41岁获最高国家科技奖，44岁成最年轻的两院院士，学术研究与产业化并举，这位能源大牛令人膜拜！

人物简介

陈忠伟，加拿大滑铁卢大学化学工程系教授，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大国家首席科学家，国际电化学能源科学院副主席，曾在2016年获得加拿大最高国家科技奖“E.W.R. Steacie Memorial Fellowship”，并分别于2017年和2019年当选加拿大工程院和加拿大科学院院士，是加拿大最年轻的两院院士！1975年，陈院士出生于浙江金华市磐安县，早年毕业于磐安中学，1992年考入南京工业大学硅酸盐工程专业，1999年进入华东理工大学攻读硕士学位，2002年进入美国加州大学河滨分校攻读化学工程博士学位，2007年成为美国洛斯阿拉莫斯国家实验室访问学者，2008年加入滑铁卢大学。

目前，陈院士带领一支约70人的国际顶级科研团队，致力于开发用于清洁、可持续能源技术的独特纳米结构材料，具体包括聚合物电解质膜燃料电池、锂离子电池、金属空气电池、锂硫电池和各种下一代电池的纳米结构材料开发。先后在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., JACS, Angew, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Matter, Adv. Sci.等国际著名期刊上发表论文超过350篇，被引2.7万余次，H指数为85（源自谷歌学术）。担任美国化学会旗下ACS Applied Materials & Interfaces副主编。

此外，陈院士团队的多项技术已实现产业化，他参与成立的初创公司WATTECH POWER INC.(滑铁卢大学科技公司)，致力于大型兆瓦级锌空液流储能技术的商业化推广应用。业内人士认为，这项技术的商业化转化，将为世界储能技术领域带来一个里程碑式的改变。其团队研发的前沿技术在新能源汽车开发、核电风电储能、医疗健康消费等领域也具有广阔的应用前景和市场空间。

下面笔者简单汇总了陈院士近期的工作进展，以供大家学习和参考！

Adv. Energy Mater.：加速Li-S反应的缺陷工程：策略、机制和展望

锂硫（Li-S）电池由于具有高能量密度和低材料成本而引起了科学界和工业界的广泛关注。硫物种良好的反应动力学是实现其商业化的关键前提。近年来，通过合理化氧化还原介质来促进硫氧化还原的研究越来越多。缺陷工程可以有效暴露活性中心并优化电子结构，已迅速成为增强多硫化物调节，从而加速Li-S化学的重要策略。然而，对于Li-S领域中的缺陷工程，还缺乏一个全面的概述。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合苏州大学孙靖宇教授综述了近年来不同类型缺陷介体的合理设计和多硫化物调控策略的研究进展。总结了它们独特的形态结构、优异的电化学活性和潜在的催化机理，旨在加深对缺陷介导的Li-S化学的认识。此外，还讨论了在非质子反应条件下缺陷介体的原位演化，以确定真正的活性位点。最后，提出了可能会推动Li-S电池实际应用的这一快速发展的领域的机遇和前景。

Defect Engineering for Expediting Li–S Chemistry: Strategies, Mechanisms, and Perspectives. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100332

Adv. Energy Mater.：“桑拿”活化实现具有晶格缺陷的碳纳米管微球助力高能长效锂硫电池

锂硫（Li–S）电池技术为常规锂离子电池提供了最有希望的替代策略之一，但仍存在一些严重障碍，例如臭名昭著的多硫化物穿梭和反应动力学迟缓。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合华南师范大学王新教授证明在碳基硫主体材料中通过本征晶格缺陷工程可以显著改善这些问题。具体来说，多孔碳纳米管微球（ePCNTM）是通过一种可扩展的喷雾干燥方法，然后在高温下进行临界水蒸汽蚀刻来制备的。这种“桑拿”活化在碳晶格中构建了丰富的本征拓扑缺陷，使ePCNTM在硫氧化还原反应中具有更强的硫吸附能力和催化活性。此外，交织和高度多孔的结构提供了良好的导电性、均匀的硫分布和大量的主客体相互作用表面。结果，基于ePCNTM的硫电极实现了极好的循环性能，500次循环中平均每圈的超低容量衰减率为0.046%，高达3 C的优良倍率性能和在高硫负载下循环50次后的良好面积容量3.2 mAh cm⁻²。

“Sauna” Activation toward Intrinsic Lattice Deficiency in Carbon Nanotube Microspheres for High-Energy and Long-Lasting Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100497

