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他，師從崔屹院士，28歲任北航教授，入選「福布斯30歲精英榜」，2024年度成果精選！

宮勇吉，1989年生。2011年在北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，獲得本科學(xué)位；2015在美國(guó)萊斯大學(xué)獲得博士學(xué)位；2016—2017在美國(guó)斯坦福大學(xué)崔屹院士課題組從事博士后研究；2017年（28歲）加入北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。入選2017福布斯中國(guó)30位30歲以下精英榜。

主要研究方向?yàn)槎S（2D）材料的規(guī)模化合成及其在新能源、信息器件方面的應(yīng)用，包括鋰金屬電池、半導(dǎo)體器件等。在材料學(xué)相關(guān)領(lǐng)域以通訊作者或第一作者發(fā)表頂級(jí)期刊上百篇，包括Nature Synthesis, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials等。

個(gè)人主頁(yè)：http://shi.buaa.edu.cn/gongyongji/en/index.htm.

2024年，宮勇吉教授在Nat. Commun.、AEM和AFM等頂級(jí)期刊連續(xù)發(fā)表多篇高水平文章。

Nat. Commun.：高能LMBs中的宏觀均勻界面層與Li⁺傳導(dǎo)通道

鋰（Li）金屬被認(rèn)為是高能量密度可充電電池中替代石墨負(fù)極的最終負(fù)極材料。采用高面積容量正極（>6 mAh cm^-2）和低電解液注入因子（<1.5 g Ah^-1），可獲得高能量密度Li金屬軟包電池（>450 Wh kg^-1）。

然而，由于Li枝晶的生長(zhǎng)、無(wú)限體積膨脹、副反應(yīng)以及循環(huán)過(guò)程中的粉碎等問(wèn)題，高能量密度的鋰金屬軟包電池在一定的循環(huán)后往往會(huì)遇到突然失效的問(wèn)題。此外，大量的晶界固態(tài)電解質(zhì)界面，無(wú)論是自然產(chǎn)生的還是人工設(shè)計(jì)的，都會(huì)導(dǎo)致Li金屬沉積不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致鋰金屬電池（LMBs）性能不佳。

基于此，北京航空航天大學(xué)宮勇吉教授和翟朋博博士、上海空間電源研究所楊承博士（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種鋰離子選擇性傳輸層，以實(shí)現(xiàn)高效且無(wú)枝晶的Li金屬負(fù)極。

逐層組裝的質(zhì)子化氮化碳納米片具有均勻的宏觀結(jié)構(gòu)，無(wú)晶界面。基面上有序孔隙的氮化碳提供了具有低彎曲度的高速鋰離子傳承通道。因此，所組裝的324 Wh kg^-1軟包電池具有300次穩(wěn)定循環(huán)性，容量保持率為90.0%，平均庫(kù)侖效率高達(dá)99.7%。超致密鋰金屬負(fù)極使無(wú)集流負(fù)極成為可能，實(shí)現(xiàn)7 Ah電池（506 Wh kg^-1，160次循環(huán)）的高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命。本研究證實(shí)具有鋰離子導(dǎo)電通道的宏觀均勻界面層可以實(shí)現(xiàn)具有良好應(yīng)用潛力的LMBs。

Macroscopically uniform interface layer with Li⁺ conductive channels for high-performance Li metal batteries. Nat. Commun., 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-54310-1.

AFM綜述：寬溫域鋰電池的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

可充電鋰電池（RLBs）的發(fā)展為解決當(dāng)今時(shí)代面臨的能源短缺、氣候變化等問(wèn)題做出了巨大貢獻(xiàn)。隨著RLBs的應(yīng)用領(lǐng)域從便攜式設(shè)備向大型電氣設(shè)備的擴(kuò)展，迫切要求RLBs能夠在大范圍的溫度下穩(wěn)定工作。寬溫域RLBs的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到科學(xué)們的重視。因此，有必要對(duì)寬溫域RLBs領(lǐng)域的最新發(fā)展進(jìn)行及時(shí)而關(guān)鍵的概述。

基于此，北京航空航天大學(xué)宮勇吉教授和翟朋博博士、國(guó)防科技創(chuàng)新研究院Wenlei Luo（共同通訊作者）等人報(bào)道了寬溫域RLBs的最新發(fā)展情況。

在文中，作者特別關(guān)注溫度對(duì)電極材料、電解質(zhì)和電極/電解質(zhì)界面的影響，試圖闡明在寬溫度范圍內(nèi)工作影響RLBs電化學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。此外，作者還總結(jié)了提高RLBs寬溫域性能的三種具有代表性的改性策略，包括電極材料設(shè)計(jì)、電極/電解質(zhì)界面調(diào)節(jié)和電解質(zhì)成分調(diào)節(jié)。最后，作者還提出了在低溫和高溫條件下尋找提高RLBs電化學(xué)性能的有效方法的新見(jiàn)解，為寬溫域RLBs的發(fā)展提供了新的視角。

Lithium Batteries Operating at Wide Temperatures: Opportunities and Challenges. Adv. Funct. Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202417923.

