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人物簡介

41歲獲最高國家科技獎，44歲成最年輕的兩院院士，學術研究與產業化并舉，這位能源大牛令人膜拜！

陳忠偉，加拿大滑鐵盧大學化學工程系教授，滑鐵盧大學電化學能源中心主任，加拿大國家首席科學家，國際電化學能源科學院副主席，曾在2016年獲得加拿大最高國家科技獎“E.W.R. Steacie Memorial Fellowship”，并分別于2017年和2019年當選加拿大工程院和加拿大科學院院士，是加拿大最年輕的兩院院士！1975年，陳院士出生于浙江金華市磐安縣，早年畢業于磐安中學，1992年考入南京工業大學硅酸鹽工程專業，1999年進入華東理工大學攻讀碩士學位，2002年進入美國加州大學河濱分校攻讀化學工程博士學位，2007年成為美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室訪問學者，2008年加入滑鐵盧大學。

目前，陳院士帶領一支約70人的國際頂級科研團隊，致力于開發用于清潔、可持續能源技術的獨特納米結構材料，具體包括聚合物電解質膜燃料電池、鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池和各種下一代電池的納米結構材料開發。先后在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., JACS, Angew, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Matter, Adv. Sci.等國際著名期刊上發表論文超過350篇，被引2.7萬余次，H指數為85（源自谷歌學術）。擔任美國化學會旗下ACS Applied Materials & Interfaces副主編。

此外，陳院士團隊的多項技術已實現產業化，他參與成立的初創公司WATTECH POWER INC.(滑鐵盧大學科技公司)，致力于大型兆瓦級鋅空液流儲能技術的商業化推廣應用。業內人士認為，這項技術的商業化轉化，將為世界儲能技術領域帶來一個里程碑式的改變。其團隊研發的前沿技術在新能源汽車開發、核電風電儲能、醫療健康消費等領域也具有廣闊的應用前景和市場空間。

下面筆者簡單匯總了陳院士近期的工作進展，以供大家學習和參考！

Adv. Energy Mater.：加速Li-S反應的缺陷工程：策略、機制和展望

鋰硫（Li-S）電池由于具有高能量密度和低材料成本而引起了科學界和工業界的廣泛關注。硫物種良好的反應動力學是實現其商業化的關鍵前提。近年來，通過合理化氧化還原介質來促進硫氧化還原的研究越來越多。缺陷工程可以有效暴露活性中心并優化電子結構，已迅速成為增強多硫化物調節，從而加速Li-S化學的重要策略。然而，對于Li-S領域中的缺陷工程，還缺乏一個全面的概述。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合蘇州大學孫靖宇教授綜述了近年來不同類型缺陷介體的合理設計和多硫化物調控策略的研究進展。總結了它們獨特的形態結構、優異的電化學活性和潛在的催化機理，旨在加深對缺陷介導的Li-S化學的認識。此外，還討論了在非質子反應條件下缺陷介體的原位演化，以確定真正的活性位點。最后，提出了可能會推動Li-S電池實際應用的這一快速發展的領域的機遇和前景。

Defect Engineering for Expediting Li–S Chemistry: Strategies, Mechanisms, and Perspectives. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100332

Adv. Energy Mater.：“桑拿”活化實現具有晶格缺陷的碳納米管微球助力高能長效鋰硫電池

鋰硫（Li–S）電池技術為常規鋰離子電池提供了最有希望的替代策略之一，但仍存在一些嚴重障礙，例如臭名昭著的多硫化物穿梭和反應動力學遲緩。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合華南師范大學王新教授證明在碳基硫主體材料中通過本征晶格缺陷工程可以顯著改善這些問題。具體來說，多孔碳納米管微球（ePCNTM）是通過一種可擴展的噴霧干燥方法，然后在高溫下進行臨界水蒸汽蝕刻來制備的。這種“桑拿”活化在碳晶格中構建了豐富的本征拓撲缺陷，使ePCNTM在硫氧化還原反應中具有更強的硫吸附能力和催化活性。此外，交織和高度多孔的結構提供了良好的導電性、均勻的硫分布和大量的主客體相互作用表面。結果，基于ePCNTM的硫電極實現了極好的循環性能，500次循環中平均每圈的超低容量衰減率為0.046%，高達3 C的優良倍率性能和在高硫負載下循環50次后的良好面積容量3.2 mAh cm^?2。

“Sauna” Activation toward Intrinsic Lattice Deficiency in Carbon Nanotube Microspheres for High-Energy and Long-Lasting Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100497

