2023-01-03
可持续能源技术的发展对缓解日趋严重的环境污染、实现经济持续增长具有重要意义。金属空气电池、水系锌基电池、电解水制氢、CO2/N2电还原等电化学能源存储与转换技术是当前新型能源技术发展的重要方向。天津大学胡文彬教授团队采用一系列原位/非原位光谱、衍射等分析技术结合理论模拟，系统研究了电极材料的电化学工作机理，建立了材料微观结构与电化学性能之间的构效关系。进而从能源存储与转化器件的电极和电解质等方面进行全链条设计攻关，致力于从高效稳定电极材料研发、电极/电解质耦合界面优化、电极可逆性提升等方面协同提升实际器件性能。2022年，课题组在新型能源电池材料与器件领域继续攻关并取得了一系列研究成果，相关工作在Chem Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文50余篇。下面对团队在2022年度的代表性论文进行介绍：
1. Fan, Xiayue; Zhong, Cheng*; Liu, Jie; Ding, Jia; Deng, Yida; Han, Xiaopeng; Zhang, Lei; Hu, Wenbin*; Wilkinson, David. P.; Zhang, Jiujun*. Opportunities of Flexible and Portable Electrochemical Devices for Energy-Storage: Expanding the Spotlight onto Semi-Solid/Solid Electrolytes. Chem. Rev. 2022, 122, 17155.
简介：随着新兴智能时代的到来，柔性和便携式个人电子产品的应用需求逐渐兴起，例如可穿戴的个人多媒体、曲面显示器、可折叠手机、智能服饰、可植入生物医疗设备、类皮肤传感器等。为了满足上述应用需求，与之相适配的电化学储能器件应具有形状适应性（如可弯曲、可折叠、可扭曲、可编织、可穿戴和可拉伸等）、轻质、超薄、微型等特点。作为电化学储能器件的重要离子传输媒介，半固态/固态电解质具有避免电解质漏液和挥发问题、有效抑制金属枝晶生长、缓解电极腐蚀问题，且有利于柔性可穿戴和便携式器件的组装等优势。本工作系统综述了用于柔性和便携式电化学储能器件的半固态/固态电解质的理论基础、发展历史、应用现状和未来发展方向，旨在引导和激励不同领域的研究学者共同努力，推动柔性和便携式电化学储能器件的设计与实际应用。
图1. 半固态/固态电解质的分类与性能要求示意图
2. Wu, Han; Lu, Qi; Li, Yajing; Zhao, Menghan; Wang, Jiajun; Li, Yingbo; Zhang, Jinfeng; Zheng, Xuerong; Han, Xiaopeng*; Zhao, Naiqin; Li, Jiajun; Liu, Yanhui; Deng, Yida*; Hu, Wenbin*. Structural framework guided-universal design of high-entropy compounds for efficient energy catalysis. J. Am. Chem. Soc. 2022-Dec-26.
简介：高熵化合物由于多种组分的协同效应在物理、机械性能分析和能量存储等各个领域表现出巨大的潜力以及引起了广泛的关注。然而，由于多组分混合的高度复杂性，实现具有广泛组分和结构的高熵化合物的普遍稳定性和合成仍然是困难的。在这里，我们提出了一种具有高度通用性的设计策略，用于实现高熵化合物的稳定性和合成。1）具有双金属位点的化合物中一个金属位点所形成的配位多面体能够像框架一样稳定另一个位点以填充大量不同的元素，从而合成高熵化合物。2）根据结构框架理论已经成功合成数种具有双金属位的典型金属化合物，包括钙钛矿氢氧化物、层状双氢氧化物、尖晶石硫化物、钙钛矿氟化物和尖晶石氧化物。作为代表性化合物的高熵钙钛矿氢氧化物已被合成为具有高度广泛的组分）3）所合成的高熵钙钛矿氢氧化物作为OER催化剂显示出很大的析氧活性，通过DFT计算分析得知是高熵钙钛矿氢氧化物中多个组分的协调作用贡献了高OER活性。总体来说，本工作为开发更多高熵化合物系统提供了一个结构设计平台，为先进电催化的开发提供了新的方向。
图2. 结构框架设计稳定高熵化合物示意图
3. Wang, Yang; Li, Xiaopeng; Zhang, Mengmeng; Zhang, Jinfeng; Chen, Zelin; Zheng, Xuerong*; Tian, Zhangliu; Zhao, Naiqin; Han, Xiaopeng*; Zaghib, Karim; Wang, Yuesheng; Deng, Yida*; Hu, Wenbin*. Highly Active and Durable Single-Atom Tungsten-Doped NiS0.5Se0.5 Nanosheet @ NiS0.5Se0.5 Nanorod Heterostructures for Water Splitting. Adv. Mater. 2022, 34, 2107053.
简介：目前，贵金属基材料(Pt和Ru/IrO2)被认为是降低析氢/析氧反应(HER/OER)反应过电位的基准电催化剂，但是它们价格昂贵。因此，开发稳健且高活性的非贵金属电催化剂对于氢能的工业化至关重要。本工作制备了一种高活性和耐用的单原子W掺杂NiS0.5Se0.5纳米片@NiS0.5Se0.5纳米棒异质结构(W-NiS0.5Se0.5)电催化剂。所制备的W-NiS0.5Se0.5对HER和OER表现出优异的催化活性。单原子W的引入使Ni的自旋态离域而增加了Ni d电子密度，这优化了H的吸附/解吸过程并显着降低了反应速率决定步骤(O*→OOH*)的吸附自由能，从而加速了HER和OER的动力学。这项工作为设计用于水分解的单原子催化剂和通过调节离域自旋态开发先进的过渡金属基电催化剂提供了合理可行的策略。
图3. 材料催化机制、高分辨表征与催化性能
4. Fan, Xiayue; Wang, Haozhi; Liu, Xiaorui; Liu, Jie; Zhao, Naiqin; Zhong, Cheng*; Hu, Wenbin*; Lu, Jun*. Functionalized Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with Strong Alkaline-Tolerance and High Zinc Anode Stability for Ultralong-Life Flexible Zinc–Air Batteries. Adv. Mater. 2022, 34, 2209290.
