山外有山、人外有人?？蒲袑貌佚埮P虎，無數(shù)“掃地僧”武功蓋世卻低調(diào)如塵?？炊嗔斯猸h(huán)璀璨的知名大牛，材料人帶大家探險科研屆，一起環(huán)游世界，了解材料領(lǐng)域不甚為國人熟知的科研巨擘們的卓越成果，感受材料科學(xué)的無窮魅力。

No.1 邵陽（Yang Shao-Horn）

邵陽Yang Shao-Horn教授在Science、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Chemistry等期刊發(fā)表論文超過370篇，總被引超3W，H-index:86。（web of science）

邵陽（Yang Shao-Horn）教授1992年獲北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，后于密歇根理工大學(xué)取得博士學(xué)位。2002年進入美國麻省理工學(xué)院任教，現(xiàn)為麻省理W. M. Keck能源教授，美國國家工程院院士（2018當(dāng)選）。

課題組主頁：

http://web.mit.edu/eel/ （主頁有邵陽老師的一些精彩報告視頻，很值得學(xué)習(xí)）

主要研究方向

1. 研究催化劑表面的電子結(jié)構(gòu)、尋找催化性能描述符（金屬氧化物為主）

2. 電催化、光電催化（水裂解、二氧化碳還原等）

3. 儲能電池：鋰離子電池、液流電池、金屬空氣電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池

最新代表性成果梳理

1. 鋰金屬電池：FSI-inspired solvent and ‘‘full fluorosulfonyl’’electrolyte for 4 V class lithium-l batteries.Energy Environ. Sci., 2020,13, 212—220.

簡介：在此，作者們通過從LMA兼容鹽雙（氟磺?；啺蜂嚕↙iFSI）中模擬氟磺酰亞胺基，提出了一種有機溶劑二甲基氨磺酰氟（FSO2NC2H6），一種帶有兩個甲基取代基的氟磺酰胺（FSA），開發(fā)新的“全氟磺酰基”（FFS）電解質(zhì)。值得注意的是，它可實現(xiàn)高度可逆的LMA，具有出色的初始庫侖效率（CE）91％，并且僅在10個循環(huán)內(nèi)即可迅速達到99％，平均CE優(yōu)于眾所周知的LMA兼容的碳酸氟亞乙酯（FEC）基電解質(zhì)。此外，得益于其對氧化LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2（NMC622）和LiMn2O4（LMO）表面的高陽極穩(wěn)定性，Li//NMC622電池使用有限的過量Li陽極在200次循環(huán)后仍保持其原始容量的89％。這種電解質(zhì)設(shè)計策略為探索用于4 V級鋰金屬電池（LMB）的新型中等濃度有機電解質(zhì)開辟了一條新途徑。

FFS電解液的設(shè)計

2. Li-O2電池：Solvent-Dependent Oxidizing Power of LiI Redox Couples for Li-O2Batteries.Joule, 2019, 3, 1106.

簡介：在這項工作中，作者們系統(tǒng)地研究了LiI和Li2O2和LiOH之間的反應(yīng)，LiI是為催化充電過程而添加的可溶性氧化還原介體。更強的Li+和I-離子溶劑化可以提高I3-的氧化能力，這使I3-可以氧化DMA，DMSO和Me-Im中的Li2O2和LiOH，而在較弱的溶劑（G4，DME）中，需要更多的I2氧化才能進行反應(yīng)。觀察到Li2O2被氧化成O2，而LiOH反應(yīng)形成IO-。 這項工作澄清了在這些反應(yīng)中的重大誤解，并為理解LiI在Li-O2電池中的作用提供了熱力學(xué)和選擇性框架。

I離子之間的溶劑依賴反應(yīng)

3. 鈣鈦礦氧化物催化OER的YangShao-Horn規(guī)則：A Perovskite Oxide Optimized forOxygen Evolution Catalysis fromMolecular Orbital Principles.Science, 2011, 334, 1383.

