专家介绍：黄富强教授
中国科学院上海硅酸盐研究所首席研究员、北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，担任中国化学会能源化学专业委员会主任，中国科学院上海硅酸盐研究所先进储能创新中心主任。长期从事无机固体化学与新能源材料与器件研究，以通讯/第一作者在Science、Nature Materials、Nature Energy、Nature Physics、Nature Catalysis、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等发表SCI论文600余篇，H因子95，他引超35000次，入选全球高被引科学家榜单；获授权发明专利120余项（国外15项）。主持科技委重点项目、国家重点研发计划、科技部973和863项目、国家杰出青年科学基金、基金委重大研究计划以及产业化等项目40余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖1项（2017年）、上海市自然科学一等奖2项（2016、2019年）。
2022年，黄富强教授团队的主要研究工作集中在锂电池、钠电池、电催化、新化合物合成以及新奇物性探索等领域。相关研究成果发表于
Nature Energy
、
Nature Physics
、
Nature Catalysis
、
Science Advances、
Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、
Nature Communications
、Energy Environ. Sci.、Mater. Sci. Eng. R和ACS Energy Lett.等国际顶刊。内容如下：
Nature Energy：
渗镧稳定高压锂电正极
针对层状金属氧化物正极高电压下发生固相晶格氧氧化析出导致结构崩坏问题，该团队创新提出了一种基于表面离子交换反应实现正极表面钝化的“渗镧”策略，在正极材料表面引入了数纳米厚、均匀且晶格相干的应变钙钛矿重构层，在高电压下可实现高价态氧在其氧空位中的可逆存储，从而显著提升了层状氧化物正极在高电压下的循环稳定性。研究测试结果表明，“渗镧”制备方法具有优异的电化学性能。以钴酸锂商用正极材料为例，通过“渗镧”方法处理后，软包全电池在4.5 V电压下循环500周，容量保持率达84.4%，而同型号商用材料循环300周后容量保持率已降至50%以下。
Stalling oxygen evolution in high-voltage cathodes by lanthurization, 2023, Nature Energy,
https://doi.org/10.1038/s41560-022-01179-3
Nature Catalysis：
离域态诱导选择性断键用于高效电催化二氧化碳还原制甲醇
甲醇（CH
3
OH）作为重要的清洁燃料和合成化学的关键前驱体，在化工行业需求旺盛。基于可再生电力驱动的电催化二氧化碳还原反应（CO
2
RR）是一种潜力巨大的可再生燃料生产技术，可在接近零碳排放的状态下将CO
2
转化为气态或液态燃料分子。基于现代软硬酸碱（HSAB）理论，
团队设计合成并解析了氰胺亚铜（Cu
2
NCN）化合物，发现Cu催化位点的电子云离域特性对CO
2
RR过程中的CH3OH选择性影响显著。
长链氰胺根 [NCN]
2−
的引入拉远了相邻的Cu原子的间距使其成为较为孤立的活性位点，在电催化CO
2
RR过程中，孤立的Cu(I)位点可抑制C−C偶联，从而减少多碳（C
2+
）产物的生成。另一方面，在强配位[NCN]
2−
阴离子的极化作用下，Cu(I)周围的电子云弥散明显，理论计算其导带底有效电子质量远低于金属Cu，呈现高度的离域态特征，即形成了更软的阳离子酸位点。软的酸性位会削弱硬碱（*O、*OR，R = H或烷基）的键连强度。因此，这种Cu(I)的电子离域态削弱了Cu−O键强度，使得 Cu−*O−CH3的这一关键反应中间体更倾向于发生Cu−O键断裂，并最终加氢生成甲醇。利用Cu
2
NCN催化剂上Cu位点的电子离域态的增强，调控了关键中间体的不同断键位点的相对强弱，实现高选择性的甲醇产物制备。
