南开大学化学学院无机化学牛志强

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牛志强，南开大学化学学院研究员、博导，南开大学“百名青年学科带头人”； 2010年博士毕业于中国科学院物理研究所（导师：解思深院士），2010年-2014年在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院从事博士后研究（合作导师：陈晓东教授）；2014年通过南开大学“人才特区”入职南开大学化学学院。近年来，在碳纳米材料的可控组装、功能化及新型储能器件的设计组装方面取得了系列创新性研究成果，已在Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nano Letters, Advanced Energy Material等国际期刊发表论文40余篇，申请多项国内和国际发明专利，参与编写三部英文著作章节，现主要从事碳纳米材料及新储能器件的基础与应用研究。



姓　　名        牛志强        性　　别        男
出生年月        1983-02        
籍　　贯        山东省章丘市
学　　历        博士      
毕业院校        中科院物理所
职　　称        研究员        
工作内容        教学科研        
系所单位        化学系
特殊人才称号      南开大学百名青年学科带头人
通讯地址        天津市卫津路94号南开大学 天南大联合楼A楼801
电 话        022-23509149
电子邮件        zqniu@nankai.edu.cn
课题组网站        
研究领域        本课题组主要从事碳纳米材料及新能源器件的基础与应用研究，其研究领域涵盖了化学，材料与工程，能源科学，物理等众多学科。研究兴趣包括：
1. 新型碳纳米材料
2. 锂电池、锂硫电池等
3. 柔性，可穿戴储能器件
4. 集成式智能储能器件
教育及科研经历        
2010年毕业于中国科学院物理研究所（导师：解思深院士），2010年-2014年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究，2014年通过南开大学“人才特区”入职南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室。

荣誉和奖励        
南开大学百名青年学科带头人
科研成果与代表作      

近年来，在国际期刊发表论文近60篇，其中，Chemical Society Reviews 1篇，Advanced Materials 8篇, Energy & Environmental Science 2 篇，Advanced Energy Material 1篇，Advanced Functional Material 3篇，8篇论文入选ESI高被引论文；申请6项国内外专利，参与编写三部英文著作章节。
人才培养        毕业博士2名，硕士1名，在读博士生8名、硕士生13名。
每年拟招收2名博士生，3名硕士生，我们热忱欢迎来自化学、材料、能源科学、凝聚态物理等领域的博士后、博士生、硕士生和高年级本科生加入我们的研究队。

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Nat. Commun.：含有双载体脱嵌的二次锌/钒酸钠水溶液电池

二次水系锌离子电池具有高的安全性和成本低的特点，因此是理想的储能器件。但是，满足高容量和高循环性能的电极材料较少，储能机制也不健全。近日，中国南开大学的牛志强等人，报道了一种高循环的锌/钠钒酸盐体系。钒酸钠的纳米带作为正极材料和硫化锌水溶液中添加硫化钠作为电解液。这与仅采用锌离子嵌入/脱出的锌离子电池不同。因为锌/钒酸钠电池，同时具有质子和锌离子嵌入/脱出过程，因此提高了电池性能。例如其高可逆容量为380 mAh·g-1，在1000次循环中，容量保持率为82％。于此同时，准固态锌钒酸钠水合物电池也是柔性储能装置的理想选择。

文章链接：Aqueous rechargeable zinc/sodium vanadate batteries with enhanced performance from simultaneous insertion of dual carriers(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04060-8)

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2018自然科学基金项目-石墨烯复合物薄膜的制备及其在柔性非对称超级电容器中的应用
批准号        21875121        学科分类        ( B050801 )
负责人        牛志强        职称                单位名称        南开大学
资助金额        65万元        项目类别        面上项目        起止年月        2019年01月01日 至 2022年12月31日

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南开牛志强Angew.：自愈式集成一体化锌离子电池--水凝胶电解质

锌离子电池（ZIB）的自我修复不仅可以提高设备的耐用性，延长使用寿命，还可以减少电子废弃物和经济成本，但设计所需的电解质和装置满足自愈ZIB的需求仍然是一个挑战。在适当条件下制备的聚乙烯醇（PVA）基水凝胶一旦受损就会自动自愈，这是由于PVA链段中的大量羟基侧基和O-H∙∙∙O氢键所致。此外，PVA是一种常用于凝胶电解质的常用聚合物。因此，如果可以通过合适的策略将Zn离子物质引入PVA水凝胶基质中，则可以实现ZIB的自愈合凝胶电解质。

受此启发，南开大学牛志强课题组通过简便的冷冻/解冻策略制备聚乙烯醇/三氟甲磺酸锌--PVA/Zn(CF3SO3)2水凝胶电解质。该水凝胶具有优异的离子电导率和稳定的电化学性能。最重要的是，这种水凝胶电解质可以通过氢键自主地自愈而不需要任何外部刺激。此外，由于该水凝胶的制备是将液体转化为准固态的过程，因此可以通过将正极，隔膜和负极结合到水凝胶基质中来组装一体化集成ZIB。最终得到的ZIB仍然具有出色的自我修复能力，即使在几次切割/愈合循环后也能完全恢复电化学性能。它为制造各种自修复电池提供了广阔的前景，可用作可穿戴电子设备中的可持续能量存储设备。

