中国科学技术大学化学系姚宏斌

zhuimengren

姚宏斌，男，中国科学技术大学教授。1983年12 月生于重庆黔江。2011年在合肥微尺度国家实验室获得博士学位，其后在美国斯坦福大学从事博士后研究工作，主要从事仿生微纳结构复合材料和高性能锂离子电池电极材料的研究。已在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci.等国际著名期刊上发表论文70余篇，总被引2300余次，H指数31，单篇他引超过100次有4篇。

姓 　  名：姚宏斌 教授
电 　  话：0551-63607530
电子邮件：yhb@ustc.edu.cn
传　　真：0551-63601592
主　　页：http://staff.ustc.edu.cn/~yhb/

教育与科研经历
2015年7月 - 至今：教授，博士生导师，中国科学技术大学化学与材料科学学院，中组部“青年##计划”入选者
2012年9月-2015年7月：博士后研究员，美国斯坦福大学
2011年11月-2012年9月：博士后研究员，中国科学技术大学
2006年9月-2011年11月：博士，中国科学技术大学
2002年9月-2006年7月：学士，中国科学技术大学
主要研究方向
本课题组以生物材料多级结构模型为基础，致力于轻质高强仿生微纳结构复合材料和高性能锂离子电池电极材料的研究，研究内容涉及材料合成学，微观力学，电化学，半导体科学，薄膜材料等领域。近期的研究课题如下：
(1) 仿贝壳层状结构高性能人工复合材料的制备和性能研究
(2) 仿造生物材料多级结构模型构筑新型高性能锂离子电池电极
(3) 以廉价可再生生物材料为模板合成能源存储材料
(4) 新型锂离子电池隔膜材料的研究获奖及荣誉
获奖及荣誉
1. 中组部“青年##”（2015）
2. 中国科学院优秀博士学位论文(2013)
3. 中国科学院院长特别奖(2011)
4. 中国科学院院朱李月华优秀研究生奖(2010)
5. 第60 届诺贝尔奖获得者大会林岛会员(2010)
6. 光华优秀研究生奖学金(2009)
文章及专著
1: Improving lithium-sulphur batteries through spatial control of sulphur species deposition on a hybrid electrode surface
Nat. Commun. 2014, 5: 3943
H. B. Yao, G. Y. Zheng, P. C. Hsu, D. S.Kong, J. J. Cha, W. Y. Li, Z. W. Seh, M. T. McDowell, K. Yan, Z. Liang, V. K. Narasimhan, Y. Cui*
2: Improved lithium-sulfur batteries with a conductive coating on the separator to prevent the accumulation of inactive S-related species at the cathode-separator interface
Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3381-3390
H. B. Yao, K. Yan, W. Y. Li, G. Y. Zheng, D. S. Kong, Z. W. Seh, V. K. Narasimhan, Z. Liang, Y. Cui*
3: Crab Shells as Sustainable Templates from Nature for Nanostructured Battery Electrodes
Nano Lett. 2013, 13, 3385-3390
H. B. Yao, G. Y. Zheng, W. Y. Li, M. T. McDowell, Z. W. Seh, N. Liu, Z. D. Lu, and Y. Cui*
4: Hierarchical assembly of micro-/nano- building blocks: bio-inspired rigid structural artificial materials
Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 3764-3785
H. B. Yao, H. Y. Fang, X. H. Wang, S. H. Yu*
5: Artificial Nacre-Like Bio- nanocomposite Films with High Performances: Self-assembly of Chitosan- Montmorillonite Hybrid Building Blocks
Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 10127-10131
H. B. Yao, Z. H. Tan, H. Y. Fang, S. H. Yu*
6: Biologically inspired, strong, transparent, and functional layered organic–inorganic hybrid films
Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2140-2145
H. B. Yao, H. Y. Fang, Z. H. Tan, L. H. Wu, S.H. Yu*
7: A Flexible and Highly Pressure‐Sensitive Graphene–Polyurethane Sponge Based on Fractured Microstructure Design
Adv. Mater. 2013, 25, 6692-6698
H. B. Yao, J. Ge, C. Wang, X. Wang, W. Hu, Z. Zheng, Y. Ni, S. H. Yu*
8: Artificial Carbonate Nanocrystals and Layered Structural Nanocomposites Inspired by Nacre: Synthesis, Fabrication and Applications
Adv. Mater. 2014, 26, 163–188
H. B. Yao, J. Ge, L. B. Mao, Y. Yan, S. H. Yu*
9: Macroscale Elastomeric Conductors Generated from Hydrothermally Synthesized Metal‐Polymer Hybrid Nanocable Sponges
Adv. Mater. 2011, 23, 3643-3647
H. B. Yao, G. Huang, C. H. Cui, X. H. Wang, S. H. Yu*
10: Gold Nanoparticle Functionalized Artificial Nacre: Facile in Situ Growth of Nanoparticles, Self-Assembly of Nanosheets, and Multiple Properties
ACS Nano 2012, 6, 8250-8260
H. B. Yao, L. B. Mao, Y. Yan, H. P. Cong, X. Lei, S. H. Yu*
11: Direct Fabrication of Optical Switch Patterns on Self-assemblied Hybrid Films of Graphene Oxide/Titania Nanosheets by Photocatalytic Reduction
J. Mater. Chem. 2010, 20, 5190-5195
H. B. Yao, L. H. Wu, C. H. Cui, H. Y. Fang, S. H. Yu*
12: A designed multiscale hierarchical assembly process to produce artificial nacre-like freestanding hybrid films with tunable optical properties
J. Mater. Chem. 2012, 22, 13005-13012
H. B. Yao, Y. Guan, L. B. Mao, Y. Wang, X. H. Wang, D. Q. Tao, S. H. Yu*
13: An investigation of zirconium (iv)–glycine (CP-2) hybrid complex in bovine serum albumin protein matrix under varying conditions
J. Mater. Chem. 2011, 21, 19005-19012
H. B. Yao, Y. Yan, H. L. Gao, J. Vaughn, I. Pappas, J. Masters, S. T. Yuan, L. Pan,* S. H. Yu*
14: “Small organic molecule templating synthesis of organic–inorganic hybrid materials: their nanostructures and properties”
Nanoscale, 2010, 2, 322-334
H. B. Yao, M. R. Gao, S. H. Yu*
15: Interconnected hollow carbon nanospheres for stable lithium metal anodes
Nat. Nanotech. 2014, 9, 618-623
G. Y. Zheng, S. W. Lee, Z. Liang, H.-Y. Lee, K. Yan, H. B. Yao, H. T. Wang, W. Y. Li, S. Chu and Y. Cui*
16: The synergetic effect of lithium polysulfide and lithium nitrate to prevent lithium dendrite growth
Nat. Commun. 2015, 6, 7436
W.Y. Li, H. B. Yao, K. Yan, G. Y.  Zheng, Z. Liang, Y.-M. Chiang, Y. Cui*

