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教授簡介

余桂華，美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程系、機械工程系終身教授，英國皇家化學會和物理學會會士、美國科學促進會（AAAS）、美國化學會（ACS）、材料研究學會（MRS）、電化學學會（ECS）、礦物、金屬與材料學會（TMS）成員。2003年本科畢業于中科大化學系，并獲本科生最高獎“郭沫若獎學金”，2009年于哈佛大學獲得博士學位，師從美國科學院院士和世界納米領域著名科學家Charles Lieber教授，博士畢業后前往斯坦福大學從事博士后研究工作，師從鮑哲楠和崔屹教授，2012年加入德克薩斯大學奧斯汀分校從事科研工作至今。

曾獲得/入選：美國TMS Brimacombe獎章（2021）、Blavatnik 國家獎（2021）、IAAM獎章（2021）、連續三年Web of Science高被引科學家（2018-2020）、IUPAC應用聚合物科學創新獎（2020）、世界頂尖科學家論壇杰出青年科學家（2020）、富蘭克林杰出研究、教學和服務獎（2020）、IUPAC100周年青年化學家獎（2019）、納米能源青年創新獎（2019）、美國化學會杰出青年科學家獎（2018）、美國化學會能源科技新興領袖獎（2018）、美國能源部早期研究生涯獎（2018）、美國TMS早期職業研究員獎（2017）、Small青年研究員獎（2017）、斯隆研究獎（2016）、美國化學會ACS-PRF青年研究員獎（2015）、麻省理工評選的全球35位杰出青年創新人物（2014）、IUPAC青年化學家獎（全球最佳論文研究五名獲獎者之一）（2010）等。

其研究重點是新型功能納米材料的合理設計和合成，特別是有機和有機-無機雜化納米材料，對其化學和物理性質的表征和探索，開發大規模組裝和集成方法，以使其在能源、環境和可持續性方面具有重要的技術應用。已在Science、Nature、 Nat. Rev. Mater.、Nat. Mater.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、PNAS、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、Chem、Joule、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、ACS Nano、ACS Cent. Sci.、ACS Energy Lett.、Mater. Today、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等國際著名期刊上發表論文230多篇，被引42000多次，H指數108。目前擔任ACS Mater. Lett.副主編，Chem、Cell Reports Physical Science、Chemical Society Reviews、ACS Central Science、Chemistry of Materials、Nature Scientific Reports、Energy Storage Materials、Nano Research、Science China Materials、Science China Chemistry、Batteries & Supercaps、Energy & Environmental Materials、Frontiers in Energy Research、PLOS ONE、Applied Nanoscience、Energies等期刊編委。

課題組主頁：http://yugroup.me.utexas.edu/

下面筆者簡單盤點了2021上半年余桂華教授的重要工作進展，以供大家參考！

Angew：氧化還原液流電池離子導電膜的化學和微觀結構進展

對功率和能量進行解耦控制的氧化還原液流電池 (RFB) 被認為是最有前景的電網規模儲能技術之一。然而，由于缺乏合適的離子導電膜，具有高往返效率、高倍率能力和長循環壽命的RFB在實際應用中的發展受到高度限制。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人在此全面回顧了RFB離子導電膜的最新進展。在分子水平上總結了最近報道的RFB膜的設計原理，重點是新的化學、新的微觀結構和創新的制造策略。該領域近年來取得了很大進展，根據分離層的微觀結構，膜主要分為致密型和多孔型。致密膜特別關注高分子材料的分子結構和化學，而多孔膜則側重于化學、孔結構和制造策略的創新。這篇綜述強調了在RFB膜中構建離子傳輸通道的合理設計，以實現高離子電導率、高選擇性和長期穩定性。此外，還討論了該領域的未來挑戰和前景。

A Chemistry and Microstructure Perspective on Ion Conducting Membranes for Redox Flow Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202105619

