中山大学童叶翔教授近年来工作进展

童叶翔教授简介

童叶翔，中山大学化学学院教授、博士生导师，兼任广东省表面工程协会理事和广州市电镀协会理事、中国化学会化学教育委员会委员、《大学化学》编委、广东省稀土协会理事、中国有色金属学会冶金物理化学学术委员会委员、中国化学会电化学专业委员会委员、广东省化学会秘书长；目前主要研究方向为纳米能源材料与新能源器件，包括纳米过渡金属氧化物、纳米半导体材料、光催化和电催化材料、光电化学、超级电容器和锂离子电池等；2013年1月至2018年5月以来以通讯作者身份在国外重要学术刊物上发表SCI收录论文100余篇，其中IF > 10的论文20余篇，包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.等；SCI他引次数超过18,000余次，H-index为73；42篇论文入选ESI - Highly Cited Papers，获授权国家发明专利6项；2017年入选科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思唯尔“中国高被引作者”；培养博士生7名、硕士生5名；2015年作为第一完成人获广东省科学技术成果一等奖，2017年作为第二完成人获广东省科学技术成果一等奖。

童叶翔教授课题组近年来代表性的成果包括：

（一）双核壳结构电极材料用于高能量密度柔性锂离子电池

柔性锂离子电池（FLIBs）的设计不仅取决于电极材料，还取决于整个电池设备的重量。然而，柔性基底的低容量及其与活性电极材料之间的不良相互作用导致电池整体表现出低能量密度。造成锂离子电池低能量密度的主要原因之一是活性材料（特别是过渡金属化合物和合金材料）必须生长在低比表面积和低容量的柔性基底，如碳布（CC）和Ti片上，活性物质的重量相对较低、基底材料重量较高，使柔性电池整体总重量过高，表现出低能量密度，因此需要具有较轻质量的柔性基底，同时还要改进基底材料的储能性能，使其具有较高的能量密度。

童叶翔教授课题组与广州大学的刘兆清副研究员合作，通过水热法在改性碳布得到NiCo₂O₄与多孔碳布相结合的一体化电极材料。理论计算和原位拉曼分析用于研究柔性基底上锂离子嵌入的路径和容量贡献。在此基础上，他们获得了高载量下高能量密度（314 Wh•kg^-1）的全柔性锂离子电池（总重量为281 mg），具有出色的柔韧性和良好的储能性能，为未来的便携能源开启了新的方向。相关工作发表于Energy Environ. Sci.（Energy Environ. Sci., 2018, 11, 1859）。

（二）304型不锈钢网基电分解水析氢、析氧催化电极：廉价、质优、性能超群

随着近年来化石能源的日益消耗以及环境问题的逐渐恶化，能源危机迫在眉睫，新型可持续能源的需求也与日俱增。而电催化分解水产生氢气能源的技术成为有望带领人类走出这一困境的有效途径之一。但是，由于电催化分解水活性电极多为贵金属或贵金属氧化物（如析氢催化电极铂和析氧催化电极二氧化铱），因而其居高不下的造价成本成为阻碍这一新兴技术大规模应用的问题。如何在保证电极材料具备高性能的前提下，发展其他低廉的活性电极是当下电分解水能源转化领域的研究热点之一。

童叶翔教授课题组报道了一种以304型不锈钢网为原材料，制备具有高比表面积和氮或磷原子掺杂的电分解水催化电极的方法，系统地研究了剥离腐蚀以及氮、磷原子的存在对样品电化学析氢析氧性能所造成的影响，并对其中各样品的物相组成进行了深入的分析，从而成功设计组装出具备媲美贵金属或贵金属氧化物性能的电分解水能源转化装置。所制备的电极同时具有价格低廉、性能稳定的特点，可为电分解水研究领域的科研工作者提供参考，推进电解水能源转化技术的应用。该工作已发表于Adv. Mater.（Adv. Mater., 2017, 29, 1702095）。

（三）界面调控增强锂离子储能系统性能及其机理研究

过渡金属化合物由于具有高理论容量，已被公认为替代传统石墨烯具有前途的电极材料。然而，该类材料也面临着各种问题，如氧化物/羟基/硫化物的导电性差、氮化物的结构稳定性差等。在开发新型电极材料的过程中，人们已发现多种可改善储能器件性能的策略，然而，人们对这些策略具体机理的研究却鲜有报道。因此，童叶翔教授课题组以镍基化合物为例，提出一种界面调控增强锂离子性能的机理研究。通过在氨中将氮化镍基前驱体硫化，制备出一种新型的Ni₃N@Ni₃S₂纳米片，并将其用于锂离子电池的阳极材料。独特的Ni₃N@Ni₃S₂杂化纳米片由大量Ni₃N和Ni₃S₂之间的界面组成。受Ni₃N和Ni₃S₂相界限的影响，Ni₃N具有较高的赝电容性能，Ni₃S₂具有良好的扩散控制性能，Ni₃N和Ni₃S₂电极表现出优于原始Ni₃N和Ni₃S₂电极的优异性能和倍率特性。Ni₃N和Ni₃S₂（即n-p）异质结的边界提供了额外的活性位点，导致储锂性能改善。此外，在整个电极系统中，Ni₃N作为支撑体可以有效地缓解Ni₃S₂的体积膨胀和粉碎，促进电子传输，增强电容效应并提高速率性能。Ni₃S₂还作为分散在Ni₃N界面内的稳定剂，以保持整个结构的稳定性，并有助于扩散控制能力。他们通过构筑复合材料及其界面晶格失配以提供更多的活性位点，可将不同材料的优点组合在一起，使复合材料在能量储存领域表现出突出的性能。这一成果已发表在Adv. Energy. Mater.（Adv. Energy. Mater., 2018, 8, 1701681）上。

（四）基于表面等离子体共振效应、利用可见光加速化学反应的机理研究

高效利用太阳光能一直是当前世界经济发展中急需突破的技术领域之一。而具有表面等离子体共振效应的金属纳米粒子可以吸收可见光，并将其转化为化学能，加速化学反应的进行。在这一过程中，表面等离子体共振效应会同时产生光热效应以及光电催化效应，而这两种效应目前仍然难以定量检测。因此，研究表面等离子体共振效应、利用可见光催化化学反应的机理以及定量测定其中的光热效应和光电催化效应对于这一技术的实际应用具有重要的理论和现实意义。

童叶翔教授课题组对这一课题进行研究并取得了突破性的进展。他们通过合成以金为核、修饰铂的复合纳米光电催化材料，实现了表面等离子体共振协助增强的光电催化反应。这种催化材料可以通过表面等离子体共振效应吸收可见光，使其催化活性提高近3倍。他们同时将电化学方法与表面增强拉曼光谱结合，解决了光电催化反应中光热效应和光电效应贡献比例难以量化的问题，建立了光电催化中热效应和光电效应定量计算的方法，为复合纳米光电催化材料的合成及表面等离子体共振协助增强的光电催化反应提供了理论依据。该研究成果已发表在Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11462）上。

导师介绍

童叶翔

http://www.x-mol.com/university/faculty/15345