WILEY人物访谈——湖南大学王双印教授

本周末WILEY人物访谈杰出青年科学家系列,我们对话的是湖南大学王双印教授。

在访谈中,王老师从理解缺陷,构筑缺陷及利用缺陷角度详细阐述给我们详细介绍了课题组在电催化剂缺陷化学领域相关研究的最新工作和进展。在谈到好奇心和独立思考是科研工作者重要的品质时,他也强调了“love your results”是保证开心工作的秘诀。


王双印,国家杰出青年基金获得者、中组部 “青年千人计划”入选者、 爱思唯尔中国高被引学者(化学)。现为湖南大学二级教授,博士生导师。2006年本科毕业于浙江大学化工系,2010年在新加坡南洋理工大学获得博士学位,随后在美国凯斯西储大学, 德克萨斯大学奥斯汀分校、英国曼彻斯特大学(玛丽居里学者)开展研究工作。主要研究方向为电催化剂缺陷化学。目前,已在国际著名期刊JACS, Angew. Chem,Adv. Mater., Nature Commun.,等期刊发表SCI论文100余篇,总引用9000余次,h-index为50。

Introduction

MVC:能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?

WSY: 我们课题组专注于电催化剂缺陷化学相关的研究。通过催化剂原子缺陷的构筑,设计高性能电催化剂,认识缺陷产生机制,理解缺陷与催化性能之间的构效关系,构建其在催化剂设计方面的应用基础,为新型催化剂的设计提供指导。主要研究思路为理解缺陷,构筑缺陷及利用缺陷,具体研究内容包括:1、以高定向热解石墨为单质碳模型催化剂,利用电化学微操作平台直接揭示了边缘缺陷的高催化活性,建立了缺陷、表面电荷与电催化性能间的构效关系;2、选择性构筑化合物催化剂本征缺陷并剖析其作用机制,建立了不同本征缺陷与电催化活性间的构效关系,揭示了化合物本征缺陷促进催化性能提升的机制;3、通过异质原子修饰本征缺陷,调控缺陷位电子结构,引入功能性化学键,赋予其新的电催化功能,阐明了缺陷位原子修饰对电催化性能提升的作用机理;此外,课题组近期还将电催化剂缺陷化学的思路拓展到光电催化体系,既提高了光电催化体系的活性,又大幅度提升了其稳定性。


Upbringing and early interest in science

MVC: 当您还在上学的时候,您想未来从事什么职业?是什么把您吸引到科学领域的呢?

WSY: 本科时候,我的专业是化学工程与工艺。事实上,在大学四年级之前,我对未来从事什么职业并不十分清晰:可能是去一家化工厂做个技术员,甚至可能远离化学化工行业。直到大四的时候,获得去日本交换留学的机会,才慢慢明确自己的兴趣与职业规划。在日本交换的一年间,我完成了本科毕业设计论文,是关于温度敏感性高分子材料的合成。当自己成功合成第一批具有温敏特性的高分子的时候,异常的兴奋,特别有成就感,这也激发了我对科学研究的兴趣。

MVC: 如果您没有走科研这条路,您现在会干什么?如果重新选择,您还会继续做学术研究吗?

WSY: 其实,人的职业选择有很多种可能性。如果重新选择,我仍然会继续做学术研究。做学术,可以不受外界约束,可以享受自由的心态与环境,可以追逐未知,可以探索精彩的微观世界,非常奇妙!


Main field of interest

MVC: 是什么促使您选择电催化剂缺陷化学作为您的研究课题?

WSY: 我们研究电催化剂缺陷化学,最早源于对碳基催化剂本征缺陷作用的好奇。早期文献报道,杂原子的掺杂可以提升碳材料电催化氧还原的活性。元素周期表中碳附近的元素基本上都曾被掺杂进碳催化剂中且都显示了或多或少性能上的提升,而机理解释多从原子间电子相互作用考量。奇怪的是,不同的原子相互作用竟然都可以获得性能的提升。仔细梳理文献发现,杂原子掺杂过程所不可避免地引入的本征缺陷的作用被普遍忽略。那么,本征缺陷到底起到多大的作用,正面的还是负面的?基于这一思考,2013年,我们自主搭建了电化学微操作平台,利用高定向裂解石墨作为模型催化剂,研究了特定位点、区域的电催化活性,发现石墨边缘缺陷具有更高的催化活性。这直接揭示了碳材料本征缺陷的催化作用。而且,我们将缺陷位表面电荷与催化活性进行了有效关联,认识了缺陷与活性间的构效关系。随后,我们开发了一系列构筑缺陷的策略,并将缺陷化学调控催化剂电子结构和活性的思路拓展到其他材料体系。还利用催化剂缺陷位本身良好的化学活泼性,对其进行功能化修饰,引入特定的原子、分子甚至颗粒,进一步研究缺陷的作用。这一系列工作,构成了我们课题组这几年的研究脉络:电催化剂缺陷化学。

MVC:您的研究组在围绕缺陷化学对于电催化剂的调控的将来有什么研究兴趣?在进一步丰富缺陷化学的理论上您有什么个人展望?

