【专访】童叶翔教授电化学团队:纳米能源材料及其应用的原创性研究

稿件来源:中山大学新闻网 发布人:李心宇 编辑:院办 发布日期:2019-01-17

        编者按:本篇报道为“中山大学科研成果系列报道”的第八篇,介绍我校化学学院童叶翔教授电化学团队在纳米能源材料及其应用的原创性研究上取得的进展。

 

        化学学院童叶翔教授电化学团队面向新能源材料与器件的国际前沿,开展纳米能源材料及其应用的原创性研究,为纳米能源材料的设计与大面积可控制备、新型储能器件的研发提供了重要的科学基础。

        近日,记者采访了童叶翔教授电化学团队,并请该团队就在纳米能源材料及其应用的原创性研究上取得的进展作相关介绍。

 

图1

电化学研究团队(左起:卢锡洪、李高仁、童叶翔、方萍萍)

 

        记者(以下简称“记”):“双核壳结构电极材料用于高能量密度柔性锂离子电池”研究的思路是如何提出的?

        童叶翔教授电化学团队(以下简称“童”):柔性锂离子电池由于其高能量密度等优点,在柔性电子设备领域具有广泛的应用前景。其中柔性锂离子电池的设计开发不仅对柔性电极的设计,更对整体电池器件的力学和电化学性能提出了更高的要求。传统柔性电极中,柔性基底材料低的容量贡献以及柔性基底与活性物质之间弱的相互作用都会导致整体电极材料的比容量偏低,进而影响电池器件的能量密度。此外,传统的柔性基底 (如钢网、钛片等)在整体电极中质量占比远高于活性物质,会进一步限制器件的整体比容量和能量密度。

        为了解决这一问题,设计开发具有高活性柔性基底、同时具有高比重活性物质的柔性电极材料被认为是一种有效的解决途径。目前已有研究人员报道合成了一系列质轻且具有柔性的碳纳米管基、石墨烯基电极材料,但这类材料仍然受限于稳定的机械性能。研究发现碳布经过表面改性和刻蚀之后可以降低材料的比重、提升材料的电导率和更多有效的活性位点,同时不影响其机械稳定性。因此,这类改性后的碳布在柔性电极材料领域具有广泛的应用前景。但如何将其他高活性物质(如过渡金属氧化物、氮化物、硫化物等)材料通过强的相互作用力与其复合以提升材料的比容量仍然面临着一些挑战。

        在这里,我们以表面刻蚀剥离处理的碳布为基底(CC@EC),水热法生长NiCo2O4(NCO)纳米线阵列。当其应用于锂离子电池负极时,表现出了优异的储锂性能。作者通过DFT计算发现,NCO与CC@EC具有强的相互电子作用、在锂离子传输过程中具有更低的反应能垒。此外,我们进一步通过原位拉曼光谱阐明了CC@EC基底对电极材料储锂性能提升的贡献因素。在此基础上,获得了具有高载量下高能量密度 (314 Wh/kg) 的全柔性锂离子电池(总重量为281 mg),具有出色的柔韧性和良好的储能性能,为未来的便携能源开启了新的方向。

 

        :请介绍一下团队的主要研究成果及其应用价值或学术影响。

        :电化学团队面向新能源材料与器件的国际前沿,针对如何在保持高功率密度下提高储能材料的能量密度的关键科学问题,开展了大面积可控制备低成本、高性能纳米能源材料及其应用的原创性研究。通过将界面结构与一维纳米材料相结合,揭示了一维纳米结构的金属/金属氧化物、金属氧化物/金属氧化物界面结构等与储能性质的关系,为提高电极材料中的活性物种和电子传输速率开辟了新思路;阐明了过渡金属基纳米储能材料结构与容量的关系,发展了几种大容量的柔性电极材料的大面积可控制备方法;发现了超电容器件电极材料的循环稳定性和正负极匹配性存在的科学问题,并提出了有效的解决方案;设计和研制了多款柔性超电容器件。研究成果增进了纳米尺度下储能材料的材料物理与化学知识,为纳米能源材料的设计与可控制备、新型柔性超电容器件的研发提供了重要的科学基础。部分成果获2015年广东省科技成果一等奖和2017年广东省科技成果一等奖,并于2018年被提名申报国家自然科学二等奖。