简介：如今，智能可穿戴器件开始不断被研发并进入消费市场，从而促进了柔性储能器件的发展。其中，柔性水系锌空气电池由于其具有高的理论能量密度、高安全性和环境友好性而引起了广泛的研究兴趣。目前，柔性锌空气电池主要使用聚乙烯醇基聚合物电解质。然而，该电解质的环境稳定性较差，从而导致电池循环寿命较短（10–20小时）。鉴于此，本工作设计并合成了一种磺酸基纳米复合聚合物电解质，并将其应用于柔性锌空气电池中。该电解质具有高离子传导率、强耐碱性和优异的锌电极稳定性。该电解质聚合物链中富含有强阴离子型磺酸基团，有助于暴露更多的Zn（002）晶面。据报道，该晶面更能够抑制锌金属枝晶的形成。并且，纳米凹凸棒被用作聚合物电解质添加剂，以提高离子传导率、电解质吸收和保持能力。基于该电解质所组装的锌空气电池表现出450小时的超长循环寿命。此外，多个层状或者电缆结构的柔性锌空气电池的串并联单元所组装的能量带或线，可以集成到多种电子设备中（如血压计、夜跑臂带、柔性屏幕、手表等），在可穿戴领域中显示出广泛的应用前景。
图4. 磺酸基纳米复合聚合物电解质的分子结构模型及其所组装锌空气电池的循环性能
5. Zhang, Hong; Wang, Haozhi; Pan, Zhenghui; Wu, Zhong; Deng, Yida; Xie, Jianping*; Wang John; Han, Xiaopeng*; Hu, Wenbin*. Zn-Metal–Organic Framework Derived Ordered Mesoporous Carbon-Based Nanostructure for High-Performance and Universal Multivalent Metal Ion Storage. Adv. Mater. 2022, 34, 2206277.
简介：近年来，以锌基、钴基沸石咪唑酯骨架（ZIF）结构类的 MOF体系为代表，围绕其衍生纳米材料，分别从成分调控和微观结构设计两方面开展了大量研究工作。但目前由于对MOF 热解过程、热解中金属节点的演变过程及金属节点演变对孔道形成的影响机制仍不清晰，从而导致通过热解MOF 衍生有序介孔纳米材料仍然富有挑战性。文章系统地研究了锌基MOF纳米片的原位热解过程，提出了前驱体铜掺杂实现一步热解MOF衍生狭缝状有序介孔碳基纳米材料的调控方法。获得的有序介孔衍生物作为电极材料，展示出对多价金属离子在水系环境中电化学存储具有普适性。文章要点如下：
1）突破了MOF衍生物在成分和形貌上的设计维度，为开发MOF衍生有序介孔材料提供了新思路。制备的有序介孔衍生纳米材料具有独特的狭缝状孔道结构，孔道联通性好，孔径分布均匀（10-20nm），比表面积约910 m2 g-1。
2）研究了MOF衍生物有序孔道的原位形成机制，通过原位XRD、准原位TEM及理论计算模拟等研究分析，揭示了铜离子在热解过程中对有机配体解离的定向诱导作用，导致了MOF衍生物狭缝状有序介孔的形成。
3）获得的MOF衍生狭缝状有序介孔碳纳米片材料作为电极，展示出对Mg2+, Ca2+, Co2+, Ni2+, Al3+，Zn2+等多价金属离子在水系中具有普适的电化学存储性能。作为示范，用此材料装配的锌离子杂化电容器在0.5 A g-1下比容量达134 mAh g-1，且倍率性能优异，在电流提高到100倍，即50 A g-1下，比容量保持率仍不小于60%。同时，在大电流密度下（32 A g-1），稳定循环超过4万圈，连续弯折1千次，比容量保持率不低于94%。
这项工作提出了MOF衍生有序介孔材料的设计新维度，阐明了MOF热解过程掺杂铜离子的定向诱导机制，为设计高性能MOF衍生纳米电极材料提供了新思路。
图5. Zn1CuxMC的合成及微观结构表征
6. Lin, Jiangfeng; Ding, Jingnan; Wang, Haozhi*; Yang, Xinyi; Zheng, Xuerong; Huang, Zechuan; Song, Wanqing; Ding, Jia*; Han, Xiaopeng*; Hu, Wenbin. Boosting Energy Efficiency and Stability of Li–CO2 Batteries via Synergy between Ru Atom Clusters and Single-Atom Ru–N4 sites in the Electrocatalyst Cathode. Adv. Mater. 2022, 34, 2200559.
简介：锂-二氧化碳电池是一种用于CO2捕获和能量存储应用的新策略。然而，缓慢的CO2还原和释放反应会导致较大的过电位和较差的循环性能。本工作利用Ru阳离子和碳点上胺基官能团与氮掺杂碳上氮部分之间的不同络合作用，制备了一种负载在氮掺杂碳纳米盒（NCB）上的钌（Ru）原子簇（RuAC）和单原子Ru-N4（RuSA）复合位点（RuAC+SA@NCB)的催化剂。实验和理论研究表明，RuAC和Ru-N4之间的电子协同作用在提高对CO2析出反应（CO2ER）和CO2还原反应（CO2RR）的电催化活性方面发挥了重要作用。Ru-N4位点的电子性质由相邻的RuAC物种调节。这种复合位点之间的电子协同作用优化了与关键反应中间体的相互作用，从而有效减少了CO2RR和CO2ER速率决定步骤中的能量势垒，实现了高性能的锂-二氧化碳电池。
图6. (a) RuAC+SA@NCB合成示意图; (b) RuAC+SA@NCB中单原子与团簇位点和RuAC@NCB中单原子位点在CO2ER过程中的自由能变化
7. Zhu, Wei; Zhang, Jingchao; Luo, Jiawei; Zeng, Cuihua; Su, Hai; Zhang, Jinfeng; Liu, Rui; Hu, Enyuan; Liu, Yuansheng; Liu, WeiDi; Chen Yanan*; Hu, Wenbin*; Xu, Yunhua*. Ultra‐fast non‐equilibrium synthesis of cathode materials for Li‐ion batteries. Adv. Mater. 2022, 34, 2208974.
简介：锂离子电池目前已经被广泛应用于电子产品、电动汽车以及大型储能系统。然而目前使用的合成方法不仅能耗高而且时间长（数小时至数十小时不等）。本工作报道了一种超快速的高温热冲击（HTS）策略通过非平衡反应合成正极材料。在这个过程中，高的升温速率（~104 ℃/分钟）、高的煅烧温度、高的冷却速率（~103-104 °C/分钟）以及快速反应动力学可以同时被实现（图1a）。与需要长时间热处理和多步反应的传统合成方法相比，HTS的非平衡特征使得整个过程呈现一步反应机制并且在数秒钟内就可以合成正极极材料。此外，非平衡过程倾向于引入氧空位并形成小颗粒，这对提高正极材料的电化学性能是有益的。利用这种方法，合成了典型的正极材料，包括锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂和富锂层状氧化物/氧化镍异质结构材料，并表现出优异的电化学性能。
图7. 材料形成过程示意图
8. Wang, Yang; Li, Xiaopeng; Huang, Zhong; Wang, Haozhi; Chen, Zelin; Zhang, Jinfeng; Zheng, Xuerong*; Deng, Yida*; Hu, Wenbin*. Amorphous Mo-doped NiS0.5Se0.5 Nanosheets@Crystalline NiS0.5Se0.5 Nanorods for High Current-density Electrocatalytic Water Splitting in Neutral Media. Angew. Chem. Int. Ed. 2022.