Nano Energy：非晶化MOF作为多功能多硫化物阻隔层实现高性能锂硫电池

由于锂硫（Li–S）电池中间产物的高流动性及其有害的化学/电化学副反应，导致了臭名昭著的“穿梭效应”，在Li–S电池的电化学研究中，合理的隔膜设计尤为关键。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合华南师范大学王新教授、河北工业大学张永光教授以MIL-88B为例，提出了一种非晶化金属有机骨架（MOF）的新策略，以构建先进的Li–S电池隔膜。通过简单的配体竞争法实现了非晶化反应，并且由于欠配位效应，产物对硫物种具有较高的吸附能力和催化活性。因此，采用非晶态MOF（aMIL-88B）改性隔膜的Li–S电池实现了高效、可逆的硫电化学，在1 C下循环500次后，电池的容量保持高达740 mAh g^-1，倍率性能高达5 C，并且在4.3 mg cm^-2的高硫负载下实现了高面容量。这一工作为Li–S电池多功能隔膜的开发提供了一条简便的途径，同时对其它相关储能领域的先进材料缺陷工程也有一定的指导意义。

Amorphizing metal-organic framework towards multifunctional polysulfide barrier for high-performance lithium-sulfur batteries. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106094

JACS：Zn–Ag–O催化剂的“一瓶两船”设计实现选择性和持久的CO₂电化学还原

利用可再生能源进行电化学CO₂还原（CO₂RR）是生产碳中性燃料的一种可持续方式。不幸的是，低能量效率、低产品选择性和快速失活是CO₂RR电催化剂最棘手的挑战之一。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合吉林师范大学Ming Feng教授策略性地提出了一种三元Zn–Ag–O催化剂的“一瓶两船”设计，其中ZnO和Ag相孪生，构成了一个浸入超高表面积碳基体纳米孔内部的单个超细纳米颗粒。通过构建Zn–Ag–O界面来调节双金属电子构型，其中电子离域引起的电子密度重构增强了COOH中间体的稳定性，从而有利于CO的产生，同时，通过改变生成HCOO*的高热力学屏障的速率限制步骤，提高CO选择性并抑制HCOOH生成。此外，孔收缩机制限制了双金属颗粒的纳米尺寸，使其具有丰富的Zn-Ag-O异质界面和暴露的活性中心，同时阻止了纳米颗粒在CO₂RR过程中的分离和团聚，提高了稳定性。所设计的催化剂实现了60.9%的能量效率和94.1±4.0%的CO法拉第效率，并在6天内具有显著的稳定性。除了提供高性能的CO₂RR电催化剂以外，这项工作还提出了一种有前途的催化剂设计策略，以实现高效的能量转换。

“Two Ships in a Bottle” Design for Zn–Ag–O Catalyst Enabling Selective and Long-Lasting CO₂ Electroreduction. Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c12418

Appl. Catal. B：具有N空位配位的Fe–N₂的精确合成促进电化学人工固氮

电化学人工固氮的结构与催化性能之间确定的相关性的构建仍然是一个具有挑战性和意义的课题。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合华南师范大学王新教授探索了在互连碳上具有氮空位（VN，位于Fe原子的相反配位点）的孤立Fe原子中的配位不饱和度（Fe-N₂），以用于电催化合成氨。得益于Fe-N₂和VN双活性中心及二者的自旋密度，新型催化剂表现出催化活性、选择性和稳定性的协同提高。这项工作从理论上和协同上指导了催化剂的设计，并将Fe-N₂的优点与VN结构的产生、缺陷和自旋态工程的引入相结合，实现了N₂的有效吸附和活化。作者相信，该策略将激发更多的研究，以设计具有明确定义的配位不饱和单原子活性位点的高性能催化剂，用于环境氨合成和其他能量转换系统。

Precise synthesis of Fe–N₂ with N vacancies coordination for boosting electrochemical artificial N₂ fixation. Applied Catalysis B: Environmental 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120216

Appl. Catal. B：Fe-N_x活性位点修饰的介孔碳球用于氧还原实现高性能铝空气流通电池

单原子铁改性氮掺杂碳（SA-Fe-N-C）作为Pt基碳的替代物，在促进氧还原反应（ORR）方面具有广阔的应用前景。然而，Fe-N_x的低活性中心密度和低利用率，使得这些催化剂效率低下。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合河南师范大学白正宇教授报道了一种协同聚合物-硅双模板策略在介孔碳球（SA-Fe-N_x-MPCS）上制备致密的SA-Fe-N_x位点。由于具有密集且易于接近的SA-Fe-N_x位点，其催化活性和稳定性均优于Pt/C催化剂。此外，SA-Fe-N_x-MPCS在空气正极中形成了具有丰富孔道的三维多孔结构，促进了传质，增强了Fe-N_x位点的可接近性。组装的铝空气流通电池具有130mw cm⁻²的峰值功率密度和约2905 Wh kg_Al⁻¹的高重量能量密度，以及超过300 h的出色稳定放电电压。

Densely accessible Fe-N_x active sites decorated mesoporous-carbon-spheres for oxygen reduction towards high performance aluminum-air flow batteries. Applied Catalysis B: Environmental 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120176

