德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队近年来在能源凝胶材料重要开创性工作概览

余桂华教授简介

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系、机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）。余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化纳米材料的合理设计和合成，尤其在能源水凝胶的新兴材料的开创性工作，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源、环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Chem, Joule, JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Nano Today, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国际著名科技刊物上发表论文130余篇（近110余篇在影响因子大于10的科学杂志），论文引用~22000次，H-index~70。其发表工作曾被多个国际媒体亮点报道，其中包括Nature News, Science News, ABC News, Fox News, Forbes, Discover, National Geographic, Science Daily, R&D Magazine, MIT Technology Review, Popular Science, Ars Technica, C&EN, IEEE Spectrum, Chemistry World, Materials World, MRS Bulletin等。

余桂华教授现任ACS Mater. Lett.副主编，也兼任一系列国际著名化学和材料科技期刊的编委：Chem (Cell Press), ACS Cent. Sci., Chem. Mater. (ACS), Sci. Rep. (Nature Publishing), Energy Storage Mater. (Elsevier), Sci. China Chem., Sci. China Mater. (Science China Press), Batteries Supercaps (Wiley-VCH), Energy Environ. Sci (Wiley-VCH), Front. Energy Res., Appl. Nanosci. (Springer), Energies (MDPI)等。曾获多项国际学术奖励，其中包括近期的英国皇家化学会会士（FRSC），美国能源部杰出青年科学家奖，美国著名的Camille Dreyfus Teacher-Scholar奖和斯隆研究奖（Sloan Research Fellow），Nano Letters、Chemical Society Reviews和Small 等多个著名杂志的杰出青年科学家奖，英国皇家化学会和美国化学会“杰出青年化学家”奖，美国麻省理工（MIT）评选的全球35位杰出青年创新人物之一，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）颁发的五位国际青年化学家奖之一等等，并在国际和美国多类大型学术会议及大学做过110多场邀请报告或学术讲座。

本文简要总结余桂华教授课题组在能源凝胶材料体系的开创性工作和最新进展。

（一）基于导电高分子的储能材料

1. 3D nanostructured conductive polymer hydrogels for high-performance electrochemical devices. Energy Environ. Sci., 2013, 6 2856, DOI: 10.1039/C3EE40997J. (Invited Perspective)

首次系统推广三维纳米结构导电聚合物水凝胶在电化学能源器件的应用。此文概述了导电聚合物水凝胶的合成方法，介绍了其在能源器件的应用，如超级电容器、锂电池、生物燃料电池等，并讨论了这类新型导电水凝胶的主要挑战和未来研究方向。

2. Dopant-Enabled Supramolecular Approach for Controlled Synthesis of Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels. Nano Lett., 2015, 15, 7736, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03891

本文首次利用超分子方法并用盘状液晶分子（3,4',4'',4'''-四磺酸四钠盐，CuPcTs）作为掺杂剂可控原位合成了一维纳米结构导电聚吡咯（PPy）水凝胶。与普通PPy相比，该水凝胶具有增强的链间电荷传输，增强了导电性和赝电容。

3. Nanostructured Conductive Polymers for Advanced Energy Storage. Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 6684, DOI: 10.1039/C5CS00362H (Invited Review)

本文首次系统介绍了纳米结构导电聚合物在能量存储中的应用，详细阐释了其在能量储存领域的设计原则、优点和局限性，并提出了对未来发展的新见解。

4. Thermoplastic Elastomer Enabled Smart Electrolyte for Thermoresponsive Self-Protection of Electrochemical Storage Devices, Adv. Mater., 2016, 28, 7921, DOI: 10.1002/adma.201602239 (Featured Cover)

本文首次利用具有可逆溶胶－凝胶转变的热塑性弹性体作为电解质设计了一种热响应凝胶系统。在低温下，电解质处于溶液状态，离子可在电极之间自由移动。温度升高时，电解质转变为凝胶状态，抑制离子的运动，最终关闭电化学装置。

5. A Conductive Molecular Framework Derived Li₂S/N,P-Codoped Carbon Cathode for Li-S Battery. Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602876, DOI: 10.1002/aenm.201602876

该课题组首次发展出一种利用聚苯胺凝胶制备氮磷共掺杂碳骨架结构的概念。将硫化锂纳米颗粒负载到这种三维骨架结构上，可有效提高电极材料的整体导电性和电化学活性，实现更高的库伦效率和电容量。

6. A Tunable 3D Nanostructured Conductive Gel Framework Electrode. Adv. Mater., 2017, 29, 1603922, DOI: 10.1002/adma.201603922 (Featured Cover)

该研究首次开发了一种三维纳米结构导电凝胶框架作为锂离子电池的粘合剂和导电骨架。具有连续电子通路的三维纳米结构凝胶框架可为离子传输提供多级孔道，并在活性颗粒上形成均匀的涂层以防止聚集。此电极具有高倍率性能、高活性材料质量比和高比容量。

7. A 3D Nanostructured Hydrogel-Framework-Derived High-Performance Composite Polymer Lithium-Ion Electrolyte. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 2096, DOI: 10.1002/anie.201710841 (Featured Cover)

相比于常用的液态电解质，固态电解质可极大改善锂离子电池的安全性和稳定性。本文首次利用水凝胶的框架结构制备含有Li_0.35La_0.55TiO₃的三维固态电解质, 并成功将其室温锂离子电导率提高到10⁻⁴ S cm⁻¹ 。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201710841

