汇总：近年南开陈军教授的科研成果

人物简介;

陈军，无机化学家，1967年9月生于安徽省宿松县，1988年12月加入中国共产党， 1985-1992年在南开大学化学系学习，先后获学士、硕士学位，并于1992年留校工作；1996-1999年在澳大利亚Wollongong大学材料系学习，获博士学位；1999-2002年在日本工业技术院大阪工业技术研究所任日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)研究员。自2002年任南开大学教授、博士生导师，2017年当选中国科学院院士，现任南开大学化学学院院长、先进能源材料化学教育部重点实验室主任。

2003年获国家杰出青年基金资助，2005年受聘教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2010年受聘科技部973纳米首席，2011年获国家自然科学二等奖，2013年入选中组部万人计划科技创新领军人才、获中国电化学贡献奖，2014年被选为英国皇家化学会会士（FRSC），2016年入选天津市首批杰出人才。目前担任《Inorganic Chemistry Frontiers》、《Science China Materials》、《应用化学》副主编，《Solid State Sciences》、《Nano Research》、《ACS Eenergy Letters 》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《 Journal of Energy Chemistry 》、《化学学报》等杂志编委。

主要从事无机固体化学的研究。在无机固体功能材料的合成化学、固体电极制备以及新型电池电极材料开发研究方面做出了重要创新性贡献。提出了“室温-氧化还原-转晶”新合成方法，室温合成出稳定的导电纳米尖晶石CoMn2O4，替代了贵金属铂电极，应用于可充电金属锂、锌空气电池。提出电极微纳化可改善多电子电极反应活性和结构稳定性的设想，经大量实验制备了可充锂、钠、镁电池的微纳多级结构电极，提高了电池的安全性，为降低电池电极材料成本及解决电池燃烧爆炸提供了新思路。曾获国家自然科学奖二等奖。

为方便大家快速预览近年来陈军院士和他的研究团队的科研成果，小编汇总了在材料人上宣传过的成果：

Science Advances：可持续醌电极的高容量水系锌二次电池

陈军院士团队在Science Advances上发表题为“High-capacity aqueous zinc batteries using sustainable quinone electrodes”的研究论文，首次系统研究了醌类电极在水系锌电池中的应用。其中，研究人员发现杯[4]醌(C4Q)正极与阳离子选择性膜结合，在20 mA g⁻¹电流密度下比容量高达335 mA h g⁻¹，能量效率达到93%。在500 mA g⁻¹电流密度下循环1000次，容量保持率达87%。同时，软包锌-C4Q电池基于C4Q正极和理论锌负极的质量计算，能够提供220 Wh kg⁻¹的能量密度。研究人员还将实验研究与理论计算结合，开发了一种静电势计算方法来证明羰基是电化学的活性中心。同时，结合原位红外光谱、拉曼光谱和紫外可见光谱，研究了活性物质在放电和充电过程中的结构演化和溶解行为。阐明了可逆电化学反应的作用机制。文章表明在水电解质中，使用醌类正极和金属负极的电池是一种有前景的大规模能量储存选择。

文献链接：High-capacity aqueous zinc batteries using sustainable quinone electrodes，(Science Adcances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aao1761)

Angew. Chem. Int. Ed.：基于卟啉的对称氧化还原液流电池用于冷气候储能

陈军院士（通讯作者）课题组的带领下，构建了基于5,10,15,20-四苯基卟啉（H₂TPP）的非水有机RFB 作为双极性氧化还原活性材料（阳极：[H₂TPP]^2-/H₂TPP，阴极：H₂TPP/[H₂TPP]²⁺）和具有高离子电导率的Y型沸石-聚偏二氟乙烯（Y-PVDF）离子选择膜作为隔膜。卟啉作为RFB的活性物质，源于分子环具有良好导电性和可逆氧化/还原稳定性的芳族π共轭大环。而Y-PVDF离子选择膜的分离器保留了H₂TPP以及氧化还原产物，并且由于微孔排阻效应，允许ClO₄^-而不是TBA⁺运输。所构建的RFB在20〜-40°C的温度范围内具有8.72 AhL^-1的高容量和2.83 V的高电压以及出色的循环稳定性（每次循环容量保持率超过99.98％）。相关成果以题为“Porphyrin-Based Symmetric Redox-Flow Batteries towards Cold-Climate Energy Storage”发表在了Angew. Chem. Int. Ed.上。

文献链接：Porphyrin-Based Symmetric Redox-Flow Batteries towards Cold-Climate Energy Storage（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/ange.201713423）

