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研究新突破！这位大牛，狂发顶刊150余篇，引用超3.2w次

来源：时间：2023-12-06 15:12:45 浏览：1040次

姚彦，休斯敦大学电子与计算机工程系讲席教授、德州超导中心成员，休斯敦大学能源存储微电网中心副主任，美国发明家学院高级会员，科睿唯安“全球高被引科学家”，英国皇家化学会会士。

姚彦教授2000年获复旦大学学士学位。随后继续在复旦大学攻读硕士，2003年获复旦大学硕士学位。2008年，姚彦教授获加州大学洛杉矶分校博士学位。之后在工业界和斯坦福大学从事产业化及相关的基础研究，在此期间完成了斯坦福大学博士后的研究工作。2012年，姚彦教授离开斯坦福大学，以助理教授的身份加入休斯顿大学。随后几年，姚彦教授醉心科研，先后晋升为副教授、正教授，并于2022年被休斯顿大学正式聘请为讲席教授。

十年时间里，姚教授被先后授予十余项研究奖，其带领的研究团队在Nature Materials、Nature Energy、Nature Comunications、Science Advances、J. Am. Chem. Soc、Angewan、Joule等世界顶级期刊发表高水平论文150余篇，学术性演讲讲座超过120场，论文总引用超过32000次（图1）。

图1 谷歌学术检索姚彦教授学术成果信息

姚彦教授主要从事新能源、新材料的研究，在多种电池化学体系、有机光电材料与器件领域均做出了重要贡献，尤其是对多价离子电池、水系电池、钠离子电池。

有鉴于此，笔者一览国内外顶级期刊上近期有关姚彦教授课题组发表的相关研究，介绍解读了其中部分最新研究成果，“看一看”大牛的关注点，希望能给相关领域科研工作者带来一丝启发。

最新成果解读

1. Matter：可持续壳聚糖-锌电解质用于高倍率锌金属电池

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238522004143

为了减少碳排放实现碳中和，开发用于储存可再生能源的可持续、可充电电池至关重要。其中，使用锌金属负极和水系电解质的锌电池，由于其固有的安全性、快速充放电能力、环境友好、材料丰富和低成本特性，成为人们关注的焦点。然而，锌金属负极极易产生锌枝晶，导致电池的循环稳定性迅速遭到破坏，商业化应用遥遥无期。开发具有高机械强度、高倍率能力和长循环稳定性的锌金属电池迫在眉睫。

有鉴于此，马里兰大学胡良兵教授和休斯敦大学姚彦教授设计了一种锌配位壳聚糖作为锌电池电解质。作者首先将壳聚糖生物聚合物与Zn2+饱和的氢氧化钠溶液中互溶，然后通过压缩材料挤出多余的水，形成致密的壳聚糖-Zn膜，从而形成种凝胶电解质（图2）。结果表明，高密度壳聚糖-锌电解质具有良好的可逆性、高机械强度和良好的锌沉积形貌，在50 mA cm-2的电流密度下，能够以99.7%的库伦效率循环超过1000次（图3）。此外，这种壳聚糖基电解质的可生物降解特性使制造可生物降解和可持续的锌电池成为可能。因此，该生物聚合物壳聚糖基电解质及其设计策略将推动用于绿色储能的高性能和可持续生物聚合物基电解质的发展。

图2 壳聚糖-锌电解质的设计及形貌

图3 基于壳聚糖-锌电解质的锌金属电池的电化学性能

2. Nature Communications：室温形成的电化学稳定的均质玻璃状电解质用于全固态钠电池

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30517-y

基于固态电解质和钠金属负极的全固态钠金属电池，因其高安全、低成本和高比能等显著优势，被认为是最有前景的大规模储能技术之一，但固态电解质与钠金属负极间的不稳定界面是限制全固态钠金属电池发展的最主要瓶颈。目前钠离子固态电解质主要有氧化物陶瓷基和硫化物玻璃基两大类，但两者均难以同时满足机械、化学、电化学以及制备加工等多方面的要求。

有鉴于此，美国休斯敦大学姚彦和爱荷华州立大学Martin教授团队合作，巧妙地通过将硫化物和氧化物固态电解质体系有机结合，开发出了一种新型氧硫化物Na₃PS_4-xO_x（0<x≤0.60）均质玻璃固态电解质体系（图4），实现了该电解质的超高致密度和无结构缺陷特性，使得钠金属枝晶的形成和刺穿等问题得到有效抑制。此外，新型氧硫化物玻璃固态电解质与钠金属在界面处形成了自钝化的界面SEI层，赋予该电解质体系优异的化学和电化学稳定性（图5），组装的钠金属对称电池和钠-硫全固态电池分别表现出目前文献报道最高的临界电流密度和能量密度。该研究成果进一步推动了固态钠电池的规模化应用进程。

