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电化学大牛介绍：郭玉国！

来源：测试GO 时间：2021-08-21 00:13:06 浏览：2572次

01

人物简介

郭玉国，中科院化学所研究员（二级），国科大岗位教授，博导，“杰青","国家重点研发计划”首席科学家。

郭玉国于1978年1月出生于山东省。1994~1998年就读于青岛大学，并获学士学位。2001年获青岛大学硕士学位。2000~2001年于北京大学化学与分子工程学院进行访问研究。随后进入中国科学院化学研究所，2001年师从中科院化学所白春礼院士和万立骏研究员，2004年获物理化学专业博士学位。2004~2006年在德国马普固体研究所Joachim Maier教授实验室从事博士后研究工作。2006~2007年加入德国马普协会纳米能源化学重大项目任项目研究员，从事纳米能源材料与纳米固态离子学方面的研究。2006年12月入选化学所“引进杰出青年人才计划”，同年加入中科院分子纳米结构与纳米技术院重点实验室。2012年获得“国家杰出青年基金”，并入选“万人计划”首批青年拔尖人才，2016年任“国家重点研发计划”首席科学家，2017年入选第三批国家“万人计划”科技创新领军人才，2015年起任美国化学会期刊ACS Applied Materials & Interfaces副主编，先后担任《中国科学：化学》、Nano Research、Energy Storage Materials、ChemNanoMat、ChemElectroChem和Solid State Ionics等期刊编委。曾荣获中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖、国际电化学会ISE Tajima Prize、国际能量存储与创新联盟青年成就奖、国际电化学能源科学院IAOEES卓越研究奖、美国麻省理工学院《Technology Review》全球杰出青年创新家TR35奖、亚洲化学学会联合会FACS杰出青年化学家、中国科学院杰出青年等奖励与荣誉。

目前，郭玉国及其团队的研究方向主要包括：（1）电化学储能器件及其关键材料（锂离子电池、锂金属电池、锂硫电池、固态电池、液流电池、钠电池、镁电池等新型二次电池）；（2）高比能电池、动力电池及储能电池技术（面向5G、AI、电动汽车、规模储能等应用）；（3）纳米体系离子、电子存储与输运（纳米固态离子学、纳米电化学）等。近年来在动力电池和储能电池体系及其关键材料方面取得了系列创新性成果，研制出多种新型高性能电极材料和二次电池体系，实现了高性能电极材料的规模化生产和应用，推动了锂离子电池、锂硫电池、固态金属锂电池的科学和技术进步。先后在Nature Materials、Nature Energy、Nature Communications、Science Advanced、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Advanced Materials、Adv. Energy Mater.、Joule、Energy Environ. Sci.等国际知名期刊上发表SCI论文280多篇（图1）。

图1 郭玉国发表学术论文期刊总结

此外，谷歌学术检索郭玉国老师可以发现，其H指数为114，i10指数高达301，学术论文总引用量超过4.8万+（图2）。2014~2019连续六年被Clarivate Analytics（原汤森路透）评选为全球“高被引科学家”。出版电池材料方面英文专著1部，并著有英文专著章节1章。其中由Springer Nature出版的《Nanostructures and Nanomaterials for Batteries: Principles and Applications》一书得到诺贝尔奖获得者、国际锂电池技术先驱John B. Goodenough教授撰写序言。

图2 谷歌学术检索郭玉国个人资料

为了带领大家一览大牛风采，下面，笔者将挑选郭玉国课题组近些年来引用量较高的代表性科研成果，进行简单的汇总解读，希望能给相关领域科研工作者带来一丝启发。

02

代表性研究成果

1、Advanced Materials：纳米结构材料用于电化学储能器件（引用量：2177）

随着传统能源的枯竭，当今社会面临的最紧迫的挑战之一是研发优异的电化学能量转换和存储器件。就能量密度和功率密度而言，可充电锂离子电池和燃料电池是最有前景的研究对象。纳米结构材料由于具有高表面积、独特的尺寸效应、能显著增强动力学等特性，目前正成为新型储能器件的研究热点。普遍认为，随着科学技术的发展，纳米材料将在提高锂离子电池、甲醇燃料电池等电化学能量转换和存储器件的性能方面将发挥越来越重要的作用。