简介：中性电解水制取绿氢具有成本低、环境友好、寿命长等优势，受到人们广泛关注。电解液电导率低导致反应进程缓慢，制氢成本升高，抑制了其应用。本工作以高导电性泡沫镍为集流体，设计开发了一种具有超薄非晶结构的镍硫硒一体式电极，并在此基础上进一步通过钼原子掺杂来定向调控了金属镍位点的电子结构，其优异性能主要归因于：①一体式电极结构和超薄纳米片阵列结构为在中性电解液中开展电解水过程提供了良好的电导特性，提高了催化剂活性位点与电解液的有效接触比例，提升了催化过程中的电子、活性分子等质荷传输动力学；②钼原子的引入可以有效增加非晶结构镍硫硒材料中金属镍位点的局域电子态密度，定向调控材料的带隙结构，降低了催化过程的决速步能垒，提升了催化位点的本征活性。因此，本项工作中一体式电极的合理设计与构筑为其在中性电解液中开展析氢、析氧反应提供了良好的热力学和动力学条件，进而提升了材料的全解水性能，为设计开发可满足工业化需求的中性电解水制氢催化剂提供一种可行思路。
图8. 材料催化原理、结构分析与催化性能
9. Wu, Han; Lu Qi; Li Yajing; Wang, Jiajun; Li, Yingbo; Jiang, Rui; Zhang, Jinfeng; Zheng, Xuerong; Han, Xiaopeng*; Zhao, Naiqin; Li, Jiajun; Deng, Yida*; Hu, Wenbin*. Rapid Joule-Heating Synthesis for Manufacturing High-Entropy Oxides as Efficient Electrocatalysts. Nano Lett. 2022, 22, 6492.
简介：高熵氧化物作为高熵材料中重要的组分部分在物理、机械性能、能源和催化领域均具有巨大的研究潜力。然而，传统的热合成方法无法短时间内对高熵氧化物进行大量的组分合成和筛选。本工作发明并使用超薄的镍箔作为快速焦耳加热的基底对高熵氧化物进行超快合成。1）与传统马弗炉的缓慢辐射加热不同，超薄的镍箔在欧姆效应下可以进行快速变温，其升温和降温速率高达数百度每秒。2）基于此方法，仅仅在几十秒内就合成了新组分组合的高熵氧化物(MgFeCoNiZn)O，以及其他各种结构的高熵氧化物包括高熵尖晶石氧化物、高熵钙钛矿氧化物和高熵岩盐氧化物，表明该方法在高熵氧化物的合成过程展现出极短的合成时间和广泛的普适性。3）所合成的新组分组合高熵氧化物(MgFeCoNiZn)O展现出优异的电催化析氧活性，而且均优于对应的单个组元，说明该元素组合产生了单个组分以及平均组分所不具有的新性能。总体来说，本工作对高熵材料的快速合成以及组分的延伸发展具有重要的意义。
图9. (a) 快速焦耳加热示意图；(b) 快速焦耳加热温度曲线及实物图；(c) 快速焦耳加热合成的(MgFeCoNiZn)O的XRD及元素面扫表征
10. Liu, Fei; Ren, Xixi; Zhao, Jun; Wu, Han; Wang, Jiajun*; Han, Xiaopeng*, Deng, Yida*, Hu, Wenbin. ACS Catal. 2022, 12, 13533.
简介：SnS在电催化还原CO2的领域具有产甲酸的特性，但电解过程中的硫溶解现象限制了其长期运行的稳定性。在此，我们提出了一种通过杂原子(In)掺杂增强S-金属键的策略抑制硫溶解，同时提高催化稳定性与活性。原位拉曼实验和理论计算表明，与Sn相比，具有较少电子的In原子可以调节SnS的电子态，增强S-金属键能，抑制了硫的溶解，改善了催化剂的稳定性。同时，In掺杂优化了产甲酸的反应路径提高了催化活性。In-SnS/C在−0.6 V vs RHE条件下甲酸盐的法拉第效率为96.6%，在电流密度为~ 37 mA cm-2条件下催化剂可以稳定工作50 h以上。本研究表明，通过In原子掺杂SnS/C调节电子结构，可以增强S-金属键能，有效地缓解S溶解现象，改善催化剂的稳定性。同时优化后的电子结构改善了CO2*和OCHO*中间体的吸附能，提高了SnS/C的电催化活性。综合以上结果，本工作为电子结构调控同时优化电催化剂的稳定性和活性、监测硫化物催化反应过程、解析催化机理等方面提供了见解。
图10. In掺杂SnS/C稳定机制示意图与CO2RR电化学性能
11. Hu, Feng; Yu, Deshuang; Ye, Min; Wang, Hui; Hao, Yanan; Wang, Luqi; Li, Linlin; Han, Xiaopeng*; Peng, Shengjie. Lattice-Matching Formed Mesoporous Transition Metal Oxide Heterostructures Advance Water Splitting by Active Fe-O-Cu Bridges. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2200067.
简介：开发用于析氧/析氢反应的高效双功能电催化剂对于电化学水分解制氢至关重要。高性能电催化剂取决于催化活性和高度可及的反应位点及其结构稳健性，而合理设计具有所需特性的电催化剂避免繁琐的制造仍然具有挑战性。本工作使用无模板方法在Ni金属骨架上原位生长具有明确界面结构的介孔和异质结构过渡金属氧化物Fe2O3 / CuO (MH-TMO)，以实现高效电催化水分解。其优异性能归因于d带中心的下移和金属中心电子态的窄局域化，使得水和氢中间体的吸收/解吸得到优化，因此电催化的能垒较低；并且其具有吉布斯自由能调节的Fe-Cu 氧化物界面上的Fe-O-Cu桥具有最佳的氧结合，以促进氧分子(Fe位点)的氧中间体的吸附/解吸。这项工作提供了具有高介孔率和独特异质结构的过渡金属氧化物的简便制造方法，并扩展了当前电化学能量转换系统的材料储备。
图11. 材料催化过程示意图
12. Liu, Chang; Shen, Yi; Zhang, Jinfeng; Li, Gen; Zheng, Xuerong; Han, Xiaopeng; Xu, Lianyong; Zhu, Shuze; Chen, Yanan*; Deng, Yida*; Hu, Wenbin. Multiple Twin Boundary-Regulated Metastable Pd for Ethanol Oxidation Reaction. Adv. Energy Mater. 2022, 2103505.
