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電化學(xué)大牛介紹：郭玉國(guó)！

來(lái)源：測(cè)試GO 時(shí)間：2021-08-21 00:13:06 瀏覽：3411次

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人物簡(jiǎn)介

郭玉國(guó)，中科院化學(xué)所研究員（二級(jí)），國(guó)科大崗位教授，博導(dǎo)，“杰青","國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”首席科學(xué)家。

郭玉國(guó)于1978年1月出生于山東省。1994~1998年就讀于青島大學(xué)，并獲學(xué)士學(xué)位。2001年獲青島大學(xué)碩士學(xué)位。2000~2001年于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)研究。隨后進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，2001年師從中科院化學(xué)所白春禮院士和萬(wàn)立駿研究員，2004年獲物理化學(xué)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位。2004~2006年在德國(guó)馬普固體研究所Joachim Maier教授實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究工作。2006~2007年加入德國(guó)馬普協(xié)會(huì)納米能源化學(xué)重大項(xiàng)目任項(xiàng)目研究員，從事納米能源材料與納米固態(tài)離子學(xué)方面的研究。2006年12月入選化學(xué)所“引進(jìn)杰出青年人才計(jì)劃”，同年加入中科院分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2012年獲得“國(guó)家杰出青年基金”，并入選“萬(wàn)人計(jì)劃”首批青年拔尖人才，2016年任“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”首席科學(xué)家，2017年入選第三批國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2015年起任美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊ACS Applied Materials & Interfaces副主編，先后擔(dān)任《中國(guó)科學(xué)：化學(xué)》、Nano Research、Energy Storage Materials、ChemNanoMat、ChemElectroChem和Solid State Ionics等期刊編委。曾榮獲中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、國(guó)際電化學(xué)會(huì)ISE Tajima Prize、國(guó)際能量存儲(chǔ)與創(chuàng)新聯(lián)盟青年成就獎(jiǎng)、國(guó)際電化學(xué)能源科學(xué)院IAOEES卓越研究獎(jiǎng)、美國(guó)麻省理工學(xué)院《Technology Review》全球杰出青年創(chuàng)新家TR35獎(jiǎng)、亞洲化學(xué)學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)FACS杰出青年化學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院杰出青年等獎(jiǎng)勵(lì)與榮譽(yù)。

目前，郭玉國(guó)及其團(tuán)隊(duì)的研究方向主要包括：（1）電化學(xué)儲(chǔ)能器件及其關(guān)鍵材料（鋰離子電池、鋰金屬電池、鋰硫電池、固態(tài)電池、液流電池、鈉電池、鎂電池等新型二次電池）；（2）高比能電池、動(dòng)力電池及儲(chǔ)能電池技術(shù)（面向5G、AI、電動(dòng)汽車(chē)、規(guī)模儲(chǔ)能等應(yīng)用）；（3）納米體系離子、電子存儲(chǔ)與輸運(yùn)（納米固態(tài)離子學(xué)、納米電化學(xué)）等。近年來(lái)在動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池體系及其關(guān)鍵材料方面取得了系列創(chuàng)新性成果，研制出多種新型高性能電極材料和二次電池體系，實(shí)現(xiàn)了高性能電極材料的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用，推動(dòng)了鋰離子電池、鋰硫電池、固態(tài)金屬鋰電池的科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步。先后在Nature Materials、Nature Energy、Nature Communications、Science Advanced、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Advanced Materials、Adv. Energy Mater.、Joule、Energy Environ. Sci.等國(guó)際知名期刊上發(fā)表SCI論文280多篇（圖1）。

圖1 郭玉國(guó)發(fā)表學(xué)術(shù)論文期刊總結(jié)

