武汉理工大学材料学院麦立强

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在碱性电解水中，动力学缓慢的析氧反应（OER）是制约电解水器件整体效率的瓶颈，亟需开发具有高活性和良好稳定性的廉价催化剂。尽管在设计高效稳定的OER催化剂方面取得了一定进展，但其催化机制研究和性能评估大多在常温下开展，与工业碱性电解水（一般在50-80℃）存在差异。考虑到大多数非贵金属基析氧催化剂在氧化电位下存在重构现象，因此，研究工业参数下催化剂的重构化学及性能评估具有重要意义。

       武汉理工大学麦立强教授、吴劲松教授和中国科学技术大学倪堃博士等人，比较了析氧前催化剂在常温和工业温度下重构结果的差异性。发现钼酸镍前催化剂在较高温度（>30℃）下测试后，恢复到常温时的OER过电位会显著降低，这说明高温促进了更多催化活性相的形成，在常温仅发生表面重构的前催化剂，在工业参数下可能会发生深度重构甚至完全重构现象；发现了重构程度与重构层微结构之间的内在联系，疏松重构层是重构程度加深的重要因素；基于对重构顺序的研究，发现了刻蚀-氧化重构共作用是超小纳米内连接结构形成的关键步骤；结合原位高低温拉曼表征，揭示了热致重构催化剂的真实催化物种，提出了热致全重构机制及晶界-氧空位共同提升OER动力学机制，并强调了工业参数下评估催化性能和揭示催化机制的重要性。
       该工作以温度为例，研究了常规测试参数与工业参数下的催化剂的重构行为差异和性能评估，对催化剂的合理设计、本征催化机制及实际应用具有推进作用。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001136)上。

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11月3日，何梁何利基金2020年度颁奖大会在北京钓鱼台国宾馆举行。中共中央政治局委员、国务院副总理刘鹤出席大会并讲话，全国人大常委会副委员长沈跃跃，全国政协副主席、中国科协主席万钢，科技部党组书记、部长王志刚等出席大会。2020年度共有52位科学家获奖，其中，钟南山院士和樊锦诗硏究员获科学与技术成就奖、30位科学家获得科学与技术进步奖、20位科学家获科学与技术创新奖。武汉理工大学材料科学与工程学院麦立强教授因其在储能材料及储能科学领域的贡献，荣获2020年度何梁何利基金“科学与技术创新奖”。

       麦立强教授创建了单纳米基元储能器件原位表征的普适新模型，实现单纳米基元电化学储能器件从0到1的突破，有效解决了储能器件容量衰减机制不明的关键难题;提出并发展了分级纳米结构的制备新方法，突破了不同材料晶体生长取向不同的限制，实现20余种高性能纳米储能材料的普适性制备;构建了调控电子/离子输运规律的理论体系，从理论上解决了储能器件难以同时保持高能量密度和高功率密度的国际难题，并得到验证。成果得到诺奖得主J. Goodenough和S. Whittingham等国际知名学者广泛引用和认可，被美国通用汽车、美国IBM、德国戴姆勒和德国博世等知名企业引用和跟踪研究。基于上述成果，麦立强教授受《Nature》邀请撰写题为“实时监测电池退化”的专题评述论文，荣获2019年度国家自然科学二等奖(第一完成人)和2018年度国际电化学能源大会卓越研究奖(每年全球仅授2人)等，入选英国皇家化学会会士和科睿唯安全球高被引科学家。麦立强教授进一步突破产业化关键技术，与知名企业开展了产学研合作，率先实现了新一代高性能电池的规模化制备和应用。
        何梁何利基金由香港爱国金融家何善衡、梁鉥琚、何添、利国伟于1994年创立，是目前国内规模最大的公益性科技奖励基金。基金的宗旨是通过对我国取得杰出成就的科技工作者进行奖励，营造全社会尊重知识、重视人才、崇尚科学的社会风尚，激励科技工作者勇攀科学技术高峰，促进祖国科学技术进步与创新。基金设“科学与技术成就奖”、“科学与技术进步奖”和“科学与技术创新奖”，每年评奖一次，科学与技术成就奖不超过5名；科学与技术进步奖、科学与技术创新奖总数不超过65名。（来源：科学技术发展院　编辑：原思辰）

