马里兰大学胡良兵

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胡良兵,马里兰大学教授。2002年本科毕业于中国科学技术大学少年班，2007年在加州大学洛杉矶分校获得博士学位，2006年与他人共同创立Unidym公司，从事基于碳纳米管的柔性透明电极的大规模生产及其用于触摸屏、柔性OLEDs、太阳能电池的研究。2009年至2011年期间，以博士后的身份加入斯坦福大学崔屹课题组从事纳米材料和纳米结构用于能源器件的研究。目前是美国马里兰大学（帕克校区）副教授。研究兴趣包括：纳米材料和纳米结构，大规模的纳米制造，储能器件如固态电池、钠离子电池，印制电子。胡博士是马里兰大学帕克分校高级造纸和纺织中心（CAPT）的（创始）主任。他还是Inventwood Inc.的联合创始人，致力于进一步商业化上述纤维素纳米技术。他主要从事木材纤维基的纳米纤维和纳米微晶的研究；重点研究纳米纤维素在光学和电学方面的应用和高性能低成本新能源器件。

获得奖项
Nano Letters Young Investigator Lectureship（2017）
海军研究办公室青年研究员奖（2016）
ACS能源和燃料新兴研究员奖（2016）
SME杰出青年制造工程师奖（2016）
马里兰大学初级教师奖（工程学院，2015年）
3M非终身教职员奖（2015年）
马里兰州杰出青年工程师（2014年）
马里兰大学年度发明奖（2014年物理科学）
美国工程教育学会校园之星（2014年）
空军青年研究员奖（AFOSR YIP，2013年）

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北京时间2018年3月30日，Science在线发表马里兰大学胡良兵、伊利诺伊大学芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,、约翰霍普金斯大学Chao Wang、麻省理工大学Ju Li等人题为“Carbothermal shock synthesis ofhigh-entropy-alloy nanoparticles”的封面文章。该研究通过热冲击负载在碳载体上的前体金属盐混合物[温度〜2000K，55毫秒的持续时间，〜105K每秒的速率]。提出了通过将八种不同元素合金化成单相固溶体纳米颗粒（通常称为高熵合金纳米颗粒（HEA-NP）。通过控制碳热激发（CTS）参数（底物，温度，冲击持续时间和加热/冷却速率）来合成具有期望的化学（组成），尺寸和相（固溶体，相分离）的宽范围的多组分纳米颗粒。为了证明实用性，实验人员合成了五元HEA-NPs作为氨氧化催化剂，其具有〜100％转化率和> 99％的氮氧化物选择性。本文第一作者是姚永刚，同期印第安纳大学布卢明顿分校Sara E. Skrabalak做了题为“Mashing up metals with carbothermal shock”的perspective，Science也作为this week in science重点报道。

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用于固态电池的3D打印电解质

固态电池在安全性和稳定性方面具有十分明显的优点，但是这些电池所采用的固体电解质通常导致电池的高电阻。诸如石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZ）之类的固态锂导体由于这些材料具有非常良好的电化学性能已经引起了其作为用于固态锂电池的电解质的广泛关注。它们通常是安全的不可燃材料，不同于传统锂离子电池电解质中使用的挥发性碳酸酯溶剂和活性锂盐，这些电解质已知是这些电池可能着火的主要原因。由于锂枝晶的存在，在具有液体电解质的常规锂电子电池中，锂枝晶会刺穿隔膜导致短路，而在固态电解质中，不存在此问题。然而，固体电解质商业化的主要障碍是电池阻抗过大，这是由于固态电解质自身高的阻抗和电极-电解质接触不良引起的界面阻抗两方面的贡献。液体电解质可以润湿电极表面，但固体电解质不能，这极大地限制了电极和电解质之间的接触面。所以设计新的电解质-电极结构对于固态电解质的开发是至关重要的。

近日，美国马里兰大学的胡良兵教授和Eric D.Wachsman教授通过3D打印技术制造了Li7La3Zr2O12固态电解质。研究人员使用独特的石榴石油墨，印刷和烧结了可能结构的样本，揭示了薄且非平面的仅由LLZ固体电解质组成的复杂结构。3D印刷对称的Li|LLZ|Li电池的面积比电阻在电化学循环测试中很低，使用3D打印技术进一步研究和优化电解质的结构可以使得固态电池的全单元面积比电阻显着降低，同时使得电池的能量密度和功率密度更高。在这项工作中，可以使用更多的设计和结构。 所报道的墨水配方可以很容易地修改为与其他固体电解质或陶瓷材料一起使用，可以扩展到其他相关领域中去。相关研究成果“3D-Printing Electrolytes for Solid-State Batteries”为题发表在Advanced Materials上（第一作者Dennis W. McOwen博士，徐劭懋博士）。

