化学学科黄少铭教授团队在碳基能源材料领域取得系列进展-威尼斯人888

锂离子电池和燃料电池是两种高效、清洁、绿色能源技术。发展具有高比能量、低成本、环境友好的新型锂离子电池是目前锂电研究极待解决的课题之一。单质硫由于具有理论比容量高，价格便宜、资源丰富以及对环境友好等优点，是理想的正极材料。然而，由于硫及其放电产物硫化锂的绝缘性和在锂硫电池运行过程中生成具有一定可溶性的长链多硫离子在正负极的穿梭，导致硫的利用率降低以及对锂负极的腐蚀，从而导致硫正极利用率低、倍率性能不高，循环性能差等问题。近年来，如何抑制多硫离子的“穿梭效应”，提高锂硫电池的循环性能一直是该领域的一项重要科学和技术难题。同时铂基催化剂昂贵的成本和有限的使用寿命严重制约着燃料电池的大规模应用，开发新型廉价的非贵金属催化剂或无金属碳基氧还原电催化剂，也是燃料电池研究领域的热点和难点之一。

最近，化学学科黄少铭教授团队，在杨植博士具体指导下，通过运用一种简单的刮涂技术，设计和开发出了基于石墨烯/二氧化钛的超轻插层膜，将该膜应用在锂硫电池正极和隔膜之间后，能很好地发挥二氧化钛选择性化学吸附硫这一特性，有效抑制多硫离子的“穿梭效应”。使用该技术后所组装的锂硫电池在2c和3c的放电电流下循环1000次后，分别展现了仅0.01%和0.018%的每圈容量衰减率，展现了良好的潜在应用前景。相关研究结果发表在国际顶级学术刊物adv. mater.上 （2015，27，2890)（影响因子15.4） （图1）。同时课题组的陈锡安博士通过模板法合成兼具高比表面积和大孔容的三明治型石墨烯基分级多孔杂化碳纳米片，并以此为载体夹心封装硫获得了高性能的锂硫正极材料(s@scnmm) (图2a)。该材料充分发挥了杂化碳结构中的夹心层石墨烯、10-25nm厚度的碳纳米片以及丰富的微介孔的协同效应，有效地增加了硫担载量，抑制了多硫化锂的溶解，并改善了硫正极材料的导电性、进而极大地提升了锂硫二次电池容量、循环稳定性以及倍率性能（图2b）。相关结果发表在另一国际一流学术刊物adv. energy mater.上 （2014，4，1301988 )（影响因子14.4）。

黄少铭教授课题组杨植博士还提出了一种简单通用的基于雾化乙醇辅助热解途径，制备碳纳米管阵列/过渡金属氧化物（氧化锰、氧化锌、氧化镍、四氧化三铁、二氧化钛）复合材料。这种复合材料在碱性环境中呈现优异的氧还原 （orr）电催化性能。相关研究结果发表在adv. mater.上 （2014，26, 3156)。同时课题组对碳基材料（石墨烯和碳纳米管）的杂原子掺杂包括硫、硒、碘、氮等单或双杂原子掺杂的及多级孔结构的碳基材料及其orr性能开展了系统研究。相关研究结果发表在acs nano (2014, 8, 6856; 2012, 6, 205)、chem. commun.(2012, 48, 1027)、nanoscale（2014, 6, 2603; 13740; 2013, 5, 3283; 2012, 4, 6455）、j. mater. chem. a(2014, 2, 8683); acs appl. mater. inter.（2011, 3, 2601）、j. power sources（2013, 243, 555; 2013, 236, 238; 2011, 196, 9970）；physchemchemphys( 2014, 16 (9), 4186) 等国际重要学术期刊上。其中2012年发表在acs nano（影响因子10.2）的论文，首次报道了硫掺杂石墨烯的氧还原性能研究（图3），目前已被引用310次，并入选esi热点论文（hot papers，前0.1%）；发表在chem. commun.上的有关碘掺杂石墨烯的研究工作目前已被引用97次,入选esi高引论文（highly cited papers，前1%）。相关论文共已被引用700多次。上述有关碳基能源材料研究系列成果的取得，引起国际学术界的广泛关注。分别被国际著名学术杂志j. power sources和nanoscale邀请做综述， 体现了我校化材学院在相关研究领域的国际学术影响力。

上述研究得到国家杰出青年基金、基金委重点国际合作项目、面上及青年项目、浙江省自然科学基金杰青及面上项目，和浙江省化学重中之重学科的资助。