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研究方向：纳米能源材料 * 纳米功能材料的设计合成及机理研究。 * 锂离子电池电极材料的设计合成及电化学性能研究。 * 锂硫电池电极材料的设计合成及电化学性能研究。 * 燃料电池电极材料的设计合成及电催化性能研究。 代表性工作10 构建Ti3C2负载富氧缺陷TiO2和Co-N-C催化剂的协同作用增强其电催化氧还原性能 Chem. Eng. J. 2023, 456, 141101. 随着能源需求的急剧增长，环境污染日益严重，因此迫切需要设计和开发具有可持续性的清洁新能源。燃料电池可以将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能，具有发电效率高、比能量高、环境污染小、噪音低等优点，然而，其阴极发生的氧还原反应（ORR）动力学过于缓慢，限制了燃料电池的性能。目前，部分单原子催化剂（M-N-C, M=Fe, Co, etc.）表现出优越的ORR活性，被认为是最具前景的催化剂之一，但其在循环过程中的稳定性需要进一步提升。本文通过多巴胺和Co2+在Ti3C2纳米片表面配位和聚合，再进行高温处理，在Ti3C2 MXene表面成功负载了Co-N-C催化剂和ov-TiO2纳米颗粒（Co-N-C/TiO2-Ti3C2）。TiO2纳米颗粒表面的氧空位可以稳定Co-N-C催化剂，并促进其ORR性能的提升。因此，相比于无TiO2生成的Co-N-C/Ti3C2，Co-N-C/TiO2-Ti3C2表现出更好的ORR活性和耐久性，其氧还原极化（LSV）曲线的半波电位为0.85V，5000次循环后仅衰减1 mV，其ORR性能甚至优于商用Pt/C催化剂。此外，作为锌-空气电池的正极催化剂，Co-N-C/TiO2-Ti3C2具有较大的功率密度（155.3 mW cm-2）和出色的长循环稳定性。
代表性工作9 可丽饼结构层状双金属氢氧化物/硫/石墨烯的制备及其电化学性能研究 锂硫电池具有较大的理论比能量，有望取代传统的锂离子电池。然而，硫正极在充放电过程中较大的体积形变和较差的导电性会导致锂硫电池性能的下降。特别是充放电过程中产生的多硫化锂会溶解在电解液中并发生穿梭效应，导致活性物质的流失。开发兼具功能性和结构性的硫载体是克服这些缺点的有效途径。本次工作设计合成了具有可丽饼结构的LDH/S/rGO复合材料（LDH：双金属氢氧化物纳米片；S：硫纳米颗粒；rGO：还原的氧化石墨烯）。XRD图显示样品具有类水滑石结构，LDH和石墨烯纳米片按ABAB方式堆积。HRTEM图显示硫纳米颗粒嵌入到LDH/rGO的层间。左图的层结构相对规则，较亮的厚层是LDH，较暗的薄层是rGO。箭头指向rGO位置中一些较厚的暗区，表面存在非常小的硫纳米颗粒，引起LDH层被调整。右图显示了一些较大硫纳米颗粒的区域。根据TEM的观测结果拟合LDH/S/rGO层结构的示意图，由于硫颗粒的嵌入导致LDH层进行调整，形成可丽饼结构。该结构允许锂离子和电解液的自由进出，但中间产物多硫化锂会被LDH闸门所拦截，有效的抑制多硫化锂的穿梭。因此，该结构的正极材料显示出优异的电化学性能，尤其是高倍率下的长循环性能。基于密度泛函理论对LDH纳米片与多硫化锂之间的相互作用进行了理论模拟，结果显示LDH与多硫化锂有较强的相互作用，与Li2S4的结合能高达6.28eV，高于一些已报道的无机化合物与Li2S4的结合能。综上所述，这种可丽饼结构从功能上和结构上防止硫颗粒的流失，提高硫的反应活性和利用率。这种电极结构的设计思路为高性能锂硫电池的发展提供了新思路。
