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师从Charles Lieber、鲍哲南和崔屹的余桂华，在纳米能源环境材料领域频发顶刊！

来源：科学10分钟时间：2020-12-02 14:40:06 浏览：3226次

余桂华博士，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系、机械工程系终身教授。2003年毕业于中国科技大学化学系，取得学士学位并获本科生最高奖“郭沫若奖学金”，2009年于哈佛大学获得博士学位，师从美国科学院院士和世界纳米领域著名科学家Charles Lieber教授。2009年于斯坦福大学师从鲍哲南教授和崔屹教授从事博士后研究工作，2012年加入德克萨斯大学奥斯汀分校。该团队主要致力于纳米能源环境材料，特别是功能化凝胶材料、二维能源材料。纳米结构功能凝胶材料结合了传统高分子和纳米材料的特性，应用前景广泛。在多功能凝胶的研究上取得多项突破性的科学进展，开发多功能凝胶的实际应用。其实验室研究出的有机多功能凝胶，在未来能源器件中将有大的突破。相关详细信息可查阅该课题组的网页：http://yugroup.me.utexas.edu/。

目前，该团队已在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Communications、PNAS、Chemical Society Reviews、Energy Environ. Sci.等国际著名刊物上发表论文超过150篇，被引用超过23000次，其中多篇论文被期刊选为非常重要论文或热点论文。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等等。现任Chem (Cell Press)、Energy Storage Materials (Elsevier)等6个国际期刊的编委。曾获多项重要的国际学术奖励，他曾获得2019年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)100周年青年化学家奖，2018年获美国化学会“杰出青年科学家”奖，2018年获美国化学会能源科技新兴领袖奖，2017年当选英国皇家化学学会会士(FRSC)，2016年获得美国最著名的奖项之一斯隆研究奖(Sloan Research Fellow)，2014年荣膺美国麻省理工(MIT)评选的全球35位杰出青年创新人物之一，2010年跻身国际纯粹与应用化学联合会颁发的五位国际青年化学家奖之一等。在此，本文选择了余桂华团队本年度在纳米能源环境材料等方面的部分工作成果进行汇总，以便大家了解和学习。

1、Nat. Rev. Mater.：用于太阳能蒸发水的材料研究进展

Nat. Rev. Mater.：用于太阳能蒸发水的材料研究进展

众所周知，太阳能蒸发水，即利用太阳能将液态水变为水蒸气，为绿色且高效益生产淡水奠定了基础。目前，广泛的实验和理论研究集中于水管理以实现有效的太阳能产生水蒸气。已报道一些新材料能实现高度可控和高效的太阳能到热能的转换，以解决从微观到分子水平的能源-水关系中的挑战。基于此，余桂华团队总结了材料设计的基本原理，以实现高效的太阳能到热能的转化和水蒸汽的产生。同时，作者还讨论如何集成光热材料、纳米/微米结构和水材料的相互作用，以通过原位利用太阳能来提高蒸发系统的性能。此外，作者着眼于材料科学和工程，还概述了基础研究和实际水净化应用中纳米/微米结构材料的主要挑战和机遇。

文章信息：Fei Zhao et al.Materials for solar-powered water evaporation.Nat.Rev.Mater.,2020,DOI:10.1038/s41578-020-0182-4.

2、Chem. Rev.：水凝胶及其胶衍生的材料助力能源和水的可持续性研究进展

Chem. Rev.：水凝胶及其胶衍生的材料助力能源和水的可持续性研究进展

众所周知，能源和水对现代社会至关重要，因而可持续能源存储和转换以及水资源管理方面的先进技术已成为研究的重点。水凝胶不仅具有传统的生物应用，而且能应用于能量和水等领域。基于此，余桂华团队总结了水凝胶及其胶衍生的材料在这些领域的成果。首先，作者重点介绍了各种水凝胶的高度可调控合成，其中涉及关键的合成元素，例如单体/聚合物结构单元、交联剂和功能性添加剂，并且讨论了如何使用水凝胶作为前体和模板设计电化学材料的三维（3D）框架。然后，作者将基于凝胶化学对水凝胶材料的结构特性影响进行深入讨论，最终针对诸如增强的离子/电子电导率、机械强度、柔性、刺激响应性和理想的溶胀行为等特性。水凝胶独特的相互连接的多孔结构能够在提供大表面积，同时实现快速的电荷/质量传输，并且可以调节聚合物的水相互作用，实现水凝胶内所需的保水、吸收和蒸发。此类结构派生的特性也进行了密切协调，以实现针对不同目标器件的多功能性和稳定性。其中，在超级电容器、电催化剂、太阳能水净化和水收集等方面都展示了水凝胶和水凝胶衍生材料所带来的优异技术潜力。最后，作者还研究了这些挑战和解决它们的潜在方法，以揭示潜在的机制，并将目前水凝胶材料的发展转化为可持续的能源和水技术。

文章信息：Youhong Guo et al. Hydrogels and Hydrogel-Derived Materials for Energy and Water Sustainability. Chem. Rev., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00345.