有鉴于此，中科院化学研究所的郭玉国等人^[1]系统介绍了用于锂离子电池的纳米正极材料的一些最新进展，阐述了纳米尺寸效应的优缺点以及如何解决纳米效应带来的缺点。同时，总结了用于甲醇燃料电池的铂基催化剂的最新进展及面临的各种突出问题。最后，对于纳米结构材料，作者认为未来应该关注四个方向的发展：（1）充分理解各种纳米尺寸效应并探索新的理论；（2）研究纳米结构表面特征的细节；（3）通过表面修饰等策略设计综合性能优化的纳米/微结构；（4）探索新的合成路线和新的材料。

图3 锂离子电池内部的纳米结构

2、JACS：小硫分子用于高性能锂硫电池（引用量：1371）

追求具有更高能量密度的先进储能器件一直是储能领域相关科研工作者们研究的焦点。在目前研究的高储能器件中，金属硫电池（Li-S、Na-S和Mg-S等）由于理论能量密度极高而备受关注。其中，Li-S电池的理论能量密度高达2567 Wh kg^-1（基于锂负极（~3860 mAh g^-1）和硫正极（~1675 mAh g^-1）计算），因此逐渐成为下一代高能量密度可充电电池最具潜力的研究对象。

然而，虽然能量密度几乎是当今锂离子电池的5倍，但Li-S电池的应用却面临两个主要问题。一是Li-S电池使用锂金属作为阳极，由于可能出现锂枝晶的生长，因此会存在严重的安全隐患。二是由于Li-S电池的放电过程会形成多种可溶于电解质的多硫化物，带来多硫化物的穿梭效应。此外，硫正极的电子导电性也较差。为了改善Li-S电池的综合电化学性能，相关科研工作者们做出了大量的研究，比如通过复合各种导电基体和选用新型电解质等，但取得的进展依然有限。

有鉴于此，中科院化学研究所的郭玉国等^[2]设计并提出了一种新策略：使用更小的硫同素异形体S_2-4（S₂、S₃和S₄）用于高性能Li-S电池。作者合成了具有特定孔尺寸（0.5 nm）的微孔碳基底，然后再负载硫。由于纳米孔道空间的限制，在引入硫的过程中即可实现从S₈分子到小硫分子的转化，制备出非常规小硫分子/碳复合正极材料。这种基于纳米孔限域效应的非常规硫分子/碳复合正极材料在锂-硫电池中表现出很高的比容量、优异的循环稳定性及高倍率性能。这项研究为Li-S电池用于未来便携式电子产品、电动汽车和大型储能系统等提供了可能性。

图4 Li-S电池充放电过程中S的状态

3、Advanced Functional Materials：碳包覆Fe₃O₄纳米纺锤体作为高性能锂离子电池负极材料（引用量：1262）

近年来，可充电锂离子电池由于具有较高的能量密度逐渐成为便携电子市场上使用最多的电池。但随着科学技术的快速发展，人们迫切需要更高能量密度的储能器件来满足日常需求。作为锂离子电池关键组成部分之一的电极材料决定着锂离子电池的能量密度，因此，相关科研工作者们的目光聚焦于新型的高比容量电极材料的开发与应用。

此前的负极材料主要是石墨类碳材料，这种全面商业化的负极材料由于较好的安全性和极其稳定的长循环寿命而被广泛使用。然而，石墨的理论比容量仅仅为372 mAh g^-1，过渡金属氧化物由于具有较高的理论比容量（500~1000 mAh g^-1）而备受关注。但是，大多数过渡金属氧化物都存在电子导电性差的问题，因此需要通过添加电子导电性相对其进行改性，只有极少数过渡金属氧化物（Fe₃O₄和RuO₂等）本身电导率较高，但依然需要对它们进行表面改性。碳包覆是电极材料应用最广泛的表面改性技术之一，因为碳包覆层可以显著提高电极材料的电子导电性，从而提高倍率性能。

