材料原子•分子科学研究所在《ACS Nano》等国际知名期刊发表7篇高水平论文

近日，前沿院材料原子分子科学研究所在许并社教授的带领下在能源、环境、光电等领域取得系列重要研究进展，相继在《ACS Nano》（IF=14.588）等国际知名期刊发表7篇高水平论文。该系列成果的取得标志着我校大力引进高层次人才的成效日趋凸显，科研团队和科研平台的建设逐渐成熟，为我校科学研究和人才培养提供了强有力支撑，也将进一步提升我校在材料科学领域的国际影响力。

苏庆梅和杜高辉教授在抑制多硫化物的穿梭，提高锂硫电池性能方面取得了重要研究进展。相关成果以“Tuningthe Band Structure of MoS₂via Co₉S₈@MoS₂Core-Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。苏庆梅、杜高辉和许并社教授为共同通讯作者，我校为第一单位和唯一通讯单位。

由于理论能量密度高（2600 Wh kg^-1），成本低以及元素硫的自然资源丰富，锂硫电池被认为是储能设备的极佳潜在替代品。但是，由于若干严重的技术挑战，如可溶性多硫化锂的“穿梭效应”，缓慢的转化反应动力学，硫和放电产物（Li₂S₂/Li₂S）的低电导率，以及在放电过程中高达80％的体积膨胀，使锂硫电池的实际应用受到一定的限制。针对这一问题苏庆梅和杜高辉教授设计了一种集高导电、高催化活性和良好吸附性能的一体化功能层。通过静电纺丝和高温退火处理，严格控制制备工艺获得了Co₉S₈@MoS₂异质结构，实现原子级别MoS₂包覆的精确控制。通过异质结构的构筑实现了对MoS₂能带结构的调控，该结构被用作抑制多硫化锂穿梭效应的功能层，可以有效吸附多硫化锂并催化Li₂S₂转化为Li₂S，抑制多硫化锂的穿梭，提高硫的利用率，进而优化锂硫电池的性能。

Co₉S₈@MoS₂/CNF用作锂硫电池功能层的示意图

Co₉S₈@MoS₂核壳结构的TEM，HRTEM及STEM-mapping表征结果

Li₂S的成核实验结果及Li₂S₂在不同功能层结合能和解吸能的DFT计算结果

【论文链接】

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.

郝晓东副教授通过超临界水合成出{100}晶面暴露的Cr掺杂CeO₂纳米晶，结合先进的球差校正电子显微镜，深入研究了Cr掺杂元素对CeO₂纳米晶中的原子结构、离子价态、氧空位形成和分布，及影响储氧性能的关系和规律。本研究加深了对掺杂CeO₂纳米材料的缺陷形成和作用机制的理解，为设计和制备基于活性掺杂、晶面调控、纳米尺寸化等功能化因素的新型的CeO₂基催化剂提供可靠的理论依据和实验数据。相关成果发表在国际知名期刊Acta Materialia(IF= 7.565)（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.11.015）上。

STEM-EELS逐层定量地研究了Cr掺杂CeO2纳米晶中各原子层的价态分布

马淑芳教授利用变温微区光致发光谱仪（PL）和球差校正电子显微镜（ACTEM）分析了GaN基绿光LED老化后发光性能和有源区微观结构的变化。PL结果表明，老化后GaN基LED的发光强度下降36.8%且峰值波长蓝移1.6nm；STEM观察进一步发现了老化后InGaN量子阱中出现In间隙原子，InGaN量子阱的驰豫度达80%。结合HRXRD结果以及DFT计算，老化后GaN基绿光LED发光性能下降是由于点缺陷密度的增加、量子限制效应减弱以及量子限制斯塔克效应增强导致。本项工作利用ACTEM直接观察到In间隙原子，揭示了点缺陷对GaN基绿光LED发光性能的影响机制。相关成果发表在国际知名期刊Appl. Phys. Lett.(IF= 3.597)（https://doi.org/10.1063/5.0021659）上。

老化前后量子阱区域的STEMHAADF图

丁书凯副教授和杜高辉教授采用纳米液滴作为纳米反应器，原位光聚合二官能团单体获得纳米网状交联聚合物作为纳米石墨烯片前驱体。最终在煅烧氧化还原过程中，利用纳米网状交联聚合物形成二维层流石墨烯纳米片基体。该基体用于锂离子电池负极材料，在电流密度100mAg^-1，500圈下，获得了565mAhg^-1高比容量。并且展现出了与金属纳米颗粒复合优势。相关成果发表在期刊Carbon(IF=8.821)（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.01.075）上。

有机分子限域反应制备二维层状石墨烯纳米片基体

苏庆梅和杜高辉教授针对金属锂具有高的活性，与电解液会发生副反应，在电化学循环中容易损耗，导致较低的库伦效率；且在反复沉积/剥离过程中，锂枝晶生长刺穿隔膜引发电池内部短路、热失控，甚至发生起火爆炸等问题，构筑了无机陶瓷和有机聚合物互嵌的双连续结构复合固态电解质，提高了离子电导率、抑制了锂枝晶的生长、改善了锂金属电池的性能。利用涂覆法室温下构筑了Li_0.35La_0.55TiO₃纳米线填充PVDF复合固态电解质，该复合电解质具有较高的室温离子电导率、较宽的电化学窗口和高的机械性能，相关成果以“Li_0.35La_0.55TiO₃Nanofibers Enhanced Poly(vinylidene fluoride)-Based Composite Polymer Electrolytes for All-Solid-State Batteries”为题发表在期刊ACS Appl. Mater. & Interface(IF=8.758)(https://doi.org/10.1021/acsami.9b14824)上。

PVDF/LLTO复合固态电解质的制备流程图

进一步，针对高镍正极的强氧化性和金属锂的强还原性，构筑了三明治结构的超薄复合固态电解质，该研究中将固态电解质的厚度控制到了9.6μm，此三明治结构可以很好地抑制锂枝晶的生长，并提供优良的界面接触，优化电池性能，相关成果以“Ultrathin, flexible, and sandwiched structure composite polymer electrolyte membrane for solid-state lithium batteries”为题发表在期刊J.Membr. Sci. (IF=7.183) (https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118734)上。

孙东峰副教授和余愿教授采用一步溶剂热法原位合成Bi@Bi₂O₂CO₃光催化剂，而且Bi₂O₂CO₃纳米片上的Bi纳米颗粒具有可调控性，通过Bi纳米颗粒的等离子体效应来提高Bi₂O₂CO₃的光催化产氢活性。相关成果发表在Journal of Colloid and Interface Science（IF=7.489）（https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.03.021）上。

Bi@Bi2O2CO3光催化产氢示意图

（终审：杜杨 核稿：强涛涛 编辑：宇文翔 学生编辑：韩佳蓉）