Delocalization state-induced selective bond breaking for efficient methanol electrosynthesis from CO
2
, 2022, Nature Catalysis,
https://doi.org/10.1038/s41929-022-00887-z
Nature Physics：
2M WS
2
的自旋-轨道-宇称耦合超导机制
二维超导领域一个重要方向是研究其超导在面内强临界场下的行为，寻找可以对抗超大外界磁场的超导体。这对于基础物理学研究和超导应用研究都具有重要意义。团队成员联合复旦大学修发贤教授、香港大学罗锦团教授团队首次在实验上发现了自旋-轨道-宇称耦合超导机制。
揭示出在具有拓扑能带翻转特性的二维中心对称超导体中，由于自旋-轨道-宇称耦合的影响，上临界磁场不但可以大大超过泡利极限，并且具有很强的面内各向异性。
对于深入理解具有拓扑能带翻转特性的二维中心对称超导体中的奇异超导行为具有重要意义。同时，新型层状单晶超导体2M-WS
2
在研究中所展现出的独特的物理属性也表明其在探究高阶拓扑超导和新器件方面具有较好的研究价值。
Spin–orbit–parity coupled superconductivity in atomically thin 2M-WS
2
, 2022, Nature Physics,
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01812-8
Nature
Physics：
奇异金属Nernst效应的反常增强
奇异金属态在铜氧化物高温超导体、铁基超导体、重费米子体系等几乎所有主要的强关联电子体系中普遍存在。然而，其物理机制目前仍不清楚，是现代凝聚态物理学中最重要的谜团之一。探寻奇异金属态的普遍性质并理解背后的机制也为高温超导和量子临界等研究提供了巨大的机遇。在面对这一关键问题时，标准的费米液体理论失效，使得人们对奇异金属的理解捉襟见肘。
团队首先在过渡金属硫族化合物2M-WS
2
中确定了该体系具有从低温的费米液体态向高温的奇异金属态的转变。
通过Nernst效应的测量，研究团队密切跟踪了载流子转变过程中伴随的熵变。实验结果表明，在费米液体态和奇异金属态的过渡区域，即费米液体准粒子相干温度附近，出现了巨大的Nernst响应，比预期的费米液体准粒子贡献高一个数量级以上。Nernst效应的反常增强揭示了费米液体的准粒子在转变为奇异金属的载流子过程中伴随着巨大的熵变。
Anomalous enhancement of the Nernst effect at the crossover between a Fermi liquid and a strange metal, 2023, Nature Physics,
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01904-5
S
cience Advances
：
用于锌离子导体的硫族化合物电解质材料
固态锌离子电池可以从根本上消除水系统中锌阳极上的枝晶形成和氢析出。然而，在固体晶体中实现锌离子的快速传导被认为是不可能的。研究团队展示了一种氟掺杂方法，以实现Zn
2+
在介孔ZnyS
1−x
F
x
中的快速传输。氟化物离子与硫化物的替代掺杂显著降低了Zn
2+
在晶相中的迁移势垒，而具有有界二甲基甲酰胺的中孔通道使Zn
2+
能够沿着内孔表面进行无损传导。这种介孔导体具有高室温Zn
2+
电导率（0.66 mS/cm，而锂固态电解质为0.01至1 mS/cm），在固体锌离子电池中具有优异的循环性能（在5000次循环中保持89.5%的容量），在固态锌离子电容器中具有能量密度（0.04 Wh/cm
3
）。这种晶体工程方法的普遍性也在其他介孔锌硫族化物材料中得到验证，这意味着各种类型的潜在Zn
2+
导电固体电解质。
A Zinc-conducting chalcogenide electrolyte, Science Advances, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2217
Adv. Mater.