 

图2

陈春声书记和李焯芬院士为电化学团队带头人童叶翔教授颁奖

 

        电化学团队近年来在国际重要学术刊物上发表SCI收录论文400余篇,其中IF >10的论文50余篇,包括Adv.Mater.,JACS,Energy Environ.Sci.,Angew.Chem.Int.Ed.等;SCI 他引次数超过20,600 次,H-index = 77;54 篇论文入选 ESI-Highly Cited Papers,获授权国家发明专利10件。童叶翔获得广东省“教学名师”奖和中山大学首届“卓越教学名师”奖,并入选科睿唯安2017年及2018年“全球高被引科学家”和爱思唯尔2017年“中国高被引作者”。团队成员李高仁教授获得了“中国化学会青年化学家奖”和“中国电化学青年奖”,并入选教育部“新世纪人才”和“青年长江学者”;卢锡洪获得中国科协“青年人才托举工程”和广东省“杰出青年基金”资助,并获得了广东特支计划科技创新青年拔尖人才等奖励;方萍萍获得广东省“珠江青年学者”和“珠江科技新星”称号。电化学团队已成为年龄结构合理、在国际上有较大学术影响的课题组,为中山大学的学科建设和人才培养做出了积极贡献。

 

        :团队如何克服研究过程中遇到的困难?

        :科研大多数时候是一条曲折上升的线条,研究过程中几乎每时每刻都有可能会遇到各种各样的困难,而重要的是如何去解决这些难题。在面对困难时,团队会:

        (1) 保持学生的科研动力。

        科研需要科研人员自身近乎严苛的要求,但是面对学生实验中的挫折却不能同样严苛。需要采用“放”多于“管”的管理方式:让学生放手去试,更多的时候是点拨,而不是灌输,让学生喜欢上化学,让学生有梦想有追求,这样学生都特别有动力,因为可以按照自己的想法去尝试,更利于问题的解决。

 

图3

童叶翔教授在指导学生做实验

 

        (2)从最基础的地方获取灵感。

        博士的研究领域又专又细,而给本科生上基础课《物理化学》,不断重复的都是经过时间沉淀的最重要的原理。只要教师对化学学科中各个细分领域的基础知识谙熟于心,在指导学生从事科研活动时往往能有意外之喜,“本科生充满创意,问的问题千奇百怪,和他们思想碰撞的时候往往会有新的灵感。”童叶翔在讲述太阳能中光能和热能共同对催化作用产生作用时,引用了武侠小说中杨过和小龙女“双剑合璧”的说法,形象地阐释了光和热产生作用时的互补联合关系。这个创意正是由童叶翔指导的本科生提出的,最终这个光热协同催化的创意产生的两篇成果发表在国际重要学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.(2015, 127, 11624 -11628.)和JACS(2016, 138, 16204−16207.)上。

 

        :请谈一谈对纳米能源材料及其应用研究发展的体会与展望。

        :我们电化学团队目前虽然取得了一些可喜的成果,但仍处在探索的阶段,对纳米能源材料的组成、纳米形貌、相结构和性能关系的研究尚需进一步加强,发现和总结相关规律。

        2017年中国在化学领域的论文数量已经超过了美国,但高质量的论文还不多。而在化学领域,目前很多青年化学工作者撰写研究论文时只是就事论事,缺乏求真思想,不去探究基本原理和规律,也就是“他们不知道或者说未深入了解过‘论文’中最重要的‘论’字究竟代表着什么。论文不是实验报告,应对研究对象和实验结果究其根源,找出现象背后的原理和科学规律才算是大功告成。”

