科学研究

我校许并社教授团队在低维功能材料领域取得系列研究成果

2022-12-30 17:02 文、图/前沿院 郝晓东 点击:[]

近日,我校许并社教授团队在半导体光电材料、能源环境材料、纳米催化材料、生物医学等领域取得系列研究成果,在国际顶级期刊Angewandte Chemie、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Small、Chemical Engineering Journal、Journal of Energy Chemistry、ACS Applied Materials & Interface、CarbonInternational Journal of Molecular Sciences等发表多篇学术论文,基于先进的球差校正透射电子显微学技术与理论,研究低维功能材料的原子与分子结构、表界面组织与结构、离子与电子结构等物性参数,进而建立结构与性能之间的超微观构效关系,为指导与设计具有新型功能的材料与器件提供重要的理论依据和研究基础。

1自下而上生长宏观尺寸的纤维磷微米柱阵列

许并社团队马淑芳教授在低维光电材料领域取得重大突破。即,①从原子、分子超微观结构设计入手构建了无定型红磷的自组装策略,实现了大面积、高质量纤维磷微米柱阵列的可控制备;②发明了从二维材料合成到光电器件制备新技术;③研究发现了纤维磷的热释电效应促进纤维磷基的光电探测器获得超出带隙限制的响应;④获得了从紫光到近红外光的宽带响应的高性能的器件;⑤在二维光电材料领域具有广泛的应用前景。

论文信息:Shuai Zhang,Shufang Ma*, Ben Cao, Qiandong Zhuang, Yang Xu, Jiahui Wang, Xishuo Zhang, Xiaoye Nan, Xiaodong Hao, and Bingshe Xu*. Synthesis of Fibrous Phosphorus Micropillar Arrays with Pyro-Phototronic Effects.Angewandte Chemie International Edition, 2022.https://doi.org/10.1002/ange.202217127

2稳定、低功耗黑磷/石墨烯人工突触器件

许并社团队尉国栋教授类人工智能研究领域较大突破。即,①利用一种简易的方法制备出黑磷-氧化石墨烯人工突触器件;②基于黑磷的局域场增加效应和石墨烯量子点的量子限制效应的协同作用提升了器件的电子存储能力;③获得了高稳定、低功耗的黑磷/氧化石墨烯人工突触器件,能够模拟生物突触的多种功能;④在人工智能领域具有广泛的应用前景。

论文信息:Shuai Yuan, Bocang Qiu, Koshayeva Amina, Lan Li, Peichen Zhai, Ying Su, Tao Xue, Tao Jiang, Liping Ding*, andGuodong Wei*. Robust and Low Power Consumption Black Phosphorous-Graphene Artificial Synaptic Devices,Applied Materials & Interfaces,2022, 14(18), 21242.https://doi.org/10.1021/acsami.2c03667

3稳定、高性能钙钛矿纳米线混维度光电探测器

许并社团队韩斌副教授在光电探测器领域取得较大突破。即,①从电子能带结构出发开发了混维度范德华异质结光电探测器的制备新技术;②发明了hBN/Graphene/CH3NH3PbI3纳米线混维度范德华异质结光电探测器;③改善了石墨烯和纳米线之间的电极接触提高了光生载流子提取效率;④获得了高响应度(558 A/W)和比探测率(2.3 × 1012Jones)的光电探测器;⑤在光电探测领域具有广泛的应用前景。

论文信息:Guanghui Wang,Bin Han*, Chun Hong Mak, Jialong Liu, Bo Liu, Peng Liu, Xiaodong Hao, Hongyue Wang, Shufang Ma, Bingshe Xu, Hsien-Yi Hsu*,Mixed-Dimensional van der Waals Heterostructure for High-performance and Air-stable Perovskite Nanowire Photodetectors,Applied Materials & Interfaces,2022, 14(49), 55183.https://doi.org/10.1021/acsami.2c15139

4 Mg掺杂p型MoS2/GaN光电探测器中的电荷再分布

许并社团队李国强教授MoS2/GaN基光电探测器领域取得突破。即,①构建了Mg掺杂MoS2/GaN p-n异质结材料;②发现由于掺杂前后两种材料载流子浓度差异反转,异质结内建电场也发生了扭转,界面电荷转移增强;③利用第一性原理揭示了界面电荷转移增强机理;④获得了高响应率的光电探测器;⑤在光电探测领域有着广泛的应用前景。

论文信息:Ben Cao, Shufang Ma, Wenliang Wang*, Xin Tang, Dou Wang, Weikang Shen, Bocang Qiu, Bingshe Xu*, andGuoqiang Li*. Charge Redistribution in Mg-Doped p-Type MoS2/GaN Photodetectors,Journal of Physical Chemistry C,2022, 126, 44, 18893.https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c05895.