简介：丰富的表面结构缺陷能够使电催化材料具有非凡的物理和化学特性。本文采用固态高温瞬态热热冲击（thermal shock，TS）方法直接在碳黑基底上合成具有丰富孪晶界（twin boundaries，TBs）和原子台阶（atomic steps，ASs）的亚稳态Pd纳米粒子（nanoparticles，NPs)。通过分子动力学模拟结果可知，TS合成中瞬时过冷阶段可以促进TBs主导的缺陷结构形成。所制备出的亚稳态Pd NPs由于具有丰富的TBs和ASs，使其能够作为一种高性能催化剂应用于电催化燃料电池的阳极过程——乙醇氧化反应中，其在碱性介质中具有优异的催化反应活性、稳定性和抵抗CO毒化的特性，性能远优于商用Pd/C催化剂。结合第一性原理计算可知，以TBs为主的缺陷结构可以实现CO和OH最佳吸附位点的空间分离，使CO可以集中稳定于材料表面的最优吸附位置，能够减少活性位点被毒化的数目和程度。同时，OH的强吸附可以加速电催化乙醇氧化反应过程，促进电催化活性的进一步提高。
图12.具有孪晶界和原子台阶存在的富缺陷TS-Pd/C及少缺陷AT-Pd/C材料的制备及电催化作用机理示意图
13. Zhang, Jingchao; Luo, Jiawei; Guo, Zhaoxin; Liu, Zhedong; Duan, Cunpeng*; Dou, Shuming; Yuan, Qunyao; Liu, Peng*; Ji, Kemeng; Zeng, Cuihua; Xu, Jie; Liu, WeiDi; Chen, Yanan*; Hu, Wenbin*. Ultrafast Manufacturing of Ultrafine Structure to Achieve An Energy Density of Over 120 Wh kg−1 in Supercapacitors. Adv. Energy Mater. 2022, 2203061.
简介：超级电容器（SC）是最有前途的电化学储能装置之一。然而，超级电容器的实际应用受到了低能量密度的限制。在此，报告了具有N、O官能团的高温冲击（HTS）衍生的超细结构活性多孔碳（UAPC）作为高能量密度SCs碳。超快焦耳加热和冷却的过程有效地将一般吸附用途的碳转变成电化学活性碳。基于UAPC的SCs在EMIMBF4离子液体中表现出高达129 Wh kg-1的能量密度。UAPC优异的电化学性能归功于其超细结构和N、O官能团，扩大了表面积，改善了UAPC电极的表面润湿性，并提供了赝电容。简便而高效的超快加工策略为低值碳的电极设计和SC的应用开辟了一条前所未有的途径。
图13.（a）APC和（b）UAPC的形成过程示意图
14. Jiang, Rui; Da, Yumin; Chen, Zelin; Cui, Xiaoya; Han, Xiaopeng; Ke, Haibo; Liu, Yanhui; Chen, Yanan*;Deng, Yida*;Hu, Wenbin.Progress and Perspective of Metallic Glasses for Energy Conversion and Storage. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2101092.
简介：金属玻璃由于其独特的原子排列和电子结构，在能量储存和转换领域得到了广泛的研究。在过去的几十年里，人们发展了多种策略来合成块体和纳米金属玻璃材料。在此，结合金属玻璃材料的构效关系和电化学反应动力学，重点介绍了金属玻璃材料在电催化过程中的实质性应用，包括析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）、甲醇氧化反应（MOR）、二氧化碳还原（CRR）反应和固氮反应（NRR）。同时，详细介绍了金属玻璃材料在超级电容器、锂离子电池等储能装置中的应用。最后，提出了合理设计高效金属玻璃电极所面临挑战和未来发展的可能性。高通量方法、人工智能技术以及先进的表征技术的集成是筛选性能优异的材料的基础。本文旨在加深对金属玻璃材料中电子结构与电化学性能之间关系的理解，为合理设计具有优异活性、选择性和耐久性的功能性金属玻璃材料提供指导。
图14.金属玻璃基催化剂在各类能量转化和存储中的应用示意图
15. Zheng, Xuerong; Cao, Yanhui; Wu, Zhong*; Ding, Wenlong; Xue, Tao; Wang, Jiajun; Chen, Zelin; Han, Xiaopeng*; Deng, Yida*; Hu, Wenbin. Rational Design and Spontaneous Sulfurization of NiCo-(oxy)Hydroxysulfides Nanosheets with Modulated Local Electronic Configuration for Enhancing Oxygen Electrocatalysis. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103275.
简介：金属-空气电池的析氧反应(OER)是其空气电极关键的核心电化学反应过程，然而催化剂缓慢的OER动力学阻碍了其应用推广。为了避免过渡依赖高成本、低储量的传统贵金属 (Ir和Ru基) 催化剂，开发低成本、高丰度的过渡金属 (TM) 基化合物 (TMCs) 已经成为OER催化剂领域发展的重要方向。以过渡金属硫化物为例，虽然人们普遍认为其在OER催化过程中会发生表面重构，并且重构后的羟基氧化物是真正的活性中心，但是直接合成的过渡金属羟基氧化物的OER催化活性却远远达不到硫化物衍生出来的羟基氧化物。因此，本文推测硫元素在材料结构重构后的催化过程中仍然起着至关重要的作用，其作用机制亟待进一步深入探索。针对上述关键问题，本文系统分析了过渡金属硫化物在氧析出过程中的结构演变规律，发现了表面重构后的微量硫对提升材料电化学活性具有重要作用；提出并发展了一种超快自发硫化技术，在羟基氧化物中直接构筑具有丰富高价态金属位点的羟基氧硫化物新型正极材料，其中硫的进入可以锁定高价态金属位点在材料结构中稳定存在，并有效调制近邻原子的电子结构；实验与理论计算相结合，阐明了正极材料中镍钴双金属同步活化工作机制和稳定的高价态Ni/Co-S价键结构是提升材料氧析出活性和稳定性的根本原因，为构筑高活性、高稳定性过渡金属氧硫化物电极材料提供了一种新思路；进一步利用该正极材料体系开发了全固态锌-空气电池器件，电池的功率密度达到110 mW cm-2，放电比容量达到721 mAh g-1，并且在反复弯折循环400次后仍然保持高功率稳定输出，电池整体性能达到目前该领域的先进水平。
图15. 镍钴羟基氧硫化物的结构分析与锌空电池应用
16. Lu, Qi; Wu, Han; Zheng, Xuerong*; Cao, Yanhui; Li, Jihong; Wang, Yang; Wang, Haozhi; Zhi, Chunyi; Deng, Yida; Han, Xiaopeng*; Hu, Wenbin. Controllable Constructing Janus Homologous Heterostructures of Transition Metal Alloys/Sulfides for Efficient Oxygen Electrocatalysis. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2202215.
