【本站讯】近日，材料科学与工程学院范壮军教授领衔的碳能源材料实验室在能源存储、能源催化以及新材料方面取得一系列进展。团队围绕国家能源发展战略，针对新能源、新材料技术开发中的关键科学及技术问题开展前瞻性研究工作，相关研究成果先后刊发在Matter、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Energy Storage Materials、Advanced Science等国际重要学术期刊。该系列研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目以及山东省泰山学者项目资助。
在能源存储领域，团队聚焦电化学储能技术的关键科学问题，在新型高效能源存储器件开发方面取得系列技术攻关。
图1.团队提出一种Mott–Schottky异质层改性隔膜设计策略
团队提出了一种Mott–Schottky异质层改性隔膜设计策略，通过在聚苯胺(PANI)原位还原氧化石墨烯(RGO)上垂直生长二硫化钼(MoS2)阵列用于商业硫基LSB。得益于MoS2和RGO-PANI构建的“蓄池”协同效应、强吸收性、高电导率和电催化活性，该RPM对多硫化锂表现出连续的“捕获-拦截-转化”行为，进而呈现出色的硫利用率和高倍率循环稳定性。相关研究论文以“A Mott–Schottky Heterogeneous Layer for Li–S Batteries: Enabling Both High Stability and Commercial-Sulfur Utilization”为题发表在Advanced Energy Materials（2022,12,2103657，中科院1区top，IF=29.698）。博士后刘征、范壮军教授、魏彤教授为论文的共同通讯作者。
图2.团队提出一种新型界面工程设计策略：
将扩层MoS2纳米花根植于氮掺杂石墨烯“土地”上，实现两相间强Mo-N共价结合
团队提出了一种新型界面工程设计策略，通过水热生长-热处理将扩层MoS2纳米花根植于氮掺杂石墨烯“土地”上，实现了相间强Mo-N共价结合。实验和理论计算证明，强界面结合显著促进了两相电子快速传输，MoS2的扩层结构不仅提升了离子迁移速率，还能够有效缓冲材料体积效应。所制备的E-MoS2/NG复合材料表现出了超高的比容量（620 mAh g-1@ 0.1A g-1）和优异的倍率性能（201 mAh g-1@ 50 A g-1）。本研究为高性能复合材料的界面设计提供了有益思路。相关研究论文以“Approaching the Theoretical Sodium Storage Capacity and Ultrahigh Rate of Layer-Expanded MoS2by Interfacial Engineering on N-Doped Graphene”为题发表在Advanced Energy Materials（2021,11, 2002600，中科院1区top，IF=29.698）。范壮军教授、魏彤教授和张苏副教授为共同通讯作者。
图3.团队提出的层间水通道设计思路
团队提出了层间水通道的设计思路，在饱和NaCl溶液中通过简单的共沉淀法制备了Cl-部分取代OH-的Co, Ni层状氢氧化物。实验和理论计算证明，Cl-取代改变了层板电子结构和极性，使氢氧化物层间充满H2O分子。在充放电过程中，OH–(aq)迁移遵循独特的Grotthuss传输行为，使离子传输速率增加了近58倍。此外，Cl-取代也改变了Ni和Co的电子密度分布，提高了材料整体导电性。这种简单的阴离子替代策略为实现超高倍率电池型电极开辟了新思路。相关研究论文以“Ni, Co Hydroxide Modified by Partial Substitution of OH-with Cl-for Boosting Ultra-Fast Redox Kinetics up to 500 mV s-1in Supercapacitors”为题发表在Advanced Functional Materials（2022,32,2109225，中科院1区top，IF=19.924）。范壮军教授、魏彤教授和张苏副教授为共同通讯作者。
图4. 团队提出在多孔碳表面形成超薄富醌官能团的聚多巴胺涂层作为钠离子电池正极材料
团队提出了在多孔碳表面形成超薄富醌官能团的聚多巴胺涂层作为钠离子电池正极材料。多巴胺单体高度选择性地在导电碳基底表面发生异相成核，可控制备了超薄且均匀稳定的聚多巴胺涂覆层。该工作通过原位表征实验和第一性原理计算系统揭示了富醌聚多巴胺涂层的电化学反应机理，为发展新型高性能钠离子电池正极材料提供了重要科学依据。相关研究论文以“Strong oxidation induced quinone-rich dopamine polymerization onto porous carbons as ultrahigh-capacity organic cathode for sodium-ion batteries”为题发表在Energy Storage Materials（2022,43,120-129，中科院1区top，IF=20.831）。博士后刘征、魏彤教授和范壮军教授为共同通讯作者。
在新功能材料方面，团队围绕具有功能特性的新型复合薄膜材料领域的关键科学和技术问题，在结构色薄膜传感以及MOFs膜新制备技术方面取得系列进展。
图5.团队开发一种基于生物质纳米纤维素的结构色薄膜实现可视化气体浓度的检测