对我们的研究方向感兴趣的同学，欢迎联系加入本课题组攻读学位及从事博士后研究

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新型金属卤化物钙钛矿材料及器件研究取得系列进展

近年来，具有钙钛矿结构的金属卤化物作为一种新型直接带隙离子型半导体材料在光电应用领域受到广泛关注。特别地，具有可见光谱区带隙连续可调、荧光单色性高（半高宽小于20nm）以及高荧光量子效率（PLQY>50%）的CsPbX3（X=Cl，Br，I）纳米晶相比于传统量子点材料在发光性能方面更具优势。普通金属硫属化物胶体量子点（如CdSe NCs）需要非常小的尺寸（≤5 nm）才能在蓝绿色光谱段发光，并且由于缺陷态的存在表现出相当低的荧光量子产率（PLQY≤50％），需要通过精细包覆具有更强化学稳定性、更宽带隙的的外延层（如CdS）来提升其PLQY。CsPbX3纳米晶由于其高效的光致发光性能和高色纯度（<20 nm的发射线宽），激发了其作为发光二极管（LED）中发光层的应用研究，但其电致发光效率还有待提升。

近日，我院姚宏斌教授、张群教授和南京理工大学曾海波教授合作在J. Am. Chem. Soc.发表了题为Ce3+-Doping to Modulate Photoluminescence Kinetics for Efficient CsPbBr3 Nanocrystals Based Light-Emitting Diodes的论文（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3626−3634），报道了通过简单的热注入法掺杂Ce3+离子来提高CsPbBr3纳米晶的光/电致发光效率的研究工作（图1）。CsPbBr3纳米晶的光谱表征结果显示随着Ce3+掺杂量的增加，纳米晶的荧光量子产率得到了显著提升。同时利用超快吸收光谱和荧光寿命分析，进一步证明了Ce3+掺杂可以有效调控CsPbBr3纳米晶的光谱动力学：Ce3+掺杂导致在CsPbBr3导带底引入一个带边态，提供了更多的辐射复合通道，加快了纳米晶中电子-空穴复合动力学，因而显著提升CsPbBr3纳米晶的荧光量子效率。同时，采用Ce3+掺杂的CsPbBr3纳米晶作为发光层制备的新型发光二极管器件，与未掺杂的CsPbBr3纳米晶相比，器件的电致发光外量子效率从1.6%提高到了4.4%。研究结果表明镧系元素离子掺杂到金属卤化物钙钛矿纳米晶中可以进一步实现对这类新型半导体纳米晶性能的多样化调控。该论文的共同第一作者是硕士生姚纪松，博士后葛晶和南京理工大学的韩博宁。

自2015年入职科大以来，姚宏斌教授课题组从探究尺寸限域的金属卤化物钙钛矿纳米材料的可控合成方法出发，发展了反溶剂沉淀法和高温油相法合成了一系列新型金属卤化物钙钛矿纳米材料，同时实现了离子掺杂金属卤化物钙钛矿纳米晶的制备。利用简单的溶液沉积法，该课题组制备了具有高荧光效率的类钙钛矿层状结构CsPb2Br5纳米片，为研究二维金属卤化物钙钛矿材料的新型光学性质提供了材料基础（Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 8328）。同时，利用金属卤化物钙钛矿的离子晶体特性，通过在合成的CsPbBr3纳米方块中加入桥连络合物十二烷基胺-溴化金（DDA-AuBr3）实现了CsPbBr3纳米方块在三维方向上的组装（Langmuir 2018, 34, 595）。进一步，通过溶液沉积法得到有机-无机杂化钙钛矿(C4H9NH3)2PbBr4一维纳米带，这是首次报道由简单沉积法大量合成一维(C4H9NH3)2PbBr4纳米带。基于该材料的一维结构在电子-空穴分离方面的优势，构建了柔性光电探测器，器件表现出响应电流高、开关比大等优异性能（Adv. Optical Mater. 2018, 6, 1701029）。

图1. Ce3+掺杂对CsPbBr3纳米晶发光动力学调制提升其电致发光性能

    以上研究工作得到了科技部重点专项、国家自然科学基金、国家青年##计划、校启动基金等项目的资助。

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中国科学技术大学姚宏斌ACS Nano：在非腐蚀性电解液中，纳米簇Mg3Bi2阳极的高电压镁离子电池研究

