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人物簡介

41歲獲最高國家科技獎(jiǎng)，44歲成最年輕的兩院院士，學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化并舉，這位能源大牛令人膜拜！

陳忠偉，加拿大滑鐵盧大學(xué)化學(xué)工程系教授，滑鐵盧大學(xué)電化學(xué)能源中心主任，加拿大國家首席科學(xué)家，國際電化學(xué)能源科學(xué)院副主席，曾在2016年獲得加拿大最高國家科技獎(jiǎng)“E.W.R. Steacie Memorial Fellowship”，并分別于2017年和2019年當(dāng)選加拿大工程院和加拿大科學(xué)院院士，是加拿大最年輕的兩院院士！1975年，陳院士出生于浙江金華市磐安縣，早年畢業(yè)于磐安中學(xué)，1992年考入南京工業(yè)大學(xué)硅酸鹽工程專業(yè)，1999年進(jìn)入華東理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，2002年進(jìn)入美國加州大學(xué)河濱分校攻讀化學(xué)工程博士學(xué)位，2007年成為美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)者，2008年加入滑鐵盧大學(xué)。

目前，陳院士帶領(lǐng)一支約70人的國際頂級(jí)科研團(tuán)隊(duì)，致力于開發(fā)用于清潔、可持續(xù)能源技術(shù)的獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)材料，具體包括聚合物電解質(zhì)膜燃料電池、鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池和各種下一代電池的納米結(jié)構(gòu)材料開發(fā)。先后在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., JACS, Angew, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Matter, Adv. Sci.等國際著名期刊上發(fā)表論文超過350篇，被引2.7萬余次，H指數(shù)為85（源自谷歌學(xué)術(shù)）。擔(dān)任美國化學(xué)會(huì)旗下ACS Applied Materials & Interfaces副主編。

此外，陳院士團(tuán)隊(duì)的多項(xiàng)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，他參與成立的初創(chuàng)公司W(wǎng)ATTECH POWER INC.(滑鐵盧大學(xué)科技公司)，致力于大型兆瓦級(jí)鋅空液流儲(chǔ)能技術(shù)的商業(yè)化推廣應(yīng)用。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化轉(zhuǎn)化，將為世界儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域帶來一個(gè)里程碑式的改變。其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的前沿技術(shù)在新能源汽車開發(fā)、核電風(fēng)電儲(chǔ)能、醫(yī)療健康消費(fèi)等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景和市場空間。

下面筆者簡單匯總了陳院士近期的工作進(jìn)展，以供大家學(xué)習(xí)和參考！

Adv. Energy Mater.：加速Li-S反應(yīng)的缺陷工程：策略、機(jī)制和展望

鋰硫（Li-S）電池由于具有高能量密度和低材料成本而引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。硫物種良好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化的關(guān)鍵前提。近年來，通過合理化氧化還原介質(zhì)來促進(jìn)硫氧化還原的研究越來越多。缺陷工程可以有效暴露活性中心并優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，已迅速成為增強(qiáng)多硫化物調(diào)節(jié)，從而加速Li-S化學(xué)的重要策略。然而，對于Li-S領(lǐng)域中的缺陷工程，還缺乏一個(gè)全面的概述。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合蘇州大學(xué)孫靖宇教授綜述了近年來不同類型缺陷介體的合理設(shè)計(jì)和多硫化物調(diào)控策略的研究進(jìn)展?？偨Y(jié)了它們獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電化學(xué)活性和潛在的催化機(jī)理，旨在加深對缺陷介導(dǎo)的Li-S化學(xué)的認(rèn)識(shí)。此外，還討論了在非質(zhì)子反應(yīng)條件下缺陷介體的原位演化，以確定真正的活性位點(diǎn)。最后，提出了可能會(huì)推動(dòng)Li-S電池實(shí)際應(yīng)用的這一快速發(fā)展的領(lǐng)域的機(jī)遇和前景。

Defect Engineering for Expediting Li–S Chemistry: Strategies, Mechanisms, and Perspectives. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100332

