MVC储能专辑:纳米材料在能源转化和存储中的应用和发展

加拿大西安大略大学孙学良课题组

孙学良教授于2004年加盟加拿大西安大略大学(University of Western Ontario)组建纳米能源实验室(Nanomaterials and Energy Group)。近十年来,孙教授一直致力于纳米材料和清洁能源储存、转化等领域的开拓性研究,从提出和发展先进的纳米材料合成方法、研究其新颖的物理化学重要性质到其在能源储存和转化方面的重要应用,积极探索和研究其科学规律和现象。孙教授的研究范围覆盖了从基础科学到应用纳米技术,再到新兴的工程问题,所有研究都集中于发展和应用新兴纳米材料用于新能源系统。在重视和开展纳米材料和清洁能源储存、转化基础研究的同时,他也注重相关成果的应用和转化,已和工业界有着广泛的紧密合作(比如:通用汽车、巴拉德能源系统公司、加拿大国防部)。

孙教授的学术研究具有前瞻性、原创性和引领性。目前的研究集中于发展各种方法合成低维纳米材料如碳纳米管、石墨烯、半导体和金属纳米线、纳米颗粒和薄膜材料,以及应用这些先进材料于电化学能源转化和储存系统包括燃料电池和锂离子电池。经过不懈的努力和钻研,他的课题组取得了一系列瞩目的研究成果:学术论文180多篇(相关成果发表在许多国际著名杂志:Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.Adv. Function. Mater.Adv. Energy Mater.Energy Environ. Sci.Sci. Rep.NanoscaleChem. Commun.J. Mater. Chem.),一本合编著作,7部书籍章节和60多场口头报告,获10项授权美国专利和撰写60多份技术报告。在过去的10年内,申请者共获得了23项来自加拿大政府和省政府各类研究经费,总值在1000多万加元(6000多万人民币)。近十年的主要工作可以总结如下而且对发展趋势做简要展望:

第一,纳米材料的可控合成、表征以及生长机理。孙教授十年来持之以恒开展纳米材料的研究,在一维和二维纳米材料的可控生长进行了大量的探索。(a) 他的课题组成功开发出碳纳米管、石墨烯以及不同含氮量掺杂的碳纳米管和石墨烯。更有趣的是,孙教授采用电化学方法处理碳纳米管研制出石墨烯状碳颗粒,为纳米碳提供了一个新颖的合成思路,这一重要成果发表在J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 744,引用率已高达210次。(b) 孙教授拓展伽凡尼取代反应机理(Galvanic Replacement Method),研制出各种具有不同形貌的纳米金属粉末(实验室范围能合成数公斤样品),这一重要成果被Chemistry-A European Journal作为封面重点报道 (2010, 16, 10630),已得到美国授权专利(US 20110197710)。(c) 孙教授课题组采用新颖的原子层沉积技术开发出一系列纳米复合材料,比如TiO2/石墨烯复合材料被Nanotechnology作为封面重点报道(2011, 22, 165602)。孙教授的课题组采用先进的原子层沉积技术合成各种材料应用于新能源领域,包括各种燃料电池电极材料(比如Pt催化剂)和锂离子电池中的正极、负极以及固体电解质, 在这个领域是全世界为数不多的课题组之一。孙教授的研究结果证明了先进的原子层沉积技术在新能源领域显示绝对的优势.

第二,新颖的先进纳米电极材料构筑高性能可充电池。(a) 在Lithium Phostech Inc.的大力支持下,孙教授开展了LiFePO4/carbon复合正极的研究。他们合成的新颖的LiFePO4/graphene获得接近理论值的比容量,这一重要成果被Energy Environ. Sci.作为封面重点报道(2013,6, 1521)。(b) 孙教授联合美国通用公司研究了高容量的新颖负极材料,他们首次详细研究了SnO2的晶态对其和石墨烯复合负极的重要影响,重要成果被Adv.Funct. Mater.作为Frontispiece重点报道(2012, 22, 1647),而且这一成果成为该期刊2012年最高下载量的论文之一。(c) 联合加拿大皇家院士T.K. Sham以及加拿大光源中心的Dr. Jigang Zhou and Dr. XiaoyuCui,孙教授运用先进的同步辐射技术(比如:XANES、STXM)研究和深入理解锂电池的充放电机理,相关重要成果已发表(比如:Energy Environ. Sci.2012, 5, 7007; Energy Environ. Sci.2013, 6, 2900)。(d) 孙教授也开展了其他新型的可充电池。他们研制出三维纳米结构阴极材料用于锂空气电池,他们首次引入石墨烯在锂空气电池系统,获得了当时最高的比容量(8600 mAh/g),相关成果发表在Chem.Commun.(2011, 47, 9438),被”Green Car Congress” 和 “Materials Today“重点报道。最近,他们采用氮掺杂的石墨烯应用于钠空气电池,取得了目前最高的比容量(11660 mAh/g)。因此,纳米材料和先进表征技术的联合十分有益于新能源系统的应用和发展。

第三,低成本、高性能质子交换膜燃料电池的发展。(a) 孙教授长期致力于研究铂基纳米催化剂用于质子交换膜燃料电池。他首次报道Pt纳米线具有比商业Pt纳米颗粒更高的稳定性,Angew. Chem. Int. Ed.的封面报道了这一重要成果(2011,50, 422),Nat.Nanotechnol.和 Mater. Today也重点相继报道了这一成果。(b)孙教授开发了枝状纳米结构的Pt催化剂。和商业Pt/C催化剂相比,这种催化剂获得了4.4倍的催化活性和6.1倍的稳定性,达到了很高的氧还原活性:0.901 mA/cm2 Pt@0.9 V(高于美国DOE 2015年的目标:0.720 mA/cm2Pt),这一成果发表于Sci. Rep.(2013, 25,1526),已申请美国专利(US20120003563)。(c) 孙教授课题组也围绕Pt催化剂载体展开了一系列工作:碳纳米管、石墨烯以及不同含氮量掺杂的碳纳米管和石墨烯、金属氧化物纳米线、硅化金属纳米线等。和碳黑载体相比,这些新颖的载体显示了很大的优势,例如:首次提出氮掺杂石墨烯作为电催化剂,相关成果发表在Energy Environ. Sci.(2011,4,760),自2011年此报道已有112次高引用率。总之,纳米催化剂以及可控的一维结构的载体构成了燃料电池很有应用前景的电极材料。