Nano Energy：非晶化MOF作為多功能多硫化物阻隔層實現高性能鋰硫電池

由于鋰硫（Li–S）電池中間產物的高流動性及其有害的化學/電化學副反應，導致了臭名昭著的“穿梭效應”，在Li–S電池的電化學研究中，合理的隔膜設計尤為關鍵。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合華南師范大學王新教授、河北工業大學張永光教授以MIL-88B為例，提出了一種非晶化金屬有機骨架（MOF）的新策略，以構建先進的Li–S電池隔膜。通過簡單的配體競爭法實現了非晶化反應，并且由于欠配位效應，產物對硫物種具有較高的吸附能力和催化活性。因此，采用非晶態MOF（aMIL-88B）改性隔膜的Li–S電池實現了高效、可逆的硫電化學，在1 C下循環500次后，電池的容量保持高達740 mAh g^-1，倍率性能高達5 C，并且在4.3 mg cm^-2的高硫負載下實現了高面容量。這一工作為Li–S電池多功能隔膜的開發提供了一條簡便的途徑，同時對其它相關儲能領域的先進材料缺陷工程也有一定的指導意義。

Amorphizing metal-organic framework towards multifunctional polysulfide barrier for high-performance lithium-sulfur batteries. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106094

JACS：Zn–Ag–O催化劑的“一瓶兩船”設計實現選擇性和持久的CO₂電化學還原

利用可再生能源進行電化學CO₂還原（CO₂RR）是生產碳中性燃料的一種可持續方式。不幸的是，低能量效率、低產品選擇性和快速失活是CO₂RR電催化劑最棘手的挑戰之一。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合吉林師范大學Ming Feng教授策略性地提出了一種三元Zn–Ag–O催化劑的“一瓶兩船”設計，其中ZnO和Ag相孿生，構成了一個浸入超高表面積碳基體納米孔內部的單個超細納米顆粒。通過構建Zn–Ag–O界面來調節雙金屬電子構型，其中電子離域引起的電子密度重構增強了COOH中間體的穩定性，從而有利于CO的產生，同時，通過改變生成HCOO*的高熱力學屏障的速率限制步驟，提高CO選擇性并抑制HCOOH生成。此外，孔收縮機制限制了雙金屬顆粒的納米尺寸，使其具有豐富的Zn-Ag-O異質界面和暴露的活性中心，同時阻止了納米顆粒在CO₂RR過程中的分離和團聚，提高了穩定性。所設計的催化劑實現了60.9%的能量效率和94.1±4.0%的CO法拉第效率，并在6天內具有顯著的穩定性。除了提供高性能的CO₂RR電催化劑以外，這項工作還提出了一種有前途的催化劑設計策略，以實現高效的能量轉換。

“Two Ships in a Bottle” Design for Zn–Ag–O Catalyst Enabling Selective and Long-Lasting CO₂ Electroreduction. Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c12418

Appl. Catal. B：具有N空位配位的Fe–N₂的精確合成促進電化學人工固氮

電化學人工固氮的結構與催化性能之間確定的相關性的構建仍然是一個具有挑戰性和意義的課題。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合華南師范大學王新教授探索了在互連碳上具有氮空位（VN，位于Fe原子的相反配位點）的孤立Fe原子中的配位不飽和度（Fe-N₂），以用于電催化合成氨。得益于Fe-N₂和VN雙活性中心及二者的自旋密度，新型催化劑表現出催化活性、選擇性和穩定性的協同提高。這項工作從理論上和協同上指導了催化劑的設計，并將Fe-N₂的優點與VN結構的產生、缺陷和自旋態工程的引入相結合，實現了N₂的有效吸附和活化。作者相信，該策略將激發更多的研究，以設計具有明確定義的配位不飽和單原子活性位點的高性能催化劑，用于環境氨合成和其他能量轉換系統。

Precise synthesis of Fe–N₂ with N vacancies coordination for boosting electrochemical artificial N₂ fixation. Applied Catalysis B: Environmental 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120216

Appl. Catal. B：Fe-N_x活性位點修飾的介孔碳球用于氧還原實現高性能鋁空氣流通電池

單原子鐵改性氮摻雜碳（SA-Fe-N-C）作為Pt基碳的替代物，在促進氧還原反應（ORR）方面具有廣闊的應用前景。然而，Fe-N_x的低活性中心密度和低利用率，使得這些催化劑效率低下。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合河南師范大學白正宇教授報道了一種協同聚合物-硅雙模板策略在介孔碳球（SA-Fe-N_x-MPCS）上制備致密的SA-Fe-N_x位點。由于具有密集且易于接近的SA-Fe-N_x位點，其催化活性和穩定性均優于Pt/C催化劑。此外，SA-Fe-N_x-MPCS在空氣正極中形成了具有豐富孔道的三維多孔結構，促進了傳質，增強了Fe-N_x位點的可接近性。組裝的鋁空氣流通電池具有130mw cm^?2的峰值功率密度和約2905 Wh kg_Al^?1的高重量能量密度，以及超過300 h的出色穩定放電電壓。

Densely accessible Fe-N_x active sites decorated mesoporous-carbon-spheres for oxygen reduction towards high performance aluminum-air flow batteries. Applied Catalysis B: Environmental 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120176

