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汇总:俞书宏教授科研动态梳理

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人物简介



俞书宏,1967年8月出生于安徽庐江,材料科学家,中国科技大学化学与材料科学学院教授、副院长,合肥微尺度物质科学国家实验室纳米材料与化学研究部执行主任。


研究方向


仿生高性能纳米复合结构材料、自组装及应用;聚合物控制晶化与模拟生物矿化;多功能纳米材料的模板诱导合成和组装技术;新型无机-有机杂化材料的制备、性能与组装体功能;面向能源、环境领域应用的新型碳材料的制备和能量存储;纳米材料的光、电、磁性能调控和纳米催化效应等 。


科研动态


  1. 纳米线组装体制备柔性电子器件


来自中科大的刘建伟副教授和俞书宏教授(共同通讯)联合在Advanced Materials上发表文章,题为“Nanowire Assemblies for Flexible Electronic Devices: Recent Advances and Perspectives”。 作者介绍了由NW组装体制备柔性电子器件领域的最新发展和成就。全面讨论了构建1D、2D和3D NW组装体的不同组装策略,尤其是2D NW组装体中多种NW共组装过程。详细描述了不同NW组装体对柔性电子结构和性能的改进,阐述了有序NW组装体的优点。最后,对该领域未来的挑战和前景进行了简短的总结和展望。


文献链接:Nanowire Assemblies for Flexible Electronic Devices: Recent Advances and Perspectives, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201803430)

文章详情:中科大刘建伟&俞书宏Adv. Mater.综述:纳米线组装体制备柔性电子器件——最新进展和展望


2.新兴碳纳米纤维气凝胶

俞书宏教授(通讯作者)在Angew. Chem. Int. Ed. 发表了题为“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的综述文章,集中阐述了新兴碳纳米纤维气凝胶的化学合成与生物合成方法。首先展示了如何通过化学合成和生物合成的方法来制备碳纳米纤维(CNF)气凝胶,然后讨论了两种制备CNF气凝胶方法的合成特点,集中在结构和功能的多样性以及CNF气凝胶的物理化学性质和潜在应用。此外,作者还展示了基于可再生前驱体的CNF气凝胶与CNT和石墨烯气凝胶相比在诸多应用中具有竞争优势。


文献链接:Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis (Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663)

文章详情:中科大俞书宏Angew. Chem. Int. Ed.综述:新兴碳纳米纤维气凝胶:化学合成与生物合成


3.SiO2保护壳模板法合成Fe-N掺杂碳纳米纤维及其增强氧还原反应性能


俞书宏和梁海伟(共同通讯)作者等人通过SiO2保护壳模板方法制备,制备了一种高活性的中孔/微孔Fe-N掺杂的碳纳米纤维(Fe-N-CNFs)催化剂。SiO2保护壳不仅可以限制了铁的自由迁移,而且还限制了高温热解过程中挥发性气态物质的捕获,同时优化了Fe-N-CNFs催化剂的表面官能和多孔结构。与没有SiO2保护壳制备的催化剂相比,Fe-N-CNFs催化剂在酸性介质中具有显着提高的ORR活性和优异的稳定性。相关成果以SiO2-protected shell mediated templating synthesis of Fe-N-doped carbon nanofibers and their enhanced oxygen reduction reaction performance”为题发表在Energy & Environmental Science上。


文献链接:SiO2-protected shell mediated templating synthesis of Fe-N-doped carbon nanofibers and their enhanced oxygen reduction reaction performance(Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00673C)

文章详情:中科大Energy Environ. Sci.:SiO2保护壳模板法合成Fe-N掺杂碳纳米纤维及其增强氧还原反应性能


4.Ni-Mo-O纳米棒复合催化剂用于尿素电解高效碱性水解产氢


高敏锐教授和俞书宏教授(共同通讯)Energy Environ. Sci.发表文章,题为:Ni-Mo-O nanorod-derived composite catalysts for efficient alkaline water-to-hydrogen conversion via urea electrolysis。本文报道了一种具有高氧化态金属元素的多孔棒状NiMoO4,通过将NiMoO4xH2O作为前驱体采用退火工艺可以很容易地制备出高效的UOR电催化剂。当将保护气体从Ar切换到H2/Ar时,该前驱体得到衍生的Ni/NiO/MoOx纳米复合材料,在碱性电解质中表现出用于析氢反应(HER)的类铂活性。使用我们开发的UOR和HER催化剂分别作为阳极和阴极组装电解池可以在仅仅1.38伏的电解池电压下提供10 mA/cm2的电流密度,以及显著的稳定性,这代表了迄今为止报道的最好的非贵金属尿素电解池。研究团队的结果表明了镍钼基材料作为尿素电解槽高效电极催化剂的潜力,有望实现低成本、低能耗的H2生产方式。