AEM：鈉金屬電池異質(zhì)界面內(nèi)離子吸附-插層誘導(dǎo)共形鈉金屬沉積

鈉（Na）金屬具有較高的理論容量（1166 mAh g^-1）、較低的氧化還原電位、豐富的儲(chǔ)量和較低的成本等優(yōu)點(diǎn)，使得可充電鈉金屬電池被認(rèn)為是鋰電池的理想替代者，在大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，Na枝晶生長(zhǎng)和電極-電解質(zhì)界面不穩(wěn)定性阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

基于此，北京航空航天大學(xué)宮勇吉教授和翟朋博博士（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種新的吸附-嵌入機(jī)制，以指導(dǎo)在沉積/剝離過(guò)程中高度可逆和穩(wěn)定的親鈉界面內(nèi)的共形Na沉積。具體而言，作者制備了一種覆蓋絕緣g-C₃N₄（記為g-C₃N₄/3D-C）的3D碳支架（3D-C），并將其用作金屬鈉的多孔載體，其中親鈉性的g-C₃N₄層具有豐富的Na離子導(dǎo)電通道，保證了Na⁺通量均勻，使Na鍍均勻。

在本文中，Na離子首先吸附在g-C₃N₄層的N原子六方環(huán)中心，然后插入到g-C₃N₄與3D-C之間的異質(zhì)界面中，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的表面吸附-插層過(guò)程，引導(dǎo)共形Na沉積，抑制Na枝晶生長(zhǎng)。由于避免了合金化反應(yīng)，有效地抑制了活性金屬Na粉化和脫離的危險(xiǎn)。

此外，三維（3D）結(jié)構(gòu)有效地降低了局部電流密度，減輕了沉積/剝離過(guò)程中的體積變化，進(jìn)一步抑制了Na枝晶的形成。結(jié)果表明，利用g-C₃N₄/3D-C組裝的半電池在1 mA cm^-2和1 mAh cm^-2下循環(huán)超過(guò)2000次，平均庫(kù)侖效率（CE）高達(dá)99.92%。在5 mA cm^-2和10 mAh cm^-2的嚴(yán)格測(cè)試條件下，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)穩(wěn)定性，CE高達(dá)99.94%。

此外，使用g-C₃N₄/3D-C和Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）的電池具有良好的高倍率相容性和循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)次數(shù)超過(guò)650次，容量保持率高達(dá)87.57%。本研究提出的親Na異質(zhì)界面構(gòu)建策略為設(shè)計(jì)高性能金屬Na負(fù)極提供了新的思路。

Conformal Sodium Deposition Facilitated by Ion Adsorption-Intercalation Process within Hetero-Interface for Stable Sodium Metal Batteries. Adv. Energy Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/aenm.202403258.

AEM：陰離子還原催化誘導(dǎo)富含LiF的SEI，實(shí)現(xiàn)高性能LMBs

鋰金屬電池（LMBs）因其高能量密度，被視為下一代能源存儲(chǔ)設(shè)備的理想選擇。然而，LMBs的實(shí)際應(yīng)用一直受到鋰（Li）枝晶生長(zhǎng)不可控和Li金屬負(fù)極上固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定的制約。構(gòu)建富無(wú)機(jī)SEI被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高密度Li沉積和抑制界面副反應(yīng)，從而提高LMBs使用壽命的有效策略。

基于此，北京航空航天大學(xué)宮勇吉教授和翟朋博博士、天府絳溪實(shí)驗(yàn)室Xiaokun Zhang（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種獨(dú)特的陰離子還原催化策略，以誘導(dǎo)在商用醚/酯基電解質(zhì)體系中形成富LiF的雜化SEI。親鋰碲（Te）納米片可在還原氧化石墨烯（rGO）基底上引導(dǎo)均勻的Li成核和沉積，而鋰化產(chǎn)物L(fēng)i₂Te作為陰離子還原催化劑，對(duì)TFSI^–陰離子具有更強(qiáng)的吸附作用，促進(jìn)界面電荷轉(zhuǎn)移，從而促進(jìn)C-F鍵的分解，誘導(dǎo)形成富含LiF的SEI。

具體而言，Li₂Te對(duì)TFSI^–陰離子的吸附比石墨烯強(qiáng)得多。吸引更多的氟（F）物種參與SEI形成反應(yīng)。此外，Li₂Te誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移到電極表面吸附的TFSI^–陰離子上，促進(jìn)了分解過(guò)程。利用這些優(yōu)勢(shì)，Li₂Te作為陰離子還原催化劑，顯著催化TFSI^–轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)iF，增加了SEI中LiF的含量，提高了Li金屬負(fù)極的電化學(xué)穩(wěn)定性。

結(jié)果表明，改性Li金屬負(fù)極在半電池和對(duì)稱(chēng)電池中都表現(xiàn)出優(yōu)異的壽命。在5 mAh cm^-2下，Te修飾電極的循環(huán)壽命超過(guò)500次，平均庫(kù)侖效率（CE）高達(dá)97.8%。將Te修飾Li負(fù)極與高質(zhì)量負(fù)載LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂（NCM90）正極配對(duì)的高能量密度（405 Wh kg^-1）軟包電池在碳酸鹽電解質(zhì)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能，平均CE高達(dá)99.3%，可以穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)70次。本研究為促進(jìn)高能量密度LMBs的實(shí)際應(yīng)用提供了一種陰離子還原催化劑設(shè)計(jì)策略。

Anion-Reduction-Catalysis Induced LiF-Rich SEI Construction for High-Performance Lithium-Metal Batteries. Adv. Energy Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/anie.202213863.