        总的来说,在纳米能源材料及其应用研究发展方面,需要更多地去探究基本原理和规律。因此电化学研究团队未来希望能面向新能源材料与器件的国际研究前沿,针对高效纳米复合储能材料的大面积宏量可控制备和柔性混合超电容器件设计及研制这一关键科学问题,以纳米材料宏量制备和电化学技术为牵引,从物理化学领域着眼,从纳米材料及其表界面构效关系着手,开展新型纳米储能材料及柔性储能器件的基础研究。在绿色的水溶液体系中,以商用的碳布、导电PET/ITO膜、柔性钛片(网)或自制备的导电聚合物和多孔碳薄膜作为柔性导电基体,系统深入地研究低成本和丰产元素的过渡金属基纳米储能新材料(如MnO2,Fe2O3,Co3O4,NiO,TiO2/MnO2等)及其与柔性导电基体的多尺度纳米复合设计理论和可控宏量制备方法,对其纳米结构和新体系进行理论预测和筛选,实现新型纳米储能材料在柔性宏观导电基体上的大面积直接可控宏量制备;通过归纳和总结其组成、形貌、结构和储能性质的关系,探讨储能机理与相应的调控机制,建立零维到三维多尺度纳米复合材料的分子设计理论,阐明复合结构表界面调控规律。通过对柔性储能器件和光电转换器件进行设计和研制,开展阳光驱动的柔性光电转换及储存一体化器件集成的探索研究,旨在跨越“炒菜”方式的制备研究,把高性能、低成本纳米储能材料的研究层次由“材料制备”提升到“柔性器件研制”的层次,为阳光驱动的柔性光电转换及储存一体化器件(阳光驱动的柔性混合型超电容器件)的研发提供理论和实验依据,以期为研发绿色高效柔性新能源提供新的理论支撑和技术储备。

 

        :团队的未来目标是什么?

        :我们电化学团队未来希望能在科学研究及人才培养两大方面进行努力,努力探索在高校“双一流”建设的背景下,如何平衡教学与科研的关系,实现二者相互促进。教学有助于教师将知识系统化且掌握得更扎实,教学有助于拓展知识面,使教师知识更广博;教学中与学生的互动有利于理清科研思路,实现创新思维的正反馈,激发新思路、催生新的科研生长点。科研有助于教师及时将科学技术前沿知识引入课堂,更新教学内容,提高教学质量;有助于教师用创新的思维方法引导学生,培养创新思维,提高学生的创新能力和创新意识。做到与学生的“大胆设想”相结合,教师要“知识广博”,通过科学严谨地“小心求证”,与学生一起“将大胆设想和不确定性转化为新的学术增长点”,以期实现科教融合,教学相长。

        在科学研究方面,未来团队希望围绕新能源材料和器件的社会发展需求,针对高性能、低成本纳米能源材料大面积可控制备和器件设计及研制这一关键科学问题,从电极材料制备及其表界面构效关系着手,系统开展过渡金属基电极材料纳米阵列的设计和可控制备、电极性能和界面电子传输机制探索、电化学能源器件研制的基础和应用基础研究。旨在跨越“炒菜”方式的制备研究,把新型电极材料的研究层次由“材料制备”提升到“器件研制”的层次,为新型能源材料的研发提供理论和实验依据,以期为我国新能源战略性新兴产业的关键技术突破提供科学基础和技术储备。

        在人才培养方面,人才培养是大学的主题和根本,一流的教学应当始终围绕大学人才培养目标来进行。高水平的大学教育应该坚持把科研创新与人才培养融合统一起来。这需要教师投入大量的时间和精力与学生讨论,认真指导研究生的学位论文,个性化地关注研究生学业的进展。科学研究是培养学生创新能力的重要环节,高素质教师对提高学生的综合素质和培养学生的创新能力有着不可替代的作用。很难想象,一位自己不从事创新活动的教师,会具有“培养出具有创新能力的人才”的水平和能力。“青出于蓝而胜于蓝”,教师只有“蓝”,学生才能“青”。

        中山大学“德才兼备、领袖气质、家国情怀”的人才培养目标,不仅是对学生的希望,更是对校内所有老师的要求。“育人者必先行为世范”,老师举手投足,会对学生产生潜移默化的影响。“德才兼备、领袖气质”的目标要求提高学生的学术鉴赏力和培养他们的自信心,老师应该时刻正确引导学生树立长远发展的观念。而“家国情怀”的培育应渗透到老师日常的教学与科研工作中。在中山大学这个优秀的平台,我们研究团队希望能为年轻人提供充足的经费和优良完备的科研条件,“给实验室年轻人足够的机会,给他们最大的支持,做他们最坚实的后盾”。作为前辈,只有给予后辈广阔的发展平台,才能使整个团队更具凝聚力和创造力,产出更多优秀的科研成果。

        菁我造士,追求卓越,这是电化学研究团队在科研和教学上矢志不渝的追求。