简介：在金属空气电池等能量转换和存储系统中，电极上发生的ORR和OER是决定器件整体性能的重要反应。研究表明，构建材料的异质界面是增强ORR和OER性能的有效策略。本文利用超快热冲击策略可控合成了一系列具有新型同源异质界面结构的过渡金属基催化剂，即金属或合金与其相应硫化物构成的“Janus”型纳米复合异质界面。并且利用该方法将同源异质界面的元素组分从一元扩展到四元。 “Janus”型同源异质界面的优势在于：① 界面间具有强耦合效应，能够激活更多金属位点作为催化活性位点，并调控催化位点的电子结构，从而提升其本征催化活性；② 界面间的同源元素可以起到桥连作用，有效降低了电子在界面间的传输阻力，从而提升材料的催化动力学；本文利用原位和非原技术XRD和TEM等分析技术，揭示了同源异质结构的高温暂态热还原形成机制。研究表明，在同源异质界面中金属位点的电子和配位环境结构可以得到有效调节，界面中双金属位点的协同效应可以优化氧中间体的吸/脱附能垒，从提高氧催化活性。以此类材料为基础开发的可充电水性锌空气电池（ZAB）具有超高的功率密度和循环稳定性。这项工作为设计新型的同源异质结构在储能和转换系统中的应用开辟了新的化学空间。
图16. 高温闪烧技术合成同源异质界面的原理图
17. Fan, Binbin; Wang, Haozhi; Zhang, Hong; Song, Yue; Zheng, Xuerong; Li, Changjiu; Tan, Yeqiang*; Han, Xiaopeng*; Deng, Yida*; Hu, Wenbin. Phase Transfer of Mo2C Induced by Boron Doping to Boost Nitrogen Reduction Reaction Catalytic Activity. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110783.
简介：电催化合成氨气是一种相对节能和环保的解决之道。因为它可以使用可再生能源（太阳能和风能）作为能量来源，同时用常温常压的反应条件取代传统合成氨的苛刻反应条件。电催化原料是N2和H2O，是实现无碳和绿色可持续合成氨的有效途径。而氮气还原催化剂是电催化氮气还原反应的核心环节。固氮反应中N≡N键难以断裂、析氢副反应严重，是制约NRR过程的主要难点。晶相调控被认为是NRR过程中加速氮气活化、优化反应能垒的有效方式。本文通过B掺杂成功诱导六方相Mo2C向立方相Mo2C转变，并用于NRR的高效电催化剂。实验和理论结果发现立方相Mo2C具有更强的本征活性，有助于增强N2的吸附和活化，降低NRR的反应能垒。更重要的是，由于B元素的引入，电催化剂表面的氢吸附被显著抑制，有利于提高NRR的法拉第效率。使得其在-0.6 V vs RHE电位下达到最佳的氨产率52.1 μg‧h-1‧mg-1，最高法拉第效率为 36.9%。该研究为提高催化剂活性和选择性提供了新的途径。
图17.（a）B-Mo2C催化剂上NRR交替/酶促反应路径的自由能图；（b）B-Mo2C上N2还原中间体的结构；（c）B-Mo2C和b-Mo2C催化剂上NRR反应路径的吉布斯自由能曲线；（d）B-Mo2C和b-Mo2C催化剂表面的H吸附能
18. Liu, Jie; Liu, Zhi; Wang, Haozhi; Liu, Bin; Zhao, Naiqin; Zhong, Cheng*; Hu, Wenbin*. Designing Nanoporous Coral-Like Pt Nanowires Architecture for Methanol and Ammonia Oxidation Reactions. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110702.
简介：纳米结构铂(Pt)材料得益于其优异的催化性能而被广泛应用于电催化等诸多领域。然而，Pt的高成本和资源匮乏严重阻碍了其商业化应用。因此，在提高铂催化活性的同时减少铂的使用量，是电催化领域的关键研究课题。本工作受天然珊瑚的层次结构启发，以植烷三醇溶致性液晶作为模板，通过简单的电沉积方法成功合成出一种具有珊瑚状多孔纳米线形貌的Pt/碳纤维布一体化电极，获得的3D珊瑚状Pt纳米线垂直原位生长在碳纤维布表面，而每根纳米线由相互连接的Pt纳米粒子组成，具有纳米多孔结构，该结构可以最大限度地发挥1D Pt纳米线在电催化中的潜力，电化学测试结果也表明了该结构电极远优于商业Pt/C的催化甲醇和氨氧化反应的卓越电催化性能。该工作为新型高效催化剂的设计和制备提供了新的策略。
图18. 珊瑚状多孔纳米线形貌的Pt/碳纤维布一体化电极合成示意图
19. Li, Xinyu; Qin, Zhenbo; Deng, Yida; Wu, Zhong*; Hu, Wenbin*. Development and Challenges of Biphasic Membrane-Less Redox Batteries. Adv. Sci. 2022, 2105468.
简介：离子交换膜（IEM）在燃料电池、液流电池等能源生产和储能领域起着重要作用。然而，大规模应用的一大障碍是膜的高成本问题（如商用Nafion膜价格一般超过200美元/m-2）。无膜技术是解决这一问题有前途的方法之一，“双相系统电池”是基于 “不混溶原理”而形成稳定的分层界面（图. 1d）的无膜技术。由于稳定的相分离特点，双相系统电池可以设计成“大型，稳定，规模化”的储能设备（图. 2），并且对材料设备以及催化剂等没有额外要求。此外，引入与水具有不同性质的非水相，可以在一定程度上避免水性电池中遇到的许多问题，如析氢反应（HER）、析氧反应（OER），拓宽电极材料（活性分子）的选择范围。本文综述了近年来“双相系统电池”的无膜技术，文中介绍了相分离的原理，并列出了各种双相无膜氧化还原电池的类型和性能（图. 3）。由于活性分子，溶剂成分和支持盐的差异，电池在库仑效率，循环性能和功率密度方面表现出显着差异。此外，还总结了问题、挑战（如交叉污染、低功耗性能等）和相应的对策，可为无膜电池技术的发展提供新的思路。
图19. 1 a) 催化选择性燃料电池. b) 混合液流电池. c) 层流电池. d) 双相系统电池。图.2 大型双相系统液流电池 图.3 各种类型双相电池
20. Zhao, Zequan; Wang, Chunying; Wang, Haozhi; Shen, Yuanhao; Wang, Qingyu; Li, Siwen; Liu, Bin; Zhao, Naiqin; Zhong, Cheng*; Hu, Wenbin*. A simple way to induce anode-electrolyte interface engineering through a functional composite separator for zinc–nickel batteries. Nano Energy 2022, 97, 107162.
