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前言

2019年9月10日，陳忠偉當(dāng)選加拿大皇家科學(xué)院院士。這是繼2017年當(dāng)選為加拿大工程院院士后，陳忠偉校友成為加拿大最年輕的兩院院士。他致力于燃料電池、高能硅基鋰離子電池、硅硫鋰電池、鋅空儲能電池以及超級電容器的低成本納米材料開發(fā)與創(chuàng)新，其研究領(lǐng)域包括非貴金屬催化劑、碳納米管、石墨烯、金屬納米管、納米線以及復(fù)合膜等，不少技術(shù)都被公認(rèn)為世界尖端技術(shù)。這樣一位卓越的科學(xué)家，其領(lǐng)導(dǎo)的應(yīng)用納米材料與清潔能源實驗室又是怎樣的呢？

應(yīng)用納米材料與清潔能源實驗室

研究團(tuán)隊致力于開發(fā)用于清潔，可持續(xù)能源技術(shù)的獨特納米結(jié)構(gòu)材料。具體而言，興趣在于聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC），鋰離子（Li-ion）電池，金屬空氣電池，鋰硫（Li-S）電池和各種下一代電池的納米結(jié)構(gòu)材料開發(fā)。其中包括氮摻雜碳納米管和石墨烯，獨特納米結(jié)構(gòu)金屬和金屬氧化物及創(chuàng)新的納米復(fù)合材料。

目前的研究項目

實驗室研究集中在開發(fā)高效，高性能和廉價的催化劑材料上，以使該技術(shù)的日益廣泛的商業(yè)化永存。方法涉及以下方面的研究：

1. 非貴金屬催化劑，傳統(tǒng)上是基于過渡金屬的組合，碳和氮物種；

2. 獨特的催化劑載體材料，以提供有利的Pt-載體相互作用；

3. 具有可控納米結(jié)構(gòu)的Pt和Pt合金材料，例如納米線或核-殼結(jié)構(gòu)。

研究主要集中在用于下一代可充電儲能系統(tǒng)的新型電極材料和電極架構(gòu)的設(shè)計和開發(fā)。

1.硅硫電池

當(dāng)前制造Si-S電池的技術(shù)受到陽極和陰極材料的快速容量衰減的限制，這主要是由于Si的大量變化引起陽極的嚴(yán)重破裂和粉碎以及中間多硫化鋰的溶解。產(chǎn)物中的電解質(zhì)和Li₂S的絕緣性。研究小組正在開發(fā)新技術(shù)，以穩(wěn)定高性能Si-S電池的Si陽極和S陰極。

2.超級電容器

與鋰電池相比，超級電容器具有更高的功率，但能量更低。團(tuán)隊主要致力于開發(fā)用于高性能不對稱超級電容器的過渡金屬氧化物-碳復(fù)合材料。特別是設(shè)計并構(gòu)建了具有離子和電子途徑的堅固的電極體系，以改善電極動力學(xué)。

3.鈉離子電池/超級電容器

鈉的豐富性使得基于Na離子的設(shè)備作為替代性可持續(xù)能源存儲系統(tǒng)非常有吸引力。研究團(tuán)隊正在為Na離子電池和超級電容器開發(fā)具有快速動力學(xué)和長循環(huán)穩(wěn)定性的過渡金屬硫化物-石墨烯復(fù)合材料。

實驗室研究重點是開發(fā)新型雙功能催化劑，該催化劑能夠催化氧還原（電池放電）和氧逸出（電池充電）反應(yīng)，從而創(chuàng)造出切實可行的可充電鋅空氣電池。此外，還專注于空氣和鋅電極以及固體電解質(zhì)膜的設(shè)計和性能優(yōu)化。最后，我們旨在將這些組件組合成各種形式的可充電鋅空氣電池。

為了提高鋰電池性能，耐用性和安全性，同時降低成本，需要設(shè)計和開發(fā)獨特的納米結(jié)構(gòu)電極材料。實驗室研究重點是開發(fā)高性能陽極材料，包括納米結(jié)構(gòu)的多孔碳和高表面積石墨烯，這些材料與硅，錫/錫氧化物或其他可促進(jìn)鋰離子相互作用的材料有效結(jié)合。

可充電鋰硫（Li-S）電池是安全，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的替代能源存儲系統(tǒng)，可以與風(fēng)能和波浪能等可再生能源結(jié)合使用。我們小組致力于使用各種合成方法開發(fā)碳基（中孔碳、CNT、石墨烯）硫復(fù)合材料，以提高硫電極的表面積和導(dǎo)電性。我們的研究還致力于通過開發(fā)用于將多硫化鋰溶解和擴散到Li-S電池系統(tǒng)中的有機電解質(zhì)中的保護(hù)膜（或儲層）來提高Li-S電池的可循環(huán)性。

液流電池具有優(yōu)異的可逆性，低成本和方便的按比例放大容量等優(yōu)點，使其成為電網(wǎng)儲能應(yīng)用的理想選擇。實驗室重點是結(jié)合儲能應(yīng)用的優(yōu)勢開發(fā)具有液流系統(tǒng)的不同電池，以滿足電池的需求。

離子導(dǎo)電膜是燃料電池和電池技術(shù)中使用的重要組件。實驗室研究重點是針對這些能量存儲和轉(zhuǎn)換技術(shù)開發(fā)獨特的聚合物或復(fù)合膜。此外，還致力于開發(fā)獨特的氫氧根陰離子交換膜（AEM）。開發(fā)具有合適氫氧根離子傳導(dǎo)性的獨特AEM，可替代金屬-空氣電池和堿性燃料電池中使用的水性電解質(zhì)。

研究小組通過各種不同的技術(shù)開發(fā)先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)和材料，包括先進(jìn)的化學(xué)氣相沉積，微波輻射輔助生長，溶劑熱和簡單的濕化學(xué)技術(shù)。材料需經(jīng)過嚴(yán)格性能評估和理化特性分析，以評估其在各種應(yīng)用中的實用性，并提供有助于優(yōu)化和設(shè)計改進(jìn)功能材料的基礎(chǔ)理論。

研究小組成員掠影

2018年

2017年

2016年

參考資料：

南京理工大學(xué)新聞報道、應(yīng)用納米材料與清潔能源實驗室官網(wǎng)