北京化工大学材料学院王峰教授

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        王峰，男，1966年9月出生，中共党员，工学博士，教授，博士生导师，现任北京化工大学党委常委，副校长。


         1989年毕业于北京化工学院应用化学系获学士学位，2003年毕业于日本东京都立大学工学部应用化学专业，获工学博士学位。2003年至2006年在日本国立信州大学完成博士后研究。2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2011年获国家杰出青年科学基金。历任北京化工大学研究生处副处长、北京化工大学材料科学与工程学院党委书记，2012年6月任现职。


         主要从事电催化材料、纳米炭材料以及应用电化学工程等领域的研究工作，任材料电化学过程与技术北京市重点实验室主任。完成和主持国家科技支撑计划、国家863计划项目、国家自然科学基金项目、北京市科技计划项目以及企业委托项目等10余项。在国内外学术期刊发表SCI、EI收录论文100余篇。获授权发明专利16项，申请发明专利19项以及PCT专利1项，获省部级科技奖励一等奖和二等奖各1项。兼任日本国立名古屋工业大学客座教授，中国工业清洗协会副理事长。


         负责学校科技、产业工作。分管科学技术发展研究院、高新技术研究院、北京北化大投资有限公司、大学科技园；联系材料科学与工程学院、能源学院。

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戴黎明/王峰Angew: 单原子铁高效ORR催化剂！

研究亮点：

1.利用单原子活性位点和微孔结构具有的空间尺寸匹配性，通过生物基分级多孔炭中的微孔限制金属原子在热处理过程中的空间迁移和团聚，从而构建单原子催化剂。

2.将金属前驱体进行分子结构优化改性，能够进一步改善单原子活性位点的结构，提高催化性能。

为了促进燃料电池技术的大规模应用，必须开发用于碱性和酸性电解质中的氧还原反应（ORR）成本效益高的非铂族金属（非PGM）催化剂，作为贵金属催化剂的替代物。作为一种非PGM催化剂，铁基催化剂已被广泛认为是替代Pt基ORR催化剂的有希望的候选者。然而，在酸性电解质中，二元的催化剂仍然具有较差的电化学稳定性和不令人满意的催化活性。

随着金属（例如Pt，Fe）基纳米粒子催化剂的发展，已经研究了具有单分子或单原子（SA）活性位点的某些有效的基于Fe的ORR催化剂。尽管铁酞菁（FePc）是最流行的铁基分子催化剂之一，可以通过4电子途径促进ORR过程，但FePc分子中催化活性Fe原子的去甲基化被证明导致活性迅速下降。此外，FeIIPc中FeII离子的不可避免的Fenton反应导致酸性电解质的不稳定性。

为了消除分子催化剂的脱金属和/或降解，非常需要开发SA-Fe催化剂，其中配位的Fe原子直接稳定在碳载体上，这可以有效地防止失活并促进电子传输。最近的研究表明一些SA金属催化剂有希望用于能量相关的电催化。迄今为止，含Fe，N和C的前体热解产生具有N和C配位的不饱和Fe原子（Fe-N / C）作为Fe-N / C复合物ORR催化剂的最重要途径之一。为了避免Fe原子的聚集和高温下含N基团的损失，热解在恶劣的气氛（例如NH3）中进行，难以通过操纵合成条件来调整活性位点并优化ORR性能。

因此，直接热解先支撑在碳基质上的富N铁前体最近引起了相当大的关注，以允许充分控制活性端结构。然而，对于在碳负载的含铁前体中为Fe原子开发理想的配位环境以避免热解过程中的聚集，仍然是一个挑战。

有鉴于此，北京化工大学王峰教授和凯斯西储大学戴黎明教授课题组合作，通过热解未限定在多孔碳载体微孔内的未被取代的酞菁/铁酞菁复合物来制备分散在分层结构多孔碳（SA-Fe-HPC）骨架上的单个Fe原子。

通过炭化活化制备的分级多孔炭材料具有大比表面积和丰富的微孔结构，在电化学能源储存器件以及选择性吸附材料的应用方面受到人们的广泛关注，但由于其微孔结构（孔径< 2 nm）和纳米金属催化粒子（一般粒径> 3 nm）的尺寸不匹配性，具有微孔结构的分级多孔炭作为催化载体材料难以进一步发挥作用。该项工作巧妙利用了微孔结构的尺寸限域效应结合单原子催化剂小尺寸位点的特性，通过构造具有富氮结构的含铁前驱体（无核酞菁-酞菁铁分子），进一步限制金属原子的空间迁移，抑制金属团聚，构造具有高氧还原催化活性的单原子铁催化剂。此外保留的大孔（> 50 nm）和介孔（2-50 nm）则有利于提高催化材料的传质能力。