具有结构色的薄膜，被广泛应用于传感、涂层、防伪和电子产品等领域。团队开发了一种基于生物质纳米纤维素的结构色薄膜（NCF），该薄膜集合了结构色、柔韧、刺激响应等特性于一身，通过简单的抽滤方法，实现了结构色薄膜的简单且快速制备。NCF的厚度在700 nm以内，呈现出基于薄膜干涉原理的彩虹色，能在各种潮湿气体或液体的刺激下，做出快速且明显的可逆颜色响应。本工作利用这种差异，实现可视化的气体浓度的检测。相关研究论文以题为“Transparent and flexible structurally colored biological nanofiber films for visual gas detection”发表在Matter上（2022,5,2813-2828，中科院一区top，IF=19.967）。范壮军教授、魏彤教授及东北林业大学陈文帅教授为论文的共同通讯作者。
图6.团队提出一种低共熔溶剂（DES）辅助热压法，原位快速在无纺布纤维上制备不同MOF纳米晶
快速制备高稳定金属有机框架（MOF）器件的发展为满足MOF材料在工业应用中日益增长的需求提供了可能。团队提出了一种通用的低共熔溶剂（DES）辅助热压法，在20分钟内原位快速在无纺布纤维上制备多种不同的锆基MOF纳米晶。利用原位1H核磁共振波谱和随时间变化的原位傅里叶变换红外光谱研究了Zr-MOF纳米晶的生长。膜材料可以高效去除水中重金属离子（Cr2O72-）和微(纳)塑料，这一方法为快速制备高稳定MOF器件铺平了道路。研究论文以“In situ rapid versatile method for the preparation of zirconium metal-organic framework filters”为题发表在国内化学权威期刊Science China Chemistry（2022,https://doi.org/10.1007/s11426-022-1338-6,中科院1区top，IF=10.138）上，王航博士、范壮军教授及北京理工大学王博教授为论文的共同通讯作者。
在能源催化方面，团队聚焦碳中和及氢能开发、利用技术中的关键科学问题，在CO2资源化利用以及氢能开发和安全储存领域取得系列技术攻关。
图7.团队提出通过多相催化CO2加氢制甲酸和甲酸脱氢制氢反应体系来构建“碳中性”储氢系统
近年来，氢气作为一种清洁燃料备受关注，但氢气的大规模储存和长距离输运仍是急需解决的瓶颈问题。团队提出了通过多相催化CO2加氢制甲酸和甲酸脱氢制氢反应体系来构建“碳中性”储氢系统，且对该领域的研究机制、进展、现状以及所面临的难题进行了全面和系统的的介绍和总结，并针对所面临的困境给予了科学合理的建议。相关论文以“Heterogeneous Catalysis for Carbon Dioxide Mediated Hydrogen Storage Technology Based on Formic Acid”为题并选为封面文章发表在Advanced Energy Materials(2022,12,2200817,中科院1区top，IF=29.698）。王林副教授和范壮军教授及日本AIST/筑波大学Himeda教授为论文的共同通讯作者。
图8.团队提出一种原位共价键合策略，将H2O取代的Ru-N2锚定到共价三嗪框架材料中实现高选择性光还原CO2到甲酸
利用太阳能将二氧化碳光催化转化为化学物质已受到越来越多的关注，然而，缺乏精确控制配位中心结构，通常导致较低的选择性和活性。团队首次提出了一种原位共价键合策略，将单位点Ru-N2结合到具有光响应的共价三嗪框架(CTFs)中，用于高选择性光还原CO2到甲酸。实验和DFT计算表明，新发现的催化中心结构H2O取代的Ru-N2单元活化自由能比二羰基取代的Ru-N2单元低得多，更有利于形成关键中间金属氢化物与CO2反应，从而实现了对CO2RR较高的催化活性和选择性。相关论文以“Covalently-bonded single-site Ru-N2knitted into covalent triazine frameworks for boosting photocatalytic CO2reduction”为题发表在Applied Catalysis B: Environmental（2022,322,122097，中科院1区top，IF=24.319）。王林副教授、日本AIST/筑波大学Himeda教授和范壮军教授为论文的共同通讯作者。
图9.团队提出制备单原子Al和O共掺杂的氮化钼量子点电催化剂用于高效电解水制氢
通过可再生能源电解水生产绿氢（HER）是实现全球“碳中和”的重要途径。本工作选用结构明确、尺寸小、原子可调的多酸作为前驱体，通过多酸阴离子和带正电荷的聚苯胺之间的静电相互作用，能够有效避免高温氮化过程的烧结和团聚，合成单原子Al和O共掺杂的氮化钼量子点电催化剂。研究发现碱性电解水过程中，Al-OH水合物的表面重构对增强催化剂亲水性和降低水分解自由能具有重要作用，从而使得催化剂具有大电流下超越商业铂碳的性能，具有超越300小时的稳定性，在实际应用中具有巨大潜力。相关论文以“Atomically Interfacial Engineering on Molybdenum Nitride Quantum Dots Decorated N-doped Graphene for High-Rate and Stable Alkaline Hydrogen Production”为题发表在Advanced Science（2022,DOI: 10.1002/advs.202204949,中科院1区top，IF=17.521）。黄毅超特任教授、赵联明副教授、美国圣地亚哥州立大学顾竞教授和范壮军教授为该论文的共同通讯作者。
范壮军教授团队长期致力于能源存储转化及能源催化、环境等领域的基础应用研究，近年来在Chem. Soc. Rev、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Matter、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等高水平期刊上发表论文190余篇，引用3万余次。范壮军入选“科睿唯安”以及“爱思唯尔”材料类高被引学者榜单、2021年全球顶尖前10万科学家榜单，3次获得黑龙江省自然科学一等奖，2020年团队获评中国石油大学（华东）“青春建功新时代先进集体”。