：
结合能驱动的原子剪刀调控超快高倍率钠电储能
钠离子电池因其成本低廉、资源充足，被誉为实现“双碳”目标的核心储能技术之一。目前发展高能量密度、高功率密度的钠离子电池受限于高性能关键电极材料，开发具有高倍率和高容量的钠离子电池负极材料尤为重要。
团队提出原子级Ge为“化学剪刀”这一设计策略，将原子级分布的硅/锗/锡引入结构空旷的刚性导电框架中
。通过调整化学键强弱，优化晶体结构排列，成功构建了一种具有高容量、高倍率性能的钠离子电池负极材料GeTiS
3
。该材料结合了Ge基负极材料高容量以及TiS
2
负极材料高倍率的特性。对比GeTiS
3
、TiS
2
和Ge-C，在0.3 C的电流密度下，GeTiS
3
表现出最高的容量646.8 mAh g
-1
。在16 C下，仍保持227 mAh g
-1
。在电流密度为3、8、16和32 C时，GeTiS
3
负极表现了出色的长循环性能。在32 C超高倍率下循环10000次容量保持率接近100 %。该负极材料的结构设计策略可以推广到Si、Sb、Sn等合金化型负极材料设计和制备中。
Tailoring Ultrafast and High-Capacity Sodium Storage via a Binding Energy-Driven Atomic Scissor, 2022, Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.202200863
Adv. Energy Mater.：
钠电SbCrSe
3
负极，60 C循环10000圈容量保持100%！
钠离子电池（SIB）被认为是一种很有前途的大规模储能和转换装置。其中，金属Sb因其低成本、合适的工作电压和高理论容量而被认为是有前途的SIB负极。然而，块状Sb负极在钠化过程中的大体积膨胀（≈390%）会导致Sb颗粒的团聚和粉碎，从而导致较差的循环和倍率性能。
研究团队通过典型的固态反应成功合成了一种新型双金属硒化物SbCrSe
3
负极，以实现高容量储钠和高倍率性能。
通过将高容量原子Sb金属引入到用于快速充电应用的刚性Cr-Se框架中而设计了这种双功能Sb-Cr-Se结构单元。Sb原子的引入导致典型的二维层状CrSe2结构转变为链状结构，其中Sb-Se键充当“锚”以防止原子Sb迁移和聚集，共价键合主导的Cr-Se基底框架可实现增强的赝电容以用于高倍率应用。得益于这种双功能结构设计，新型SbCrSe
3
负极在0.4 C的电流倍率下提供472 mAh g-
1
的高充电容量，并在60 C下超过10000次循环后保持≈100%的容量。
Toward Extremely Fast Charging through Boosting Intercalative Redox Pseudocapacitance: A SbCrSe
3
Anode for Large and Fast Sodium Storage, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202203187
Energy Environ. Sci.
：
复合聚合物电解质与电极间稳定界面结构的研究进展
复合聚合物电解质（CPEs）具有巨大的商业化潜力，因为它们可以利用无机和聚合物电解质各自的特性，实现较高的离子电导率、更好的电极接触和优异的机械强度。然而，CPE和电极材料之间的界面仍然是阻碍聚合物固态锂电池 (PSSB) 进一步发展的关键挑战。
团队系统的综述了CPE与电极间各种界面结构的最新进展。
全面介绍了正负极与CPE之间存在的界面问题，以及出现不同界面问题的内在原因；系统总结了正极-电解质和负极-电解质界面研究的最新进展，包括电解质工程、正极/负极改性和工艺优化；探讨了不同策略对改善界面问题的内在作用机理。藉此综述，能够促进对CPE的这一界面问题的深入理解取得更大进展，从而为提高PSSB的电化学性能提供具体的解决方案，最终实现低成本、高安全性、高能量密度PSSB的商业化应用。
Research progress in stable interfacial constructions between composite polymer electrolytes and electrodes, 2022, Energy Environ. Sci., https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/ee/d1ee03466a
Mater. Sci. Eng. R：
高比能高功率超级电容器研究进展
国际激烈竞争的功率补充应用如负载跟踪、系统频率调制、无功支持、机械能量回收和新能源发电高效利用等急需分钟级功率补充电源。电化学超级电容器具有10
kW/kg以上的极高功率密度和超过1万次的循环寿命，远优于锂离子电池（<1 kW/kg，<2000次循环寿命），因此超级电容器天然适配于功率补充应用。然而，传统超级电容器能量密度仅为锂离子电池的1/10，影响其实际应用。因此，在保持高功率密度优势的同时发展兼具高比能的超级电容器，是超级电容器领域极具挑战性的世界性难题和广泛应用的最关键问题。近期，团队基于超级电容器的能量密度E与比电容C和工作电压V（E=½CV
2
）的关系，从提升电极材料比电容和工作电压两个方面出发，梳理、归纳并总结了相关研究进展。从超级电容器的历史、分类、基本原理和器件结构，以及高比能高功率超级电容器的关键问题与设计策略等多维度系统性阐述了该领域的最新研究进展，并提出了这一领域仍面临的主要挑战和未来可能的解决方案。
Materials Design and Preparation for High Energy Density and High Power Density Electrochemical Supercapacitor, 2023, Materials Science and Engineering R, https://doi.org/10.1016/j.mser.2022.100713
ACS Energy Lett.
