南京大学化学与化工学院物理化学胡征

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胡征，南京大学化学系教授、博导。国家杰出青年基金获得者（05），教育部长江学者特聘教授（07），教育部创新团队带头人（08），能源纳米材料物理化学课题组组长，曾任介观化学教育部重点实验室主任（04-14）。于南京大学物理系获学士、硕士、博士学位（81-91），南京大学化学系博士后（91-93）。先后在德国卡斯卢厄研究中心、英国剑桥大学、美国麻省理工学院（MIT）作博士后及华英学者。长期在化学、物理、材料的交叉学科领域进行探索，从物理化学及功能材料的角度，围绕纳米/介观结构新材料的生长机理、材料设计、能源转化/储存功能及其调控机制开展研究工作，取得系列进展。在Acc. Chem. Res./Chem. Soc. Rev./Nat. Commun./JACS/Angew. Chem. Int. Ed/Adv. Mater./EES等重要学术刊物或专著章节发表论文250余篇，他引10000余次，或专利20余项，在国际会议作主题报告及邀请报告50余次，培养研究生80余名。先后主持自然科学基金重点/面上项目、杰出青年基金、国家纳米研究重大研究计划课题、863课题等科研和人才计划项目。获中国化学会青年化学奖、参获国家自然科学二等奖等奖励。


胡征 教授  Group leader
南京大学仙林校区 化院楼D410  电话：89686015
Email：zhenghu@nju.edu.cn
南京大学物理系获学士、博士学位(81-91)，化学系博士后(91-93)。历任副教授、教授、博导(99)。国家杰出青年基金获得者(05)，教育部长江学者特聘教授(07)，教育部创新团队带头人(08)。先后在德国卡斯卢厄研究中心、英国剑桥大学、美国麻省理工学院作博士后及华英学者。教育部介观化学重点实验室主任，中国真空学会常务理事，中国微米纳米技术学会理事，《J. Nanoelectron. Optoelectron.》、《化学学报》编委。曾获中国化学会青年化学奖、江苏省青年科学家奖等荣誉。长期在化学、物理、材料的交叉学科领域进行探索。         
研究方向：从物理化学及功能材料的角度，围绕碳基及Ⅲ族氮化物等纳米/介观结构新材料的生长机理、成分与结构调控、能源转化/储存功能及其调控机制开展工作。
1.碳基纳米管的生长机理、成分与结构调控及其催化功能化研究
2.能源转化/储能用纳米材料的功能调控及机制研究
3.半导体纳米线的制备、性能及器件研究
代表性论文：
1.        “Porous 3D few-layer graphene-like carbon for ultrahigh-power supercapacitors with well-defined structure-performance relationship”        Adv. Mater. 28 (2016) (accepted)
2.        “Mesostructured NiO/Ni Composites for High-Performance Electrochemical Energy Storage”        Energy Environ. Sci. 9 (2016) 2053
3.        “Hydrophilic nitrogen-doped hierarchical carbon nanocages for ultrahigh performance supercapacitor”        Adv. Mater. 27 (2015) 3541
4.        “Can boron and nitrogen codoping improve oxygen reduction reaction activity of carbon nanotubes?”        J. Am. Chem. Soc. 135 (2013) 1201
5.        “Nitrogen-doped carbon nanocages as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction reaction”        Adv. Mater. 24 (2012) 5593
6.         “Carbon nanocages as supercapacitor electrode materials”         Adv. Mater. 24 (2012) 347
7.        “Boron-doped carbon nanotubes as metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction”        Angew. Chem. Int. Ed. 50 (2011)7132
8.        “Phase-equilibrium-dominated vapor-liquid-solid growth mechanism”        J. Am. Chem. Soc. 132 (2010) 4843
9.        “Electricity generation based on one-dimensional group-III nitride nanomaterials”        Adv. Mater. 22 (2010) 2155
10.        “Facile construction of Pt-Co/CNx nanotube electrocatalysts and their application to oxygen reduction reaction”        Adv. Mater. 21 (2009) 4953
11.        “CNx nanofibers converted from polypyrrole nanowires as platinum support for methanol oxidation”        Energy Environ. Sci. 2 (2009) 224
12.        “Vapor-solid growth and characterization of aluminum nitride nanocones”        J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 1318
13.        “AlN nanotube: round or faceted?”        J. Am. Chem. Soc. 127 (2005)7982
14.         “In situ TA-MS study on the six-membered-ring-based growth of carbon nanotubes with benzene precursor”        J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 1180
15.        “Synthesis and characterization of faceted hexagonal aluminum nitride nanotubes”        J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 10176