3、Adv. Mater.：生物质衍生的混合水凝胶蒸发器用于高效的太阳能净水

Adv. Mater.：生物质衍生的混合水凝胶蒸发器用于高效的太阳能净水

研究发现，利用太阳能蒸发水具有高的能量转化和利用效率，因此在废水处理和海水淡化方面具有巨大的潜力。但是，如何实现高蒸发速率和低的成本以提供可持续太阳能驱动的净化水系统仍然面临巨大挑战。基于此，余桂华团队将天然丰富的生物质魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan）与易于合成的铁（Fe）基金属有机框架衍生的光热纳米颗粒一起引入聚乙烯醇网络中，从而以低成本的方式构建了混合水凝胶蒸发器（材料总成本为$14.9 m^-2）。该混合水凝胶蒸发器具有足够的水分输送、有效的水活化作用和防止盐结垢等优点，在1个太阳（1 kW m^-2）的照射下，在酸/碱度（pH=2-14）和高盐度海水（最高330 g/kg）的废水中实现了3.2 kg m^-2 h^-1的高蒸发速率。更特别的是，通过在水凝胶中形成氢键和与羟基的配位键，可以有效地除去重金属离子。该研究将为可部署的、具有成本效益的太阳能净水系统提供新的可能性，同时还能确保水质，这对于经济贫困地区更为重要。

文章信息：Youhong Guo et al.Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification.Adv.Mater.,2020,DOI:10.1002/adma.201907061.

4、Materials Today：利用水凝胶骨架中的单原子铜实现高原子利用率的电催化氧还原

Materials Today：利用水凝胶骨架中的单原子铜实现高原子利用率的电催化氧还原

目前，单原子催化剂（SACs）已成为非均相催化领域的重点。但是，该领域的主要目标是通过补充不同的技术从根本上理解催化剂的复杂性及其在特定反应中的性能。基于此，余桂华团队和四川大学的肖丹（Dan Xiao）团队等人报道了一种超分子水凝胶策略，可以有效的隔离互连碳纤维上的铜（Cu）原子，作为碱性氧还原反应（ORR）的有效电催化剂。作者通过X射线吸收光谱和像差校正的扫描透射电子显微镜确认了Cu-N2的配位态和原子色散。此外，通过扫描电化学显微镜的表面探询模式（SI-SECM）研究了原子利用率（η_atom），即参与催化作用的Cu(I)位点与可用的总Cu(I)位点之间的比率。合成的Cu-SACs具有的90％以上的原子利用率，非常接近SACs的理论值（100％），表明所提出的超分子方法可以实现Cu位点的超高暴露。此外，SI-SECM的原位时间分辨滴定和第一性原理计算进一步证明分离的Cu-N2位点可以显着提高ORR活性。

参考文献：Panpan Li et al. Supramolecular confinement of single.Cu.atoms.in.hydrogel.framework.for.oxygen.reduction.electrocatalysis.with.high.atom.utilization.Material.Today,2020,DOI:10.1016/j.mattod.2019.10.006.

5、Adv. Mater.：蒸发诱导的垂直排列2D纳米片实现电极中快速定向的离子传输

Adv. Mater.：蒸发诱导的垂直排列2D纳米片实现电极中快速定向的离子传输

二维（2D）纳米片具有极高的电化学活性和快速的固态扩散，被广泛地用作电极材料。然而，制备基于这种类型材料的可伸缩电极时，通常因为太厚而限制了离子传输动力学，从而造成严重的性能损失。基于此，余桂华团队报道了一种基于蒸发诱导的组装新策略，即通过形成垂直排列的纳米片来实现定向性离子传输。在电极制造过程中，通过快速蒸发混合溶剂可以实现定向排序。对比传统的电极，基于垂直排列的纳米片电极即使在高质量负载和电极厚度下也能够保持原有的高倍率性能，但是传统的电极表现出纳米片的随机排列，并且随着厚度的增加，倍率性能会明显降低。通过电化学和结构特征的结合，揭示了由取向控制的纳米片组成的电极具有较低的电荷转移阻抗，从而使得活性材料中相变更加完全。

文章信息：Yue Zhu et al. Evaporation-Induced Vertical Alignment Enabling Directional Ion Transport in a 2D-Nanosheet-Based Battery Electrode. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201907941.