EES：通過將鈍化膜轉變為固態電解質界面實現高性能鎂金屬電池

鎂離子電池由于其高理論容量、相對較高的電位和鎂含量豐富，被認為是鋰離子電池有前景的替代品。然而，Mg²⁺的沉積/剝離與電解液的氧化穩定性之間的矛盾阻礙了鎂離子電池在儲能應用中的發展。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人設計了一種無定形MgO包裹的Zn骨架作為無負極鎂電池的獨特集流體，以允許在氧化穩定的電解液中進行可逆的Mg²⁺的沉積/剝離。六方Zn和MgO之間的顯著晶格失配會引起位錯，導致高度缺陷的界面相。該層表現為混合離子電子導體，在沉積時形成鎂納米顆粒。結合大比表面積，所提出的集流體顯著改善了電荷轉移動力學，并將 Mg²⁺沉積/剝離的電池阻抗降低為典型Mg金屬的1/20。此外，與廣為人知的鈍化層（<10^-13 S cm^-1）相比，Mg²⁺的相間傳導率提高了兩個數量級（~10^-11 S cm^-1）。這種特殊設計使具有非腐蝕性電解液的Mg-Li混合電池表現出2.82 V vs. Mg/Mg²⁺的高工作電壓和412.5 Wh kg^-1的能量密度。

High-performance magnesium metal batteries via switching the passivation film into a solid electrolyte interphase. Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/d1ee00614b

Small：用于太陽能水蒸發和海水淡化的碳材料

海水淡化被視為解決世界淡水短缺的有希望的解決方案。太陽能輔助海水淡化旨在克服當前海水淡化技術的高能耗，因為它使用豐富且可持續的太陽能作為唯一的能源輸入。界面太陽能蒸汽發電（SVG）因其高能量轉換效率、實施簡單和高成本效益而引起了廣泛的研究興趣。在太陽能蒸發器的所有候選材料中，碳基材料因其固有的高太陽能吸收率、高度可調的結構、易于制備、成本低和地球資源豐富而脫穎而出。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人在這篇綜述中，總結了用于開發界面SVG的碳基材料的最新進展。首先，簡要介紹了界面SVG系統的基本設計原則。然后，強調了最近在碳基太陽能蒸發器方面的努力，從人造結構到仿生結構，重點關注它們的結構-功能關系。此外，還總結了設計防鹽污漬淡化系統的策略。最后，闡述了碳基材料對太陽能蒸發技術的挑戰和機遇。

Carbon Materials for Solar Water Evaporation and Desalination. Small 2021. DOI: 10.1002/smll.202007176

AM：基于液態金屬的下一代高能量密度電池的設計原理及應用

對可再生能源需求的不斷增加，加速了鋰離子電池的研究，而能否采用高能量密度的鋰和堿金屬作為電池電極，在安全性方面仍存在激烈的爭論。最近，一組在室溫或接近室溫下呈液相的低熔點金屬和合金被報道用于電池應用，通過它們可以提高電池能量而不會出現明顯的枝晶問題。除了無枝晶特征外，液態金屬還可以基于獨特的材料特性實現各種高能量密度電池設計。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人在這篇綜述中，從機械、電化學和熱力學方面提供了液態金屬電池的設計原則。在了解理論基礎的基礎上，從工作機理、有效性評價、新穎應用等方面對目前報道的相關設計進行了總結和分析。最后還提供了最先進的液態金屬電池發展和未來前景的概述，作為進一步研究探索的參考。

Design Principles and Applications of Next-Generation High-Energy-Density Batteries Based on Liquid Metals. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202100052

AM：用于可擴展儲能系統的高性能厚電極的基礎認識到工程設計

對可再生能源不斷增長的需求要求追求具有更高能量/功率輸出的電池。厚電極設計被認為是高能電池的一種有前景的解決方案，因為它可以最大限度地減少設備級別的非活性材料比率。目前的大部分研究都集中在將電極厚度推到最大極限；然而，很少有人徹底分析電極厚度對電池級能量密度的影響以及能量和功率密度之間的平衡。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授、布魯克海文國家實驗室Esther S. Takeuchi教授等人提供了對電極厚度與其他關鍵設計參數（例如活性材料分數和電極孔隙率）的綜合影響的實際評估，這些參數會影響Li-LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂（Li–NMC622) 和鋰硫 (Li–S)兩種模型電池系統的電池級能量/功率密度。基于最先進的鋰電池，對關鍵研究目標進行了量化，以實現500 Wh kg^–1/800 Wh L^–1電池級能量密度，并闡述了同時提高能量/功率輸出的策略。此外，在實現可擴展的高能/大功率能量存儲系統方面，還突出了剩余的挑戰。

From Fundamental Understanding to Engineering Design of High-Performance Thick Electrodes for Scalable Energy-Storage Systems. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202101275