簡介：作者們發(fā)現(xiàn)Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d（BSCF）催化的OER具有比堿性介質(zhì)中最先進的氧化銥催化劑至少高一個數(shù)量級的固有活性。通過對10多種過渡金屬氧化物進行系統(tǒng)檢查而建立的設(shè)計原理可預(yù)測BSCF的高活性，這表明固有的OER活性對表面過渡金屬對稱的3d電子占有率表現(xiàn)出火山狀依賴性。預(yù)氧化物中的陽離子處于eg軌道占有率接近1，并且具有高價的過渡金屬-氧鍵的OER活性最高。

多種金屬氧化物的OER活性火山圖

No.2 蔣業(yè)明（Yet-Ming Chiang）

蔣業(yè)明教授在Science、Nature、等期刊發(fā)表論文超過230篇，總被引超1.7 W，H-index: 66。（web of science）

蔣業(yè)明，中國臺灣人，美國工程院院士，臺灣中央研究院院士,麻省理工學(xué)院材料系教授，研究出用鋁、鈮、鋯等三種金屬做正極的超級鋰電池。湯森路透2000-2010年全球頂尖一百材料學(xué)家名人堂榜單，蔣業(yè)明（Yet-MingCHIANG），全球總排名第66位，華人排名第12位。24M公司創(chuàng)始人。

課題組主頁：

https://dmse.mit.edu/people/yet-ming-chiang

主要研究方向

1. 電池（鋰離子電池、Li-S電池）

2. 電化學(xué)合成

3. 3D打印在電池制造中的應(yīng)用

最新代表性成果梳理

1. 穩(wěn)定Li-S電池策略：Stabilizing Li-S Battery Through Mult Encapsulation of Sulfur. Adv. Energy Mater.2019, 9, 1802213.

簡介：作者在使用常規(guī)電解質(zhì)的同時通過硫顆粒的多層封裝顯著改善了電池的穩(wěn)定性，該方法可實現(xiàn)較長的循環(huán)壽命并在低電解質(zhì)進料的情況下改善庫侖效率。當(dāng)使用無粘合劑的電極時，多層封裝的硫電池表現(xiàn)出高達98％的庫侖效率。在168小時后，電池的全部自放電可以從常規(guī)硫電池中的34％減少到帶有多層封裝硫電極的電池中的9％以下。

材料合成示意圖與電鏡表征

2. 用于電池的聚合物膜的設(shè)計準(zhǔn)則：Design Rules for Membranes from Polymers of Intrinsic Micro porosity for Crossover-free Aqueous Electrochemical Devices. Joule, 3, 2968–2985.

簡介：作者們?yōu)閷⑽⒖拙酆衔锬さ慕Y(jié)構(gòu)、膜的化學(xué)穩(wěn)定性、電導(dǎo)率和在寬范圍的pH范圍內(nèi)的水性電解質(zhì)中的遷移選擇性聯(lián)系起來奠定了相關(guān)聚合物膜的設(shè)計原則。作者將這些屬性與無交叉（crossover-free）電化學(xué)電池的前景聯(lián)系在一起。這些指導(dǎo)原則適用于兩種新興的網(wǎng)格電化學(xué)電池：具體地說，是Zn–TEMPO-4-硫酸鹽和Zn–K4Fe（CN）6電池。成功的關(guān)鍵是將可電離的聚合物胺肟官能團放置在微孔梯狀聚合物膜的孔中，該官能團在高pH下穩(wěn)定，分別在低pH和高pH下產(chǎn)生一類電荷中性膜和陽離子交換膜，我們稱之為AquaPIM。它們極高的電導(dǎo)率（在5.0 M的KOH中達21.5 mS cm-1）和高的運輸選擇性（通過膜的活性物質(zhì)滲透率降低高達104）為電池開發(fā)提供了令人興奮的機會。

聚合物示意圖

No.3 Jeffrey R. Long

Long教授在Science、Nature、Nature Materials、Nature Chemistry等期刊發(fā)表論文超過490篇，總被引超5W，H-index:101。（web of science）

Long教授1991年于康奈爾大學(xué)獲一等榮譽化學(xué)和榮譽數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。1995年拿到哈佛博士學(xué)位師從Prof. Richard H. Holm，之后在哈佛和伯克利做博后。1997年加入伯克利任助理教授，03年拿到終身教職，08年升為正教授?，F(xiàn)為伯克利化學(xué)系和化學(xué)與生物醫(yī)藥工程系雙教授與勞倫斯伯克利國家實驗室高級科學(xué)家。Long教授是美國化學(xué)會無機化學(xué)主席，還是多個頂級期刊編委，例如Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Chemistry of Materials和ACS Materials Letters。Long教授獲獎無數(shù)，2013年成為吉林大學(xué)榮譽教授。Long也是多家高科技公司創(chuàng)始人。

課題組主頁：

http://alchemy.cchem.berkeley.edu/home/

主要研究方向

1.金屬有機框架（MOF）

2.基于MOF的氣體存儲和分離研究

3.開發(fā)研究具有體相電導(dǎo)性（電子、離子）的多孔材料

4.單核和多核單分子磁體

5.催化：合成具有開放螯合位點的可調(diào)控MOF和分子配合物用于各種催化反應(yīng)

