大牛进展 盘点你可能不知道的3位材料大佬

山外有山、人外有人。科研届藏龙卧虎，无数“扫地僧”武功盖世却低调如尘。看多了光环璀璨的知名大牛，材料人带大家探险科研届，一起环游世界，了解材料领域不甚为国人熟知的科研巨擘们的卓越成果，感受材料科学的无穷魅力。

No.1 邵阳（Yang Shao-Horn）

邵阳Yang Shao-Horn教授在Science、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Chemistry等期刊发表论文超过370篇，总被引超3W，H-index:86。（web of science）

邵阳（Yang Shao-Horn）教授1992年获北京工业大学工学学士学位，后于密歇根理工大学取得博士学位。2002年进入美国麻省理工学院任教，现为麻省理W. M. Keck能源教授，美国国家工程院院士（2018当选）。

课题组主页：http://web.mit.edu/eel/ （主页有邵阳老师的一些精彩报告视频，很值得学习）

主要研究方向

1. 研究催化剂表面的电子结构、寻找催化性能描述符（金属氧化物为主）

2. 电催化、光电催化（水裂解、二氧化碳还原等）

3. 储能电池：锂离子电池、液流电池、金属空气电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池

最新代表性成果梳理

1. 锂金属电池：FSI-inspired solvent and ‘‘full fluorosulfonyl’’electrolyte for 4 V class lithium-metal batteries.Energy Environ. Sci., 2020,13, 212—220.

简介：在此，作者们通过从LMA兼容盐双（氟磺酰基）酰亚胺锂（LiFSI）中模拟氟磺酰亚胺基，提出了一种有机溶剂二甲基氨磺酰氟（FSO₂NC₂H₆），一种带有两个甲基取代基的氟磺酰胺（FSA），开发新的“全氟磺酰基”（FFS）电解质。值得注意的是，它可实现高度可逆的LMA，具有出色的初始库仑效率（CE）91％，并且仅在10个循环内即可迅速达到99％，平均CE优于众所周知的LMA兼容的碳酸氟亚乙酯（FEC）基电解质。此外，得益于其对氧化LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂（NMC622）和LiMn₂O₄（LMO）表面的高阳极稳定性，Li_//NMC622电池使用有限的过量Li阳极在200次循环后仍保持其原始容量的89％。这种电解质设计策略为探索用于4 V级锂金属电池（LMB）的新型中等浓度有机电解质开辟了一条新途径。

FFS电解液的设计

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

简介：在这项工作中，作者们系统地研究了LiI和Li₂O₂和LiOH之间的反应，LiI是为催化充电过程而添加的可溶性氧化还原介体。更强的Li⁺和I^-离子溶剂化可以提高I^3-的氧化能力，这使I^3-可以氧化DMA，DMSO和Me-Im中的Li₂O₂和LiOH，而在较弱的溶剂（G4，DME）中，需要更多的I₂氧化才能进行反应。观察到Li₂O₂被氧化成O₂，而LiOH反应形成IO^-。 这项工作澄清了在这些反应中的重大误解，并为理解LiI在Li-O₂电池中的作用提供了热力学和选择性框架。

 I离子之间的溶剂依赖反应

3. 钙钛矿氧化物催化OER的YangShao-Horn规则：A Perovskite Oxide Optimized forOxygen Evolution Catalysis fromMolecular Orbital Principles.Science, 2011, 334, 1383.

简介：作者们发现Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-d（BSCF）催化的OER具有比碱性介质中最先进的氧化铱催化剂至少高一个数量级的固有活性。通过对10多种过渡金属氧化物进行系统检查而建立的设计原理可预测BSCF的高活性，这表明固有的OER活性对表面过渡金属对称的3d电子占有率表现出火山状依赖性。预氧化物中的阳离子处于eg轨道占有率接近1，并且具有高价的过渡金属-氧键的OER活性最高。

 多种金属氧化物的OER活性火山图

No.2 蒋业明（Yet-Ming Chiang）

蒋业明教授在Science、Nature、等期刊发表论文超过230篇，总被引超1.7 W，H-index: 66。（web of science）

蒋业明，中国台湾人，美国工程院院士，台湾中央研究院院士,麻省理工学院材料系教授，研究出用铝、铌、锆等三种金属做正极的超级锂电池。汤森路透2000-2010年全球顶尖一百材料学家名人堂榜单，蒋业明（Yet-MingCHIANG），全球总排名第66位，华人排名第12位。24M公司创始人。

课题组主页：https://dmse.mit.edu/people/yet-ming-chiang

主要研究方向

1. 电池（锂离子电池、Li-S电池）

2. 电化学合成

3. 3D打印在电池制造中的应用

最新代表性成果梳理

1. 稳定Li-S电池策略：Stabilizing Li-S Battery Through Multilayer Encapsulation of Sulfur. Adv. Energy Mater.2019, 9, 1802213.