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2018国家自然科学基金重点项目-催化与限域协同促进的高功率长寿命锂硫电池电极材料的构筑、性能及机制
批准号        21832003        学科分类        ( )
负责人        胡征        职称                单位名称        南京大学
资助金额        315万元        项目类别        重点项目        起止年月        2019年01月01日 至 2023年12月31日

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2019年6月20日下午3点，中南大学材料学院青年科协、粉末冶金国家重点实验室联合材料学院研究生会举办的青年学术沙龙在特冶楼229顺利进行，材料科学与工程学院梁叔全教授等师生到场参加。
应梁叔全教授邀请，胡征教授（南京大学化学系）做了题为“从碳管到碳笼—材料设计及能源利用”的学术报告。胡征教授从认识纳米材料的生长机理着手，以定量化的原位实验及理论计算揭示了以苯作前驱物生长碳纳米管的苯环生长机理，发明了原位模板法制备介观结构碳基纳米笼的方法。在此基础上，实现了一系列新型碳基纳米材料的设计及可控制备，进而系统地发展了一系列先进的高分散催化剂、单位点催化剂及碳基无金属催化剂，或者作为超级电容器、锂硫电池等储能器件的电极材料，展现出十分优异的能源转化及储存性能。报告结束后，胡征教授与在场师生进行了热烈的交流，现场气氛十分活跃。


报告人简介：
胡征，南京大学化学系教授、博导。国家杰出青年基金获得者（05），教育部长江学者特聘教授（07），教育部创新团队带头人（08），能源纳米材料物理化学课题组组长，曾任介观化学教育部重点实验室主任（04-14）。于南京大学物理系获学士、硕士、博士学位（81-91），南京大学化学系博士后（91-93）。先后在德国卡斯卢厄研究中心、英国剑桥大学、美国麻省理工学院（MIT）作博士后及华英学者。长期在化学、物理、材料的交叉学科领域进行探索，从物理化学及功能材料的角度，围绕纳米/介观结构新材料的生长机理、材料设计、能源转化/储存功能及其调控机制开展研究工作，取得系列进展。在Acc. Chem. Res./Chem. Soc. Rev./Nat. Commun./JACS/Angew. Chem. Int. Ed/Adv. Mater./EES等重要学术刊物或专著章节发表论文250余篇，他引10000余次，或专利20余项，在国际会议作主题报告及邀请报告50余次，培养研究生80余名。先后主持自然科学基金重点/面上项目、杰出青年基金、国家纳米研究重大研究计划课题、863课题等科研和人才计划项目。获中国化学会青年化学奖、参获国家自然科学二等奖等奖励。