文献链接:Ni-Mo-O nanorod-derived composite catalysts for efficient alkaline water-to-hydrogen conversion via urea electrolysis,(Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/c8ee00521d)

文章详情:http://www.cailiaoniu.com/140836.html


5.变天然云母粉为高性能仿生聚合物云母膜



俞书宏教授合肥工业大学陆杨教授合作,提出了“解组装-仿生组装”的制备策略,先利用天然云母粉为原料通过插层和超声破碎获得高质量超薄云母纳米片,然后将其与壳聚糖组装得到宏观仿生聚合物云母膜。利用喷涂技术将云母纳米片与壳聚糖混合溶液组装获得的仿生云母复合膜经过组分和结构优化后,当云母含量达到60%时显示出优异的机械强度(拉伸应力~260 MPa,杨氏模量16.2GPa)、良好的可见光透过率(38-65%),以及独特的紫外屏蔽性(62-100%)。经受144小时紫外照射后,拉伸性能几乎不变,证明其具有优异的抗紫外老化性能。该聚合物云母膜的整体性能优于天然片状云母以及其他粘土仿生薄膜。由于该复合薄膜的独特性能,研究人员基于该透明复合薄膜构建了高性能柔性光电检测器件。该成果以题为"Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film"发表在Nature Communications上。合肥工大2014级博士生潘晓锋和中国科大博士后高怀岭为共同第一作者。


文献链接:Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film 

文章详情:中科大俞书宏&合工大陆杨Nat. Commun.:变天然云母粉为高性能仿生聚合物云母膜


6.新型仿生人工木材


俞书宏教授课题组开发了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的技术,以传统的热固性树脂(如酚醛树脂和密胺树脂)为基体材料,成功研制了一系列的树脂基仿生人工木材。这种方法不仅可以很容易地与各种纳米材料复合来制备多功能的复合木头材料,而且很容易进行放大制备。所开发的酚醛树脂基仿生木材和密胺树脂基仿生木材不仅具有类似木头的取向孔道结构,而且其壁厚、孔道尺寸具有很好的可控性。


论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat7223

文章详情:中科大俞书宏Science Advances:新型仿生人工木材


 7.Ni-N共掺杂碳纳米纤维负载部分氧化的Ni纳米颗粒作为双功能电催化剂用于全分解水


俞书宏教授、梁海伟教授(共同通讯作者)等使用廉价的水热碳质纳米纤维、吡咯和NiCl2作为前驱体制备了Ni-N共掺杂碳纳米纤维负载部分氧化的Ni纳米颗粒(PO-Ni/Ni-N-CNFs)的纳米复合电催化剂,并在Nano Energy上发表了题为“Partially oxidized Ni nanoparticles supported on Ni-N co-doped carbon nanofibers as bifunctional electrocatalysts for overall water splitting”的研究论文。得益于有效的活性中心、介孔结构和相互连接的一维纳米纤维网络,所得纳米复合电催化剂在碱性介质中对HER和OER均表现出优异的催化活性和持久性。 此外,将PO-Ni/Ni-N-CNFs作为双功能催化剂实际应用于分解水,在1.69V的电压下达到了10mA·cm-2的电流密度。


文献链接: Partially oxidized Ni nanoparticles supported on Ni-N co-doped carbon nanofibers as bifunctional electrocatalysts for overall water splitting

文章详情:中科大俞书宏&梁海伟Nano Energy : Ni-N共掺杂碳纳米纤维负载部分氧化的Ni纳米颗粒作为双功能电催化剂用于全分解水


8.铁掺杂NiSe2纳米线的合成及其表面致密氧化


俞书宏、高敏锐(共同通讯)等人描述了直径低至1.7nm的Fe-掺杂的NiSe2超薄纳米线(UNWs)的软模板介导的胶体合成。 油胺和1-十二烷硫醇之间的协同相互作用对于产生这些UNWs是至关重要的。被限制在超薄支架表面原位形成的无定形氢氧化物层能够实现有效的氧析出电催化。UNWs在0.1 M KOH中10 mA cm-2时表现出非常低的268 mV超电势,以及卓越的长期稳定性,是最高效的无贵金属催化剂之一。相关成果以题为“Synthesis of Sub-2 nm Iron-Doped NiSe2Nanowires and Their Surface-Confined Oxidation for Oxygen Evolution Catalysis”发表在了Angewandte Chemie International Edition上。


文献链接:Synthesis of Sub-2 nm Iron-Doped NiSe2 Nanowires and Their Surface-Confined Oxidation for Oxygen Evolution Catalysis