简介：作者在使用常规电解质的同时通过硫颗粒的多层封装显着改善了电池的稳定性，该方法可实现较长的循环寿命并在低电解质进料的情况下改善库仑效率。当使用无粘合剂的电极时，多层封装的硫电池表现出高达98％的库仑效率。在168小时后，电池的全部自放电可以从常规硫电池中的34％减少到带有多层封装硫电极的电池中的9％以下。

材料合成示意图与电镜表征

2. 用于电池的聚合物膜的设计准则：Design Rules for Membranes from Polymers of Intrinsic Micro porosity for Crossover-free Aqueous Electrochemical Devices. Joule, 3, 2968–2985.

简介：作者们为将微孔聚合物膜的结构、膜的化学稳定性、电导率和在宽范围的pH范围内的水性电解质中的迁移选择性联系起来奠定了相关聚合物膜的设计原则。作者将这些属性与无交叉（crossover-free）电化学电池的前景联系在一起。这些指导原则适用于两种新兴的网格电化学电池：具体地说，是Zn–TEMPO-4-硫酸盐和Zn–K₄Fe（CN）₆电池。成功的关键是将可电离的聚合物胺肟官能团放置在微孔梯状聚合物膜的孔中，该官能团在高pH下稳定，分别在低pH和高pH下产生一类电荷中性膜和阳离子交换膜，我们称之为AquaPIM。它们极高的电导率（在5.0 M的KOH中达21.5 mS cm^-1）和高的运输选择性（通过膜的活性物质渗透率降低高达104）为电池开发提供了令人兴奋的机会。

聚合物示意图

No.3 Jeffrey R. Long

Long教授在Science、Nature、Nature Materials、Nature Chemistry等期刊发表论文超过490篇，总被引超5W，H-index:101。（web of science）

Long教授1991年于康奈尔大学获一等荣誉化学和荣誉数学学士学位。1995年拿到哈佛博士学位师从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年拿到终身教职，08年升为正教授。现为伯克利化学系和化学与生物医药工程系双教授与劳伦斯伯克利国家实验室高级科学家。Long教授是美国化学会无机化学主席，还是多个顶级期刊编委，例如Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Chemistry of Materials和ACS Materials Letters。Long教授获奖无数，2013年成为吉林大学荣誉教授。Long也是多家高科技公司创始人。

课题组主页：http://alchemy.cchem.berkeley.edu/home/

主要研究方向

1.金属有机框架（MOF）

2.基于MOF的气体存储和分离研究

3.开发研究具有体相电导性（电子、离子）的多孔材料

4.单核和多核单分子磁体

5.催化：合成具有开放螯合位点的可调控MOF和分子配合物用于各种催化反应

Long教授的研究方向

最新代表性成果梳理

2020《Nature》

1. MOF限域合成原子级精确的超小二维金属卤化物：Confinement of atomically defined metal halide sheets in a metal–organic framework.Nature, 2020, 577, 64.

解读：a. 作者们选择了Zr₆O₄(OH)₄(bpydc)₆（其中bpydc^2- = 2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸盐）金属有机框架，其骨架宽度约为1.3纳米八面体笼子，内有螯合位点，可以很容易地将各种金属源结合为孤立的单核络合物，包括二价卤化金属。(联吡啶对过渡金属的配位起到了关键作用) b. 通过MOF的限域作用，二维金属卤化物的厚度、尺寸都得到了原子级的精确控制（二维材料量子点的合成充满困难，作者给出了MOF限域解）。c.这种合成方法可以拿到材料的单晶数据。作者通过改变前驱体金属盐的用量，神奇地研究了二维材料在MOF种的生长过程，如下图所示。d.合成方法具有普适性，NiBr₂、NiCl₂、CoCl₂、FeCl要啥来啥。e.新颖磁性：将纳米片孤立起来消除了反铁磁层间相互作用，从而隔离了铁磁耦合的大自旋基态。导致与块体材料迥异的磁学性质。

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

卤化镍纳米片的生长过程

2019《JACS》

2. MOF中1-丁烯与2-丁烯的热力学分离：Thermodynamic Separation of 1Butene from 2Butene in Metal−Organic Frameworks with Open Metal Sites.Am.Chem.Soc., 2019, 141, 18325−18333.

简介：大多数C4碳氢化合物是作为乙烯生产或炼油的副产品获得的，分离它们过程复杂且耗能巨大。大量的工业和学术届努力开发更具成本效益的基于吸附剂或膜的方法来纯化化学品，例如1,3-丁二烯、异丁烯和1-丁烯。但是，这些C4烃的物理性质非常相似，使这成为一项具有挑战性的任务。这篇文章中作者汇总研究了1-丁烯、顺式-2-丁烯和反式-2-丁烯在金属有机骨架M₂（dobdc）中的吸附行为（M = Mn，Fe，Co，Ni； dobdc^4- = 2,5 -二氧化苯-1,4-二羧酸盐）和M₂（m-dobdc）（m-dobdc4- = 4,6-二氧化苯-1,3-二羧酸盐），都含有高密度的配位不饱和M^{2 +}位点。作者发现，Co₂（m-dobdc）和Ni₂（m-dobdc）都能够从2-丁烯异构体中分离出1-丁烯，这是一个关键的工业过程，在很大程度上依赖于能源需求较大的低温蒸馏。 1-丁烯选择性的起源可追溯到M₂（m-dobdc）结构中暴露的M^{2 +}金属中心保留的高电荷密度，这导致通常在骨架开放金属位点观察到的顺式2-丁烯选择性的逆转。作者通过突破（breakthrough）和分批吸附实验证明了Ni₂（m-dobdc）在气相和液相中在多组分条件下对1-丁烯吸附的选择性。