Long教授的研究方向

最新代表性成果梳理

2020《Nature》

1. MOF限域合成原子級精確的超小二維金屬鹵化物：Confinement of atomically defined l halide sheets in a l–organic work.Nature, 2020, 577, 64.

解讀：a. 作者們選擇了Zr6O4(OH)4(bpydc)6（其中bpydc2- = 2,2'-聯(lián)吡啶-5,5'-二羧酸鹽）金屬有機框架，其骨架寬度約為1.3納米八面體籠子，內(nèi)有螯合位點，可以很容易地將各種金屬源結(jié)合為孤立的單核絡(luò)合物，包括二價鹵化金屬。(聯(lián)吡啶對過渡金屬的配位起到了關(guān)鍵作用) b. 通過MOF的限域作用，二維金屬鹵化物的厚度、尺寸都得到了原子級的精確控制（二維材料量子點的合成充滿困難，作者給出了MOF限域解）。c.這種合成方法可以拿到材料的單晶數(shù)據(jù)。作者通過改變前驅(qū)體金屬鹽的用量，神奇地研究了二維材料在MOF種的生長過程，如下圖所示。d.合成方法具有普適性，NiBr2、NiCl2、CoCl2、FeCl要啥來啥。e.新穎磁性：將納米片孤立起來消除了反鐵磁層間相互作用，從而隔離了鐵磁耦合的大自旋基態(tài)。導(dǎo)致與塊體材料迥異的磁學(xué)性質(zhì)。

http://alchemy.cchem.berkeley.edu/static/pdf/papers/paper322.pdf

鹵化鎳納米片的生長過程

2019《JACS》

2. MOF中1-丁烯與2-丁烯的熱力學(xué)分離：Thermodynamic Separation of 1Butene from 2Butene in l?Organic works with Open l Sites.Am.Chem.Soc., 2019, 141, 18325?18333.

簡介：大多數(shù)C4碳氫化合物是作為乙烯生產(chǎn)或煉油的副產(chǎn)品獲得的，分離它們過程復(fù)雜且耗能巨大。大量的工業(yè)和學(xué)術(shù)屆努力開發(fā)更具成本效益的基于吸附劑或膜的方法來純化化學(xué)品，例如1,3-丁二烯、異丁烯和1-丁烯。但是，這些C4烴的物理性質(zhì)非常相似，使這成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。這篇文章中作者匯總研究了1-丁烯、順式-2-丁烯和反式-2-丁烯在金屬有機骨架M2（dobdc）中的吸附行為（M = Mn，F(xiàn)e，Co，Ni； dobdc4- = 2,5 -二氧化苯-1,4-二羧酸鹽）和M2（m-dobdc）（m-dobdc4- = 4,6-二氧化苯-1,3-二羧酸鹽），都含有高密度的配位不飽和M2 +位點。作者發(fā)現(xiàn)，Co2（m-dobdc）和Ni2（m-dobdc）都能夠從2-丁烯異構(gòu)體中分離出1-丁烯，這是一個關(guān)鍵的工業(yè)過程，在很大程度上依賴于能源需求較大的低溫蒸餾。 1-丁烯選擇性的起源可追溯到M2（m-dobdc）結(jié)構(gòu)中暴露的M2 +金屬中心保留的高電荷密度，這導(dǎo)致通常在骨架開放金屬位點觀察到的順式2-丁烯選擇性的逆轉(zhuǎn)。作者通過突破（breakthrough）和分批吸附實驗證明了Ni2（m-dobdc）在氣相和液相中在多組分條件下對1-丁烯吸附的選擇性。

http://alchemy.cchem.berkeley.edu/static/pdf/papers/paper318.pdf

MOF的結(jié)構(gòu)及與1-丁烯結(jié)合方式

2019《JACS》

3. 抗氧化MOF中，水提高CO2捕獲效率：Water Enables Efficient CO2Capture from Natural Gas Flue Emissions in an Oxidation-Resistant Diamine-Appended l?Organic work. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 13171?13186.