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马里兰大学胡良兵Advanced Energy Materials：无枝晶碱金属阳极的3D可润湿性框架

对于包括便携式电子设备、电动汽车和智能电网在内的应用来说，安全和高能量密度的电池是非常理想的。创新的电极结构对开发可靠的高能量密度储能系统十分重要。在各种阳极材料中，金属碱阳极由于其最高的理论比容量和最低的氧化还原电位而被认为是最终的阳极材料。更重要的是，在全电池配置中金属阳极可以与新型的阴极材料配对，例如硫、氧和二氧化碳。然而，如图1a所示，碱金属阳极在反复剥离/沉积过程中会遇到一些固有的问题。在传统平面式结构中由于不均匀的电荷分布导致在沉积期间成核的不均匀性和金属的树枝状生长（枝晶），最终穿透隔膜造成电池短路和严重的安全隐患（过热和潜在的爆炸风险）。与此同时，碱金属阳极的体积变化也会引起固体电解质界面（SEI）的反复断裂和库仑效率的降低。因此，枝晶的持续生长和无休止的体积变化给碱金属阳极的实际应用带来了极大的挑战（图1a）。经文献报道，主要有两类方法解决上述存在的问题。一种方法是通过添加剂改变/优化有机电解质体系中的盐/溶剂/添加剂化学组分，以增强SEI机械性能达到抑制枝晶的目的。最近，在碱金属和隔膜之间引入保护层作为人工SEI膜，亦可以稳定电极/电解质界面。然而，不均匀的成核和不受控制的枝晶生长行为仍会在保护层下发生，因此在长期循环过程中安全隐患依然存在。近来，报道指出通过调控碱金属电极的结构可使电沉积行为均匀化。崔屹课题组和张强课题组研究了电流密度如何影响Li的初始成核和电沉积过程中的动力学行为。结果表明，电流密度决定了Li成核的初始尺寸，并证实了高比表面积的电极结构可有效降低局部电流密度。遵循这一策略，设计具有微/纳米结构的3D沉积框架可通过调节沉积的局部电流密度达到均匀成核和抑制枝晶的目的。此外，3D电极中的多孔结构可适应长期充放电循环期间的无休止体积变化获得更稳定的碱金属阳极。

近日，马里兰大学胡良兵教授课题组相关论文“3D Wettable Framework for Dendrite‐Free Alkali Metal Anodes”发表在能源期刊Advanced Energy Materials（影响因子：16.72）上。张莹、王成威以及 Glenn Pastel研究人员报道了一种由碳纤维（CF）构成的三维框架作为稳定的骨架预先存储锂金属或钠金属（Li/Na-CF复合材料）（图1b）。CF为独特的同轴结构，由导电碳芯、高碱金属润湿性的合金过渡层和外部附着的Li或 Na金属层构成。如图1c所示，高比表面积的3D框架保证了电解质/电极的充分接触，可实现Li / Li +或Na / Na +氧化还原反应过程中的快速电荷传质。通过降低局部电流密度有效抑制了枝晶的生长并通过多孔结构限制了充放电过程中的体积变化。与之前报道3D集流体（例如3D Cu和Ni泡沫）相比 ，Li / Na-Sn过渡层有以下四个优势：1）通过生成Li / Na- Sn复合物的生成极大地降低了热熔融碱金属和SnO2之间的表面能，从而驱动了碱金属在轻质多孔CF基体中的引入; 2）形成的Li / Na-Sn合金调节了3D碳框架和碱金属之间的界面传质; 3）Li / Na-Sn合金层提供大量电化学活性位点以引导均匀的Li / Na成核并避免严重的枝晶生长;4）具有离子导电特质的Li / Na-Sn合金过渡层层比本体碱金属具有更高的扩散系数； 例如，锂金属自身的离子扩散系数为5.7×10-11 cm2 s-1，相较之下，Li-Sn合金表现出更高的离子扩散系数，为6.6×10-8~5.6×10-7 cm2 s-1（室温）。因此，与裸碳相比，具有Li / Na-Sn中间过渡层的碱金属电极为均匀成核提供了快速的动力学。与碱金属极片和3D集流体相比，这些改进还可提高循环性能和安全性。

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马里兰大学胡良兵ACS Nano：外延连接的碳纳米管薄膜在水性电池集流器的应用

