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電化學(xué)大牛介紹：郭玉國！

來源：測試GO 時間：2021-08-21 00:13:06 瀏覽：3136次

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人物簡介

郭玉國，中科院化學(xué)所研究員（二級），國科大崗位教授，博導(dǎo)，“杰青","國家重點研發(fā)計劃”首席科學(xué)家。

郭玉國于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)行訪問研究。隨后進(jìn)入中國科學(xué)院化學(xué)研究所，2001年師從中科院化學(xué)所白春禮院士和萬立駿研究員，2004年獲物理化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。2004~2006年在德國馬普固體研究所Joachim Maier教授實驗室從事博士后研究工作。2006~2007年加入德國馬普協(xié)會納米能源化學(xué)重大項目任項目研究員，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)院重點實驗室。2012年獲得“國家杰出青年基金”，并入選“萬人計劃”首批青年拔尖人才，2016年任“國家重點研發(fā)計劃”首席科學(xué)家，2017年入選第三批國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2015年起任美國化學(xué)會期刊ACS Applied Materials & Interfaces副主編，先后擔(dān)任《中國科學(xué)：化學(xué)》、Nano Research、Energy Storage Materials、ChemNanoMat、ChemElectroChem和Solid State Ionics等期刊編委。曾榮獲中國青年科技獎、中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎、國際電化學(xué)會ISE Tajima Prize、國際能量存儲與創(chuàng)新聯(lián)盟青年成就獎、國際電化學(xué)能源科學(xué)院IAOEES卓越研究獎、美國麻省理工學(xué)院《Technology Review》全球杰出青年創(chuàng)新家TR35獎、亞洲化學(xué)學(xué)會聯(lián)合會FACS杰出青年化學(xué)家、中國科學(xué)院杰出青年等獎勵與榮譽。

目前，郭玉國及其團(tuán)隊的研究方向主要包括：（1）電化學(xué)儲能器件及其關(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、動力電池及儲能電池技術(shù)（面向5G、AI、電動汽車、規(guī)模儲能等應(yīng)用）；（3）納米體系離子、電子存儲與輸運（納米固態(tài)離子學(xué)、納米電化學(xué)）等。近年來在動力電池和儲能電池體系及其關(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，實現(xiàn)了高性能電極材料的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用，推動了鋰離子電池、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.等國際知名期刊上發(fā)表SCI論文280多篇（圖1）。

圖1 郭玉國發(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4.8萬+（圖2）。2014~2019連續(xù)六年被Clarivate Analytics（原湯森路透）評選為全球“高被引科學(xué)家”。出版電池材料方面英文專著1部，并著有英文專著章節(jié)1章。其中由Springer Nature出版的《Nanostructures and Nanomaterials for Batteries: Principles and Applications》一書得到諾貝爾獎獲得者、國際鋰電池技術(shù)先驅(qū)John B. Goodenough教授撰寫序言。

圖2 谷歌學(xué)術(shù)檢索郭玉國個人資料

為了帶領(lǐng)大家一覽大牛風(fēng)采，下面，筆者將挑選郭玉國課題組近些年來引用量較高的代表性科研成果，進(jìn)行簡單的匯總解讀，希望能給相關(guān)領(lǐng)域科研工作者帶來一絲啟發(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)儲能器件（引用量：2177）

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭，當(dāng)今社會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象。納米結(jié)構(gòu)材料由于具有高表面積、獨特的尺寸效應(yīng)、能顯著增強(qiáng)動力學(xué)等特性，目前正成為新型儲能器件的研究熱點。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)換和存儲器件的性能方面將發(fā)揮越來越重要的作用。

有鑒于此，中科院化學(xué)研究所的郭玉國等人^[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)缺點以及如何解決納米效應(yīng)帶來的缺點。同時，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題。最后，對于納米結(jié)構(gòu)材料，作者認(rèn)為未來應(yīng)該關(guān)注四個方向的發(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）通過表面修飾等策略設(shè)計綜合性能優(yōu)化的納米/微結(jié)構(gòu)；（4）探索新的合成路線和新的材料。

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)儲能器件一直是儲能領(lǐng)域相關(guān)科研工作者們研究的焦點。在目前研究的高儲能器件中，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)用卻面臨兩個主要問題。一是Li-S電池使用鋰金屬作為陽極，由于可能出現(xiàn)鋰枝晶的生長，因此會存在嚴(yán)重的安全隱患。二是由于Li-S電池的放電過程會形成多種可溶于電解質(zhì)的多硫化物，帶來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)研究所的郭玉國等^[2]設(shè)計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，在引入硫的過程中即可實現(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。這項研究為Li-S電池用于未來便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車和大型儲能系統(tǒng)等提供了可能性。

圖4 Li-S電池充放電過程中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，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能器件來滿足日常需求。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發(fā)與應(yīng)用。

此前的負(fù)極材料主要是石墨類碳材料，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)定的長循環(huán)壽命而被廣泛使用。然而，石墨的理論比容量僅僅為372 mAh g^-1，過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)過渡金屬氧化物都存在電子導(dǎo)電性差的問題，因此需要通過添加電子導(dǎo)電性相對其進(jìn)行改性，只有極少數(shù)過渡金屬氧化物（Fe₃O₄和RuO₂等）本身電導(dǎo)率較高，但依然需要對它們進(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，因為碳包覆層可以顯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)所的郭玉國等人^[3]通過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）。作者通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射和電化學(xué)測試對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)級磁鐵礦。作者相信，該設(shè)計策略將為納米結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物的實際應(yīng)用鋪平道路，從而對下一代高能量密度鋰離子電池的發(fā)展起到推動作用。

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現(xiàn)長壽命鋰金屬負(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)儲能系統(tǒng)（例如電池、電容器等）對于智能電網(wǎng)、電動汽車和便攜式電子產(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，因為它具有高達(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)極面臨著幾個不可避免的問題。其中，最具挑戰(zhàn)性的是循環(huán)過程中鋰枝晶的形成，這會導(dǎo)致安全隱患并使鋰金屬電池面臨爆炸風(fēng)險。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，它們逐漸開始無法滿足先進(jìn)儲能的需求，科學(xué)家們迫切需要研制出更高能量密度的儲能電池，具有極高能量密度的鋰金屬電池再一次走入人們的視線。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。此外，作為負(fù)極的關(guān)鍵組成部分，集流體也可能對鋰負(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)所的郭玉國設(shè)計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并填充三維集流體的孔隙。通過將鋰金屬負(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)來容納鋰負(fù)極將促進(jìn)對鋰負(fù)極的進(jìn)一步研究，同時加速鋰金屬電池向下一代高性能儲能器件的發(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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