用过程中亟待解决的关键难题。围绕上述科学问题，该课题组开展了系统的研究，并取得了多项原创性成果：

（1）利用多硫化锂与蒽醌的强化学作用，在国际上率先提出了“化学吸附固硫”的创新思想，设计了高载量石墨烯/蒽醌/硫复合纳米固体，实现了硫活性物质溶失的有效抑制，为构筑面向低成本、长寿命、高比能锂硫电池应用的硫正极材料开辟了新的途径。

在前期通过构建三明治型石墨烯基多级孔碳纳米片、三维碳片纳米花以及氮掺杂碳纳米花等物理限域固硫的基础上，该课题组创新性地利用π-π堆积作用，将低成本的蒽醌类有机小分子自组装于高导电性的石墨烯表面，简单地构建了高载硫的小分子功能化石墨烯/硫复合纳米固体；首次利用原位XRD分析并通过蒽醌类小分子中酮基对多硫化锂的强“化学吸附作用”，实现了硫活性物质溶失的有效抑制，为构筑低成本、长寿命、高比能锂硫电池的硫正极材料开创了新的思路与方法；研究成果发表在Nature Communications（Nat. Commun., 2018, 9, 705）上，并应邀在Advanced Materials（Adv. Mater., 2018, 30, e1705590）上发表综述论文。

图1. 石墨烯/蒽醌/硫复合纳米固体的设计制备示意图

（2）开创性地建立了一种普适的基于非线性电化学技术促进无机纳米晶-导电共聚物紧密结合的新方法，量化制备了具有新颖核壳结构的Te-Te_xS_y@聚苯胺无机-有机杂化纳米棒储锂固体，并首次利用原位TEM观察到嵌锂过程中体积不膨胀的棒状非晶硫碲纳米固体，实现了高比能Li-Te_xS_y电池长期循环的稳定性和优异的倍率性能；研究成果发表在国际权威期刊Energy Storage Materials（Energy Storage Mater., 2019, 16, 31）上。

图2. 基于非线性电化学制备Te-Te_xS_y@聚苯胺杂化纳米棒的示意图

（二）围绕无机氢、氧能量转化体系，通过缺陷工程调控材料的电子结构和活性位点，实现了碲基和碳基三维超结构纳米固体催化活性的显著提升；系列成果发表在J. Am. Chem. Soc.以及Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶尖学术期刊上。

（1）开创性地提出并建立了无模板导向的卤代烃原位脱卤聚合的新方法，直接可控合成出具有高密度活性位点的石墨烯量子点镶嵌的石墨烯纳米带杂化超结构纳米固体，作为一种无金属全碳电催化剂具有目前碱性燃料电池阴极最高的氧还原活性（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 7588）。该成果揭示了本征碳缺陷对电催化活性的显著增强作用，加深了对氧还原机理和活性结构性质的认识，为设计高性能碳基无金属氧还原电催化剂提供了重要的实验和理论依据；多次被国内外同行在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.等顶尖期刊中作为缺陷增强无金属氧还原催化剂的经典范例给予广泛的引用和详细的介绍。世界知名碳材料研究专家Rodney S. Ruoff教授在Chem. Soc. Rev.（Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4417）上充分肯定了该成果，认为该工作发展了一种基于表面和界面丰富缺陷促进的高效氧还原催化剂；清华大学的张强教授在Adv. Mater.（Adv. Mater., 2017, 29, 1604103）综述中惊奇于该成果“甚至可用石墨烯量子点作为吸电子组分功能化石墨烯，构筑无金属氧还原的催化剂。”

图3. 石墨烯纳米带/石墨烯量子点杂化材料的合成、结构及氧还原性能表征

（2）提出并建立了以高反应活性、强导电性以及宽光谱吸收的碲纳米管作为自牺牲模板、空穴输运载体及助催化剂的结构-功能协同设计思想，通过无模板导向的微波辅助热解反应新路线，获得了系列具有新颖“葫芦串”结构的多组分硫化镉基太阳能光解水制氢纳米固体催化剂，实现了电子与空穴的快速分离、界面固溶体的形成以及太阳光利用率的同步提升，为解决传统硫化镉基光催化剂活性低、稳定性不理想提供了新的思路与方法（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 11004）。该系列成果被中国工程院院士、南京大学邹志刚教授评价为“构建了新的电子结构”，被Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等顶级期刊作为一种空穴输运材料偶合增强耐光腐蚀性的新方法广泛引用和详细介绍。

图4. Te-CdS葫芦串和Te-PbS哑铃

（三）通过杂化和孔结构调控，设计合成了多种具有超高密度的杂原子掺杂多级孔碳基三维超结构纳米固体储能材料，大幅度提升了碳基水系超级电容器的体积容量、体积能量密度以及倍率性能；系列成果发表在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Energy Mater.等国际顶尖学术期刊上。