文章详情:俞书宏Angew. Chem. Int. Ed.:铁掺杂NiSe2纳米线的合成及其表面致密氧化


9.仿生界面设计提高石墨烯基纤维的强度和电导率


俞书宏教授和合肥工业大学从怀萍研究员(共同通讯作者)研究小组受珍珠层结构设计启发,通过引入聚多巴胺衍生N-掺杂碳物种作为阻力增强剂、粘合剂和导电连接“桥”,提高了石墨烯基纤维的机械性能和电导率。所获石墨烯基纤维的拉伸强度、电导率,提高到了724 MPa和 6.6 × 104 S m−1。该研究成果以“A Bioinspired Interface Design for Improving the Strength and Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers”为题发表在Adv. Mater.上。


文献链接: A Bioinspired Interface Design for Improving the Strength and Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers

文章详情:俞书宏Adv. Mater.:仿生界面设计提高石墨烯基纤维的强度和电导率


10.高性能体型人工珍珠层仿生材料的宏量制备取得重要进展



俞书宏教授(通讯作者)倪勇教授(共同通讯作者)团队提出了由下而上的高效组装新策略,首先采用高效的溶液铸膜法将微纳基元构筑成仿珍珠层结构的二维薄膜材料,进而将所得薄膜材料进行叠合热压,最终轻易获得了大尺寸的三维体型人工珍珠层材料。由于在材料设计过程中,分别从分子尺度到宏观尺度的各个层面对材料结构进行了优化,所制备的体型材料成功地复制了天然珍珠层材料的多级结构和增韧机理,并且其力学性能可与多种自然结构材料和工程材料相媲美。这一多级组装新策略具有灵活性、高效性、普适性,可以应用到其他多种材料体系中,因此,在规模化制备三维体型人工珍珠层材料方面展现出卓越的优势,该工作为优质高效地制备面向实际应用的高性能仿生结构材料提供了新的研究思路和途径。


文献链接:Mass-production of bulk artificial nacre with excellent mechanical properties

文章详情:中科大俞书宏Nat. Commun.:高性能体型人工珍珠层仿生材料的宏量制备取得重要进展


11.大规模制备ZnS·(DETA)0.5作为硫纳米复合材料阴极前驱体



俞书宏教授和姚宏斌教授(共同通讯作者)近日在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.发表了题为“Large-Scale Syntheses of Zinc Sulfide·(Diethylenetriamine)0.5 Hybrids as Precursors for Sulfur Nanocomposite Cathodes”的文章。由于该篇论文研究内容的重要性,将其评选为VIP(Very Important Paper)文章。在前人基础上,该研究发现一种简单、高效且可大规模制备高度有序和高质量的ZnS·(DETA)0.5杂化纳米带和纳米片晶的方法——有机胺辅助回流法。


文献链接:Large-Scale Syntheses of Zinc Sulfide·(Diethylenetriamine)0.5 Hybrids as Precursors for Sulfur Nanocomposite Cathodes

文章详情:中科大俞书宏Angew. Chem. Int. Ed.:大规模制备ZnS·(DETA)0.5作为硫纳米复合材料阴极前驱体


12.大面积共组装纳米线用于柔性透明智能窗户


俞书宏教授刘建伟副研究员(共同通讯作者)等人在J. Am. Chem. Soc.发表了题为“Large Area Co-Assembly of Nanowires for Flexible Transparent Smart Windows”的研究论文,报道了大面积共组装纳米线及其在柔性电致变色器件中应用的最新研究成果。研究团队通过改进的Langmuir-Blodgett(LB)技术成功地操纵了Ag和W18O49 NWs的大面积组装,制备了双层Ag/W18O49网格结构的柔性透明导电薄膜,具有可调控的电阻(7~40Ω/sq)和光学透过率(550nm波长下透过率为58~86%)。利用该膜制备的电致变色器件表现出了非常稳定的电致变色行为,而且可以通过Ag和W18O49 NW组装结构的改变来调控其电致变色性能。与基于ITO的器件相比,该电致变色膜具有非常优异的机械稳定性,即使经过1000次以上弯曲疲劳测试(r=1.2cm)仍保持很高的导电率(ΔR/R≈8.3%)和电致变色性能(90%的保持率)。