此外，谷歌學(xué)術(shù)檢索郭玉國(guó)老師可以發(fā)現(xiàn)，其H指數(shù)為114，i10指數(shù)高達(dá)301，學(xué)術(shù)論文總引用量超過(guò)4.8萬(wàn)+（圖2）。2014~2019連續(xù)六年被Clarivate Analytics（原湯森路透）評(píng)選為全球“高被引科學(xué)家”。出版電池材料方面英文專(zhuān)著1部，并著有英文專(zhuān)著章節(jié)1章。其中由Springer Nature出版的《Nanostructures and Nanomaterials for Batteries: Principles and Applications》一書(shū)得到諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、國(guó)際鋰電池技術(shù)先驅(qū)John B. Goodenough教授撰寫(xiě)序言。

圖2 谷歌學(xué)術(shù)檢索郭玉國(guó)個(gè)人資料

為了帶領(lǐng)大家一覽大牛風(fēng)采，下面，筆者將挑選郭玉國(guó)課題組近些年來(lái)引用量較高的代表性科研成果，進(jìn)行簡(jiǎn)單的匯總解讀，希望能給相關(guān)領(lǐng)域科研工作者帶來(lái)一絲啟發(fā)。

02

代表性研究成果

1、Advanced Materials：納米結(jié)構(gòu)材料用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件（引用量：2177）

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭，當(dāng)今社會(huì)面臨的最緊迫的挑戰(zhàn)之一是研發(fā)優(yōu)異的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器件。就能量密度和功率密度而言，可充電鋰離子電池和燃料電池是最有前景的研究對(duì)象。納米結(jié)構(gòu)材料由于具有高表面積、獨(dú)特的尺寸效應(yīng)、能顯著增強(qiáng)動(dòng)力學(xué)等特性，目前正成為新型儲(chǔ)能器件的研究熱點(diǎn)。普遍認(rèn)為，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米材料將在提高鋰離子電池、甲醇燃料電池等電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器件的性能方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

有鑒于此，中科院化學(xué)研究所的郭玉國(guó)等人^[1]系統(tǒng)介紹了用于鋰離子電池的納米正極材料的一些最新進(jìn)展，闡述了納米尺寸效應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及如何解決納米效應(yīng)帶來(lái)的缺點(diǎn)。同時(shí)，總結(jié)了用于甲醇燃料電池的鉑基催化劑的最新進(jìn)展及面臨的各種突出問(wèn)題。最后，對(duì)于納米結(jié)構(gòu)材料，作者認(rèn)為未來(lái)應(yīng)該關(guān)注四個(gè)方向的發(fā)展：（1）充分理解各種納米尺寸效應(yīng)并探索新的理論；（2）研究納米結(jié)構(gòu)表面特征的細(xì)節(jié)；（3）通過(guò)表面修飾等策略設(shè)計(jì)綜合性能優(yōu)化的納米/微結(jié)構(gòu)；（4）探索新的合成路線(xiàn)和新的材料。

圖3 鋰離子電池內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu)

2、JACS：小硫分子用于高性能鋰硫電池（引用量：1371）

追求具有更高能量密度的先進(jìn)儲(chǔ)能器件一直是儲(chǔ)能領(lǐng)域相關(guān)科研工作者們研究的焦點(diǎn)。在目前研究的高儲(chǔ)能器件中，金屬硫電池（Li-S、Na-S和Mg-S等）由于理論能量密度極高而備受關(guān)注。其中，Li-S電池的理論能量密度高達(dá)2567 Wh kg^-1（基于鋰負(fù)極（~3860 mAh g^-1）和硫正極（~1675 mAh g^-1）計(jì)算），因此逐漸成為下一代高能量密度可充電電池最具潛力的研究對(duì)象。

然而，雖然能量密度幾乎是當(dāng)今鋰離子電池的5倍，但Li-S電池的應(yīng)用卻面臨兩個(gè)主要問(wèn)題。一是Li-S電池使用鋰金屬作為陽(yáng)極，由于可能出現(xiàn)鋰枝晶的生長(zhǎng)，因此會(huì)存在嚴(yán)重的安全隱患。二是由于Li-S電池的放電過(guò)程會(huì)形成多種可溶于電解質(zhì)的多硫化物，帶來(lái)多硫化物的穿梭效應(yīng)。此外，硫正極的電子導(dǎo)電性也較差。為了改善Li-S電池的綜合電化學(xué)性能，相關(guān)科研工作者們做出了大量的研究，比如通過(guò)復(fù)合各種導(dǎo)電基體和選用新型電解質(zhì)等，但取得的進(jìn)展依然有限。