5太阳能电池异质结构界面极化电荷的原子尺度新视角

许并社团队郝晓东副教授携手重庆大学尹德强教授在太阳能电池取得较大突破。即,①从异质界面极化电荷入手阐明太阳能电池界面极化的潜在机制;②基于第一性原理发现界面极化电场由于界面上电子和空穴的再分布而产生;③发现半极性异质界面极化电场有助于电子空穴分离效率和光电流的收集;④揭示了界面极化电场与内建电场的协同作用机制;⑤在太阳能电池领域具有广泛的应用前景。

论文信息:Xiaodong Hao*, Xishuo Zhang, Benyao Sun, Deqiang Yin*, Hailiang Dong, Jiahui Wang, Biao Huang, Yang Xu, Hengsheng Shan, Shufang Ma, Chunlin Chen, and Bingshe Xu. Atomic-scale Insights into the Interfacial Polarization Effect in InGaN/GaN Heterostructure for Solar Cells,ACS Applied Materials & Interfaces,2022.https://doi.org/10.1021/acsami.2c17082

6微晶石墨的共吸附储钠

许并社团队郝晓东副教授与材料学院刘晓旭教授在储钠领域取得重大突破。即,①合成了一种含有序晶界与介孔的微晶石墨电极材料;②发现可在其纳米尺度的有序晶界及介孔中实现“共吸附”储钠;③利用球差校正透射电子显微学(Cs-STEM)和X射线能谱仪(EDS)技术在原子尺度下深入揭示了石墨电极的“共吸附”储钠行为与机制;④在结晶碳材料储钠有着广泛的应用前景。

论文信息:Xiaoxu Liu*, Tian Wang, Tengsheng Zhang, Zhihao Sun, Tianyi Ji, Jing Tian, Hui Wang,Xiaodong Hao*, Hui Liu, Dongliang Chao*. Solvated Sodium Storage via a Co-Adsorptive Mechanism in Microcrystalline Graphite Fiber,Advanced Energy Materials, 2022, 12(45), 2202388.https://doi.org/10.1002/aenm.202202388

7简单、高效、大规模合成高熵合金纳米颗粒新技术

许并社团队郝晓东副教授与西北有色金属研究院赵盘巢副研究员在高熵合金纳米材料领域取得重大突破。即,①开发了一种简单、高效和大规模制备高熵合金纳米材料的技术—喷雾干燥结合热分解还原方法;②实现了在温和条件下合成石墨烯载2-10元铂基高熵合金纳米粒子;③利用球差校正透射电子显微学(Cs-STEM)与X射线能谱仪(EDS)技术在原子尺度下深入研究了铂元素自催化作用及促进高熵合金纳米粒子形成机理;⑤在高熵合金纳米材料设计与合成领域具有广泛的应用前景。

论文信息:Panchao Zhao*, Qigao Cao*, Wei Yi*,Xiaodong Hao*, Jigang Li, Bosheng Zhang, Long Huang, Yujie Huang, Yunbo Jiang, Bingshe Xu, Zhiwei Shan*, Jialin Chen*.Facile and General Method to Synthesize Pt-Based High-Entropy-Alloy Nanoparticles,ACS Nano,2022,16(9), 14017.https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03818.

8聚吡咯包裹Ni/NiFe2O4核壳纳米球磁性电极及其电解水应用

许并社团队杜高辉教授在磁性电极电催化领域取得较大突破。即,①设计了聚吡咯(PPy)包裹的Ni/NiFe2O4核壳纳米球的磁性电极;②构建了无粘结剂磁性电极,提高反应活性的同时亦能提升催化剂回收;③揭示了PPy包覆对电解质与Ni/NiFe2O4之间的离子传输速率和活性位点的反应效率的调控机制;④获得了优异的全解水电催化活性;⑤在磁性电极电催化领具有广泛的应用前景。

论文信息:Lina Jia,Gaohui Du*, Di Han, Yunting Wang, Wenqi Zhao, Qingmei Su*, Shukai Ding, Bingshe Xu*. Magnetic electrode configuration with polypyrrole-wrapped Ni/NiFe2O4core–shell nanospheres to boost electrocatalytic water splitting,Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140278.https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140278