文献链接:Large Area Co-Assembly of Nanowires for Flexible Transparent Smart Windows

文章详情:中科大俞书宏团队: 大面积共组装纳米线用于柔性透明智能窗户


13.虾壳衍生的几丁质纳米纤维膜用作锂/钠离子电池的环保隔膜


俞书宏教授姚宏斌教授(共同通讯)等人报道了一种衍生自虾壳结构,通过自组装几丁质纳米纤维制备的新型环保隔膜用于锂/钠离子电池中。研究发现,几丁质纳米纤维隔膜(CNM)的孔径可以通过调节几丁质纳米纤维自组装过程中造孔剂(柠檬酸二氢钠,SDCA)的数量来调节。通过优化CNM的孔径,具有CNM隔膜的LiFePO4/Li半电池的电化学性能可以与采用商业化聚丙烯(PP)隔膜的电池性能相媲美。更值得注意的是,CNM隔膜在LiFePO4/Li电池处于120°C条件下以及 Na3V2(PO4)3/Na电池中展现了比PP隔膜更加优异的性能。相关成果以题为“Prawn Shell Derived Chitin Nanofiber Membranes as Advanced Sustainable Separators for Li/Na-Ion Batteries”发表在了Nano Letters上。该工作的第一作者是张天文。


文献链接:Prawn Shell Derived Chitin Nanofiber Membranes as Advanced Sustainable Separators for Li/Na-Ion Batteries

文章详情:俞书宏&姚宏斌Nano Lett.:虾壳衍生的几丁质纳米纤维膜用作锂/钠离子电池的环保隔膜


14.具有分子可3D接触和重构表面的高度结晶PtCu纳米管


俞书宏教授(通讯作者)等人以“Highly crystalline PtCu nanotubes with three dimensional molecular accessible and restructured surface for efficient catalysis”为题在能源领域顶尖期刊Energy Environ. Sci.在线发表了关于PtCu纳米管制备及电催化性能研究的最新成果。研究团队通过模板法制备了具有开孔结构的PtCu纳米管,并通过透射电子显微镜(TEM)表征了其微观结构。将PtCu纳米管用于催化甲醇氧化反应(MOR)显示出了优异的电催化特性,质量比活性和面积比活性分别达到2252 mA mg-1和6.09 mA cm-2,远高于Pt/C催化剂。另外,PtCu纳米管具有很好的再生性能,简单的再成程序即可使其活性恢复甚至超过其初始水平。PtCu纳米管独特的结构、优异的电催化性能和良好的再生性能使得其在直接甲醇燃料电池(DMFC)中非常具有应用潜力。


文献链接:Highly crystalline PtCu nanotubes with three dimensional molecular accessible and restructured surface for efficient catalysis 

文章详情:俞书宏Energy Environ. Sci.: 高效催化新选择-具有分子可3D接触和重构表面的高度结晶PtCu纳米管


15.石墨烯包覆的海绵


俞书宏(通讯作者)团队在解决疏水亲油吸附剂快速吸附高粘度原油这一世界性难题方面取得了突破性进展,并于北京时间2017年4月4日在Nature Nanotechnology上发表——题为“Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill”。该成果亮点为:为吸附剂—包裹石墨烯的海绵(GWS)—提供焦耳热,降低了原油粘度并提高原油吸附速率(吸附时间降低了94.6%)。


文献链接:Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill (Nature Nanotechnology, 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.33)

文章详情:中科大俞书宏Nature Nanotechnology重磅:原油泄露噩梦的终结者——石墨烯包覆的海绵!


16.碳包覆氧化铟纳米带用于光催化高效还原二氧化碳


俞书宏课题组与德克萨斯大学John B. Goodenough课题组联合在JACS上发表了一篇题为“Photocatalytic CO2 Reduction by Carbon-Coated Indium-Oxide Nanobelts”的文章,介绍了碳包覆氧化铟材料在CO2光催化还原领域取得的最新成果。研究人员利用In(NO3)3、葡萄糖和尿素为原材料,制备得到了P-In2O3纳米带和C-In2O3纳米带,并对其光催化还原CO2的性能进行了测试。以TEOA为牺牲剂 (电子给体),负载Pt后,用于催化还原CO2转CH4和CO,测试结果显示该催化剂具备很好的增强效应。通过DFT模拟计算,对包覆碳层的作用进行了诠释,其能够促进可见光的吸收、光生载流子的分离、吸附CO2和抑制之子转化为H2。因此,C-In2O3催化剂表现出了很好的产物选择性,进一步提升了CO2还原效率。


原文链接:Photocatalytic CO2 Reduction by Carbon-Coated Indium-Oxide Nanobelts

文章详情:http://www.cailiaoniu.com/70848.html


17.具有显著增强光电性能的新型多形体硫化铜纳米异质结


俞书宏教授课题组与李震宇教授课题组合作,在多形体硫化物半导体的设计合成及光电转换应用方面取得了新进展。研究成果“Precursor Triggering Synthesis of Self-Coupled Sulfide Polymorphs with Enhanced Photoelectrochemical Properties”以封面论文发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138(39), 12913-12919),并被JACS Spotlights以“Heteronanostructure Polymorphs with Enhanced Photoelectrochemical Properties” 选为研究亮点。


论文链接:
Shi-Kui Han†, Chao Gu†, Songtao Zhao†, Sen Xu, Ming Gong, Zhenyu Li*, Shu-Hong Yu*, Precursor Triggering Synthesis of Self-Coupled Copper Sulfide Polymorphs with Enhanced Photoelectrochemical Properties, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138(39), 12913-12919.