8. Stretchable All-Gel-State Fiber-Shaped Supercapacitors Enabled by Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels. Adv. Mater., 2018, 30, 1800124, DOI: 10.1002/adma.201800124

为同时改善柔性超级电容的机械性能和电容量，该课题组利用纳米导电聚合物凝胶增强石墨烯纤维的力学强度，首次实现凝胶态聚苯胺/石墨烯复合材料的柔性，可塑性及优异的电化学性质。

9. Nanostructured Functional Hydrogels as an Emerging Platform for Advanced Energy Technologies. Adv. Mater., 2018, 30, 1801796, DOI: 10.1002/adma.201801796 (Invited Review)

本文首次系统梳理了具有独特纳米结构的水凝胶材料对于能源技术的重要意义，尤其是在电化学储能领域的应用。

10. Functional Hydrogels for Next-Generation Batteries and Supercapacitors. Trends Chem., 2019, DOI: 10.1016/j.trechm.2019.03.005 (Invited Review)

本文首次从新型柔性、环境响应性智能储能技术的角度总结了水凝胶类材料的应用前景，阐明了下一代能源存储材料及器件的设计原则。

（二）基于高分子水凝胶的环境交互及能源转换材料

1. Highly Efficient Solar Vapour Generation via Hierarchically Nanostructured Gels. Nat. Nanotech., 2018, 13, 489, DOI: 10.1038/s41565-018-0097-z (Featured Cover)

余桂华教授团队首次将水凝胶材料引入用于太阳能水纯化技术。并发现通过水凝胶对水的活化作用，实现了超高的纯化效率。

2. Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting. Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201806446

大气环境中的水分储量十分巨大，而且不受地形、水文等环境因素影响。借助独具特色的超吸湿凝胶，余桂华教授团队首次实现了在不同天气条件下对空气中的水分进行高效吸收，并在太阳照射下将水迅速放出。

3. Multifunctional Nanostructured Conductive Polymer Gels: Synthesis, Properties & Applications. Acc. Chem. Res., 2017, 50, 1734, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00191 (Invited Review)

本文首次完整阐述了具有特殊纳米结构的多功能导电高分子凝胶的制备策略、独特性质以及应用前景。从分子工程、纳米设计和微电子器件兼容性等角度，逐一阐明该类特殊材料的设计原则和改进策略。

4. A Conductive Self-Healing Hybrid Gel Enabled by Metal–Ligand Supramolecule and Nanostructured Conductive Polymer. Nano Lett., 2015, 15, 6276, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03069

本文首次报道了一种基于自组装超分子凝胶和纳米结构聚吡咯的自愈合复合凝胶。它同时具有金属配体超分子的动态组装/分散性质和聚吡咯水凝胶的导电纳米结构，展示了高导电性以及良好的机械和电学性能的自愈性。

5. Multifunctional Superhydrophobic Surfaces Templated From Innately Microstructured Hydrogel Matrix. Nano Lett., 2014, 14, 4803, DOI: 10.1021/nl5019782

本文首次利用水凝胶三维纳米结构并对其表面修饰得到多功能超疏水涂层。此涂料可通过大面积沉积技术在几乎任何基底上浸涂，透光率高达98%，表现出优异的机械柔韧性和坚固性。

6. Conductive ‘Smart’ Hybrid Hydrogels with PNIPAM and Nanostructured Conductive Polymers. Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 1219, DOI: 10.1002/adfm.201404247

本文首次设计了温度响应的智能导电水凝胶并将其作为开关装置展现其在智能响应性电子器件中的潜在应用。

7. A nanostructured conductive hydrogels-based biosensor platform for human metabolite detection. Nano Lett., 2015, 15, 1146, DOI: 10.1021/nl504217p

本文首次利用多级纳米结构导电聚合物水凝胶设计了一个灵敏的生物传感器平台，可用于检测各种人体代谢物，如尿酸、胆固醇和甘油三酯。

8. Energy Gels: A Bio-Inspired Material Platform for Advanced Energy Applications. Nano Today, 2016, 11, 738, DOI: 10.1016/j.nantod.2016.10.002 (Invited Review)

本文首次系统总结了各种导电凝胶，包括碳基凝胶、导电聚合物凝胶、离子导电凝胶和无机凝胶，在能量转换和存储装置中的应用以及在能源领域的未来发展。

9. All Inkjet-Printed Amperometric Multiplexed Biosensors Based on Nanostructured Conductive Hydrogel Electrodes. Nano Lett., 2018, 18, 3322, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00003 (Featured Cover)

余桂华教授团队首次利用具有纳米结构的导电水凝胶电极成功实现了负载多种酶的微电极阵列打印技术。这种技术快速、高效，且可保证所得的传感器阵列具有较高的灵敏度和稳定性。

10. Highly Sensitive, Printable Nanostructured Conductive Polymer Wireless Sensors for Food Spoilage Detection. Nano Lett., 2018, 18, 4570, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01825

余桂华教授团队和合作者们首次报道了一种基于纳米复合导电高分子材料的气体传感器。首次实现对于痕量氨气的有效监控，并基于此进一步发展出了面向实际应用的食物状态监控系统。

导师介绍

余桂华

https://www.x-mol.com/university/faculty/37838