Energy Storage Materials：用于鋰基儲能系統的二維納米材料的合成和功能化

隨著對可再生能源間歇性有效調控需求的不斷提高，以及便攜式電子產品或電動汽車的迅速普及，未來的儲能系統提出了更高的要求。基于鋰與負極/正極電化學反應的差異，已開發出一系列基于鋰的儲能系統，包括鋰離子電池、鋰硫電池、鋰離子電容器和鋰氧電池，其高效的儲能特性激發了人們越來越多的研究熱情。然而，從目前的發展現狀來看，其在能量/功率密度、耐久性和安全性等問題上的實際性能與理論性能還存在著巨大的差距。幸運的是，二維納米材料由于其獨特的物理/化學性質，在鋰基儲能系統中得到了廣泛的應用，正逐漸縮小這一差距。因此，制備質量可控的靶向二維納米材料具有重要意義。另一方面，為了更好地解決二維納米材料在應用過程中的一些棘手問題，有必要對其進行有效的功能化修飾。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士、余愛萍教授及Jitong Wang教授綜述了二維納米材料的一般合成方法以及高性能鋰基儲能系統的功能化策略。此外，通過介紹該領域的最新研究成果，指出了功能化二維納米材料在鋰儲能中的特定作用。對這些工作的深刻理解將為設計具有先進性能的二維納米材料提供更多的想法，這些材料可用于先進電化學存儲系統，包括但不限于鋰能量存儲。

Synthesis and functionalization of 2D nanomaterials for application in lithium-based energy storage systems. Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.03.001

Angew：具有缺陷的BaTiO₃鈣鈦礦在磁場下實現高效光催化固氮

太陽能轉換與光催化固氮的高效耦合已顯示出廣闊的應用前景。然而，NH₃收率不高，制約了其應用前景。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合吉林師范大學李海波教授、馮明教授報道了一種具有缺陷的典型鈣鈦礦鈦酸鋇，其在外加磁場下表現出顯著的光催化固氮活性，NH₃產率超過1.93?mg?L^?1?h^?1。通過控制表面自旋態和氧空位，可以激發內電場和外磁場之間的電磁協同效應。X射線吸收光譜和密度泛函理論計算揭示了通過控制氧空位、誘導洛倫茲力和自旋選擇性效應來調節電子和磁性的方法。電磁效應抑制了半導體納米材料中光激發載流子的復合，這種復合協同作用促進了N₂的吸附和活化，同時有利于紫外-可見光照射下的快速電荷分離。

Magnetic-Field-Stimulated Efficient Photocatalytic N2 Fixation over Defective BaTiO3 Perovskites. Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202100726

Adv. Sci：雙金屬層狀氫氧化物多面體的分級微納米團簇作為高性能鋰硫電池的先進儲硫器

硫電極的合理結構對于尋求切實可行的鋰硫(Li–S)電池至關重要。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合河北工業大學Yan Zhao教授、張永光教授提出了一種具有獨特微納米結構的雙金屬鎳鈷層狀雙氫氧化物（NiCo-LDH）作為Li–S電池的先進儲硫材料。與單金屬共層狀雙氫氧化物（Co-LDH）相比，雙金屬結構實現了在中空多面體納米結構中組裝的更加豐富、小型化和垂直排列的LDH納米片，這在幾何上有利于主客體相互作用的界面暴露。除此之外，二次金屬的引入增強了層狀雙氫氧化物（LDH）與硫物種之間的化學相互作用，實現了硫的強固定化和催化作用，從而可實現快速持久的硫電化學。此外，有利的NiCo-LDH在結構上升級為緊密堆積的微納米團簇，其具有便利的遠程電子/離子傳導和強大的結構完整性。由于這些特性，相應的Li–S電池在800次循環內實現了優異的循環性能，每個循環的最小容量衰減為0.04%，并具有高達2 C的良好倍率性能。此外，4.3mAh cm^?2的高可逆面積容量可在5.5 mg cm^?2的高硫負載下實現。

Hierarchical Micro-Nanoclusters of Bimetallic Layered Hydroxide Polyhedrons as Advanced Sulfur Reservoir for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202003400

JACS：原位局部多硫化物注射器助力活化商業Li₂S

商業化Li₂S的活化仍然是阻礙其作為硫基鋰電池系統起始正極材料商業化的關鍵挑戰之一。

在此，滑鐵盧大學陳忠偉院士聯合美國阿貢國家實驗室Khalil Amine教授、陸俊研究員利用商業Na₂S（1-3 wt%）較低的氧化電位，作為一個原位和局部多硫化物注入器來激活商業Li₂S（70 wt%）。與應用預溶劑化氧化還原介質不同，該技術允許在較低電壓下和較低電解液（3 μL mg^–1_Li2S 在3 mg_Li2S cm^–2 和 4 μL mg^–1_Li2S at 6.5 mg_Li2S cm^–2）條件下活化商業Li₂S，無任何其他材料改性。

In Situ Localized Polysulfide Injector for the Activation of Bulk Lithium Sulfide. Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c11265

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