等：低温高电压层状正极
锂离子电池的低温性能不佳给实际应用带来了一些困扰，尤其是在冬季的高海拔或高纬度地区。考虑到人口密集地区的冬季平均气温，优异的民用锂离子电池必须在-25 ºC保持其大部分容量。团队基于改善低温下电极-电解液界面相容性提升电池低温性能的指导思想设计制备了浅表层Zr掺杂和表面Li
2
Zr(PO
4
)
2
纳米颗粒散布的高微观粗糙度的按摩球状LiCoO
2
正极材料。研究了微观粗糙度与电解液-电极材料浸润性的关系，以及不同LiCoO
2
正极在不同温度和电压下的电化学性能，成功研制出兼具优异的高电压和低温性能的改性LiCoO
2
正极。在使用常规商用电解液情况下，即使在-25ºC环境温度和4.6 V下，改性LiCoO
2
正极仍表现出200 mAh g
–1
的可逆充放电容量、优异的倍率性能（137 mAh g
–1
@5 C）、高循环稳定性（94%@100圈）和库伦效率（99.9%）。此外还深入研究了低温下LiCoO
2
正极表面和体相的演化过程，阐明了改性正极优异性能的内在机理。
Superwettable high-voltage LiCoO
2
for low-temperature lithium ion batteries, 2023, ACS Energy Lett.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c02434
Nature
Communications：
具有电荷自调节效应的硫空位丰富的1T’’’-MoS
2
结构用于高效电催化析氢
六方结构的二硫化钼（2H-MoS
2
）因其低成本、高活性被认为是极具应用前景的非贵金属基析氢反应（HER）催化剂。窄带隙半导体（E
g
= 0.65 eV）的亚稳态三方1T’’’-MoS
2
晶体结构中丰富的Mo-Mo金属键可作为电子库，调节费米能级附近的电子态，调控氢的吸附/解吸过程，优化HER活性。
团队提出了一种电荷自调节的新概念，通过引入硫空位调控1T’’’-MoS
2
费米面附近的活性电子态。
为了验证电荷自调节效应，该团队通过拓扑化学反应和化学蚀刻合成了富含硫空位的缺陷态三方1T’’’-MoS
2
晶体（1T’’’-MoS
2
-V
S
）。硫空位引入导致的悬挂键激活了Mo-Mo键；活化的Mo-Mo键通过电荷自调节效应调控了活性电子态，增强了硫和氢原子之间的相互作用，促进了质子吸附及HER活性。最优的1T’’’-MoS
2
-V
S
在10 mA cm
-
2
电流密度的过电势和塔菲尔斜率（158 mV和74.5 mV dec
-
1
），远远优于有硫空位的2H-MoS
2
（2H-MoS
2
-V
S
: 369 mV和137 mV dec
-
1
)。这项研究表明层状过渡金属硫属化物中固有的金属-金属键能够调节活性电子态，从而实现高效的电催化析氢。
Charge self-regulation in 1T’’’-MoS
2
structure with rich S vacancies for enhanced hydrogen evolution activity, 2022, Nature Communications,
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33636-8
Adv. Mater.：
Ni
3
N@2M-MoS
2
构建金属异质结构促进工业级电催化分解水
目前，铂、铱、钌是全解水的高效催化剂，但其储量稀缺阻碍了进一步应用。近年来，研究人员制备了非贵金属全解水催化剂，然而大多数只在低电流密度(10-50 mA cm
-2
)下具有显著的活性。因此研究大电流密度下(>500 mA cm
-2
)的全解水催化剂十分具有挑战性。
研究团队通过结构设计制备钼镍基硫化物复合材料，并研究其在大电流密度下的全解水性能。
Ni
3
N@2M-MoS
2
电催化剂通过异质界面提供了两种相互分离的催化活性位点，能够缓解具有空间位阻效应的羟基、H
2
O的竞争性吸附。通过动力学上对羟基/H
2
O吸附解耦，同时通过Ni
3
N@2M-MoS
2
催化剂的金属性提供的高导电性，实现了在较高的电流密度在Ni
3
N位点析氢、在金属异质界面析氧。金属性的异质结构对于增加催化剂的催化活性，提高催化剂的稳定性起到关键作用，通过Ni
3
N与2M-MoS
2
中的Mo-Mo化学键之间电荷转移，能够有效的调控Ni/N原子在费米能级附近的电子结构，促进水分解析氢/析氧。
Engineering Metallic Heterostructure Based on Ni