WSY: 虽然我们课题组前期在电催化剂缺陷化学研究方面有了一定认识和积累。但鉴于材料缺陷本身的复杂性,还有很多未知的东西需要去研究,比如缺陷构型、缺陷位的可控精准调节,缺陷位在催化过程中的动态演变,缺陷的环境稳定性,缺陷对不同催化体系的作用机制,以及缺陷在其他领域中的应用等等。

在丰富缺陷化学的理论方面,个人认为还需要很多的基础工作要做,而且不单单电催化领域,其他材料的应用体系,缺陷也在其中起到至关重要的作用,需要更多的交叉研究。随着表征技术的进步,对缺陷的认识将会更加深刻,利用缺陷化学指导材料设计也必将成为一个行之有效的策略。

MVC:您如何看待单原子电催化剂的研究现状和前景?

WSY: 单原子的概念自提出以来,受到了广泛的关注。单原子的特殊存在形态,也给催化领域带来了很多新奇独特的物化性质与催化性能,是催化领域研究的一个重要趋势。在单原子催化剂研究中,单原子的存在形态非常重要,而载体的缺陷位可以用来锚定单原子。通过载体缺陷类型、缺陷浓度等的调控,可以进一步调节单原子的电子结构、配位环境及其催化活性。近期,我们也基于缺陷工程的单原子催化剂相关的研究工作进行了综述总结(Small Methods, DOI: 10.1002/smtd.201800406)。目前,单原子催化剂因其低载量和高表面能等问题使其制备与应用还面临着巨大挑战。相信在科学家们的共同努力下,单原子催化在未来的能源体系中将会有着重大应用。


Major scientific achievements in your career

MVC: 对于您发表的著作,哪些是令您最骄傲的?您最喜欢的是您哪部分的研究工作?

WSY: 近五年的研究工作中,我最喜欢、具有较高影响力和系统性的工作主要有如下三个:

1、理解缺陷:从单质碳材料体系出发,研究其本征缺陷的影响。我们选择高定向热解石墨(HOPG)作为模型电极,自主搭建微区电化学平台,研究特定位点的催化行为,发现边缘缺陷位具有更好的电催化活性(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 10804)。随后,研究了缺陷表面的荷电状态,发现随着缺陷浓度的增加,电极表面电荷逐步增加。与电催化反应进行关联,最终得到了经典的“火山图”关系(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI:10.1002/anie.201810207)。

2、构筑缺陷:以Co3O4为例,本征缺陷包含氧缺陷、Co2+缺陷、Co3+缺陷。研究不同缺陷的作用机制及其对性能的影响对催化剂的设计具有指导意义。我们分别单独制造上述三种本征缺陷,发现不同类型的缺陷对表面电荷分布影响的方向与程度均不同(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5277),不同的类型的缺陷调控OER活性的机制也不同。随后,我们还系统研究了多元缺陷的协同效应,获得了性能更加优异的OER催化剂(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 5867),并利用元素晶格能的差异实现了阳离子缺陷的选择性构筑(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201805520)。

3、利用缺陷:利用缺陷位高的化学活泼性,我们实现了缺陷位的功能化修饰。首先碳缺陷位的氧原子修饰,进一步提升了催化性能(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606207)。同样,在Co3O4表面产生氧缺陷的过程中实现P原子对氧缺陷的修饰,引入新的功能性位点,从而赋予了Co3O4新的催化活性(Energy & Environmental Science, 2017, 10, 2563)。另外,我们还利用缺陷位来锚定贵金属纳米粒子,调节贵金属与氧化物载体的相互作用,实现优异的甲醇氧化电催化性能(Nano Energy, 2018, 53, 604-612)

此外,我们近期还梳理了近几年电催化剂缺陷化学的研究进展(Adv. Mater., 2017, 29, 1606459),还将等离子体技术用于电催化剂辅助合成与表面改性的系统工作进行了总结(Adv. Mater., 2018, 30, 1705850)。


Advices to youth

MVC:您认为科研人员最重要的品质是什么?您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议?

WSY: 科研人员最重要的品质是好奇心和独立思考,科学研究过程有很多未知,保持探索未知的渴望并独立思考非常重要。

对于有志从事科学研究的青年学生或学者,我有两点建议:(1)夯实基础知识,探究科学本质;(2)独辟蹊径,忌盲从热点。

MVC: 您能否用简单的几个英文单词形容下拥有快乐的实验室生活的关键

WSY: Love your results.