Nat. Commun.：英寸級(jí)單晶單層α-In₂Se₃的準(zhǔn)平衡生長(zhǎng)

通過(guò)在兩個(gè)局部最穩(wěn)定的取向之間引入一個(gè)小的結(jié)合能差，已實(shí)現(xiàn)了具有均勻取向的二維（2D）材料的外延生長(zhǎng)。然而，這種微小的能量差在生長(zhǎng)過(guò)程中容易受到不可控動(dòng)力學(xué)的干擾，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

基于此，北京航空航天大學(xué)宮勇吉教授、湯沛哲教授和張鵬助理教授、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院丁峰研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種準(zhǔn)平衡生長(zhǎng)（QEG）策略來(lái)合成一種具有鐵電性質(zhì)的半導(dǎo)體——英寸級(jí)單層α-In₂Se₃單晶。

研究發(fā)現(xiàn)，QEG有助于區(qū)分兩個(gè)局部最穩(wěn)定取向之間結(jié)合能的微小差異，從而在寬的生長(zhǎng)窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單取向外延。因此，單晶α-In₂Se₃薄膜可以外延生長(zhǎng)在氟云母上，其解理表面原子層與α-In₂Se₃具有相同的3重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。

所得到的晶體質(zhì)量使得α-In₂Se₃鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電子遷移率高達(dá)117.2 cm² V^-1 s^-1，具有可靠的非易失性存儲(chǔ)性能，保持時(shí)間長(zhǎng)、循環(huán)耐久性強(qiáng)。總之，所開(kāi)發(fā)的QEG策略為制備更大面積的2D單晶材料提供了一條途徑，并為2D鐵電器件和納米電子學(xué)的應(yīng)用提供了一個(gè)有希望的機(jī)會(huì)。

Quasi-equilibrium growth of inch-scale single-crystal monolayer α-In₂Se₃ on fluor-phlogopite. Nat. Commun., 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-51322-9.

Nat. Commun.：可控超薄雜原子插層2D層狀材料的直接合成

二維（2D）層狀材料因其出色的電子、光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，特別是與維度相關(guān)的量子現(xiàn)象（超導(dǎo)性等），引起了科學(xué)家們極大的科學(xué)和工程興趣。對(duì)比母體2D材料，插入的3d過(guò)渡金屬（TMs）可以引入各種非凡的電子和磁性。然而，很難獲得超薄雜原子插層二維材料（UHI-2DMs）。通量輔助生長(zhǎng)（FAG）策略是一種合成層內(nèi)多元素復(fù)雜2D材料的通用方法，但這種方法是否可以合成范德華間隙中具有雜原子的復(fù)雜2D材料尚不清楚。

基于此，北京航空航天大學(xué)宮勇吉教授和湯沛哲教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了利用FAG方法合成了插層量可控的UHI-2DMs。密度泛函理論（DFT）計(jì)算揭示UHI-2DMs的熱力學(xué)穩(wěn)定性窗口非常窄，導(dǎo)致CVD合成困難。

相比之下，F(xiàn)AG方法遵循通量結(jié)晶機(jī)制，通過(guò)該機(jī)制可以提供具有精確控制化學(xué)計(jì)量比的均勻前驅(qū)體通量，并且有限的空間可以動(dòng)力學(xué)地抑制垂直方向生長(zhǎng)。因此，F(xiàn)AG可以合成具有可控插層組分的UHI-2DMs。通過(guò)FAG方法，作者制備了具有鐵磁（FM）性或反鐵磁（AFM）性的UHI-2DMs（V_1/3NbS₂、Cr_1/3NbS₂、Mn_1/3NbS₂、Fe_1/3NbS₂、Co_1/3NbS₂、Co_1/3NbSe₂和Fe_1/3TaS₂）。

其中，F(xiàn)e_1/4TaS₂的成功合成證明了FAG方法精確控制插層劑濃度的能力。選區(qū)電子衍射（SAED）表明，母體2D材料被具有特定超晶格的TMs均勻插層，因?yàn)镕e_1/3TaS₂和Fe_1/4TaS₂樣品分別出現(xiàn)了√3a×√3a和2a×2a超晶格。橫截面掃描透射電子顯微鏡（STEM）明確證實(shí)了分布在母體2D材料范德華間隙中的插層TMs。此外，還可以合成其他具有前景的UHI-2DMs，如Ni/Cu/Pd/Ag/Pt插層2D材料。

Direct synthesis of controllable ultrathin heteroatoms-intercalated 2D layered materials. Nat. Commun., 2024,

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/12/31/15af6e344f/

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