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过渡金属硫属化合物（TMDs）是典型的二维材料，具有可调控的物理化学特性。超薄的TMD材料已在电子器件、传感器、催化和能量存储等领域中进行了广泛地研究。超薄TMD的制备研究主要集中在两个领域，即“自上而下”的剥离方法和“自下而上”的化学气相生长。前一种方法使用剪切力通过机械方法或离子/分子插入来破坏层间范德华力相互作用，而后一种方法则基于化学气相沉积。尽管剥离的方法可以获得高质量的二维晶体，但大规模的剥离仍具有挑战性，并且需要较长时间。化学气相合成可以实现具有可控厚度的大规模二维TMDs，同时需要高温和精确的条件，并且会引入大量的晶体缺陷。因此，快速而温和的方法来实现原子层厚度的TMDs制备仍然是一个重要的问题。

       武汉理工大学麦立强教授和罗雯博士针对这一问题以二硫化钼为模型进行了系统研究：利用电化学氧化剥离的新策略将硫化钼快速地转变为原子层厚度的堆叠结构，并且通过基于单片MoS2电化学器件和拉曼光谱原位观测了电化学剥离的反应途径。相关结果发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202007840）上。
        近年来，研究人员报道了利用与硫属元素蒸气反应将非范德华块状晶体转变为二维TMDs，以及光致剥离方法实现块体到单层TMD的转变。然而这些方法存在需要高的反应温度或者材料的利用率较低的问题，高效的剥离方法依然是重要的难题。除此之外，剥离机理的探索也是另一个关键问题。传统剥离的研究缺乏动态观察手段，无法实现同一片材料剥离前后的对比。因此开发和建立二维TMD系统研究模型对于二维材料的研究和应用非常重要。该研究团队基于单片硫化钼器件、原位的光学显微镜和拉曼光谱实现了对单个硫化钼薄片的电化学剥离的原位观测，发现在硫酸锌溶液中，施加一定的阳极电势即可快速的发生横向的电化学氧化反应，使得块材MoS2迅速转变为超薄的硫化钼片层。并且与以前的蚀刻和腐蚀方法不同，这是一个选择性的过程，可以使均匀的双层/三层MoS2形成自堆叠的2D通道。并且该方法得到的特殊堆叠结构的硫化钼也获得了优异的电催化析氢性能和高的表面增强拉曼活性（1.15×105增强因子）。研究者相信，此项研究中提出的电化学剥离的策略以及获得的原子层厚度堆叠的MoS2对于二维材料在限域催化、纳米流体和量子器件的研究具有重要的意义。

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固态锂电池（SSLBs）因其高安全性和高能量密度而受到广泛关注。然而，SSLBs中的离子导电性和界面问题仍然是需要克服的两个主要困难。固态锂电池正极周围不同界面之间的固-固界面接触不良，甚至界面化学反应均会阻碍电池的正常运行。就正极/固态电解质（SSE）界面而言，一个主要问题是不良的物理固-固接触，这会导致界面阻抗增加、锂离子传输效率降低。在几个循环后，正极材料会发生体积膨胀/收缩，从而导致界面分离。另一个问题是正极/固态电解质界面之间电化学不稳定，特别是在具有硫化物固态电解质的SSLBs中，复杂的副反应显著降低了界面相容性，电解质降解后形成的副产物将大大增加电池的阻抗。除了正极/固态电解质界面以外，本体正极材料的内部界面是另一个瓶颈，SSLBs正极中的粒子之间的间隙无法像液体电解液体系中一样得到有效润湿，正极内部缺乏连续快速的锂离子传输通道。因此，如何构造高效、稳固的正极/固态电解质界面是固态锂电池发展的巨大的挑战。