Adv. Energy Mater.：“桑拿”活化實(shí)現(xiàn)具有晶格缺陷的碳納米管微球助力高能長效鋰硫電池

鋰硫（Li–S）電池技術(shù)為常規(guī)鋰離子電池提供了最有希望的替代策略之一，但仍存在一些嚴(yán)重障礙，例如臭名昭著的多硫化物穿梭和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合華南師范大學(xué)王新教授證明在碳基硫主體材料中通過本征晶格缺陷工程可以顯著改善這些問題。具體來說，多孔碳納米管微球（ePCNTM）是通過一種可擴(kuò)展的噴霧干燥方法，然后在高溫下進(jìn)行臨界水蒸汽蝕刻來制備的。這種“桑拿”活化在碳晶格中構(gòu)建了豐富的本征拓?fù)淙毕?，使ePCNTM在硫氧化還原反應(yīng)中具有更強(qiáng)的硫吸附能力和催化活性。此外，交織和高度多孔的結(jié)構(gòu)提供了良好的導(dǎo)電性、均勻的硫分布和大量的主客體相互作用表面。結(jié)果，基于ePCNTM的硫電極實(shí)現(xiàn)了極好的循環(huán)性能，500次循環(huán)中平均每圈的超低容量衰減率為0.046%，高達(dá)3 C的優(yōu)良倍率性能和在高硫負(fù)載下循環(huán)50次后的良好面積容量3.2 mAh cm^?2。

“Sauna” Activation toward Intrinsic Lattice Deficiency in Carbon Nanotube Microspheres for High-Energy and Long-Lasting Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100497

Nano Energy：非晶化MOF作為多功能多硫化物阻隔層實(shí)現(xiàn)高性能鋰硫電池

由于鋰硫（Li–S）電池中間產(chǎn)物的高流動(dòng)性及其有害的化學(xué)/電化學(xué)副反應(yīng)，導(dǎo)致了臭名昭著的“穿梭效應(yīng)”，在Li–S電池的電化學(xué)研究中，合理的隔膜設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合華南師范大學(xué)王新教授、河北工業(yè)大學(xué)張永光教授以MIL-88B為例，提出了一種非晶化金屬有機(jī)骨架（MOF）的新策略，以構(gòu)建先進(jìn)的Li–S電池隔膜。通過簡單的配體競爭法實(shí)現(xiàn)了非晶化反應(yīng)，并且由于欠配位效應(yīng)，產(chǎn)物對硫物種具有較高的吸附能力和催化活性。因此，采用非晶態(tài)MOF（aMIL-88B）改性隔膜的Li–S電池實(shí)現(xiàn)了高效、可逆的硫電化學(xué)，在1 C下循環(huán)500次后，電池的容量保持高達(dá)740 mAh g^-1，倍率性能高達(dá)5 C，并且在4.3 mg cm^-2的高硫負(fù)載下實(shí)現(xiàn)了高面容量。這一工作為Li–S電池多功能隔膜的開發(fā)提供了一條簡便的途徑，同時(shí)對其它相關(guān)儲(chǔ)能領(lǐng)域的先進(jìn)材料缺陷工程也有一定的指導(dǎo)意義。

Amorphizing metal-organic framework towards multifunctional polysulfide barrier for high-performance lithium-sulfur batteries. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106094

JACS：Zn–Ag–O催化劑的“一瓶兩船”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)選擇性和持久的CO₂電化學(xué)還原

利用可再生能源進(jìn)行電化學(xué)CO₂還原（CO₂RR）是生產(chǎn)碳中性燃料的一種可持續(xù)方式。不幸的是，低能量效率、低產(chǎn)品選擇性和快速失活是CO₂RR電催化劑最棘手的挑戰(zhàn)之一。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合吉林師范大學(xué)Ming Feng教授策略性地提出了一種三元Zn–Ag–O催化劑的“一瓶兩船”設(shè)計(jì)，其中ZnO和Ag相孿生，構(gòu)成了一個(gè)浸入超高表面積碳基體納米孔內(nèi)部的單個(gè)超細(xì)納米顆粒。通過構(gòu)建Zn–Ag–O界面來調(diào)節(jié)雙金屬電子構(gòu)型，其中電子離域引起的電子密度重構(gòu)增強(qiáng)了COOH中間體的穩(wěn)定性，從而有利于CO的產(chǎn)生，同時(shí)，通過改變生成HCOO*的高熱力學(xué)屏障的速率限制步驟，提高CO選擇性并抑制HCOOH生成。此外，孔收縮機(jī)制限制了雙金屬顆粒的納米尺寸，使其具有豐富的Zn-Ag-O異質(zhì)界面和暴露的活性中心，同時(shí)阻止了納米顆粒在CO₂RR過程中的分離和團(tuán)聚，提高了穩(wěn)定性。所設(shè)計(jì)的催化劑實(shí)現(xiàn)了60.9%的能量效率和94.1±4.0%的CO法拉第效率，并在6天內(nèi)具有顯著的穩(wěn)定性。除了提供高性能的CO₂RR電催化劑以外，這項(xiàng)工作還提出了一種有前途的催化劑設(shè)計(jì)策略，以實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。