9富含缺陷的过渡金属纳米结构电催化剂的化学能驱动锂化制备

许并社团队杜高辉教授在双金属电催化领域取得较大突破。即,①通过一种化学能量驱动锂化方法均匀尺寸和超细的金属纳米颗粒;②构建了高浓度的表面和边界缺陷(无序原子比例可达40%);③获得十分优异的电催化活性(HER过电位为127 mV@100 mA cm-2);④在过渡金属电催化领域具有十分广泛的应用前景。

论文信息:Di Han,Gaohui Du*, Yunting Wang, Lina Jia, Wenqi Zhao, Qingmei Su*, Shukai Ding, Miao Zhang, Bingshe Xu. Chemical Energy-Driven Lithiation Preparation of Defect-Rich Transition Metal Nanostructures for Electrocatalytic Hydrogen Evolution,Small, 2022, 18(35), 2202779.https://doi.org/10.1002/smll.202202779

10 BiOI纳米片包裹碳纤维作为助力双向多硫化物转化用于锂硫电池中

许并社团队杜高辉教授在锂硫电池领域取得较大突破。即,①构建了多孔三维网络BiOI/碳纤维核壳复合材料体系;②该体系具备高比表面积、丰富的活性位点和优异的双向氧化还原能力;③揭示了BiOI和多硫化物之间的强相互作用;④获得了优异的电池性,高硫负载量(5mg/cm2)下电池容量在循环200次后稳定在1020 mAh g-1;⑤在锂硫电池领域具有广泛的应用前景。

论文信息:Dong Wang,Gaohui Du*,Yunting Wang,Yi Fan, Di Han, Qingmei Su*, Shukai Ding, Wenqi Zhao, Bingshe Xu. BiOI nanosheets-wrapped carbon fibers as efficient electrocatalyst for bidirectional polysulfide conversion in Li–S batteries,Chemical Engineering Journal, 2022, 430, 133015.https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133015

11预锂化边缘富集的MoS2纳米片镶嵌碳纤维作为保护层稳定金属锂负极

许并社团队苏庆梅教授在锂电池领域取得较大突破。即,①构筑了边缘富集的超薄MoS2嵌入3D多孔碳纳米纤维框架(PCNF/MoS2)作为Li金属负极的保护层,并通过MoS2和Li的自发化学反应在Li箔表面原位构建了高离子电导率(Li2S/Mo)钝化层;②Mo显著降低了Li成核的过电位,实现了锂的均匀电镀/剥离,引导Li在三维CNF框架腔内沉积,从而有效抑制Li枝晶的生长;③Li2S作为一种有效的添加剂,具有优异的化学稳定性和高的离子电导率,促进了均匀而坚固的SEI形成,成功实现了稳定的锂负极;④获得了循环稳定性和倍率性能;⑤为实现实用的锂金属电池提供了新的思路。

论文信息:Lintao Yu,Qingmei Su*,Boyu Li,Luo Huang,Gaohui Du*,Shukai Ding,Wenqi Zhao,Miao Zhang,Bingshe Xu. Pre-lithiated Edge-enriched MoS2nanoplates embedded into carbon nanofibers as protective layers to stabilize Li metal anodes,Chemical Engineering Journal,2022, 429, 132479.https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132479

12 NCM811在锂离子店址高截止电压下衰减的原子尺度剖析

许并社团队苏庆梅教授在锂电池领域取得较大突破。即,①利用双球差校正扫描透射电子显微镜(STEM)的超高分辨率和轻元素成像技术,详细研究了NCM811在不同截止电压下的容量衰减机制;②发现了在4.9V电压下NCM811的晶体结构从层状结构演变为岩盐相的新现象;③揭示了NCM811在4.9V的高截止电压下的降解机制是由于缺陷引起的晶间裂缝的形成,岩盐相的直接形成,以及伴随着Ni2+和Co2+相从表面到体相的还原;④为高能锂离子电池(LIBs)提供可靠的理论基础。

论文信息:Liming Wang,Qingmei Su*, Bin Han, Weihao Shi, Gaohui Du*, Yunting Wang, Huayv Li, Lin Gu*,Wenqi Zhao, Shukai Ding, Miao Zhang, Yongzhen Yang, Bingshe Xu. Unraveling the degradation mechanism of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2at the high cut-off voltage for lithium ion batteries,Journal of Energy Chemistry, 2022.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.11.016