有鉴于此，中科院化学所的郭玉国等人^[3]通过部分还原具有碳包覆的单分散纳米赤铁矿，合成了碳包覆Fe₃O₄纳米纺锤体（Fe₃O₄-C）。作者通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射和电化学测试对Fe₃O₄-C进行了表征，结果表明，作为电极材料的Fe₃O₄-C显示出了较高的可逆容量(~745 mAh g^-1，0.2 C；600 mAh g^-1，0.5 C)，其首次库伦效率及综合电化学性能均优于纳米赤铁矿和商业级磁铁矿。作者相信，该设计策略将为纳米结构过渡金属氧化物的实际应用铺平道路，从而对下一代高能量密度锂离子电池的发展起到推动作用。

图5 Fe₂O₃和Fe₃O₄-C锂化前后的粒径

4、Nature Communications：将锂容纳到具有亚微米骨架的三维集流体中以实现长寿命锂金属负极（引用量：969）

具有高能量密度和绿色安全特性的电化学储能系统（例如电池、电容器等）对于智能电网、电动汽车和便携式电子产品等各种应用至关重要。综合性能优异的电极材料是高能电池的关键。就能量密度而言，锂金属是一种非常理想的负极材料，因为它具有高达3860 mA h g ^-1 的理论比容量，并且具有最低的还原电位（-3.04 V，相比于标准氢电极）。

然而，使用锂金属作为负极面临着几个不可避免的问题。其中，最具挑战性的是循环过程中锂枝晶的形成，这会导致安全隐患并使锂金属电池面临爆炸风险。目前已经商业化的锂离子电池通常使用锂插层材料（如石墨）代替锂金属用作负极，成功地规避了这个安全隐患。但是，随着锂离子电池的能量密度接近理论值，它们逐渐开始无法满足先进储能的需求，科学家们迫切需要研制出更高能量密度的储能电池，具有极高能量密度的锂金属电池再一次走入人们的视线。如何改善锂金属负极，抑制锂枝晶的形成成为了研究的重点。此外，作为负极的关键组成部分，集流体也可能对锂负极产生重大影响。集流体影响镀锂初期的成核，这对后续镀锂的形貌起决定性作用。然而，锂金属负极集流体的作用尚未得到彻底研究。

有鉴于此，中科院化学所的郭玉国设计并制备了一种具有亚微米骨架的三维铜箔集流体，锂在亚微米尺寸的铜骨架上生长并填充三维集流体的孔隙。通过将锂金属负极容纳在三维集流体中，能够使锂金属负极摆脱锂枝晶的生长隐患，并显著提高锂金属负极的循环寿命。利用三维结构来容纳锂负极将促进对锂负极的进一步研究，同时加速锂金属电池向下一代高性能储能器件的发展。

图6 具有亚微米骨架的三维铜箔集流体的制备及表征

参考文献

[1] YuGuo Guo, JinSong Hu, and LiJun Wan. Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices. Adv. Mater. 2008, 20, 2878–2887. DOI: 10.1002/adma.200800627.

[2] Sen Xin, Lin Gu, NaHong Zhao, et al. Smaller Sulfur Molecules Promise Better Lithium–Sulfur Batteries. Journal of the American Chemical Society 2012 134 (45), 18510-18513. DOI: 10.1021/ja308170k.

[3] WeiMing Zhang, XingLong Wu, JinSong Hu, et al. Carbon Coated Fe₃O₄ Nanospindles as a Superior Anode Material for Lithium-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3941–3946. DOI: 10.1002/adfm.200801386.

[4] Yang, CP., Yin, YX., Zhang, SF. et al. Accommodating lithium into 3D current collectors with a submicron skeleton towards long-life lithium metal anodes. Nat Commun 6, 8058 (2015). DOI: 10.1038/ncomms9058.

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