简介：锌镍电池因其优异的倍率性能和高工作电压受到广泛关注。然而，较差的循环寿命限制了其商业化应用。本工作提出了一种用于锌镍电池的功能化复合隔膜，用于调控调控锌电极-电解质的界面特性，引导负极表面锌的均匀沉积。制备的复合隔膜（FC隔膜）相比商业用的聚丙烯隔膜（PP隔膜），FC隔膜具有更为优异的润湿性、保水性和离子电导率。采用该FC隔膜组装的锌镍电池在 55.3 mA cm-2的高电流密度下可以稳定循环1435 h，远超基于PP隔膜的锌镍电池（PP电池）的循环寿命，并且原位CT表征证实FC电池中的锌负极在长期循环后仍呈现出均匀的沉积形貌，无枝晶生长和形变发生。此外，在60℃下测试了电池的静置性能。在短时间内，PP电池开路电压迅速衰减，而FC电池在长达618 h中一直使得开路电压高于1.63 V，证明FC隔膜能够显著提升锌镍电池的静置性能。DFT计算结果进一步分析了FC隔膜提升锌镍电池的机制：FC隔膜中TiO2表现出更强的亲锌性，并且FC隔膜上的PAAK也能够与界面处的锌离子产生交互作用，二者共同作用控制锌的沉积行为。锌的均匀沉积减少了负极形变的发生和枝晶的形成，提高了锌镍电池的循环寿命。同时，在负极界面处的PAAK能够遮挡负极上的一些活性位点，抑制了锌电极的HER副反应。采用该隔膜组装的锌基电池兼具长循环寿命和静置寿命，表现出广阔的应用前景。
图20. FC隔膜改善锌电极-电解质界面稳定性的机制示意图
21. Jiang, Rui; Da, Yumin; Zhang, Jinfeng; Wu, Han; Fan, Binbin*; Li, Jihong; Wang, Jiajun; Deng, Yida, Han, Xiaopeng*; Hu, Wenbin. Non-equilibrium synthesis of stacking faults-abundant Ru nanoparticles towards electrocatalytic water splitting. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 316, 121682.
简介：具有多维缺陷的金属纳米材料有望用于电催化，而探索合成这种具有独特结构的材料的简便方法仍然具有挑战性。在这里，我们首先合成了具有丰富层错（SFs）的Ru纳米颗粒，将超快加热与快速淬火相结合。在SFs区，完全六边形的密堆积平面部分转变为面心立方。在10 mA/cm2电流密度下，需要196 mV和35 mV来驱动析氢反应和析氧反应，显著加快了酸中1.51 V的总水分解。理论计算表明，该性能源于SF和诱导的连续应变场的协同效应，其中主导的压缩应变减弱了Ru位点的晶场分裂效应，从而增强了Ru位的电子转移。优异的轨道间p-d转移决定了增强OER性能的强电子活动。这项工作为具有缺陷结构的催化剂的合理设计提供了见解。
图21. 非平衡的超快合成策略制备富缺陷Ru纳米颗粒示意图
22. Huang, Zechuan; Li, Haoyang; Yang, Zhen*; Wang, Haozhi; Ding, Jingnan; Tian, Yanling; Mitlin, David*; Ding, Jia*; Hu, Wenbin. Nanosecond Laser Lithography Enables Concave-Convex Zinc Metal Battery Anodes with Ultrahigh Areal Capacity. Energy Storage Mater., 2022, 51: 273-285.
简介：锌负极的枝晶生长问题严重阻碍了锌基电池的实际商业化应用。本工作利用纳秒激光光刻技术制备了具有周期性凹凸图案的锌箔，成功抑制锌枝晶的生长，实现高面容量锌的稳定沉积与剥离。激光光刻图案化锌负极（LLP@ZF）的凹凸表面几何结构增强了润湿性，使其具有超强亲水性。在电沉积过程中，LLP@ZF表面的几何结构会产生周期性电场和电流分布，从而抑制尖端效应。此外，其表面氧化物表现出亲锌特性。这些特性使得LLP@ZF电极具有稳定无枝晶的沉积/剥离能力和锌沉积过程中的低成核势垒。并且在1 mA cm-2，50 mAh cm-2的条件下，对称电池能实现400 h的稳定循环。此外，在MnO2基正极负载10 mg cm-2，对应负极面容量7.6 mAh cm-2的超高水平下，全电池能保持稳定循环。
图22. (a) Zn原子在Zn和ZnO晶面上的吸附能; (b) LLP@ZF表面附近电场分布仿真; (c) LLP@ZF表面锌成核和生长行为示意图
23. Wu, Zhong*; Feng, Yanhui; Qin, Zhenbo; Han, Xiaopeng; Zheng, Xuerong; Deng, Yida*; Hu, Wenbin. Bimetallic multi-level layered Co-NiOOH/Ni3S2@NF nanosheet for hydrogen evolution reaction in alkaline medium. Small, 2022, 2106904.
简介：开发高效的非贵金属催化剂用于电解水具有重要意义，但由于碱性介质中氢催化反应（HER）的动力学迟缓，因此具有挑战性。本工作报告了一种双金属多层催化电极，电极由Ni3S2纳米片和三维多孔独立阴极的次级Co-NiOOH层组成。这种集成的协同催化电极表现出优异的HER电催化性能。由此产生的Ni0.67Co0.33/Ni3S2@NF电极显示出最高的HER活性，在电流密度为10和100 mA·cm-2的条件下，其过电位分别为87和203 mV，其Tafel斜率为80 mV·dec-1。在50 mA·cm-2的高电流密度下计时电位仪显示出可忽略的性能变化，表明Ni0.67Co0.33/Ni3S2@NF电极比Pt/C（20 wt.%）的稳定性更好。这种理想的催化性能归功于物理和电子结构的改变，它暴露了丰富的活性位点，提高了对HER的内在催化活性，这也被电化学活性表面积和X射线光电子光谱分析所证实。这项工作为合理设计用于工业电解水的高性能双金属电极提供了有力支持。
图23. (A) 材料合成示意图, (B) 不同材料在1mKOH中的LSV曲线, (C) 不同材料的塔菲尔图, (D) 不同材料在10mV下的过电位及Tafel斜率, (E) 材料稳定性
24. Xiao, Caixia; Song, Wanqing; Liang, Jingzhe; Zhang, Jiangwei; Huang, Zechuan; Zhang, Jinfeng; Wang, Haozhi*; Zhong, Cheng; Ding, Jia*; Hu, Wenbin. P-block tin single atom catalyst for improved electrochemistry in a lithium–sulfur battery: a theoretical and experimental study. J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 3667-3677.