图4 Na₃PS_4-xO_x固态电解质的结构分析

图5 基于Na₃PS_4-xO_x固态电解质的电化学性能

3. Materials Today：电化学溶胀诱导镁离子电池多孔聚合物正极实现高利用率

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000967?via%3Dihub

可充电镁电池因镁金属负极资源丰富、安全性高、体积比容量高（3833 mAh cm-3）等特点，成为大规模储能技术的潜在候选者。其中，有机聚合物作为正极材料具有来源广泛、环境友好、成本低、不含过渡金属等特点，在镁电池中的应用已经有较多报道。然而，目前报道的大部分有机聚合物正极材料在镁电解液中的容量都比较低，材料利用率比（ηMg/ηLi）也很低，这也限制了镁离子电池的大规模储能应用。

有鉴于此，深圳大学何传新教授和休斯敦大学姚彦教授联合开发了一种柔性孔状聚合物电极（PSHATN），具有98%的η_Mg/η_Li和196 mAh g^-1的可逆储存容量。通过电化学阻抗测试、原位光学显微技术测试等方法，作者证明了PSHATN电极容量与其电化学溶胀过程具有强相关性，进一步分析证明了线性聚合物不充分的电化学溶胀过程是限制离子传输和材料利用率的关键（图6）。相比于易于链段缠结的线性聚合物和具有刚性骨架的COF孔状正极材料，柔性孔状聚合物PSHATN因具有大的孔径和柔性链而使得电化学溶胀更充分，其镁离子扩散系数（10^-9 cm² s^-1）比线性聚合物（记为PAQS和PNDIE）提升了一个数量级（图7）。该研究证明了聚合物电化学溶胀过程对于提升离子传输能力和提高材料利用率具有重要作用，为镁离子电池大规模应用奠定了基础。

图6 多孔聚合物与线性聚合物的电化学溶胀示意图

图7 多孔聚合物PSHATN与线性聚合物PAQS、PNDIE的材料利用率对比

4. eScience：电解质阴离子对水系电池中聚合物电极循环寿命的影响

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667141722000027

随着传统能源的枯竭，人们对电能存储的庞大需求正在推动低成本、长循环储能装置的快速发展。考虑其需求量巨大，储能材料应选择地壳储量丰富的元素，并且可以用节能、环保的方法合成。在各种候选材料中，有机聚合物正极材料在可持续性方面表现出独特的优势。它们由储量丰富的元素（C、H和O）组成，并能通过低碳工艺合成。此外，聚合物能存储的离子种类多样，且通常比有机小分子电极具有更长的寿命，虽然一些研究已经认识到电解液的选择对聚合物电极的循环寿命存在影响，但仍缺乏对机理的深入理解。

有鉴于此，美国休斯敦大学姚彦教授团队[4]通过电化学石英晶体微天平和原位红外光谱研究，研究了电解液中阴离子对聚合物循环寿命的影响，并发现在聚苯醌基硫醚（PBQS）中存在Zn2+和阴离子混合存储机制（图8）。作者通过对电极微观结构和电池压力变化的分析，发现电极体积变化会造成电极裂纹，导致电池容量衰减。在Zn(CF₃SO₃)₂中测试的电极体积变化相比ZnSO₄减少了61%（图9）。原位红外光谱进一步揭示了体积变化程度与阴离子溶剂化结构相关，并对电池的循环寿命起主导作用。这项工作为不同聚合物电极与电池循环寿命的影响研究提供了思路。

图8 聚合物电极的储能机理

图9 基于电化学石英晶体微天平的电池压力随电化学循环的变化

参考文献

[1] Meiling Wu, Ye Zhang, Lin Xu, Chunpeng Yang, Min Hong, Mingjin Cui, Bryson C. Clifford, Shuaiming He, Shuangshuang Jing, Yan Yao, and Liangbing Hu. A sustainable chitosan-zinc electrolyte for high-rate zinc-metal batteries. Matter 5, 3402-3416. https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.07.015

[2] Xiaowei Chi, Ye Zhang, Fang Hao, Steven Kmiec, Hui Dong, Rong Xu, Kejie Zhao, Qing Ai, Tanguy Terlier, Liang Wang, Lihong Zhao, Liqun Guo, Jun Lou, Huolin L. Xin, Steve W. Martin & Yan Yao. An electrochemically stable homogeneous glassy electrolyte formed at room temperature for all solid-state sodium batteries. Nat Commun 13, 2854 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30517-y

[3] Xiaojun Wang, Hui Dong, Alae Eddine Lakraychi, Ye Zhang, Xu Yang, Hongzhi Zheng, Xinpeng Han, Xiaonan Shan, Chuanxin He, Yan Yao. Electrochemical swelling induced high material utilization of porous polymers in magnesium electrolytes. Materials Today 55, 2022, 29-36. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.04.010

[4] Ye Zhang, Lihong Zhao, Yanliang Liang, Xiaojun Wang, Yan Yao. Effect of electrolyte anions on the cycle life of a polymer electrode in aqueous batteries. eScience 2 (2022) 110–115. https://doi.org/10.1016/j.esci.2022.01.002

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