“Two Ships in a Bottle” Design for Zn–Ag–O Catalyst Enabling Selective and Long-Lasting CO₂ Electroreduction. Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c12418

Appl. Catal. B：具有N空位配位的Fe–N₂的精確合成促進(jìn)電化學(xué)人工固氮

電化學(xué)人工固氮的結(jié)構(gòu)與催化性能之間確定的相關(guān)性的構(gòu)建仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性和意義的課題。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合華南師范大學(xué)王新教授探索了在互連碳上具有氮空位（VN，位于Fe原子的相反配位點(diǎn)）的孤立Fe原子中的配位不飽和度（Fe-N₂），以用于電催化合成氨。得益于Fe-N₂和VN雙活性中心及二者的自旋密度，新型催化劑表現(xiàn)出催化活性、選擇性和穩(wěn)定性的協(xié)同提高。這項(xiàng)工作從理論上和協(xié)同上指導(dǎo)了催化劑的設(shè)計(jì)，并將Fe-N₂的優(yōu)點(diǎn)與VN結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、缺陷和自旋態(tài)工程的引入相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了N₂的有效吸附和活化。作者相信，該策略將激發(fā)更多的研究，以設(shè)計(jì)具有明確定義的配位不飽和單原子活性位點(diǎn)的高性能催化劑，用于環(huán)境氨合成和其他能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

Precise synthesis of Fe–N₂ with N vacancies coordination for boosting electrochemical artificial N₂ fixation. Applied Catalysis B: Environmental 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120216

Appl. Catal. B：Fe-N_x活性位點(diǎn)修飾的介孔碳球用于氧還原實(shí)現(xiàn)高性能鋁空氣流通電池

單原子鐵改性氮摻雜碳（SA-Fe-N-C）作為Pt基碳的替代物，在促進(jìn)氧還原反應(yīng)（ORR）方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，F(xiàn)e-N_x的低活性中心密度和低利用率，使得這些催化劑效率低下。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合河南師范大學(xué)白正宇教授報(bào)道了一種協(xié)同聚合物-硅雙模板策略在介孔碳球（SA-Fe-N_x-MPCS）上制備致密的SA-Fe-N_x位點(diǎn)。由于具有密集且易于接近的SA-Fe-N_x位點(diǎn)，其催化活性和穩(wěn)定性均優(yōu)于Pt/C催化劑。此外，SA-Fe-N_x-MPCS在空氣正極中形成了具有豐富孔道的三維多孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了傳質(zhì)，增強(qiáng)了Fe-N_x位點(diǎn)的可接近性。組裝的鋁空氣流通電池具有130mw cm^?2的峰值功率密度和約2905 Wh kg_Al^?1的高重量能量密度，以及超過300 h的出色穩(wěn)定放電電壓。

Densely accessible Fe-N_x active sites decorated mesoporous-carbon-spheres for oxygen reduction towards high performance aluminum-air flow batteries. Applied Catalysis B: Environmental 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120176

Energy Storage Materials：用于鋰基儲(chǔ)能系統(tǒng)的二維納米材料的合成和功能化

隨著對可再生能源間歇性有效調(diào)控需求的不斷提高，以及便攜式電子產(chǎn)品或電動(dòng)汽車的迅速普及，未來的儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了更高的要求?；阡嚺c負(fù)極/正極電化學(xué)反應(yīng)的差異，已開發(fā)出一系列基于鋰的儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括鋰離子電池、鋰硫電池、鋰離子電容器和鋰氧電池，其高效的儲(chǔ)能特性激發(fā)了人們越來越多的研究熱情。然而，從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，其在能量/功率密度、耐久性和安全性等問題上的實(shí)際性能與理論性能還存在著巨大的差距。幸運(yùn)的是，二維納米材料由于其獨(dú)特的物理/化學(xué)性質(zhì)，在鋰基儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，正逐漸縮小這一差距。因此，制備質(zhì)量可控的靶向二維納米材料具有重要意義。另一方面，為了更好地解決二維納米材料在應(yīng)用過程中的一些棘手問題，有必要對其進(jìn)行有效的功能化修飾。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士、余愛萍教授及Jitong Wang教授綜述了二維納米材料的一般合成方法以及高性能鋰基儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能化策略。此外，通過介紹該領(lǐng)域的最新研究成果，指出了功能化二維納米材料在鋰儲(chǔ)能中的特定作用。對這些工作的深刻理解將為設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性能的二維納米材料提供更多的想法，這些材料可用于先進(jìn)電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括但不限于鋰能量存儲(chǔ)。