Niu Z, Huang S, Wan F, et al. A Self‐Healing Integrated All‐in‐One Zinc‐Ion Battery. Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201814653

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201814653

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水系电池由于其高安全性和低成本，在大规模储能领域展现出良好的应用前景。金属锌在水系电解液中化学性能稳定、比容量高（理论比容量高达820 mAh g-1），因此，在各种水系金属电池中，水系锌电池受到了广泛的关注。水系锌电池电化学性能主要决定因素之一就是正极材料的设计。在众多正极材料中，有机材料由于具有可再生、环境友好、成本低和结构多样等特点，是一类非常有前景的水系电池电极材料。一般情况下，水系锌/有机电池中的能量存储机制是锌离子与活性官能团羰基之间的配位反应。然而，羰基类有机材料自身导电性较差，并且放电产物易溶于水，因此在水系锌/有机电池中表现出较差的倍率和循环性能。除了锌离子，质子由于较小的半径和相对原子质量也可作为理想的电荷载体。如果在水系锌/有机电池中实现质子的嵌入和脱出，不仅可以扩展水系锌/有机电池体系，而且也为提高水系锌/有机电池的电化学性能提供新思路。

近日，我院牛志强研究员团队开发了基于二喹喔啉并[2,3-a:2',3'-c]吩嗪（HATN）正极材料的水系有机电池，实现了质子在水系有机电池中的嵌入/脱出。在这种电池体系中，电解液中水分解产生的H+嵌入HATN，对应的OH-与电解液反应生成Zn4SO4(OH)6·5H2O来维持电解液体系的pH平衡。在此电池体系中，单个HATN分子可实现6个质子的嵌入，因此，它表现出高达405 mAh g-1（0.1 A g-1）的首圈放电比容量。由于质子快速嵌入/脱出的反应动力学过程，水系Zn/HATN电池展现出优异的倍率性能。即使在20 A g-1的电流密度下，Zn/HATN电池仍然保持123 mAh g-1的比容量。此外，HATN分子π共轭的芳香结构，加强了π-π分子间的相互作用，抑制了其在水系电解液中的溶解。在5 A g-1的电流密度下，Zn/HATN电池循环5000圈仍展现出93.3%容量保持率。相关结果发表Angewandte Chemie International Edition (2020, 10.1002/anie.201916529)上。

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随着全球范围内能源需求量增加以及环境恶化，开发清洁、可再生能源成为社会可持续发展的必然要求，如风能、太阳能、潮汐能等。但是这些属于间歇式能源，需通过电化学储能系统使之转化为稳定的电能后才能规模化使用。因此，开发高能量密度的能源存储装置对于有效储存可再生能源至关重要。在各种储能装置中，锂硫电池具有较高的理论能量密度（2600 Wh kg-1）和较低的成本，展现出很好的应用前景。然而，锂硫电池面临着比容量低、循环寿命短以及库仑效率差等严峻挑战，阻碍了其实用化的发展进程。针对上述问题，研究人员主要从硫载体设计、功能化隔膜修饰和锂负极保护三个方面来提高锂硫电池的电化学性能。这些方法的成功运用在很大程度上取决于电极结构和界面层的设计与优化。其中，自支撑结构通常由纳米结构单元组装而成，无需粘结剂和集流体，具有优异的机械强度、良好的导电性以及丰富的孔结构等特点，在用作硫载体、功能化隔膜夹层以及保护锂负极方面有着独特的优势。

       近日，南开大学化学学院牛志强研究员团队联合天津理工大学材料科学与工程学院刘丽丽博士（共同通讯作者）详细综述了自支撑纳米结构在锂硫电池中的研究进展。本论文首先描述了开发设计自支撑纳米结构用于构建硫正极、功能化隔膜以及保护锂负极的意义，进一步全面总结了基于碳纳米管、石墨烯和MXenes结构单元构建自支撑纳米结构硫正极的研究成果，并深入讨论了各结构单元的优势与不足。此外，他们还归纳了自支撑纳米结构在功能化隔膜和锂负极保护方面的应用。最后，讨论了自支撑纳米结构用于构建高性能锂硫电池面临的问题与挑战，并对其进一步发展应用给出了合理的建议。本论文将为实现高能量密度锂硫电池并推动其实用化进程提供新思路与参考。相关工作以“Free-Standing Nanostructured Architecture as a Promising Platform for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Small Structures（DOI: 10.1002/sstr.202000047）上。

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2021年度天津市科学技术奖获奖名单正式公布。南开化学牛志强教授领衔完成的“水系锌电池材料与器件”项目斩获自然科学一等奖。