单原子Fe催化剂在三维分层多孔碳载体上具有由N配体配位的Fe原子的明确原子分散。这些SA-Fe-HPC催化剂即使在用于氧还原反应（ORR）的酸性电解质中，在ORR活性（E1/ 2 = 0.81V）方面也与商业Pt / C电极相当，但具有更好的长期电化学稳定性（3000次电位循环后7mV负移位）和燃料选择性。在碱性介质中，SA-Fe-HPC催化剂在ORR活性（E1/ 2 = 0.89V），燃料选择性和长期稳定性（3000次电势循环后1mV负移位）方面优于商用Pt / C电极。因此，这些SA-Fe-HPC是用于燃料电池技术的有前途的非铂族金属ORR催化剂。

实验中发现单纯的酞菁铁前驱体在热处理的过程中，铁原子会发生相应的热还原反应，导致金属铁的团聚，导致其催化活性的下降（样品：NP-Fe-HPC）；而将具有铁的高配位结构的无核酞菁-酞菁铁分子作为前驱体，则能保持铁原子以原子级尺度均匀分散在分级多孔炭载体结构中（样品：SA-Fe-HPC），其氧还原催化性能相比于NP-Fe-HPC和传统方法制备的Fe-N-C（通过商业炭黑所制备）均得到了相应的提升。

综上，该方法具有广泛的使用性，一方面解决了多孔炭作为载体的局限性，另一方面为低成本制备单原子催化剂提供了可靠的解决方案。

参考文献：

Zhang Z, Sun J, Wang F, et al. Efficient Oxygen Reduction Reaction(ORR) Catalysts Based on Single Iron Atoms Dispersed on a HierarchicallyStructured Porous Carbon Framework[J]. Angewandte Chemie, 2018.

DOI:10.1002/anie.201804958;

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201804958

课题组网站：

http://electrochem-lab.buct.edu.cn

本工作相关文章：

[1] Phthalocyanine tethered ironphthalocyanine on graphitized carbon black as superior electrocatalyst foroxygen reduction reaction. Nano Energy,2017, 34, 338-343.

[2] Biomass derived N-doped porouscarbon supported single Fe atoms as superior electrocatalysts for oxygenreduction. Small, 2017, 13,1604290.

[3] A facile route to bimetal andnitrogen-codoped 3D porous graphitic carbon networks for efficient oxygenreduction. Small, 2016, 12,4193-4199.

[4]Fe–Nxmoiety-modified hierarchically porous carbons derived from porphyra for highlyeffective oxygen reduction reaction. J. Mater. Chem. A, 2017, 5,1526-1532.

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北京化工大学Nano Energy：钾化合物合成杂原子掺杂超薄多孔碳纳米片的高性能超级电容器

二维（2D）纳米材料，具有独特的结构和优点是非常有前途的储能材料。其具有强的面内共价键，原子厚度大纵横比，灵活性高，表面积大，表面原子暴露的较多。但是，2D纳米片是具有不可避免的重新堆叠倾向，导致利用率低。在碳纳米片的微孔中没有诱导中孔或大孔。通常，微孔主导的2D碳材料比分层多孔3D碳材料具有更高的密度，增强体积电容的新可能性。但是纯碳电极材料通常疏水性低，通过改进提高比电容的有效策略润湿性和诱导额外的假电容。然而，大多数杂原子掺杂方法依赖于对碳材料的后处理，这增加了碳材料合成复杂性。本文提供一种有效且低成本的方法，通过钾化合物（KCs）的辅助制备多杂原子（N，O，S）掺杂的超薄多孔碳纳米片（PCNSs）用鱼鳞作为前体。获得了加速电解质离子传输2D纳米片结构，PCNS-600电极，其具有的大的电双层电容（EDLC），改善了电极对含水电解质的润湿性。

近日，中国北京化工大学的王峰作者等人，提出了一种简便、低成本的生物质衍生多孔碳纳米片（PCNS）合成方法，采用鱼鳞作为前体，在KOH衍生的钾化合物的帮助下，在600℃下获得的厚度为3-5 nm的PCNS具有超薄纳米片结构，其微孔主导孔隙率，比表面积为962 m2 g-1；富表面杂原子O：14.64、N：5.05和S：0.92 at％；和高压缩密度（1.06 g cm-3），这使得电极在三电极和双电极系统中具有高的比质量/体积电容性能。相关成果以“Potassium compound-assistant synthesis of multi-heteroatom doped ultrathin porous carbon nanosheets for high performance supercapacitors”为题发表在Nano Energy上。

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高位点密度和高质量/体积比活性的单原子电催化剂的可控设计对涉及氧还原反应(ORR)的清洁能源装置的发展具有重要意义。近日，北京化工大学王峰、张正平与凯斯西储大学戴黎明等多团队合作，通过简单的无热解路线合成了具有超薄共轭层（3.5 nm）和高位点密度（质量含量为10.7 wt.%，每nm2有0.73个金属原子）单原子催化剂的二维共轭芳香网络(CAN)。

实验发现，该材料具有优异的ORR质量活性（47 mA mgcat-1），与标准Pt/C中的Pt和Pt/C相比，分别是其1.3和6.4倍。此外，用CAN作为空气电极构建的初级锌空气电池的质量/体积功率密度为880 W gcat.-1/615 W cmcat.-3，且可长期稳定运行100小时。该工作提供了一种用于能源存储和转换的高性能的电催化剂设计方法。

Shaoxuan Yang, Zhengping Zhang,* Liming Dai*, Feng Wang*, et al. Two‐dimensional conjugated aromatic networks as high‐site‐density and single‐atom electrocatalysts towards oxygen reduction reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2019.