Angew：混合電解液工程助力安全和寬溫度氧化還原流電池

電解液是氧化還原液流電池(RFB)的重要組成部分，它決定了電池的電流容量、電位窗口和安全性，但水系和非水系電解液都有其固有的局限性。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人開發了概念驗證的混合電解液化學，以實現安全和寬溫RFB的設計。除了不可燃的特性外，混合電解液還繼承了高電化學穩定性和寬工作溫度范圍。它具有2.5 V的電位窗口，并可在低溫下保持高離子電導率。它還能使LiI實現>99.9 %的高庫侖效率，并顯示出超過800 次循環的長循環穩定性。此外，它使Zn/LiI RFBs在-20 °C下成功運行了150次循環，幾乎沒有容量損失。這項研究強調了混合電解液化學在寬溫度范圍內實現安全和高性能大規模儲能系統的巨大潛力。

Hybrid Electrolyte Engineering Enables Safe and Wide-Temperature Redox Flow Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202102516

EES：一種單活性中心鐵催化劑助力硝酸鹽選擇性合成氨

隨著未來化肥和可再生能源行業的全球發展目標，通過經濟和環境友好的技術追求可持續氨(NH₃)生產的必要性正在增長。硝酸鹽還原電合成氨是環境氮污染治理和人工養分循環利用的重要途徑。然而，很難通過競爭反應（例如析氫反應）調節高效和選擇性氨生產的反應途徑，特別是在水系條件下。

受獨特且可調的局部電子結構的啟發，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人報道了一種鐵基單原子催化劑。作者在此展示了一種聚合物-水凝膠策略，用于制備在碳上具有均勻原子分散的氮配位Fe位點。該催化劑的最大NH₃產率為 2.75 mg_NH3 h^-1 cm^-2（約 30 mol_NH3 h^-1 g_Fe^-1），法拉第效率接近100%。此外，在孤立原子狀態下的催化性單個Fe位點顯示出比金屬Fe納米粒子高12倍的轉換頻率。實驗證據表明，單中心Fe會經歷一個被硝酸鹽占據的過渡中心，這會阻止水吸附作為本體催化劑通常存在的競爭反應。對局部結構的理論見解進一步有助于更好地理解和支持Fe單原子催化劑對NH₃的高選擇性。

A single-site iron catalyst with preoccupied active centers that achieves selective ammonia electrosynthesis from nitrate. Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/d1ee00545f

AFM：通過水凝膠基膜蒸餾實現高產量和低成本太陽能水凈化

作為一種環保手段，太陽能水凈化在材料設計、系統工程和能源管理方面引起了廣泛的研究興趣。然而，低產水量和相對較高的成本從根本上限制了其實用潛力。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授、Fei Zhao博士、深圳大學趙辰陽教授等人開發了一種基于水凝膠的超薄膜 (HUM)，以協同協調促進蒸汽轉移和太陽能驅動膜蒸餾的環境能量收集。蒸發前沿直接暴露在氣流中，從根本上消除了溫度極化引起的能耗。因此，輸出流的濕度顯著增加，蒸汽收集率上升到80%以上，并在沒有任何能量回收和冷卻附件的情況下，實現 2.4 kg m^–2 h^–1的高產水量。原材料成本為0.36美元 m^-2的HUM提供了約0.3-1.0美元 m^-3的具有競爭力的淡水生產潛在成本。這項工作展示了一種基于可持續能源的有前途的膜蒸餾策略，可用于分散式水凈化和大規模水處理。

High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202101036

AM：高能量密度氧化還原液流電池有機共晶電解質的通用設計方法

憑借強大的分子相互作用，共晶電解質無需其他輔助溶劑即可提供高濃度的氧化還原活性材料，從而實現氧化還原液流電池(RFB)的高體積容量和能量密度。然而，揭示該系統的潛在機制至關重要，這無疑將有利于未來對高儲能系統的研究。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授、蘇州大學趙宇教授等人研究了有機共晶電解質(OEE)的一般形成機制，結果發現具有特定官能團的分子，如羰基 (C=O)、硝酰基自由基 (N=O?) 和甲氧基 (OCH₃)基團，可與堿金屬氟化磺酰亞胺鹽（尤其是雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺，TFSI）配位，從而形成OEE。分子設計進一步證明，氧化還原惰性的甲氧基官能化二茂鐵衍生物將液體OEE保持在還原和氧化狀態。在鋰混合電池中，溶解度增加了三倍以上（二茂鐵衍生物OEE 為 2.8 m），并且實際放電能量密度高達188 Wh L^-1（理論值的75%）。所建立的機制為開發高能量密度有機RFB提供了通過分子相互作用設計理想電解質的新方法。