6、Nano Lett.：具有快速离子传输通道和多硫化物捕获网络的分层多孔C/Fe₃C薄膜用于高面容量Li-S电池

Nano Lett.：具有快速离子传输通道和多硫化物捕获网络的分层多孔C/Fe3C薄膜用于高面容量Li-S电池

目前，Li-S电池的电极材料在实验室规模上合成时，存在过程复杂和成本极高的问题，难以规模化生产。因此，理想的碳基Li-S电池电极应具有设计良好的多孔结构，以实现高S负载量和离子/电解液的运输，同时承受S的体积膨胀并防止可溶性多硫化物中间体的穿梭效应。基于此，余桂华团队、大连理工大学的贺高红教授和李祥村副教授等人报道了一种扩展性高且可堆叠的C/Fe₃C薄膜，该薄膜具有通过快速的离子转移微/纳米通道和聚硫化物捕集网络，适用于高面容量Li-S电池。研究表明，具有对齐通道和分层多孔网络的薄膜正极促进了Li⁺和电子的传输，同时通过在薄膜中掺杂Fe₃C纳米颗粒可以增强对LiPS的化学吸附，有效地捕获可溶性多硫化物中间体（LiPSs）。进一步研究证明，通过C/Fe₃C薄膜的逐层堆叠，可以轻松制备具有7.1 mg cm^-2的高S负载量的五层膜电极，该电极在100次循环后，仍可提供726 mA h g^-1的高容量，相当于在6.4 μL/mg的低电解液/硫（E/S）比下具有5.15 mA h cm^-2的超高面容量。总之，可扩展的多功能膜电极在高S负载量和稀薄电解液条件下具有优异的电化学性能，在实际的Li电池中具有广阔的应用前景。

文章信息：Xiangcun Li et al. Hierarchically Porous C/Fe3C Membranes with Fast Ion-Transporting Channels and Polysulfide-Trapping Networks for High-Areal-Capacity Li-S.Batteries.Nano.Lett.,2020,DOI:10.1021/acs.nanolett.9b04551.

7、J. Mater. Chem. A：基于超薄MoSe₂纳米片的3D有序大孔碳骨架分层纳米结构用于高性能钠离子电池

J. Mater. Chem. A：基于超薄MoSe2纳米片的3D有序大孔碳骨架分层纳米结构用于高性能钠离子电池

钠离子电池（SIBs）具有低成本和丰富的资源，因此非常有希望取代锂离子电池用于大规模的储能上。然而，缺乏高容量和长循环稳定性的负极严重阻碍了SIBs的商业化。基于此，余桂华团队和澳大利亚伍伦贡大学的Zhongchao Bai等人报道了一种在3D有序大孔（3DOM）碳上强力结合的超薄2D MoSe₂纳米片（〜2 nm），从而极大地提高材料的储钠能力。所制备的MoSe₂@C复合材料具有高容量（在电流密度为0.5 A g^-1时，100次循环后仍具有410 mA h g^-1的高容量，基于MoSe₂@C的总重量）、优异的倍率性能（10 A g^-1，279 mA h g^-1）和长的循环稳定性（5 A g^-1，2000次循环后，容量仍为384 mA h g^-1）。这是因为由2D MoSe₂纳米片构建的杂化结构与3DOM碳基结构之间的协同效应，可以提供更大的层间距（单层为0.76 nm），从而促进Na⁺沉积/溶解。而Mo-C的强电子耦合键的结合，促进了快速的电子/离子转移，并且有序的立体腔适应了体积的膨胀并防止了MoSe₂纳米片在循环时的堆叠。

文章信息：Yuanlin Liu et al. Hierarchical Nanoarchitectured Hybrid Electrodes Based on Ultrathin MoSe2 Nanosheets on 3D Ordered Macroporous Carbon Frameworks for High-Performance Sodium-Ion Batteries. J. Mater. Chem. A,2020, DOI: 10.1039/C9TA13377A.

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