碳纳米材料具有质量轻、导电率高和耐腐蚀的特点，因此它是理想的集流体替代材料。目前存在的主要问题是碳纳米结构之间连接较弱，导致碳纳米材料集合体的导电率和机械强度的较低（低几个数量级）。在碳纳米管之间建立固有的共价碳键是非常受欢迎的。但是碳-碳键的惰性和高键能，导致在相邻碳纳米管之间打开和重新形成共价碳键都具有很大的挑战。只有通过高能辐射（电子，离子束或等离子体）或高压（高达55GPa）与剪切变形相结合，才能实现有限的碳碳之间的共价连接。因为所需的设备特殊，容易对原始碳纳米管造成物理/辐射损伤，在系统中引入大量的不良缺陷。因此，需要一种更具建设性和可扩展性的方法，形成CNT的大规模相互连接。

近日，美国马里兰大学的胡良兵等人提出了一种“外延焊接”策略，设计形成碳纳米管（CNT）集合体为高度结晶和相互连接的结构。将聚丙烯腈溶液涂覆在CNT上作为“纳米胶”以便物理连接CNTs形成网络结构，然后进行快速高温退火（>2800 K，约30分钟）将聚合物涂层石墨化成结晶层，并使相邻的CNT形成相互连接的结构。接触-焊接的CNT（W-CNT）表现出高导电性（〜1500 S/cm）和高拉伸强度（〜120 MPa），分别比未焊接的CNT高5和20倍。此外，当在阴极和阳极电位下，进行恒电位测试时，W-CNT在强酸性/碱性电解质中（> 6mol/L），显示出很好的化学和电化学稳定性。凭借这些卓越的性能，W-CNT薄膜将会是高性能集流体的最佳选择，这一结果已经在“盐中水”电解质的水性电池中得到了证明。相关成果以“Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors”为题发表在ACS Nano上。

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胡良兵Adv. Energy. Mater.：在低曲率的层级碳框架中“链甲催化剂”的原位组装及其用于高效稳定的析氢反应

水电解被认为是用于大规模生产高纯度氢气的一种简便，有效和可持续的技术。虽然贵金属Pt和Pt基合金催化剂在析氢反应（HER）中显示出了最好电化学性能，但Pt电催化剂因其高成本和稀缺性而难以大规模商业应用。因此，探索贵金属电催化剂的替代品对于实现可持续的氢经济至关重要。另外，在不使用粘合剂的情况下构建自支撑和多孔电极结构可以简化浆料基电极的组装过程并增强传质，这对于大规模实际应用是非常有利的。链甲催化剂（包封在碳中的过渡金属或金属合金）被认为是用于产生氢气的一类稳定且有效的电催化剂。然而，链甲催化剂的制备通常涉及复杂的化学气相沉积（CVD）或炉中的长时间煅烧，并且基于浆料组装的链甲催化剂有着较差的质量传递和未充分利用的活性表面。因此，开发一种通过快速响应和可控的高温处理方法在独立式多孔碳骨架中自组装形成链甲催化剂以避免或减轻团聚尤为重要。

近日，在美国马里兰大学胡良兵教授（通讯作者）带领下，与美国匹兹堡大学合作，在工作中，通过超快焦耳加热的热激处理方法在一个多孔碳化木（CW）基碳基底中嵌入氮（N）掺杂的少层石墨烯包裹的镍铁（NiFe）核-壳纳米粒子（N-C-NiFe）。由于超高的加热和淬火速率，金属盐前驱体在碳载体上快速分解并重新分布成核为超细金属合金纳米颗粒。热冲击诱导的N-C-NiFe纳米粒子具有较小的平均尺寸(22.5 nm)和较薄的石墨烯壳（1至4层）。N-C-NiFe电催化剂均匀地锚定在CNTs上，在木材衍生的碳微通道（CW-CNT@N-C-NiFe）内部原位生长，有助于快速电子传输。开放的CW-CNT框架具有低弯曲的微通道，可以促进的氢气释放和电解质渗透。结果显示，这种自支撑CW-CNT@N-C-NiFe电极在氢析出方面表现出令人印象深刻的电化学性能，Tafel斜率小，为52.8 mV dec-1和在10 mA cm-2下的过电位为179 mV，并具有良好的长期循环稳定性。即使在10000次循环之后，这种CW-CNT@N-C-NiFe电极的极化曲线也基本保持不变。这种新开发的简便但有效的热冲击处理方法是纳米颗粒在导电载体中快速原位自组装的潜在替代方案，可拓展至其他高效电催化的应用。相关成果以题为“In Situ “Chainmail Catalyst” Assembly in Low-Tortuosity, Hierarchical Carbon Frameworks for Efficient and Stable Hydrogen Generation”发表在Adv. Energy. Mater.上。