（1）创造性地提出了基于-Si-O-C-化学键共价桥连促进石墨烯三维有序组装的新方法，实现了单层氧化石墨烯片在油-水两相界面上的原位还原和同步三维共价组装，可控构筑了高强度三维互通纳米多孔结构的泡沫状石墨烯宏观体。该方法不仅解决了传统石墨烯片在实际应用过程中易于面/面聚集造成有效比表面积急剧降低以及不易加工成型等难题，而且有效地发挥了单层石墨烯构筑单元在分子水平的集合增强效应，使该泡沫状石墨烯宏观体材料不但具有目前三维自支撑碳基多孔材料最高的硬度（13.95 GPa），而且具有优异的电学和热学性能；研究结果发表在Adv. Mater.（Adv. Mater., 2018, 30, e1707424）上，该工作为三维超结构材料的构筑与性能拓展提供了新的设计思路和实践方法。

（2）创新性地利用可再生的廉价生物质杨梅、鸡蛋等作为前驱体，低成本量化制备了铁/氮/硫共掺杂的多级孔碳球/片杂化纳米固体（FeSN-C）储能材料。该材料创造了生物质碳基材料迄今最高的体积比电容（1320.4 F/cm³）和体积比能量（221.9 Wh•L^-1）以及大电流充放电（100 A•g^-1）条件下的最长循环寿命（>10万次）；研究结果发表在全球权威期刊Adv. Energy Mater.（Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1702695）上，并受邀在Adv. Energy Mater.（Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1801007）上发表综述论文。

王舜教授课题组聚焦氢、氧、锂、钠等轻质材料的储能体系及化学能/光能-电能转化体系，利用表界面化学和缺陷工程策略，建立了多种增强能量储存与转化效率的新原理和新机制，设计发展了多种具有新颖结构的低成本、高性能、长寿命的碳基和碲基纳米固体，并实现了规模化的制备与应用。

导师介绍

王舜

http://www.x-mol.com/university/faculty/13489

代表性论文

[1] G. Li, X. L. Wang, M. H. Seo, M. Li, L. Ma, Y. F. Yuan, T. P. Wu, A. P. Yu, S. Wang*, J. Lu*, Z. W. Chen*. Chemisorption of polysulfides through redox reactions with organic molecules for lithium-sulfur batteries. Nat. Commun., 2018, 9, 705.

[2] H. Jin, Y. Bu, J. Li, J. Liu, X. Feng, L. Dai, J. Wang, J. Lu*, S. Wang*. Strong graphene 3D assemblies with high elastic recovery and hardness. Adv. Mater., 2018, 30, e1707424.

[3] G. R. Li, S. Wang*, Y. N. Zhang, M. Li, Z. W. Chen*, J. Lu*. Revisiting the role of polysulfides in lithium-sulfur batteries. Adv. Mater., 2018, 30, 1705590.

[4] J. Hu, A. Liu, H. Jin, D. Ma, D. Yin, P. Ling, S. Wang*, Z. Lin*, J. Wang*. A versatile strategy for shish-kebab-like multi-heterostructured chalcogenides and enhanced photocatalytic hydrogen evolution. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 11004.

[5] H. Jin, H. Huang, Y. He, X. Feng, S. Wang,* L. Dai,* J. Wang*. Metal-free graphene quantum dots supported by graphene nanoribbons with ultrahigh electrocatalytic performance for oxygen reduction. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 7588.

[6] X. M. Dong, H. Jin, R. Wang, J. Zhang, X. Feng, C. Yan, S. Chen, S. Wang*, J. Wang*, J. Lu*. High volumetric capacitance, ultralong life supercapacitors enabled by waxberry-derived hierarchical porous carbon materials. Adv. Energy Mater., 2018, 8, 170269.

[7] H. Jin, J. Li, Y. Yuan, J. Wang, J. Lu*, S. Wang*. Recent progress in biomass‐derived electrode materials for high volumetric performance supercapacitors. Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1801007.

[8] Z. Xing, S. Wang*, A. Yu, Z. Chen*. Aqueous intercalation-type electrode materials for grid-level energy storage: Beyond the limits of lithium and sodium. Nano Energy, 2018, 50, 229.

[9] J. Li, Y. Yuan, H. Jin, H. Lu, A. Liu, D. Yin, J. Wang, J. Lu*, S. Wang*. One-step nonlinear electrochemical synthesis of Te_xS_y@PANI nanorod materials for Li-Te_xS_y battery. Energy Storage Mater., 2019, 16, 31.

[10] M. Chen, D. Cortie, Z. Hu, H. Jin, S. Wang*, Q. Gu, W. Hua, E. Wang, W. Lai, L. Chen, S. Chou*, X. Wang, S. Dou. A novel graphene oxide wrapped Na₂Fe₂(SO₄)₃/C cathode composite for long life and high energy density sodium-ion batteries. Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1800944.