        为实现电极/SSE界面之间的良好兼容性，研究人员采用人工缓冲层来优化SSLBs中的界面。它们可以提供稳定的界面，改善物理接触和化学/电化学稳定性。在过去的几年中，关于涂层修饰电极/SSE界面的相关研究已经有了大量的报道，并取得了很大的成功。但在电极/SSE之间构建良好的界面接触和布置电子/离子传输通道仍然是一个巨大的挑战。纳米线（NW）材料的柔韧性可以有效缓解电极材料在循环过程中体积膨胀引起的界面压力，并作为固态聚合物材料中的添加剂为快速离子传导提供直接途径。对于正极材料，钒氧化物因其较高的理论容量而被认为是各种电池系统富有前景的电极材料，也被用作SSLBs的正极材料。
        武汉理工大学麦立强教授、徐林教授设计了一种具有梯度聚合物界面的复合纳米线正极以用于SSLBs，相关结果以题为“Flexible Nanowire Cathode Membrane with Gradient Interfaces and Rapid Electron/Ion Transport Channels for Solid‐State Lithium Batteries”发表在《Adv. Energy Mater.》（DOI：10.1002/aenm.202100026）上。在这种独特的梯度正极中，两个聚氧化乙烯（PEO）梯度分布界面被构造成两个表面的界面缓冲层。具有较多离子导电聚合物的一侧表面提供与SSE的平滑接触，而具有较多电子导电性H2V3O8 NWs/rGO的另一侧超薄层作为集流体提供快速的电子传输。此外，内部NW正极材料被rGO和PEO基固态聚合物电解质（SPE）均匀包覆，这种强结合使正极/SSE之间的点对点接触变为大面积接触，从而为快速电子/离子传输提供了连续通道，并改善了结构稳定性。聚合物固态电解质填充了正极的所有间隙，提高了集成正极的结构强度。由于正极/SSE、正极/集流体和正极内部结构的界面工程，这种新型梯度NW正极膜具有较高的Li+扩散效率、较低的阻抗、优异的循环性能和稳定性。因此，这种新型梯度界面工程设计为解决SSLBs中的固-固界面问题开辟了一条新的途径。

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3月17日，由我校材料科学与工程学院麦立强教授主持、我校作为牵头单位，联合吉林大学、清华大学、南方科技大学和华中科技大学共同承担的国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项项目“飞秒光场调控制备新型柔性电子材料及器件”启动会暨实施方案论证会在我校会议中心召开。科技部高技术研究发展研究中心项目主管会同来自中科院、清华大学、浙江大学、南京大学、东南大学、华南理工大学、北京科技大学、东北师范大学和南京工业大学等单位的三十余名专家学者齐聚一堂，围绕飞秒光场调控制备新型柔性电子材料及器件的研发应用展开热烈讨论，并就项目推进实施方案达成一致。
　　本次启动会采用线上线下结合方式进行，会议由中国科学院院士、清华大学南策文教授主持，中国科学院院士、我校校长张清杰致欢迎辞。在实施方案咨询审议会阶段，我校麦立强教授作为项目负责人从重大需求与变革性技术、研究目标与考核指标、研究内容与创新点等方面作总体汇报。吉林大学冯晶教授、清华大学林琳涵副教授、武汉理工大学王学文教授、武汉理工大学徐林教授等各课题负责人或代表就项目主要内容与技术路线、考核指标与成果、实施计划以及当前研究进展进行专项汇报。
　　在听取报告后，项目专家组组长、东北师范大学校长刘益春教授代表专家组作总结发言，对项目通过飞秒光场调控制备新型柔性电子材料及器件的总体实施方案进行了客观评价和充分肯定，并对项目的后续具体实施工作提出许多建设性意见和建议。清华大学南策文院士、南京工业大学王建浦教授担任专家组副组长，咨询专家包括清华大学成会明院士、南京大学邹志刚院士、北京科技大学张跃院士、中科院化学所李永舫院士、浙江大学邱建荣教授和华南理工大学彭俊彪教授。
　　据悉，《中国制造2025》和“十三五”规划等将柔性显示技术上升为国家电子信息崛起战略的一部分，将新型显示产业列为重点发展的产业之一。柔性电子是材料、信息和能源等领域高度交叉融合产生的颠覆性产业。本项目提出利用飞秒光场构建高效柔性自供能光伏-储能-发光一体化器件研究思路，拟解决有机发光外量子效率低、钙钛矿大面积均匀成膜困难、柔性器件多功能集成困难等重大难题，为我国发展柔性电子材料与器件制备提供了变革性思路与技术。
　　来源：材料科学与工程学院　通讯员：罗雯　摄影：潘雪雷　审稿人：麦立强