代表性工作8 电化学剥离石墨烯表面负载金属氧化物的生长机理及其电化学性能研究 Energy Storage Mater. 2019, 18, 174-181 电化学剥离石墨烯（EEG）具有较少的官能团和表面缺陷，相比还原的氧化石墨烯（rGO）具有更好的导电性和机械性能，更适合作为纳米功能材料的载体使用。然而，由于其表面缺少成核位点，很难通过原位生长或者嫁接的方法负载纳米功能材料。本次工作对电化学剥离石墨烯表面生长Mn3O4纳米晶体进行了系统的研究，并研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。HRTEM图（左图）显示EEG表面成功生长了Mn3O4纳米晶体，除了Mn3O4颗粒的晶格条纹，也能观察到石墨烯的晶格条纹。相反，在rGO负载Mn3O4的HRTEM图中只能观察到Mn3O4的晶格条纹。当Mn3O4的负载量由30%增加到60%，在EEG表面很难观察到Mn3O4颗粒的团聚，但在rGO表面可以观察到大量Mn3O4颗粒的团聚，有可能是因为rGO表面缺陷较多，由于EEG具有更好的导电性和机械性能，同时负载的Mn3O4纳米颗粒分散性更好，因此相比于rGO-Mn3O4，EEG-Mn3O4具有更好的电化学性能。此外，由于EEG表面缺少含氧官能团，因此不需要在苛刻的合成条件下除去表面官能团（如高温或水热处理）以提升rGO的性能。通过水热处理后的HrGO-Mn3O4的电化学性能得到显著提升，但仍差于EEG-Mn3O4。我们对Mn3O4纳米颗粒在EEG表面的生长机理进行研究，发现反应温度和含水量对金属氧化物晶体生长具有重要的影响。我们认为金属前驱体先与一定量的水发生水解缩聚形成大分子，并聚集在EEG表面（右图A标记区域为薄层的聚合物，B标记区域为厚层的聚合物，C标志区域为只有少量分子沉积的EEG表面）。然后在一定温度下分解并成核生长成金属氧化物晶体。本次工作对EEG负载纳米功能材料的制备和应用具有指导性。
代表性工作7 氮掺杂多孔碳负载Pt的制备及其电催化氧化甲醇性能和择形催化性能研究 ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 26213-26221 多孔碳材料由于其较好的导电性和多孔结构，非常适合作为催化剂载体。然而，关于多孔碳的孔道结构对电催化氧化不同醇类的影响的研究较少。本次工作通过制备孔径可调的氮掺杂多孔碳负载Pt催化剂，并研究其电催化氧化不同醇类的性能。制备过程如图所示，苯胺与氯铂酸混合后在自组装的二氧化硅纳米球表面原位聚合，高温碳化后用HF除去二氧化硅模板，得到氮掺杂多孔碳负载Pt纳米颗粒（Pt@NMC）。由SEM图可以观察到用不同尺寸（7、12、22nm）二氧化硅纳米球为模板制备的Pt@NMC为不规则的球体，其表面含有大量的孔结构。HRTEM图显示用不同尺寸模板制备的Pt@NMC含有不同的孔径大小，约3nm的Pt纳米颗粒均匀的分散在氮掺杂介孔碳（NMC）的孔道内，并嵌入到NMC的碳壁内。氮掺杂可以提高NMC的导电性，同时作为催化剂的生长位点，可以提高催化剂颗粒的分散性和活性。多孔碳可以提高复合物的导电性，其孔道结构可以提高催化剂的活性，并防止催化剂的团聚和流失。因此，Pt@NMC展现出优秀的电催化氧化甲醇性能。相较而言，孔径较大的Pt@NMC具有更好的电催化活性，这是由于较大的孔径有利于物质的传输。此外，通过对Pt@NMC电催化氧化不同醇类（甲醇、乙醇和丙醇）的性能研究，发现孔径较小的Pt@NMC展现出择形催化性能，这是由于尺寸较大的醇类无法在孔径较小的MCN内传输。因此，我们可以根据不同的要求和用途选择具有合适孔径的Pt@NMC作催化剂。