13三维碳纳米管-介孔碳海绵用于大功率锂离子电容器正极

许并社团队赵雯琦副教授在锂离子电容器取得较大突破。即,①构建了高弹性的碳纳米管-介孔碳海绵三维网络多孔结构;②通过调控介孔碳层的多孔结构(关键因素包括孔有序度、孔道长度)研究了微观结构对电化学性能的影响;③获得了高比电容和电荷的快速存储性能:可在325 W/kg下提供111.8 Wh/kg的能量密度,在32500 W/kg的高功率密度下仍可达到30.7 Wh/kg的能量密度;④在锂离子电容器领域有着广泛的应用前景。

论文信息:Wenqi Zhao, Jingwen Yang, Yuanyuan Shang, Boyu Yang, Di Han, Gaohui Du*, Qingmei Su*, Shukai Ding, Bingshe Xu, Anyuan Cao*. 3D carbon nanotube-mesoporous carbon sponge with short pore channels for high-power lithium-ion capacitor cathodes,Carbon, 2023, 203, 479.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.009

14皮克林乳液光催化微反应器的界面工程:从机制到前景

许并社团队余愿教授在光催化领域取得较大突破。即,①提出以皮克林乳液(PE)微反应器作天然相屏障,解决多相催化中普遍存在的体系不相溶、接触界面小及催化活性位点受限等问题;②对PE体系光催化机制进行独到的剖析;③为后续PE微反应器在光电领域、生物燃料升级、可再生能源转化的工业发展和应用提供重要思路。

论文信息:Yanning Qu, Dongfeng Sun,Yuan Yu*. Interfacial engineering in Pickering emulsion photocatalytic microreactors: From mechanisms to prospects,Chemical Engineering Journal,2022, 438, 135655.https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135655

15 FeNi2P三维定向纳米片阵列双功能催化剂

许并社团队余愿教授/孙东峰副教授在电解水催化领域取得较大突破。即,①开发了一种FeNi2P三维纳米片阵列电催化剂电极;②发现异质Fe原子的引入,调制了Ni2P的电子结构,使其具有更低的氢吸附能和更快的析氢反应动力学;③独特的三维纳米结构,有利于电解质溶液在其表面渗透、有利于电解反应产生气体逸出、也有利于更多活性位点的暴露;④获得了很好的析氢和析氧反应性能,其全解水电压甚至比全贵金属电极电解池(RuO2|| Pt)更加优异的性能;⑤在电催化领域有着重要的应用前景。

论文信息:Songmin Lin,Yuan Yu*, Dongfeng Sun*, Fangyou Meng, Wenhui Chu, Linyin Huang, Jie Ren, Qingmei Su, Shufang Ma, Bingshe Xu.FeNi2P three-dimensional oriented nanosheet array bifunctional catalysts with better full water splitting performance than the full noble metal catalysts,Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 608, 2192.https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.09.166

16钴纳米颗粒和石墨烯复合电催化剂

许并社团队余愿教授/孙东峰副教授钴基复合电催化领域取得较大突破。即,①开发了一种钴纳米颗粒和石墨烯复合电催化剂材料;②揭示了钴金属和石墨烯的协同作用;③获得十分优异的全解水点催化性能,已经接近全贵金属电极电解池(RuO2|| Pt);④在电催化领域有着广泛的应用前景。

论文信息:Wenhui Chu,Yuan Yu*, Dongfeng Sun*, Yanning Qu, Fangyou Meng, Yingying Qiu, Songmin Lin, Linyin Huang, Jie Ren, Qingmei Su, Bingshe Xu. Uniform cobalt nanoparticles embedded in nitrogen-doped graphene with abundant defects as high-performance bifunctional electrocatalyst in overall water splitting,International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47, 21191.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.04.235

17通过调节形态发生的循环应变促进黑色素瘤细胞增殖

许并社团队杨英俊副教授在生物医学领域取得较大突破。即,①设计并制作了可提供循环拉伸应力刺激的细胞培养装置并应用于研究拉伸应力刺激影响黑色素瘤增值的作用机制;②发现循环拉伸应力刺激可通过调控黑色素瘤细胞形态发生过程作用于力传导通路并最终影响黑色素瘤细胞的增殖能力;③为理解肢端黑色素瘤发生发展机制提供新的思路;④在生物医学领域有着广泛的应用前景。

论文信息:Siyuan Huang, Zhu Chen, Xiaoqiang Hou, Kuankuan Han, Bingshe Xu, Miao Zhang, Shukai Ding, Yongtao Wang,*Yingjun Yang*.Promotion of Melanoma Cell Proliferation by Cyclic Straining through Regulatory Morphogenesis,International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23(19), 11884;https://doi.org/10.3390/ijms231911884

(核稿:强涛涛 编辑:刘倩)

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