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

MOF的结构及与1-丁烯结合方式

2019《JACS》

3. 抗氧化MOF中，水提高CO₂捕获效率：Water Enables Efficient CO₂Capture from Natural Gas Flue Emissions in an Oxidation-Resistant Diamine-Appended Metal−Organic Framework. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 13171−13186.

简介：由于二氧化碳分压低，燃气电厂烟道气中的二氧化碳与其他成分的分离特别具有挑战性，这就要求候选分离材料必须在较低的分压（≤4毫巴）下与二氧化碳紧密结合。这些烟道气中的O₂（120 mbar）和水（80 mbar）的高分压也为部署从燃气发电厂捕获CO₂的新技术提出了重大障碍。在这里，作者们证明了金属-有机骨架Mg₂（dobpdc）（dobpdc4- = 4,4'-dioxidobiphenyl-3,3'-dicarboxylate）与环状二胺2-（氨基甲基）哌啶（2-ampd）的官能化作用，这种吸附剂能够从潮湿的天然气烟道排放流中捕获90％以上的CO₂。该材料通过一种协同机制捕获CO₂，该机制能够在较小的温度波动下获得较大的CO₂循环能力（2.4 mmol CO₂ / g，ΔT= 100°C）。重要的是，多组分吸附实验，红外光谱，魔角固态NMR光谱和范德华校正的密度泛函理论研究表明，水通过与氨基甲酸酯的氢键相互作用增强了2-ampd-Mg₂（dobpdc）中的CO₂捕获。 CO ₂吸附形成氨基甲酸铵链的两个基团，从而增加了CO₂结合的热力学驱动力。考虑到2-ampd-Mg₂（dobpdc）出色的热和氧化稳定性，其高的CO₂吸附能力以及从模拟的天然气烟道气中获得的高CO₂捕获率，该材料是迄今为止用于这一分离处理最有希望的吸附剂之一。

水对CO₂捕获效率有明显提高

2019《Adv. Mater.》

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

简介：近年来，利用分子水平的控制来增强固态材料中的CO₂捕集受到了极大的关注。在此，作者们开发了一种新型的杂化纳米材料，该杂化纳米材料由本征多孔的γ-Mg（BH₄）₂纳米晶体和还原的氧化石墨烯（MBHg）构成。该纳米材料表现出动力学可控、不可逆的CO₂吸收曲线，在低分压和40至100°C的温度下，具有高吸收能力（> 19.9 mmol g-1）。系统性实验和第一性原理计算揭示了CO₂与MBHg之间的反应机理，并揭示了化学活化的亚稳态（BH₃-HCOO）^-中心的作用，该中心比母体BH^4-中心热力学上更有利和可能更快的反应动力学。

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

MBHg的材料表征

2018《Nat. Mater.》

5. 电子离域和电荷迁移率随金属-有机骨架的还原而变化：Electron delocalization and charge mobility as a function of reduction in a metal–organic framework. Nat. Mater. 2018, 17, 625.

简介：在这里，我们报告了K_xFe₂（BDP）₃（0≤x≤2; BDP^2- = 1,4-苯二吡唑酸酯）的合成，其在母体框架内显示出完全的电荷离域化，并且电荷迁移率可与技术上相关的聚合物和陶瓷媲美。通过一系列的光谱学方法，计算技术和单微晶场效应晶体管测量，作者们证明Fe₂（BDP）₃的部分还原会导致金属-有机骨架显示出在单晶轴上近10,000倍的电导率增强。在K_xFe₂（BDP）₃场效应晶体管中达到这样的性能，代表了创建新的基于多孔导体的器件的通用合成策略的实现。

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

K_xFe₂（BDP）₃的材料表征

Prof. Long高被引论文Top 5 (Google Scholar)

1. Carbon dioxide capture in metal–organic frameworks. Chem. Rev. 2012,112,724. 被引次数：4586。

2. Hydrogen storage in metal–organic frameworks. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1294. 被引次数：3911。

3.Introduction to metal–organic frameworks. Chem. Rev. 2012,112, 673. 被引次数：3468。

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

5. The pervasive chemistry of metal–organic frameworks. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1213.被引次数：1791。

Long教授课题组其乐融融^_^

本文由踏浪供稿。

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