二次电池在新能源领域的应用，具有重要的战略意义。目前，锂离子电池是主要的研究方向。但是，锂离子电池正在面临开发成本高、应用环境限制条件多、比容量达不到生产需求等困难。因此，开发新型的离子电池就变得非常重要。现在，钾离子电池、钙离子电池和镁离子电池的研发都属于初步阶段。这些二次金属离子电池的开发，丰富了二次电池的体系，促进了新型电池的发展。然而，镁离子电池的研究现状，远远满足不了市场的期许。所以本文研发了一种简便的、成本低廉的镁离子电池负极材料。这种材料很好的提高了镁离子全电池的容量，迈出了镁离子电池发展中的重要一步。

近日，中国科学技术大学的姚宏斌和西南科技大学的姚卫棠等人，研究发现，在制备超过2 V的二次镁离子电池方面仍具有挑战性。因为电解液的腐蚀性和负极材料的相容性研究是目前的主要困难。本文作者发现了一种简便的固态合金路线合成纳米团簇Mg3Bi2合金，制备高容量的镁合金负极材料，在无腐蚀性的电解液中，其电压窗口达到2 V。采用纳米团簇Mg3Bi2负极材料，制备高比容量（360 mAh·g-1），200圈后的效率保持在90.7 %，在0.1 A g-1时，库伦效率平均高达98%。这种材料良好的性能是来源于稳定的纳米结构能够有效的保证了可逆的Mg2+离子在嵌入和脱出中，同时没有丢失团簇中的电接触点。纳米团簇Mg3Bi2负极材料结合高电压的普鲁士蓝正极材料，同时采用无腐蚀性的电解液，组成全电池。这种全电池在0.2 A g-1的电流密度下，循环200圈后，其容量保持到88 %；倍率性能表现在2 A g-1时，容量为58 mAh·g-1，在0.1 A g-1时，容量为103 mAh·g-1；能量和功率密度分别为81 Wh kg-1和2850 W kg-1。目前，这种全电池在已报道的采用无腐蚀性电解液的镁离子电池中展现出较高的性能。文中的合成路线具有成本低、组装稳定、电压较高的特点，促进了镁离子电池的大规模储能应用。相关成果以“High Voltage Magnesium-ion Battery Enabled by Nanocluster Mg3Bi2 Alloy Anode in Noncorrosive Electrolyte”为题发表在ACS Nano上。

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2018自然科学基金面上项目-半固态锂硫电池多级结构/界面构筑及稳定机制研究
批准号        21875236        学科分类        ( B050803 )
负责人        姚宏斌        职称                单位名称        中国科学技术大学
资助金额        68万元        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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中国科学技术大学姚宏斌教授开发了一种室温下的固相转移工艺，将金属氯化物钙钛矿薄膜作为一种新型的界面层应用到锂金属负极上。研究表明，金属氯化物钙钛矿界面层具有较低的锂离子传输势垒，这有助于锂离子的快速传输，同时还会形成 “钙钛矿-合金-锂金属”的梯度渐变结构，极大地改善了锂离子的沉积/剥离行为，并可将液体电解液与锂金属隔开。结果显示，在金属氯化钙钛矿保护下，锂金属负极表现出稳定的锂沉积/剥离曲线。值得注意的是，在贫电解液 (20μl mAh-1)在薄锂箔(50μm)的测试条件下，面容量为2.8mAh cm-2的LiCoO2-Li电池在循环100次后仍保持很高的容量。相关研究成果“Metal chloride perovskite thin film based interfacial layer for shielding lithium metal from liquid electrolyte”为题发表在Nature Communications上。

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近日，中国科学技术大学姚宏斌教授研究团队联合复旦大学商城教授与浙江工业大学陶新永教授研究团队基于锂、钽和氯三元体系，通过组分的调控与优化，成功构建了玻璃态锂离子传导网络。在这一体系创新的基础上，开发了高锂离子电导率的无定形钽系氯化物固态电解质，并扩展了一系列高性能复合固态电解质体系，克服了传统晶态固态电解质结构和组分设计的限制，并基于此实现了宽温度内范围适用的高镍正极型全固态锂电池。相关研究成果以《Amorphous Chloride Solid Electrolytes with High Li-Ion Conductivity for Stable Cycling of All-Solid-State High-Nickel Cathodes》为题，于12月11日发表在Journal of the American Chemical Society杂志上。