簡介：由于二氧化碳分壓低，燃氣電廠煙道氣中的二氧化碳與其他成分的分離特別具有挑戰(zhàn)性，這就要求候選分離材料必須在較低的分壓（≤4毫巴）下與二氧化碳緊密結(jié)合。這些煙道氣中的O2（120 mbar）和水（80 mbar）的高分壓也為部署從燃氣發(fā)電廠捕獲CO2的新技術(shù)提出了重大障礙。在這里，作者們證明了金屬-有機骨架Mg2（dobpdc）（dobpdc4- = 4,4'-dioxidobiphenyl-3,3'-dicarboxylate）與環(huán)狀二胺2-（氨基甲基）哌啶（2-ampd）的官能化作用，這種吸附劑能夠從潮濕的天然氣煙道排放流中捕獲90％以上的CO2。該材料通過一種協(xié)同機制捕獲CO2，該機制能夠在較小的溫度波動下獲得較大的CO2循環(huán)能力（2.4 mmol CO2 / g，ΔT= 100°C）。重要的是，多組分吸附實驗，紅外光譜，魔角固態(tài)NMR光譜和范德華校正的密度泛函理論研究表明，水通過與氨基甲酸酯的氫鍵相互作用增強了2-ampd-Mg2（dobpdc）中的CO2捕獲。 CO 2吸附形成氨基甲酸銨鏈的兩個基團，從而增加了CO2結(jié)合的熱力學(xué)驅(qū)動力?？紤]到2-ampd-Mg2（dobpdc）出色的熱和氧化穩(wěn)定性，其高的CO2吸附能力以及從模擬的天然氣煙道氣中獲得的高CO2捕獲率，該材料是迄今為止用于這一分離處理最有希望的吸附劑之一。

水對CO2捕獲效率有明顯提高

2019《Adv. Mater.》

4. 新型材料用于CO2捕獲：Runaway Carbon Dioxide Conversion Leads to Enhanced Uptake in a Nanohybrid Form of Porous Magnesium Borohydride.Adv. Mater., 2019, 1904252.

簡介：近年來，利用分子水平的控制來增強固態(tài)材料中的CO2捕集受到了極大的關(guān)注。在此，作者們開發(fā)了一種新型的雜化納米材料，該雜化納米材料由本征多孔的γ-Mg（BH4）2納米晶體和還原的氧化石墨烯（MBHg）構(gòu)成。該納米材料表現(xiàn)出動力學(xué)可控、不可逆的CO2吸收曲線，在低分壓和40至100°C的溫度下，具有高吸收能力（> 19.9 mmol g-1）。系統(tǒng)性實驗和第一性原理計算揭示了CO2與MBHg之間的反應(yīng)機理，并揭示了化學(xué)活化的亞穩(wěn)態(tài)（BH3-HCOO）-中心的作用，該中心比母體BH4-中心熱力學(xué)上更有利和可能更快的反應(yīng)動力學(xué)。

http://alchemy.cchem.berkeley.edu/static/pdf/papers/paper317.pdf

MBHg的材料表征

2018《Nat. Mater.》

5. 電子離域和電荷遷移率隨金屬-有機骨架的還原而變化：Electron delocalization and charge mobility as a function of reduction in a l–organic work. Nat. Mater. 2018, 17, 625.

簡介：在這里，我們報告了KxFe2（BDP）3（0≤x≤2; BDP2- = 1,4-苯二吡唑酸酯）的合成，其在母體框架內(nèi)顯示出完全的電荷離域化，并且電荷遷移率可與技術(shù)上相關(guān)的聚合物和陶瓷媲美。通過一系列的光譜學(xué)方法，計算技術(shù)和單微晶場效應(yīng)晶體管測量，作者們證明Fe2（BDP）3的部分還原會導(dǎo)致金屬-有機骨架顯示出在單晶軸上近10,000倍的電導(dǎo)率增強。在KxFe2（BDP）3場效應(yīng)晶體管中達到這樣的性能，代表了創(chuàng)建新的基于多孔導(dǎo)體的器件的通用合成策略的實現(xiàn)。

http://alchemy.cchem.berkeley.edu/static/pdf/papers/paper276.pdf

KxFe2（BDP）3的材料表征

Prof. Long高被引論文Top 5 (Google Scholar)

1. Carbon dioxide capture in l–organic works. Chem. Rev. 2012,112,724. 被引次數(shù)：4586。

2. Hydrogen storage in l–organic works. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1294. 被引次數(shù)：3911。

3.Introduction to l–organic works. Chem. Rev. 2012,112, 673. 被引次數(shù)：3468。

4.  Carbon dioxide capture: prospects for new materials. Angew. Chem. Int. Ed.2010, 49, 6058. 被引次數(shù)：2968。

5. The pervasive chemistry of l–organic works. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1213.被引次數(shù)：1791。

Long教授課題組其樂融融^_^

本文由踏浪供稿。