Energy Storage Materials：用于锂基储能系统的二维纳米材料的合成和功能化

随着对可再生能源间歇性有效调控需求的不断提高，以及便携式电子产品或电动汽车的迅速普及，未来的储能系统提出了更高的要求。基于锂与负极/正极电化学反应的差异，已开发出一系列基于锂的储能系统，包括锂离子电池、锂硫电池、锂离子电容器和锂氧电池，其高效的储能特性激发了人们越来越多的研究热情。然而，从目前的发展现状来看，其在能量/功率密度、耐久性和安全性等问题上的实际性能与理论性能还存在着巨大的差距。幸运的是，二维纳米材料由于其独特的物理/化学性质，在锂基储能系统中得到了广泛的应用，正逐渐缩小这一差距。因此，制备质量可控的靶向二维纳米材料具有重要意义。另一方面，为了更好地解决二维纳米材料在应用过程中的一些棘手问题，有必要对其进行有效的功能化修饰。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士、余爱萍教授及Jitong Wang教授综述了二维纳米材料的一般合成方法以及高性能锂基储能系统的功能化策略。此外，通过介绍该领域的最新研究成果，指出了功能化二维纳米材料在锂储能中的特定作用。对这些工作的深刻理解将为设计具有先进性能的二维纳米材料提供更多的想法，这些材料可用于先进电化学存储系统，包括但不限于锂能量存储。

Synthesis and functionalization of 2D nanomaterials for application in lithium-based energy storage systems. Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.03.001

Angew：具有缺陷的BaTiO₃钙钛矿在磁场下实现高效光催化固氮

太阳能转换与光催化固氮的高效耦合已显示出广阔的应用前景。然而，NH₃收率不高，制约了其应用前景。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合吉林师范大学李海波教授、冯明教授报道了一种具有缺陷的典型钙钛矿钛酸钡，其在外加磁场下表现出显著的光催化固氮活性，NH₃产率超过1.93 mg L⁻¹ h⁻¹。通过控制表面自旋态和氧空位，可以激发内电场和外磁场之间的电磁协同效应。X射线吸收光谱和密度泛函理论计算揭示了通过控制氧空位、诱导洛伦兹力和自旋选择性效应来调节电子和磁性的方法。电磁效应抑制了半导体纳米材料中光激发载流子的复合，这种复合协同作用促进了N₂的吸附和活化，同时有利于紫外-可见光照射下的快速电荷分离。

Magnetic-Field-Stimulated Efficient Photocatalytic N2 Fixation over Defective BaTiO3 Perovskites. Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202100726

Adv. Sci：双金属层状氢氧化物多面体的分级微纳米团簇作为高性能锂硫电池的先进储硫器

硫电极的合理结构对于寻求切实可行的锂硫(Li–S)电池至关重要。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合河北工业大学Yan Zhao教授、张永光教授提出了一种具有独特微纳米结构的双金属镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）作为Li–S电池的先进储硫材料。与单金属共层状双氢氧化物（Co-LDH）相比，双金属结构实现了在中空多面体纳米结构中组装的更加丰富、小型化和垂直排列的LDH纳米片，这在几何上有利于主客体相互作用的界面暴露。除此之外，二次金属的引入增强了层状双氢氧化物（LDH）与硫物种之间的化学相互作用，实现了硫的强固定化和催化作用，从而可实现快速持久的硫电化学。此外，有利的NiCo-LDH在结构上升级为紧密堆积的微纳米团簇，其具有便利的远程电子/离子传导和强大的结构完整性。由于这些特性，相应的Li–S电池在800次循环内实现了优异的循环性能，每个循环的最小容量衰减为0.04%，并具有高达2 C的良好倍率性能。此外，4.3mAh cm⁻²的高可逆面积容量可在5.5 mg cm⁻²的高硫负载下实现。

Hierarchical Micro-Nanoclusters of Bimetallic Layered Hydroxide Polyhedrons as Advanced Sulfur Reservoir for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202003400

JACS：原位局部多硫化物注射器助力活化商业Li₂S

商业化Li₂S的活化仍然是阻碍其作为硫基锂电池系统起始正极材料商业化的关键挑战之一。

在此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合美国阿贡国家实验室Khalil Amine教授、陆俊研究员利用商业Na₂S（1-3 wt%）较低的氧化电位，作为一个原位和局部多硫化物注入器来激活商业Li₂S（70 wt%）。与应用预溶剂化氧化还原介质不同，该技术允许在较低电压下和较低电解液（3 μL mg^–1_Li2S 在3 mg_Li2S cm^–2 和 4 μL mg^–1_Li2S at 6.5 mg_Li2S cm^–2）条件下活化商业Li₂S，无任何其他材料改性。

In Situ Localized Polysulfide Injector for the Activation of Bulk Lithium Sulfide. Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c11265

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/16/4b7b7162d5/

41岁获最高国家科技奖，44岁成最年轻的两院院士，学术研究与产业化并举，这位能源大牛令人膜拜！

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