General Design Methodology for Organic Eutectic Electrolytes toward High-Energy-Density Redox Flow Batteries. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202008560

AFM：具有多硫化物錨定和轉化活性的Fe₃C/N共摻雜碳納米盒助力Li-S電池

氧化還原動力學遲緩、穿梭效應、導電性差、硫體積變化大等限制了鋰硫電池的實際應用。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授、大連理工大學賀高紅教授、Xiangcun Li教授等人通過粉碎嵌在聚丙烯腈（PAN）纖維中的Fe₂O₃制備了一種由N摻雜碳納米纖維連接的空心、多孔和項鏈狀Fe₃C/N共摻雜碳納米盒（Fe₃C/NC），其具有多硫化物錨定和催化轉化活性，可用作多功能硫載體。實驗和理論分析研究表明，納米盒中均勻分布的Fe₃C和N單元可以顯著抑制多硫化物穿梭效應。多硫化物（LiPSs）在放電過程中被催化轉化為Li₂S。該過程依賴于通過N摻雜碳納米纖維的快速電子轉移和通過多孔納米盒殼促進的Li⁺擴散。納米盒結構提高了LiPSs的高硫負載和體積變化耐受性，并形成氧化還原反應的協同催化。結果，鋰硫電池在1 C下循環240次后的高容量為645 mAh g^?1，在0.2 C和高硫負載為5 mg cm^?2時循環100次后的高容量為712 mAh g^?1。

Pulverizing Fe₂O₃ Nanoparticles for Developing Fe₃C/N-Codoped Carbon Nanoboxes with Multiple Polysulfide Anchoring and Converting Activity in Li-S Batteries. Adv. Funct. Mater. 2021. DOI: 10.1002/adfm.202011249

EES：用于高性能儲能系統的穩定有效的聚共晶電解質

固態聚合物電解質（SPE）是下一代固態堿金屬電池現有液態電解質的有前途的替代品，具有更好的安全性和更高的性能。現有的SPE存在離子電導率低以及滿足實際應用的化學成分有限的問題。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授、蘇州大學趙宇教授等人報道了一類用于高性能儲能應用的新型聚共晶電解質(PEE)。研究發現堿性雙（三氟甲磺酰基）亞胺 (TFSI) 鹽（LiTFSI、NaTFSI和KTFSI）與N-異丙基丙烯酰胺分子（聚合物前體）之間的相互作用在共晶電解質的形成和隨后的聚合過程中起著重要作用。制備的PEE在室溫下表現出1.3 × 10^-4 S cm^-1的高離子電導率和寬電化學窗口，在對稱電池和全固態堿金屬電池中均具有高容量和優異的穩定性。同時，當用作氧化還原液流電池的隔膜時，與商用Celgard隔膜（約95%）相比，改性隔膜顯示出更高的電池庫侖效率（接近99.9%）。這項工作的結果展示了PEE在高性能電能存儲系統中的有效性和多功能性。

Polyeutectic-based stable and effective electrolytes for high-performance energy storage systems. Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/d0ee03100c

AFM：液態合金使固態電池具有共形電極-電解質界面

最近對固態堿金屬電池的研究正在將能量密度的極限推向更高的水平。然而，固態電池的發展仍然受到許多內在限制的阻礙，其中固態電解質與金屬負極之間的不相容性是引起廣泛研究關注的關鍵問題。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人報道了一種具有固態聚合物電解質的液態Na-K合金堿離子電池，它在整個電池循環過程中提供了共形電極-電解質接觸，以證明液態金屬在高能量密度電池應用中的優越性。與固態電解質上的固態堿金屬相比，液態金屬負極在電學和物理上都觀察到了大大增強的電極-電解質界面接觸。基于液態金屬電極的對稱電池顯示出比堿金屬電極低得多的過電位和更好的循環性。結果，采用硫氰酸鈉和鐵氰化鉀離子正極的全電池均實現了超過500次循環的優異循環性能、合理的容量衰減和良好的倍率性能。通過調整聚合物電解質中的鹽類和填料種類，可以進一步提高液態金屬對電解質的潤濕性，提高離子電導率可以進一步提高這種設計的電池性能。

Liquid Alloy Enabled Solid-State Batteries for Conformal Electrode–Electrolyte Interfaces. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202010863

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震撼來襲，2021上半年余桂華教授重要工作進展大盤點！

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