3
N and 2M-MoS
2
for Alkaline Water Electrolysis with Industry-Compatible Current Density and Stability， 2022， Adv. Mater.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202108505
Nature Communications：
高活性铑纳米颗粒用于碱性环境电催化研究
催化剂在电化学过程的原位重构通常能够得到无定形/富缺陷的结构；更大的电化学活性面积，优化的吸附特性以及更快的电荷传输能力，能够更好地展现催化活性与稳定性。然而大多数预催化剂在电驱动下发生的都是表面重构，使得内部大量原子无法与电解液接触，原子利用率低。重构的程度与反应环境高度相关，会随着pH、温度、电解液与施加电压的变化而改变，不利于催化剂的工业应用。因此，发展出能够完全重构，并且组分简单的预催化剂对促进电化学过程的活性与稳定性具有重要意义。
研究团队从新化合物
Cs
3
Rh
2
I
9
出发，通过简易的溶解/沉积法，将其以团簇形式(~1.7 nm)铆钉在高石墨化氮掺杂碳纳米片上
。该材料在电还原条件下会自发重构，自下而上地形成富含晶界与应力的铑颗粒（~2.2 nm）。而对于块体Cs
3
Rh
2
I
9
，却只能在电还原条件下自上而下分解成大尺寸铑颗粒。在氢氧化钾和氯碱电解液中，Cs
3
Rh
2
I
9
/NC
均表现出优异的析氢活性与稳定性。
Bottom-up evolution of perovskite clusters into high-activity rhodium nanoparticles toward alkaline hydrogen evolution,
Nature Communications,
https://www.nature.com/articles/s41467-023-35783-y
Adv. Mater.
: 准一维层状反铁磁材料CrZr
4
Te
14
的负磁阻效应
二维层状磁性材料由于其奇特的物理特性，如量子反常霍尔效应，二次谐波产生，巨大的隧道磁阻。负磁阻材料在磁场中的电阻会下降，这一反常特性使其在现代磁传感器、电磁保护和自旋场效应晶体管中具有独特应用。
基于“结构功能区”的设计思想，团队设计出一种新型的准一维层状反铁磁材料CrZr
4
Te
14
。
该材料的晶体结构由一维的[CrTe
2
]磁性原子链和[ZrTe
3
]原子链通过共点连接而成，每一原子层之间通过范德瓦尔斯键堆叠而成。CrZr
4
Te
14
在6 K下发生反铁磁转变，计算表明磁性来自于具有高自旋电子态的铬离子。在强磁场下，少层的CrZr
4
Te
14
电子器件表现出巨负磁阻效应（-56%）。由于CrZr
4
Te
14
准一维结构特点，在不同方向的磁场下负磁阻行为具有明显的各向异性。
Quasi-1D van der Waals Antiferromagnetic CrZr
4
Te
14
with Large In-Plane Anisotropic Negative Magnetoresistance, 2022, Adv. Mater.
https://doi.org/10.1002/adma.202200145
今日Science：>1000Wh/kg 复合固态电解质实现室温高性能锂空电池!
2023-02-03
Nat. Catalysis：锂硫电池理论新突破助力催化剂筛选
2023-02-03
劳伦斯伯克利国家实验室Nature Energy：高通量技术量化锂沉积
2023-02-03
中科院过程所张海涛课题组EnSM：人工SEI层构筑用于废旧石墨负极表面结构修复与电化学性能再生
2023-02-03
钠离子电池 ACC. Chem. Res.：商业化钠离子电池层状氧化物正极材料的设计原则与经济可行性分析
2023-02-03
宁波大学章理远JMST：多功能不锈钢复合框架稳定钠金属电池
2023-02-03
中国科大陈维教授JACS Au：利用电催化型氢气电容解耦全pH水电解
2023-02-03
电池学术研究vs.实际应用鸿沟到底有多大？国外三大公司Nature子刊齐发声
2023-02-02
继Chem引入Li2O实现最高效率，再发NC引入LiF实现最高电导率
2023-02-02
王健/Yan Cheng/刘美男AFM：桥联MOF-碳界面催化锂离子去溶剂化以加速提升硫正极转化动力学
2023-02-02