Nature子刊：高能量密度、高功率密度可充水系锌锰电池

陈军教授、程方益研究员（共同通讯作者）等人在Nature Communications上发表最新研究成果 “Rechargeable aqueous zinc-manganese dioxide batteries with high energy and power densities”。在该文中，研究者提出以弱酸性三氟甲烷磺酸锌/锰盐为电解质制备高性能可充锌-二氧化锰电池，该研究发现首次放电时隧道结构的氧化锰晶体发生相变转化为层状结构的Zn-Buserite相，后者的层状结构使得锌离子能够可逆插入和脱出。水系电解质中三氟甲烷磺酸锰添加剂抑制了Mn²⁺的溶解而在正极表面上形成了均一多孔无定形MnO_x保护层，提高了β-MnO₂的正极容量及循环稳定性。最终，研究者组装得到软包锌锰电池，其总能量密度高达75.2 Wh kg^-1，远高于其他常见的水系电池。由于其性能优异、安全、工艺简易、廉价的优势，此可充锌锰电池体系有望应用在大规模储能方面。

文献链接：Rechargeable aqueous zinc-manganese dioxide batteries with high energy and power densities（Nat.Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00467-x）

Nano Lett. ：具有高容量和快速钠离子存储性能的硫化锑-石墨烯化合物

陈军教授和康奈尔大学Lynden A. Archer（共同通讯）在Nano Lett.上发文，题名“High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture”。文中通过一种简单的水热方法在石墨烯泡沫上制备Sb₂S₅纳米颗粒，并将其作为高性能的钠电极材料。该材料展现出优异的性能，高容量性能 (电流密度 0.1 A g⁻¹时，容量为845 mA h g⁻¹), 高循环稳定性 (在电流密度0.2 A g⁻¹下循环300圈，容量保持91.6%), 和良好的倍率性能 (电流密度10.0 A g⁻¹，容量525 mA h g⁻¹)。该种新型电极材料为以后制备一种安全，高能量密度电池提供了新的思路。

文献链接：High-Capacity and Ultrafast Na-Ion Storage of a Self-Supported 3D Porous Antimony Persulfide–Graphene Foam Architecture（Nano Lett. 2017. DOI:  10.1021/acs.nanolett.7b00889）

Angew. Chem. Int. Ed.：无液体电解质柔性Li-CO2 电池

陈军教授（通讯作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上发表了题为“Flexible Li-CO₂ Batteries with Liquid-Free Electrolyte”的文章，报道了一种无液体电解质的柔性Li-CO₂电池，采用聚甲基丙烯酸酯(PMA)/聚乙二醇(PEG)-LiClO₄-3 wt% SiO₂复合聚合物电解质(CPE)和多层碳纳米管(CNTs)结构阴极。该电池结构稳定，界面电阻较小，100次充放电循环后，其比容量依然保持为1000 mAhg^-1。此外，研究人员对尺寸为5*16 cm²的组装电池进行了电化学性能测试，在不同弯曲程度(0-360^o)下，该电池性能优异，充发电容量可达993.3 mA·h，能量密度高达521 Wh˙kg^-1，工作时间长达220 h。

文献链接：Flexible Li-CO₂ Batteries with Liquid-Free Electrolyte（Angew. Chem. Int. Ed.，2017, DOI:10.1002/anie.201701928）

Angew. Chem. Int. Ed.：用于快速充电电池的碳氧盐材料

陈军教授（通讯作者）等人制备了有机碳氧盐M（CO）_n并研究了其性质，研究者分别使用了不同的金属离子和不同结构的碳氧盐相结合，发现四元环盐在特定的电压区域较难接受阳离子，而五元环盐和六元环盐接受一定数量的阳离子是可行的。此外发现K₂C₆O₆（或K₂C₅O₅）可以作为钾离子的超快插入/脱嵌通道，DFT计算显示K₂C₆O₆是一个有接近0.9eV窄带隙的半导体。钾离子碳氧盐材料也比钠离子、锂离子碳氧盐材料具有更高的离子电导率，钾离子在电极材料中的扩散速率也更快。以K₂C₆O₆为负极、K₄C₆O₆为正极的钾离子电池能量密度可达35 Wh·kg^-1。

文献链接：Oxocarbon Salts for Fast Rechargeable Batteries（Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI: 10.1002/ anie.201607194）

Angewandte Chemie International Edition：新型阴极材料与多功能粘结剂

陈军教授课题组最近制备了一种将硫杂环醌（DTT）作为阴极， poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate )（PEDOT:PSS）作为粘结剂的高性能锂离子电池。由于DTT和PEDOT:PSS之间存在着非共价键的相互作用，这将有助于抑制DTT溶解，同时会增加DTT的导电能力，从而使电化学性能得到极大的改善。将DTT作为阴极，PEDOT:PSS作为粘结剂表现出了极好的循环稳定性（首次循环292 mAh g^-1，0.1 C下200循环后为266 mAh g^-1）和高倍率性能（1C下220 mAh g^-1）。

原文链接：A Sulfur Heterocyclic Quinone Cathode and a Multifunctional Binder for a High-Performance Rechargeable Lithium-Ion Battery