简介：主族金属通常被认为是无催化活性的。但本工作通过密度泛函理论计算，氮掺杂碳上原子分散的锡位点由于未填充的p轨道的激活以及金属-载体相互作用时p带中心向费米能级的显著移动，对电催化具有高度活性。在理论指导下，我们制备了以Sn-N4为活性位点的p-block锡单原子催化剂（SnSA-NC）以有效改善锂硫电池性能。Sn原子和N配体之间的电荷转移产生了一个高极性位点，该位点对电解质可溶性长链多硫化物具有很强的吸附能力。中心Sn原子的独特p带结构调节硫氧化还原速率决定步骤的能量势垒，从而促进锂多硫化物转化。SnSA-NC改性的功能隔膜将硫利用率提高了79.7%，并显著提高了锂硫电池的循环性和倍率性能。这项工作成功地扩大了主族金属在电催化中的应用。
图24. (a)SnSA-NC与NC在锂多硫化物还原过程中的自由能变化；(b)SnSA-NC (c)NC对Li2S的分解能垒图；(d)SnSA-NC和NC吸附构型中Li-S键的COHP分析
25. Luo, Jiawei; Zhang, Jingchao; Guo, Zhaoxin; Liu, Zhedong; Dou, Shuming; Liu, WeiDi; Chen, Yanan*; Hu, Wenbin*. Recycle spent graphite to defect-engineered, high-power graphite anode. Nano Res. 2022.
简介：石墨具有优异的电化学性能，是锂离子电池（LIBs）的主要负极材料。然而石墨独特的层状结构以及石墨层间Li+缓慢的扩散动力学导致其大倍率性能较差，限制了其作为快充型锂离子电池负极材料的应用。因此我们利用非平衡的高温热冲击（HTS）方法，在60s内实现了废旧石墨的再石墨化，并且由于其极快的加热，冷却速率和较短的保温时间，废旧石墨中的部分缺陷也得以保留。在2C的高电流密度下，富缺陷再生石墨（DRG）的充电比容量为323 mAh/g，远优于商用石墨（CG，120 mAh/g）。DRG优异的电化学性能主要是由于在超快加热和冷却过程中石墨层状结构的恢复和废旧石（SG）中部分缺陷的保留。被保留的缺陷可以有效地降低总应变能，加快相变动力学和Li+扩散动力学。此外在回收废旧石墨的同时我们也实现了锂和铜的一步直接回收。本研究为指导废旧石墨的再生和通过缺陷工程设计高倍率型电极材料提供了一种简便的策略。
图25.（a）DRG和CG的形成过程示意图（b）锂和铜回收过程示意图
26. Lin, Jiangfeng; Song, Wanqing; Xiao, Caixia; Ding, Jingnan; Huang, Zechuan; Zhong, Cheng; Ding, Jia*; Hu, Wenbin*. A Comprehensive Overview of The Electrochemical Mechanisms in Emerging Alkali Metal-Carbon Dioxide Batteries. Carbon Energy, 2022.
简介：碱金属-二氧化碳（Li/Na/K-CO2）电池在能源危机和碳中和的迫切要求下应运而生，是固定和利用二氧化碳的新兴策略之一。自碱金属-二氧化碳电池发明以来，在对电极材料的开发方面已取得了一定的进展，但对该体系的电化学机理的总结和归纳却十分匮乏。本文是第一篇全面剖析碱金属-二氧化碳电池电化学机理的综述，总结目前的研究现状的同时，提出了对热力学反应路径、动力学特征以及决定碱金属-二氧化碳电池反应机理的关键因素的见解。本文涵盖了碱金属-二氧化碳电池的基本概念，全面讨论了正极与负极的关键工作机理、液态和（准）固态电解质的运行机制，提炼了目前碱金属-二氧化碳电池中亟待解决的问题，并展望了未来研究的广阔前景。
图26. 碱金属-二氧化碳电池中CO2RR/ER双功能催化剂的分类
27. Li, Xiaopeng; Zhang, Hong *; Wang, Yang; Wang, Haozhi; Wang, Jiajun; Zhang, Jinfeng; Qiu, Liuzhe; Deng, Yida; Han, Xiaopeng * ; Hu, Wenbin*. Tailoring the spin state of active sites in amorphous transition metal sulfides to promote oxygen electrocatalysis. Sci. China Mater. 2022, 65, 3479.