有鑒于此，中科院化學(xué)研究所的郭玉國(guó)等^[2]設(shè)計(jì)并提出了一種新策略：使用更小的硫同素異形體S_2-4（S₂、S₃和S₄）用于高性能Li-S電池。作者合成了具有特定孔尺寸（0.5 nm）的微孔碳基底，然后再負(fù)載硫。由于納米孔道空間的限制，在引入硫的過(guò)程中即可實(shí)現(xiàn)從S₈分子到小硫分子的轉(zhuǎn)化，制備出非常規(guī)小硫分子/碳復(fù)合正極材料。這種基于納米孔限域效應(yīng)的非常規(guī)硫分子/碳復(fù)合正極材料在鋰-硫電池中表現(xiàn)出很高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性及高倍率性能。這項(xiàng)研究為L(zhǎng)i-S電池用于未來(lái)便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)等提供了可能性。

圖4 Li-S電池充放電過(guò)程中S的狀態(tài)

3、Advanced Functional Materials：碳包覆Fe₃O₄納米紡錘體作為高性能鋰離子電池負(fù)極材料（引用量：1262）

近年來(lái)，可充電鋰離子電池由于具有較高的能量密度逐漸成為便攜電子市場(chǎng)上使用最多的電池。但隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們迫切需要更高能量密度的儲(chǔ)能器件來(lái)滿(mǎn)足日常需求。作為鋰離子電池關(guān)鍵組成部分之一的電極材料決定著鋰離子電池的能量密度，因此，相關(guān)科研工作者們的目光聚焦于新型的高比容量電極材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

此前的負(fù)極材料主要是石墨類(lèi)碳材料，這種全面商業(yè)化的負(fù)極材料由于較好的安全性和極其穩(wěn)定的長(zhǎng)循環(huán)壽命而被廣泛使用。然而，石墨的理論比容量?jī)H僅為372 mAh g^-1，過(guò)渡金屬氧化物由于具有較高的理論比容量（500~1000 mAh g^-1）而備受關(guān)注。但是，大多數(shù)過(guò)渡金屬氧化物都存在電子導(dǎo)電性差的問(wèn)題，因此需要通過(guò)添加電子導(dǎo)電性相對(duì)其進(jìn)行改性，只有極少數(shù)過(guò)渡金屬氧化物（Fe₃O₄和RuO₂等）本身電導(dǎo)率較高，但依然需要對(duì)它們進(jìn)行表面改性。碳包覆是電極材料應(yīng)用最廣泛的表面改性技術(shù)之一，因?yàn)樘及矊涌梢燥@著提高電極材料的電子導(dǎo)電性，從而提高倍率性能。

有鑒于此，中科院化學(xué)所的郭玉國(guó)等人^[3]通過(guò)部分還原具有碳包覆的單分散納米赤鐵礦，合成了碳包覆Fe₃O₄納米紡錘體（Fe₃O₄-C）。作者通過(guò)掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線(xiàn)衍射和電化學(xué)測(cè)試對(duì)Fe₃O₄-C進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，作為電極材料的Fe₃O₄-C顯示出了較高的可逆容量(~745 mAh g^-1，0.2 C；600 mAh g^-1，0.5 C)，其首次庫(kù)倫效率及綜合電化學(xué)性能均優(yōu)于納米赤鐵礦和商業(yè)級(jí)磁鐵礦。作者相信，該設(shè)計(jì)策略將為納米結(jié)構(gòu)過(guò)渡金屬氧化物的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路，從而對(duì)下一代高能量密度鋰離子電池的發(fā)展起到推動(dòng)作用。