Adv. Energy Mater.: 硒的磷化物（Se4P4）用于钠离子电池负极材料

陈军教授（通讯作者）的研究团队在Advanced Energy Materials上发表了题为Selenium Phosphide (Se₄P₄) as a New and Promising Anode Material for Sodium-Ion Batteries的文章。硒元素（Se）是钠离子电池领域的一种有趣的材料，它具有很高的电导率和理论容量。另外，与Sn相比，Se具有更好的循环稳定性。纯Se在反应过程中会形成容易溶解的中间产物从而导致容量的快速衰减；而将Se与P元素化合将有效避免中间产物的出现。该研究采用简单的机械研磨方法制备出了无定形结构的Se₄P₄材料，并证明其能够应用于钠离子电池的负极材料。实验结果表明Se₄P₄在循环过程中与钠离子反应直接生成Na₂Se，在50 mA g^-1充放电条件下具有1048 mA h g^-1的可逆容量和很高的循环稳定性（在60次循环后的容量为804 mA h g^-1）。另外，500 mA g^-1充放电条件下，其可逆容量为724 mA h g^-1，甚至在3000 mA g^-1条件下仍然保留332 mA h g^-1的容量。与之前报道的磷化物相比，Se₄P₄具有更高的可逆容量，更好的倍率性能和循环稳定性。

原文链接：Selenium Phosphide (Se₄P₄) as a New and Promising Anode Material for Sodium-Ion Batteries.（Adv.Energy Mater., 2016,DOI:10.1002/aenm.201601973）

Adv. Energy Mater：新型添加剂助力有机聚合物太阳能电池有望实现大面积印刷

陈军武教授（通讯作者）、Zhang Lianjie （通讯作者）及曹镛院士及上海交通大学刘烽教授（通讯作者）等共同合成了一种添加剂o-chlorobenzaldehyde（CBA，邻氯苯甲醛）。相对于传统的添加剂1,8-diiodooctane (DIO，二碘辛烷)，CBA的沸点由332.5℃降低为212℃，在对活性层进行真空干燥时更容易被去除，从而影响其形貌特征。将该添加剂应用在经典的PTB7:PC71BM体系中，当活性层厚度200-300nm时，使用CBA的活性层与使用DIO作为添加剂的的活性层相比，PCE效率分别为9.11%和8%。

文献链接：Using o-Chlorobenzaldehyde as a Fast Removable Solvent Additive during Spin-Coating PTB7-Based Active Layers: High Effciency Thick-Film Polymer Solar Cells （Adv. Energy Mater.，2016，DOI: 10.1002/aenm.201601344）

Adv. Funct. Mater. 类海胆结构CoSe2用作高性能钠离子电池负极材料

研究发现，通过优化电解质和电压窗口，过渡金属硫族化合物可以获得高倍率性能和长期循环性。其中，CoSe2具有类似于白铁矿的结构，可广泛用于析氢，Li-O2电池，水氧化催化剂以及染料敏化太阳能电池和超级电容器的电极。当CoSe2用于锂离子电池的负极材料时，表现出了良好的循环性能和倍率性能，但是在有关钠离子电池方面的研究进行的还较少。来自南开大学能源材料化学教育部重点实验室的陈军教授研究小组与韩国东国大学Yong-Mook Kang 教授研究小组共同合作对CoSe2作为钠离子电池负极材料时的性能进行了研究。

文献链接：Urchin-Like CoSe2 as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries

Joule综述：固态钠电电解质及其界面工程

陈军院士团队在Joule上撰写了题为“Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries”的综述文章。文章系统地总结了钠离子固态电解质的发展和最新进展以及固态钠电池内部的界面问题。讨论了具有高离子电导率和高化学/电化学稳定性的固态电解质设计的基本原理。针对开发高性能固态钠电池的关键问题，着重强调了电解质和电极之间的界面设计。

文献链接：“Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries”(DOI.org/10.1016/j.joule.2018.07.028)

AM综述：分子工程优化的羰基电极材料在固态/液态可充电电池中的应用

陈军教授（通讯作者）课题组近日在Advanced  Materials上发表了题为"Molecular Engineering with Organic Carbonyl Electrode Materials for Advanced Stationary and Redox Flow Rechargeable Batteries"的综述，总结了运用分子工程的方法，使羰基有效调节固态/液流电池的容量、工作电压、活性物质浓度、动力学和稳定性等性能，并很好的解决了有机碳电极材料存在的一些问题。这篇综述中展示了羰基电极材料在新一代二次电池的电极材料中应用的基础的原理以及一些具有创造性的想法。

文献链接：Molecular Engineering with Organic Carbonyl Electrode Materials for Advanced Stationary and Redox Flow Rechargeable Batteries(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201607007)

往期汇总回顾：

梳理：看一看近年来王中林院士和他的团队有哪些研究进展呢？

研究进展汇总：黄维院士与他的研究团队

汇总：一起回顾崔屹和他的团队的研究发展历程

研究进展汇总：走进麦立强团队

钙钛矿太阳能电池图鉴——2018年度ESI高被引论文中的钙钛矿太阳能电池汇总

本文收录的仅是材料人报道过的文章。

本文由材料人编辑部编辑，材料牛整理。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenvip。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。