图1. 基于神经网络是函数全局搜索的无定形氯化物固态电解质局部原子构型和结构表征

        研究表明，相较于晶态陶瓷材料，无定形材料由于其独特的玻璃态网络，可提供较大的自由体积空间及丰富的本征缺陷，有利于实现快速的锂离子传导；并且其无晶界特征有利于在复合正极内部实现紧密的固-固接触，构筑充分的锂离子渗透网络，理论上可以实现高面容量正极的有效利用和稳定循环，进而大幅度提升全固态电池的能量密度。然而，基于无定形的氮氧磷锂化合物（Li1.9PO3.3N0.5，LiPON）的薄膜型电池的正极活性物质载量十分有限，而且LiPON室温离子电导率较差（~ 10-6 S cm-1），其能量/功率密度仍然远低于目前成熟的商业化锂离子电池。尽管现有的氧-硫化物和硫化物基的无定形固态电解质具有可观的锂离子电导率（10-4 ~ 10-3 S cm-1），由于氧硫化物固态电解质存在高离子电导和正极界面稳定性之间的矛盾，短期内仍无法实现基于高镍三元正极的高能量密度全固态锂电池。为了实现高能量密度全固态锂电池，有必要开发高锂离子电导率且化学/电化学稳定性好的无定形固态电解质。研究已经证明，得益于独特的阴离子化学特征，卤化物体系可以兼备氧化物体系的高电压稳定性及硫化物体系的高离子传导等优势，有望实现高能量密度全固态锂电池。然而，目前关于无定形氯化物固态电解质体系的开发较少，缺少其离子传导机制及全固态锂电池性能测试的全面报道。
        鉴于此，研究团队基于锂、钽和氯三元体系出发，提出一类新型的高锂离子电导率的无定形固态电解质体系，展现出高镍正极材料的良好匹配性，实现了宽温度范围稳定循环的高能量密度全固态锂电池。通过采用随机表面行走全局优化，结合全局神经网络势（SSW-NN）函数全局势能面搜索，采用一维固态核磁共振锂谱化学环境解耦、X射线吸收精细结构拟合及低温透射电子显微镜微观结构表征手段，确定了LiTaCl6无定形基质的结构特征（图1）。基于其组分设计灵活性，进一步制备得到了一系列高性能且具备成本效益的锂离子复合固态电解质材料，其最高室温锂离子电导率可达到7 mS cm-1（图2），满足了高倍率型全固态锂电池的实际应用需求。结合氯化物高氧化稳定性及无定形基质在复合正极中所构筑的有效离子渗透网络，基于超高镍三元层状氧化物正极（LiNi0.88Co0.07Mn0.05O2）制备的全固态锂电池实现了高倍率（3 C, 4 C）快速充放电、长周期稳定循环（800次循环容量保持率为99%）及高面容量（> 5 mAh cm-2）稳定运行。更为重要的是，团队成员验证了基于无定形氯化物构建的全固态锂电池的宽温度范围内的适用性：即在-10 oC的冷冻环境中可实现高倍率（3.4 C）接近10000次的稳定运行（图3）。无定形氯化物固态电解质所表现出的组分灵活性、快离子传导性及优异的化学及电化学稳定性为进一步设计新型固态电解质和构建高比能全固态锂电池提供了新的思路。
        中国科学技术大学李枫（博士）、程晓斌（博士研究生）为本文的共同第一作者；中国科学技术大学姚宏斌教授、复旦大学商城教授与浙江工业大学陶新永教授为本文的共同通讯作者。本工作得到国家杰出青年科学基金、中科院先导计划、稀土资源利用国家重点实验室开放基金、中国科学技术大学原创探索项目、中国科学技术大学“双一流”专项基金的资助。
       论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c10602