代表性工作6 CMK-3负载金属硫化物的制备及其电化学性能研究 Chem. Eng. J. 2017, 314, 19-26 作为锂离子电池的负极材料，金属硫化物具有较高的理论容量，但其较差的导电性和在充放电过程中较大的体积形变会导致其电化学性能的衰减。本次工作提出一种新的在介孔CMK-3导电骨架上负载金属硫化物的方法。以介孔二氧化硅SBA-15为模板，将硝酸镍、硫酸和蔗糖注入到SBA-15的孔道内，高温碳化后用NaOH除去SBA-15，得到CMK-3负载Ni3S2。XRD图显示Ni3S2晶体的生成，没有金属镍和其他化学计量比的硫化镍存在。如果改变硝酸盐和硫酸的用量，会有金属镍或其他化学计量比的硫化镍生成。SEM图显示CMK-3骨架结构没有因为负载Ni3S2而被破坏，CMK-3外表面也没有发现大量Ni3S2团聚。TEM和HRTEM图显示受CMK-3孔道限制，Ni3S2的颗粒尺寸较小（约5nm），并且均匀的分散在CMK-3的孔道内或嵌入到CMK-3的碳骨架。CMK-3不仅具有良好的导电性，其具有的介孔结构还可以提供Ni3S2体积膨胀所需空间，因此相比纯的Ni3S2颗粒，CMK-3负载的Ni3S2具有更好的电化学性能。本次工作还制备了CMK-3负载的ZnS。然而，多数ZnS颗粒在CMK-3的孔道外形成。研究发现高温分解的中间产物Zn会熔融并迁移到CMK-3的孔道外，导致多少ZnS在孔道外生成。这种合成方法为制备高性能碳负载金属硫化物电极提供了一种新的途径。
代表性工作5 石墨烯基多孔碳负载Pt的制备及其电催化氧化甲醇性能研究 J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 22170-22175 贵金属（如Pt）因其较高的电催化活性而被广泛用作燃料电池的电极催化剂。提高催化剂的电催化活性、耐久性和利用率可有效提高电极的性能。本次工作设计合成了一种新型的二维石墨烯基多孔碳载体（G-mC）负载Pt催化剂。先利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为结构导向剂制备石墨烯基多孔二氧化硅，再以此为模板，蔗糖为碳源，制备石墨烯基多孔碳。利用硼氢化钠还原氯铂酸在石墨烯基多孔碳的孔道内填充Pt纳米颗粒（G-mC-Pt）。作为对比，分别用介孔碳和石墨烯为载体负载Pt纳米颗粒（CMK-3-Pt和G-Pt）。TEM图显示Pt纳米颗粒均匀分散在CMK-3（左图）和G-mC（右图）的孔道内，受孔道尺寸限制，G-mC负载的Pt颗粒尺寸要小于CMK-3负载的Pt颗粒。相反，石墨烯负载的Pt纳米颗粒分散不均匀，有团聚现象。石墨烯基多孔碳继承了石墨烯和多孔碳载体的优势。石墨烯可以提高复合物的导电性，多孔碳可以防止Pt纳米颗粒的团聚和流失，并且受孔道尺寸限制，Pt纳米颗粒的直径仅为2~3nm。因此，相比CMK-3和石墨烯负载的Pt催化剂，石墨烯基多孔碳负载的Pt催化剂显示出更好的电催化氧化甲醇的性能。这种新型的碳载体有望作为其它催化剂的载体，应用于各种催化反应和燃料电池中。
代表性工作4 层状结构石墨烯负载碳包覆Fe3O4复合物的制备及电化学性能研究 ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 9709-9715 作为锂离子电池的负极材料，金属氧化物如Fe3O4具有较高的理论容量，但其较差的导电性和在充放电过程中较大的体积形变会导致其电化学性能的衰减。本次工作提出一种自组装的方法来合成层状结构石墨烯负载碳包覆Fe3O4复合物（G-Fe3O4@C）。