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对高能量密度电源日益增长的需求推动了人们对锂离子电池替代品的探索。在众多新型候选电池中，Li- Se电池理论上可具有高体积比容量、快速反应动力学和高倍率性能。然而，Li-Se电池面临着正极侧可溶性多硒化锂的穿梭和负极侧锂枝晶生长的挑战，容易导致电池容量快速损失、倍率性能差等问题。
        近日，我院胡征教授团队在商用聚丙烯（PP）隔膜两侧涂覆氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）和氮化铝（AlN）纳米线，构建了多功能双面修饰隔膜（记为hNCNC-PP-AlN）。使用该双面修饰隔膜的Li-Se电池在室温（25 °C）下表现出前所未有的倍率性能和优异的循环稳定性。在−30至60 °C的宽温域内，相应的Li-Se电池仍然可以稳定运行，并具有优异的电化学性能。实验与理论研究表明，hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜优异的性能源于：①正极侧hNCNC层的化学吸附和电催化作用抑制了多硒化锂的穿梭；②负极侧导热AlN层抑制了锂枝晶的生长；③类似于“木桶原理”，两侧涂层共同作用时的效果大于分别使用单面涂覆隔膜的效果之和，显示出“1+1>2”的协同效应。
        图1为hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的制备和表征。通过抽滤将AlN纳米线均匀覆盖在PP隔膜一侧，待其干燥后将hNCNC涂覆在PP隔膜的另一侧。制备的双面隔膜可以承受反复折叠，不脱落、不掉粉，表明两侧涂层与PP隔膜基底之间具有良好的附着力。hNCNC和AlN层极大地提高了隔膜对电解液的亲和力，其接触角分别为~14°和~0°，远小于原始PP隔膜的~45°。这种对电解液的高浸润性可以促进Li+离子透过双面隔膜快速输运。

图1 hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的制备与表征。

         图2为使用不同隔膜组装的Li-Se电池的电化学性能。在室温下，相比于使用其他隔膜的电池，使用hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的电池在各电流密度下比容量最高，且随着电流密度的增加，比容量的提升越来越明显。即使在25 C的超高倍率下，使用该双面修饰隔膜的电池仍然提供了331 mAh g−1的高比容量。在3 C时循环500圈后该电池比容量保持为408 mAh g−1。在−30至60 ℃的宽温域内，使用hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的电池也具有优异的电化学性能。循环400圈后，使用该双面修饰隔膜的电池在50 °C（3 C）和−15 °C（1 C）下的比容量分别为379 mAh g−1和265 mAh g−1，明显优于使用其他隔膜的电池。
          图3揭示了正极侧hNCNC对多硒化锂的化学吸附和电催化作用。紫外可见吸收光谱和自放电实验结果表明hNCNC层在静态和电池运行条件下对多硒化锂均具有良好的化学吸附作用，而另一侧的AlN层使得双面修饰隔膜进一步增强了这种能力。此外，循环伏安曲线的峰位移和Tafel曲线斜率表明hNCNC层加速了电池氧化还原反应动力学，提高了反应的可逆性。与空白碳纸相比，hNCNC涂覆的碳纸上的Li2Se沉积面积更大，证明hNCNC可加速催化多硒化锂向Li2Se的转变。通过DFT计算研究了硒放电过程中各步骤的Gibbs自由能。对于吡啶N@zigzag边上的吸附态，从Li2Se2到Li2Se这一速率限制步骤转变为放热，表明吡啶N@zigzag边对多硒化锂转化具有最好的催化活性。
         图4揭示了负极侧AlN对锂枝晶生长的抑制作用。Li|Li对称电池结果表明含AlN层的隔膜具有最低的过电位和最长的循环寿命，锂负极表面更加致密平坦，表明AlN层有效地抑制了锂枝晶。
        图5揭示了hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜增强Li-Se电池性能的机制。当使用PP隔膜时，Li-Se电池面临多硒化锂穿梭和锂枝晶生长这两个最为严峻的挑战，导致活性Se物质流失和锂负极腐蚀，存在安全隐患。使用双面修饰隔膜后，可同时解决以上两个挑战。其中，正极的hNCNC层通过化学吸附和电催化有效地抑制了多硒化锂的穿梭，而负极的AlN层可以抑制锂枝晶的生长、促进Li+离子的快速运输。这种增强效应可用“木桶原理”来解释，使用hNCNC-PP-AlN双面隔膜后，通过同时抑制穿梭效应和锂枝晶生长（即“同时补上两块短板”），可以使电池性能达到最高水平，大于使用单面隔膜的效果之和，显示出“1+1>2”的协同效应。
          该研究成果以“High-rate lithium-selenium batteries boosted by a multifunctional Janus separator over a wide temperature range of −30 to 60 °C”为题发表在Advanced Materials上。我院的博士生郭月为第一作者，吴强教授、杨立军副教授和胡征教授为通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项等项目的资助。