Synthesis and functionalization of 2D nanomaterials for application in lithium-based energy storage systems. Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.03.001

Angew：具有缺陷的BaTiO₃鈣鈦礦在磁場下實(shí)現(xiàn)高效光催化固氮

太陽能轉(zhuǎn)換與光催化固氮的高效耦合已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而，NH₃收率不高，制約了其應(yīng)用前景。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合吉林師范大學(xué)李海波教授、馮明教授報(bào)道了一種具有缺陷的典型鈣鈦礦鈦酸鋇，其在外加磁場下表現(xiàn)出顯著的光催化固氮活性，NH₃產(chǎn)率超過1.93?mg?L^?1?h^?1。通過控制表面自旋態(tài)和氧空位，可以激發(fā)內(nèi)電場和外磁場之間的電磁協(xié)同效應(yīng)。X射線吸收光譜和密度泛函理論計(jì)算揭示了通過控制氧空位、誘導(dǎo)洛倫茲力和自旋選擇性效應(yīng)來調(diào)節(jié)電子和磁性的方法。電磁效應(yīng)抑制了半導(dǎo)體納米材料中光激發(fā)載流子的復(fù)合，這種復(fù)合協(xié)同作用促進(jìn)了N₂的吸附和活化，同時(shí)有利于紫外-可見光照射下的快速電荷分離。

Magnetic-Field-Stimulated Efficient Photocatalytic N2 Fixation over Defective BaTiO3 Perovskites. Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202100726

Adv. Sci：雙金屬層狀氫氧化物多面體的分級(jí)微納米團(tuán)簇作為高性能鋰硫電池的先進(jìn)儲(chǔ)硫器

硫電極的合理結(jié)構(gòu)對于尋求切實(shí)可行的鋰硫(Li–S)電池至關(guān)重要。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)Yan Zhao教授、張永光教授提出了一種具有獨(dú)特微納米結(jié)構(gòu)的雙金屬鎳鈷層狀雙氫氧化物（NiCo-LDH）作為Li–S電池的先進(jìn)儲(chǔ)硫材料。與單金屬共層狀雙氫氧化物（Co-LDH）相比，雙金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在中空多面體納米結(jié)構(gòu)中組裝的更加豐富、小型化和垂直排列的LDH納米片，這在幾何上有利于主客體相互作用的界面暴露。除此之外，二次金屬的引入增強(qiáng)了層狀雙氫氧化物（LDH）與硫物種之間的化學(xué)相互作用，實(shí)現(xiàn)了硫的強(qiáng)固定化和催化作用，從而可實(shí)現(xiàn)快速持久的硫電化學(xué)。此外，有利的NiCo-LDH在結(jié)構(gòu)上升級(jí)為緊密堆積的微納米團(tuán)簇，其具有便利的遠(yuǎn)程電子/離子傳導(dǎo)和強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)完整性。由于這些特性，相應(yīng)的Li–S電池在800次循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能，每個(gè)循環(huán)的最小容量衰減為0.04%，并具有高達(dá)2 C的良好倍率性能。此外，4.3mAh cm^?2的高可逆面積容量可在5.5 mg cm^?2的高硫負(fù)載下實(shí)現(xiàn)。

Hierarchical Micro-Nanoclusters of Bimetallic Layered Hydroxide Polyhedrons as Advanced Sulfur Reservoir for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202003400

JACS：原位局部多硫化物注射器助力活化商業(yè)Li₂S

商業(yè)化Li₂S的活化仍然是阻礙其作為硫基鋰電池系統(tǒng)起始正極材料商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

在此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士聯(lián)合美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Khalil Amine教授、陸俊研究員利用商業(yè)Na₂S（1-3 wt%）較低的氧化電位，作為一個(gè)原位和局部多硫化物注入器來激活商業(yè)Li₂S（70 wt%）。與應(yīng)用預(yù)溶劑化氧化還原介質(zhì)不同，該技術(shù)允許在較低電壓下和較低電解液（3 μL mg^–1_Li2S 在3 mg_Li2S cm^–2 和 4 μL mg^–1_Li2S at 6.5 mg_Li2S cm^–2）條件下活化商業(yè)Li₂S，無任何其他材料改性。

In Situ Localized Polysulfide Injector for the Activation of Bulk Lithium Sulfide. Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c11265

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/16/4b7b7162d5/

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