先用羧基化聚乙二醇（PEG）和聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）分别修饰Fe3O4颗粒和氧化石墨烯，使其表面带相反的电荷，利用静电作用自组装成层状结构，再高温碳化后得到石墨烯负载碳包覆Fe3O4复合物。SEM图可以清楚的观察到样品的层状结构，碳包覆的Fe3O4颗粒分散在石墨烯的层间。碳壳的保护可以抑制Fe3O4的体积膨胀和充放电过程中的团聚，石墨烯层可以提高复合物的导电性，同时层状结构可以有效的提升电极材料的体积比容量。因此，相比Fe3O4颗粒（B-Fe3O4）和碳包覆Fe3O4颗粒（Fe3O4@C），层状结构石墨烯负载碳包覆Fe3O4复合物具有更好的电化学性能。这种合成策略有望扩展到其它层状结构纳米复合材料的制备，并提升其作为电极材料的性能。
代表性工作3 石墨烯基介孔SnO2的制备及其电化学性能研究 Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3570-3576 介孔金属氧化物由于其特殊的孔结构和高比表面积，展现出优秀的储锂性能。然而，其较差的导电性和充放电过程中较大的体积形变会导致其性能的衰减。本次工作以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为结构导向剂，在石墨烯表面原位生长介孔SnO2薄层。由TEM和HRTEM图可以观察到石墨烯表面介孔SnO2膜的孔道结构，与不使用CTAB的石墨烯基SnO2的结构有明显的差别。这种结构有利于锂离子的传输，而石墨烯基底可以提高复合物的导电性，维持介孔SnO2结构的稳定性。因此，相比介孔SnO2和石墨烯基SnO2，石墨烯基介孔SnO2具有更好的电化学性能。这种合成方法为制备石墨烯基介孔金属氧化物提供了一种新的途径，并有望应用于气体传感、催化、能量转换与存储等多个领域。
代表性工作2 石墨烯包覆介孔金属氧化物的制备及其电化学性能研究 J. Mater. Chem. 2012, 22, 16318-16323 介孔金属氧化物由于其规则的孔道结构和高比表面积，常展现出优秀的储锂性能。然而，其较差的导电性和充放电过程中较大的体积形变会导致其性能的衰减。本次工作通过调节介孔金属氧化物（MMO）和氧化石墨烯（GO）表面带相反的电荷，利用静电作用制备了石墨烯包覆介孔金属氧化物。由SEM和TEM图可以观察到介孔Co3O4颗粒被透明的石墨烯薄片完全包覆。相比未包覆的介孔Co3O4，石墨烯包覆的介孔Co3O4展现出更好的电化学性能。本次工作还制备了石墨烯包覆介孔Cr2O3和NiO，均显示出电化学性能的提升。这种合成策略有望扩展到其它石墨烯包覆复合材料的制备，并提升其作为电极材料的性能。
代表性工作1 介孔TiO2单晶的制备及其电化学和光催化性能研究 Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2826-2833 首次以介孔二氧化硅SBA-15为模板，以合成的硝酸钛或氯化钛溶液为前驱体，制备了金红石型（左图）和锐钛矿型（右图）有序介孔TiO2。研究表明反应温度和钛源对介孔TiO2的晶相和结晶度有重要的影响，并提出了介孔TiO2可能的形成机理。相比KIT-6为模板合成的TiO2，以SBA-15为模板合成的TiO2具有更大的比表面积，因此具有更好的储锂能力。此外，锐钛矿型介孔TiO2也展现出较好的光催化活性。相比块体TiO2或SBA-15负载TiO2颗粒，介孔TiO2具有更好的降解亚甲基蓝的性能。这种合成方法为制备介孔材料提供了一种新的途径，并有望扩展介孔材料的种类。本次工作扩展了介孔材料的种类，为介孔材料的制备提供了一种新的思路。
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