圖5 Fe₂O₃和Fe₃O₄-C鋰化前后的粒徑

4、Nature Communications：將鋰容納到具有亞微米骨架的三維集流體中以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命鋰金屬負(fù)極（引用量：969）

具有高能量密度和綠色安全特性的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)（例如電池、電容器等）對(duì)于智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)和便攜式電子產(chǎn)品等各種應(yīng)用至關(guān)重要。綜合性能優(yōu)異的電極材料是高能電池的關(guān)鍵。就能量密度而言，鋰金屬是一種非常理想的負(fù)極材料，因?yàn)樗哂懈哌_(dá)3860 mA h g ^-1 的理論比容量，并且具有最低的還原電位（-3.04 V，相比于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）。

然而，使用鋰金屬作為負(fù)極面臨著幾個(gè)不可避免的問(wèn)題。其中，最具挑戰(zhàn)性的是循環(huán)過(guò)程中鋰枝晶的形成，這會(huì)導(dǎo)致安全隱患并使鋰金屬電池面臨爆炸風(fēng)險(xiǎn)。目前已經(jīng)商業(yè)化的鋰離子電池通常使用鋰插層材料（如石墨）代替鋰金屬用作負(fù)極，成功地規(guī)避了這個(gè)安全隱患。但是，隨著鋰離子電池的能量密度接近理論值，它們逐漸開(kāi)始無(wú)法滿(mǎn)足先進(jìn)儲(chǔ)能的需求，科學(xué)家們迫切需要研制出更高能量密度的儲(chǔ)能電池，具有極高能量密度的鋰金屬電池再一次走入人們的視線(xiàn)。如何改善鋰金屬負(fù)極，抑制鋰枝晶的形成成為了研究的重點(diǎn)。此外，作為負(fù)極的關(guān)鍵組成部分，集流體也可能對(duì)鋰負(fù)極產(chǎn)生重大影響。集流體影響鍍鋰初期的成核，這對(duì)后續(xù)鍍鋰的形貌起決定性作用。然而，鋰金屬負(fù)極集流體的作用尚未得到徹底研究。

有鑒于此，中科院化學(xué)所的郭玉國(guó)設(shè)計(jì)并制備了一種具有亞微米骨架的三維銅箔集流體，鋰在亞微米尺寸的銅骨架上生長(zhǎng)并填充三維集流體的孔隙。通過(guò)將鋰金屬負(fù)極容納在三維集流體中，能夠使鋰金屬負(fù)極擺脫鋰枝晶的生長(zhǎng)隱患，并顯著提高鋰金屬負(fù)極的循環(huán)壽命。利用三維結(jié)構(gòu)來(lái)容納鋰負(fù)極將促進(jìn)對(duì)鋰負(fù)極的進(jìn)一步研究，同時(shí)加速鋰金屬電池向下一代高性能儲(chǔ)能器件的發(fā)展。

圖6 具有亞微米骨架的三維銅箔集流體的制備及表征

參考文獻(xiàn)

[1] YuGuo Guo, JinSong Hu, and LiJun Wan. Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices. Adv. Mater. 2008, 20, 2878–2887. DOI: 10.1002/adma.200800627.

[2] Sen Xin, Lin Gu, NaHong Zhao, et al. Smaller Sulfur Molecules Promise Better Lithium–Sulfur Batteries. Journal of the American Chemical Society 2012 134 (45), 18510-18513. DOI: 10.1021/ja308170k.

[3] WeiMing Zhang, XingLong Wu, JinSong Hu, et al. Carbon Coated Fe₃O₄ Nanospindles as a Superior Anode Material for Lithium-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3941–3946. DOI: 10.1002/adfm.200801386.

[4] Yang, CP., Yin, YX., Zhang, SF. et al. Accommodating lithium into 3D current collectors with a submicron skeleton towards long-life lithium metal anodes. Nat Commun 6, 8058 (2015). DOI: 10.1038/ncomms9058.

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