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马里兰大学胡良兵AM：固态锂金属电池-电子/离子双导电合金框架

固态锂电池是一种很有前途的能量存储系统，既安全又具有高能量密度。其应用的主要障碍是固体电极和陶瓷电解质之间的界面接触不良。鉴于此，马里兰大学胡良兵课题组提出了通过在石榴石型固态电解质上部分合成Li-Mg合金来构建一种电子/离子双导电框架。富Li的Li-Mg合金在SSE上熔化并用作负极。当从合金负极剥离一定量的Li时，Li-Mg合金变成具有多孔框架的Li-缺陷材料，但仍保持与石榴石SSE的良好界面接触。由于合金中还有剩余的Li，Li-Mg骨架为Li离子和电子提供了连续的途径。离子/电子双导电固体框架可用作Li负极的有效主体，改善了固体Li负极的容量，电流密度和循环寿命。用于石榴石型全固态锂电池中，实现了750 mAhcm-2创纪录的高累积容量。

Yang C, Xie H, Ping W, et al. An Electron/Ion Dual-Conductive Alloy Framework for High‐Rateand High‐Capacity Solid‐State Lithium‐Metal Batteries[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201804815

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804815

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由于太阳能蒸汽效率高，环境影响小，通过界面蒸发的新兴太阳能海水淡化展示出克服全球水资源短缺的巨大潜力。然而，加热界面处的溶质积累严重影响了当前太阳能蒸发系统的性能和长期稳定性。马里兰大学胡良兵课题组报道了一种自动再生太阳能蒸发器的新策略，通过在木材的自然结构中钻一个简单的通道阵列来制造用于长期太阳能海水淡化的蒸发器，其具有优异的防污性能。作为概念验证，研究者选择具有低热导率（0.29 W m-1 K-1）的表面碳化椴木和独特的通道阵列结构作为自再生太阳能蒸发器的模型。

毫米级钻孔通道与来自树木质部细胞的微米级木材通道一起提供了一系列具有不同水力传导率的低曲折通道，这些通道本身通过在木质通道中自然发现的一系列孔相互连接(即“凹坑”)。具体而言，在相同的压力梯度下，根据通道直径和体积流量之间的第四功率关系，钻孔通道的水通量高于木通道。因此，在相同的太阳辐照度下，钻孔通道中的盐浓度将远低于木材通道内的盐浓度，从而导致面内浓度梯度。浓度梯度导致钻孔和木材通道通过通道壁的1-2 μm凹坑自发地进行盐交换。具有高水力传导性的钻孔通道因此起到盐排斥通道的作用，钻孔通道和本体溶液之间更快的盐交换使得钻出的通道中增加的盐浓度可以转移回本体溶液，从而实现蒸发器的实时自我再生。

通过这种多向传质机制，设计的太阳能蒸发器可在连续太阳能海水淡化过程中实现实时防污，在1个太阳辐射下，在高浓度盐溶液（20 wt％NaCl）中也能表现出最高效率（≈75％），以及长期稳定性（超过100 h的连续性）。

Yudi Kuang, Chaoji Chen, Shuaiming He, Emily M. Hitz, Yilin Wang, Wentao Gan, Ruiyu Mi, Liangbing Hu. A High-Performance Self-Regenerating Solar Evaporator for Continuous Water Desalination. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201900498

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201900498

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单原子催化剂的稳定性对于其实际应用是至关重要的。尽管高温可以促进金属原子与基材之间的键形成，并且具有增强的稳定性，但是它经常引起原子团聚并且与许多对温度敏感的基材不相容。

胡良兵等人报道了使用可控制的高温冲击波在非常高的温度（1,500-2,000 K）下合成和稳定单个原子，通过周期性开关加热实现，具有短暂开启状态（55 ms）和十次更长的关闭状态。高温通过形成热力学上有利的金属缺陷键为原子分散提供活化能，并且关闭状态严格地确保整体稳定性，尤其是对于基底。得到的高温单原子作为耐久催化剂表现出优异的热稳定性。报道的冲击波方法是简便的，超快的和通用的（例如，Pt，Ru和Co单原子，以及碳，C3N4和TiO2衬底），这为常规挑战的单原子制造开辟了一条通路。

High temperature shockwave stabilized single atoms，Nature Nanotechnology (2019)

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0518-7