DOI: 10.1002/anie.201908023

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908023

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近日，北京化工大学王峰教授、张正平教授课题组在国际期刊Small Methods (影响因子：14.118) 上发表题为“Quenching as a route to defect-rich Ru-pyrochlore electrocatalysts towards the oxygen evolution reaction”的研究工作。该工作利用无氧环境下的液氮淬火方式，在Y2Ru2O7 (YRO)的晶体结构中构建丰富的缺陷位点，改变了Ru的电子结构，有效增加了电化学活性表面积，从而提高了其在催化酸性氧析出反应的活性和稳定性。
        钌基烧绿石类的高温金属氧化物作为氧析出(OER)催化剂被广泛研究，有望替代IrO2成为PEM电解水装置的阳极催化材料。在此类氧化物中引入固有缺陷位点可以调节表面/界面微环境，改变电催化过程中的物理或化学吸附，从而增强电化学活性。但这类材料通常涉及到高温制备，具有较强的金属-氧键和自净化效应，如何在这类材料中引入大量的本征缺陷位点是提升其OER性能的关键问题。

        该工作使用了液氮淬火的传统材料处理工艺，在YRO中构造了大量的缺陷位点。淬火过程涉及到瞬时急速冷却，根据材料平衡空位浓度与温度之间的关系，无氧环境中的急速冷却处理可将高温下的高浓度缺陷位点保存至室温，从而实现这类高温氧化物纳米材料的表面缺陷构造，所得到的催化剂(Drich-YRO)在酸性介质中表现出优异的OER催化活性和稳定性。
         该文章第一作者为北京化工大学博士研究生刘彤彤，王峰教授和张正平教授为本文共同通讯作者，北京化工大学为唯一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
        文章信息：Tongtong Liu, Shaoxuan Yang, Jingyu Guan, Jin Niu, Zhengping Zhang* and Feng Wang*. Quenching as a route to defect-rich Ru-pyrochlore electrocatalysts towards the oxygen evolution reaction. Small Methods, 2021, DOI: 10.1002/smtd.202101156.
        全文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202101156.

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近日，北京化工大学王峰教授、牛津副教授团队和北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌教授团队在国际知名期刊Advanced Science (影响因子：16.806) 上发表题为“A highly durable rubber-derived lithium-conducting elastomer for lithium metal batteries”的研究工作。该工作以丁腈橡胶为基体，可聚合离子液体为导锂片段，采用硫化法合成高室温离子电导率、耐疲劳的导锂弹性体。

        固态锂金属电池在能量密度、安全性等方面较传统锂基电池有大幅提升，亟需开发高性能固态电解质，助力实现高功率、长寿命固态锂金属电池。相较于传统固态电解质，橡胶具有高弹性和耐疲劳等突出优势，能够为反复发生无限体积变化的金属锂负极提供共形的接触界面，促进锂离子稳定输运。然而，高机械强度橡胶基电解质离子电导率过低（<10-6 S cm-1），经小分子增塑后其机械强度明显劣化，两者均难以支持锂金属电池长期稳定运行。因此，开发高离子电导率、耐疲劳的橡胶基电解质仍是实现高性能固态锂金属电池面临的重要课题和挑战。
        该工作提出一种硫化法可控合成耐疲劳橡胶衍生导锂弹性体的新策略，得益于硫化过程产生的含离子液体片段的化学交联网络，所获电解质既继承了橡胶良好的回弹性，又实现高达2.4×10-4 S cm-1的室温离子电导率。此导锂弹性体可在充放电过程中与发生反复体积变化的金属锂负极保持紧密接触，支持锂离子在电极间的稳定、快速输运，从而实现长寿命、高性能和高安全性的固态锂金属电池。
         该文章第一作者为北京化工大学博士后史永正，王峰教授、牛津副教授和杨树斌教授为本文共同通讯作者，北京化工大学为第一完成单位，北京航空航天大学为合作单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和中国博士后科学基金的资助。
        文章信息：Yongzheng Shi, Na Yang, Jin Niu*, Shubin Yang*, and Feng Wang*
        A highly durable rubber-derived lithium-conducting elastomer for lithium metal batteries. Adv. Sci. 2022, DOI: 10.1002/advs.202200553;
        全文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202200553