简介：调控活性位点的自旋态是提高氧电催化性能的重要研究方向。 然而, 在非晶电催化剂中, 提升催化活性的自旋调控机制尚不清楚。 本工作通过一步水热法合成了一系列杂原子掺杂的非晶态过渡金属硫化物材料, 其中在钼(Mo)掺杂的硫化钴(CoS)中, 部分Co2+的电子构型由高自旋态HS(t2g5eg2)转变为低自旋态LS(t2g6eg1), 优化了各种中间体的吸附自由能, 从而加速了氧化还原反应动力学。 以Mo-CoS为阴极催化剂组装的锌-空气电池具有优异的循环稳定性(超过100 h)。大模具锌空气电池(100 cm2)在大电流(0.5 A)下仍表现出高放电电压(1.25 V)和高质量能量密度(93 W h kg−1), 可以点亮2.5 m的发光二极管条带持续7天以上。这篇文章证明了在非晶态CoS纳米片中掺杂可以产生优越的OER/ORR催化剂，因为通过工程自旋态电子构型优化了氧中间体的吸附。Mo0.03-CoS显著的ORR性能几乎可以与最先进的Pt/C相媲美。以Mo0.03-CoS为阴极材料的ZAB具有显著的功率密度为180.6 mW cm−2和良好的循环稳定性（300次循环），优于Pt/C-IrO2。此外，当应用在较大的ZAB中时，电池在大电流（0.5 A）下仍然显示出较高的放电电压（1.25 V）和良好的质量归一化电池容量（93WhKg−1）。结合实验结果和理论计算，Mo0.03-CoS对ORR的优越活性可以归功于其独特的电子结构，对各种氧中间体具有良好的吸附能。这项工作为金属空气电池，特别是大型电池设计高效双功能和实用的电催化剂提供了新的思路，为理解非晶材料中自旋态调控对氧电催化活性影响的机理提供了借鉴。
图27.（a）Mo0.03-CoS自旋态调控示意图与材料表征
胡文彬教授：主要从事能源材料与器件、纳米金属材料、材料表面工程技术等方向的研究与开发。在Nature Energy、Nature Communication、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano等学术期刊发表SCI收录论文400多篇，SCI他引17000余次，入选科睿唯安全球高被引科学家；出版著作或教材4本；作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项。国家杰出青年科学基金（2011年）、国务院政府津贴（2012年）获得者，中组部万人计划科技领军人才（2017年），科技部创新人才推进计划重点领域创新团队“能源领域用关键材料”负责人。兼任国务院学科评议组成员、教育部科技委材料学部委员、中国腐蚀与防护学会副理事长、中国材料研究学会理事、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事等；同时兼任《材料导报》编委副主任以及《Science China Materials》、《无机材料学报》、《中国有色金属学报》等期刊编委。
邓意达教授：博士生导师，“长江学者”奖励计划特聘教授，入选2022年度科睿唯安全球“高被引科学家”。2006年获上海交通大学博士学位，长期从事金属微/纳功能材料的结构控制与功能调控研究，先后主持科技部重点研发计划课题2项、国家自然科学基金面上2项、青年1项等科研项目20余项。目前累计发表SCI论文160余篇，他引6000余次，ESI高被引论文13篇。近5年以通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等材料领域高水平期刊发表SCI论文50余篇，以第一发明人申请国家发明专利19项，已获授权6项，转让专利1项，合作出版中英文学术著作2部。研究成果获国家科技进步二等奖1项（2007年，排名第七）和省部级科技进步一等奖2项（2008年教育部科技进步一等奖，2007年上海市科技进步一等奖）。
钟澄教授：博士生导师，国家杰出青年基金、国家优秀青年科学基金、天津市杰出青年科学基金获得者，入选中组部万人计划青年拔尖人才、英国皇家化学学会会士、2021-2022年入选科睿唯安全球“高被引科学家”。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金重点项目等。围绕电池电化学和电化学冶金方面，在, Nat. Rev. Mater., Nat. Energy, Chem. Rev., Chem. Soc. Rev. Nat. Commun., Adv. Mater., 等刊物发表SCI收录论文180余篇，编著中英文专著/教材3部。获得国家授权发明专利20余项，并有多项专利获得转让。
韩晓鹏研究员：长期从事新型金属基能源催化材料方面的研究，先后承担基金委优青、面上、中国科协青托、装发快速扶持等国家级项目，以第一/通讯作者在材料类顶级期刊发表SCI论文70余篇，包括Adv.Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、等影响因子大于15高水平论文3 篇；论文总他引一万余次，29篇ESI高被引，h因子59；以第一发明人获国家授权发明专利7项（其中3项已转化），合作出版中英文著作2部，连续三年入选科睿唯安全球“高被引学者”（2020-2022）。
丁佳教授：博士生导师，入选海外高层次人才引进计划青年项目。围绕电化学储能关键材料与先进技术方向展开长期深入的研究，以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Chem. Rev.、ACS Nano、Angew. Chem., Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等国际知名学术期刊发表论文40余篇，10篇入选ESI热点论文和高被引论文，引用3000余次。申请美国专利6项，授权1项。应邀担任包括 Nat. Commun.， Adv. Energy Mater.在内的化学与材料领域国际学术期刊审稿人。
吴忠 副教授：博士生导师，2013年获上海交通大学博士学位，主要致力于金属燃料电池材料及器件、材料表面结构与功能一体化、腐蚀与防护等方面的研究，主持国家自然科学基金面上项目/青年基金（4项）、JKW重点项目、天津市自然科学基金重点项目等各级科研项目15项。发表学术论文60余篇，其中以第一/通讯作者在Adv. Energy Mater.、Small、Adv. Sci.、Corrosion Sci.、Corrosion等期刊发表SCI论文40余篇；出版学术著作《空泡腐蚀与防护》1 部。申请国家发明专利40余项，获授权10余项。兼任中国腐蚀与防护学会理事、磨蚀与防护技术专委会委员、《腐蚀与防护学报》青年编委、国际学术期刊《Coatings》主题编辑、全国材料与器件科学家智库专家委员会委员。
陈亚楠特聘研究员：博士生导师，“北洋学者”，“卓越学者”获得者，入选中国科协青年人才托举项目，长年致力于新型能源材料的超快速纳米制造及其在锂/钠离子电池、绿氢/燃料电池的应用研究。现已在Nature Energy、Nature Comm.、Science Advances、JACS、PNAS、Adv. Mater.、 Materials Today等高影响力期刊发表研究论文100余篇，论文引用7000次，多篇论文入选高被引论文。授权国家发明专利、美国发明专利10余项，专利转化二项（转化金额360万）。承担国家科技基金173计划，重大研究计划培育，国家自然科学基金面上项目，中国科协青年人才托举项目，天津市青年人才托举项目，企业产学研项目等多项课题。担任国家自然科学基金，瑞士科学基金，中国科协青年托举项目，科技奖励等评审专家。兼任中国材料研究学会副秘书长，中国科技期刊卓越行动计划期刊Progress in Natural Science-Materials International 副主编，Chinese Chemical Letters，JMST，Chinese Journal of Catalysis等期刊编委或客座编辑。
郑学荣教授：博士生导师，主要从事金属空气电池、锂离子电池等新型能源电极材料设计开发和储能器件研究。以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文30余篇，他引2000余次。作为项目负责人主持国家自然基金面上项目、中欧人才项目、青年项目等，并获得多项相关企事业单位横向委托课题。2018-2019年在美国弗吉尼亚理工大学从事访问学者，并赴美国阿贡、橡树岭等国家实验室开展学术交流和合作研究；2020年入选国家“香江学者计划”，在欧洲人文与自然科学院院士、ACS Nano副主编、香港城市大学Andrey Rogach教授课题组从事博士后研究。
刘杰副研究员：硕士生导师，2015年获得上海交通大学博士学位，主要从事电化学能源器件用电极材料的设计开发和应用研究。在Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Power Sources等期刊发表SCI论文30余篇。主持包括国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、天津市自然科学基金青年项目在内的科研项目5项，授权发明专利8项，入选北洋学者青年骨干教师。
王嘉骏副研究员：硕士生导师，2019年获天津大学博士学位，2017-2018年在美国哥伦比亚大学联合培养。长期从事微纳材料的设计制备及其CO2电还原应用研究，在材料组分优化调控、催化过程原位表征和材料电催化机制研究等方面开展了一系列工作，相关成果在以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem., Int. Ed.、ACS Catal.、Fundamental Research等国内外材料化学类顶级期刊发表论文18篇，先后主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金面上项目、天津大学自主创新基金等多项课题。