文章详情:JACS封面论文:中科大俞书宏课题组成功合成具有显著增强光电性能的新型多形体硫化铜纳米异质结


18.仿生设计超弹性耐疲劳碳纳米组装体材料


俞书宏教授课题组的研究人员受人类足弓(下图所示)等常见宏观弹性拱结构的启发,通过巧妙的实验设计,成功制备了一种具有微观层状连拱结构的宏观尺度碳纳米组装体材料。该材料由脆性易碎的组分(无定型碳-石墨烯复合物)构筑而成,但其同时展现出高度可压缩性(垂直层方向压缩90%形变后完全恢复原状,与国际现有水平相当)、超弹性(580 mm/s的回弹速度,远高于国际已报道材料170 mm/s的最高水平;能量耗散因子约0.2,明显低于国际上已报道材料0.3~0.8的平均水平)及超强抗疲劳性能(20%应变循环压缩106次,优于国际已报道15%应变循环压缩0.5×106次和6%应变循环压缩106次的水平)。


文献链接:Super-elastic and fatigue resistant carbon material with lamellar multi-arch microstructure (Nat. Commun., 2016, DOI:10.1038/ncomms12920)

文章详情:Nat. Commun. 中科大俞书宏课题组成功制备仿生设计超弹性耐疲劳碳纳米组装体材料


19.高盐条件下单体聚合制备多孔碳气凝胶


俞书宏教授(通讯作者)和德国马克斯•普朗克胶体与界面研究所的Nina Fechler(通讯作者)Markus Antonietti(通讯作者)等人开发了一种制备高强度、低密度、高比表面积的苯酚-甲醛碳气凝胶(PFCAs)的简便、可持续、廉价的制备方法。他们采用苯酚和甲醛在无机高盐(ZnCl2盐)条件下直接聚合得到苯酚-甲醛胶块,之后经碳化发泡过程得到泡沫状的碳气凝胶。ZnCl2作为脱水剂、发泡剂和致孔剂,在制备过程中起到了关键的作用。采用该方法制备的碳气凝胶具有很低的密度(25 mg cm-3)、高比表面积(1340 m2/g)、大的微孔和中孔体积(0.75 cm3/g)。同时该制备方法使得碳气凝胶的机械强度显著提高,且省去了特殊的干燥过程。该碳气凝胶在有机污染物的吸附和分离以及能量存储等领域有着诱人的前景。该成果以“Polymerization under Hypersaline Conditions: A Robust Route to Phenolic Polymer-Derived Carbon Aerogels”为题,在线发表于近期Angew. Chem. Int. Ed.期刊上,并被选为“Hot Paper”。


文献链接:Polymerization under Hypersaline Conditions: A Robust Route to Phenolic Polymer-Derived Carbon Aerogels (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605510)

文章详情:Angew. 中科大俞书宏“Hot Paper”-高盐条件下单体聚合制备多孔碳气凝胶


20.介观尺度“组装与矿化”合成人工贝壳


俞书宏课题组首次提出一种全新的介观尺度“组装与矿化”相结合的方案,解决了多年来难以通过模拟生物体内天然材料生长过程的方法制备人工珍珠层结构材料的问题。通过高度模拟软体动物珍珠层的生长方式和控制过程,俞书宏课题组成功合成了宏观尺度仿珍珠层块体材料。不同于以前报道的仿珍珠层材料或仿生矿化方法得到的微观晶体,这是首次通过完整模拟天然珍珠层形成过程而获得的人工仿生结构材料,这种材料具有与天然珍珠层高度相似的化学组成和跨尺度的有序结构。

文献链接:
Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization, Li-Bo Mao, Huai-Ling Gao, Hong-Bin Yao, Lei Liu, Helmut Cölfen, Gang Liu, Si-Ming Chen, Shi-Kuo Li, You-Xian Yan, Yang-Yi Liu, Shu-Hong Yu*, Science 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8991.

文章详情:Science重磅: 中科大俞书宏教授 介观尺度“组装与矿化”合成人工贝壳