他，师从崔屹院士，28岁任北航教授，入选「福布斯30岁精英榜」，2024年度成果精选！
学术
2024-12-31 08:18
河南
宫勇吉，1989年生。2011年在北京大学化学与分子工程学院，获得本科学位；2015在美国莱斯大学获得博士学位；2016—2017在美国斯坦福大学崔屹院士课题组从事博士后研究；2017年（28岁）加入北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。入选2017福布斯中国30位30岁以下精英榜。主要研究方向为二维（2D）材料的规模化合成及其在新能源、信息器件方面的应用，包括锂金属电池、半导体器件等。在材料学相关领域以通讯作者或第一作者发表顶级期刊上百篇，包括Nature Synthesis, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials等。个人主页：http://shi.buaa.edu.cn/gongyongji/en/index.htm.2024年，宫勇吉教授在Nat. Commun.、AEM和AFM等顶级期刊连续发表多篇高水平文章。Nat. Commun.：高能LMBs中的宏观均匀界面层与Li+传导通道锂（Li）金属被认为是高能量密度可充电电池中替代石墨负极的最终负极材料。采用高面积容量正极（>6 mAh cm-2）和低电解液注入因子（<1.5 g Ah-1），可获得高能量密度Li金属软包电池（>450 Wh kg-1）。然而，由于Li枝晶的生长、无限体积膨胀、副反应以及循环过程中的粉碎等问题，高能量密度的锂金属软包电池在一定的循环后往往会遇到突然失效的问题。此外，大量的晶界固态电解质界面，无论是自然产生的还是人工设计的，都会导致Li金属沉积不均匀，进而导致锂金属电池（LMBs）性能不佳。基于此，北京航空航天大学宫勇吉教授和翟朋博博士、上海空间电源研究所杨承博士（共同通讯作者）等人报道了一种锂离子选择性传输层，以实现高效且无枝晶的Li金属负极。逐层组装的质子化氮化碳纳米片具有均匀的宏观结构，无晶界面。基面上有序孔隙的氮化碳提供了具有低弯曲度的高速锂离子传承通道。因此，所组装的324 Wh kg-1软包电池具有300次稳定循环性，容量保持率为90.0%，平均库仑效率高达99.7%。超致密锂金属负极使无集流负极成为可能，实现7 Ah电池（506 Wh kg-1，160次循环）的高能量密度和长循环寿命。本研究证实具有锂离子导电通道的宏观均匀界面层可以实现具有良好应用潜力的LMBs。Macroscopically uniform interface layer with Li+ conductive channels for high-performance Li metal batteries. Nat. Commun., 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-54310-1.可充电锂电池（RLBs）的发展为解决当今时代面临的能源短缺、气候变化等问题做出了巨大贡献。随着RLBs的应用领域从便携式设备向大型电气设备的扩展，迫切要求RLBs能够在大范围的温度下稳定工作。宽温域RLBs的设计越来越受到科学们的重视。因此，有必要对宽温域RLBs领域的最新发展进行及时而关键的概述。基于此，北京航空航天大学宫勇吉教授和翟朋博博士、国防科技创新研究院Wenlei Luo（共同通讯作者）等人报道了宽温域RLBs的最新发展情况。在文中，作者特别关注温度对电极材料、电解质和电极/电解质界面的影响，试图阐明在宽温度范围内工作影响RLBs电化学性能的关键参数。此外，作者还总结了提高RLBs宽温域性能的三种具有代表性的改性策略，包括电极材料设计、电极/电解质界面调节和电解质成分调节。最后，作者还提出了在低温和高温条件下寻找提高RLBs电化学性能的有效方法的新见解，为宽温域RLBs的发展提供了新的视角。Lithium Batteries Operating at Wide Temperatures: Opportunities and Challenges. Adv. Funct. Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202417923.AEM：钠金属电池异质界面内离子吸附-插层诱导共形钠金属沉积钠（Na）金属具有较高的理论容量（1166 mAh g-1）、较低的氧化还原电位、丰富的储量和较低的成本等优点，使得可充电钠金属电池被认为是锂电池的理想替代者，在大规模储能等领域具有广阔的应用前景。然而，Na枝晶生长和电极-电解质界面不稳定性阻碍了其实际应用。基于此，北京航空航天大学宫勇吉教授和翟朋博博士（共同通讯作者）等人报道了一种新的吸附-嵌入机制，以指导在沉积/剥离过程中高度可逆和稳定的亲钠界面内的共形Na沉积。具体而言，作者制备了一种覆盖绝缘g-C3N4（记为g-C3N4/3D-C）的3D碳支架（3D-C），并将其用作金属钠的多孔载体，其中亲钠性的g-C3N4层具有丰富的Na离子导电通道，保证了Na+通量均匀，使Na镀均匀。在本文中，Na离子首先吸附在g-C3N4层的N原子六方环中心，然后插入到g-C3N4与3D-C之间的异质界面中，实现了独特的表面吸附-插层过程，引导共形Na沉积，抑制Na枝晶生长。由于避免了合金化反应，有效地抑制了活性金属Na粉化和脱离的危险。此外，三维（3D）结构有效地降低了局部电流密度，减轻了沉积/剥离过程中的体积变化，进一步抑制了Na枝晶的形成。结果表明，利用g-C3N4/3D-C组装的半电池在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下循环超过2000次，平均库仑效率（CE）高达99.92%。在5 mA cm-2和10 mAh cm-2的严格测试条件下，实现了长时间循环稳定性，CE高达99.94%。此外，使用g-C3N4/3D-C和Na3V2(PO4)3（NVP）的电池具有良好的高倍率相容性和循环稳定性，循环次数超过650次，容量保持率高达87.57%。本研究提出的亲Na异质界面构建策略为设计高性能金属Na负极提供了新的思路。Conformal Sodium Deposition Facilitated by Ion Adsorption-Intercalation Process within Hetero-Interface for Stable Sodium Metal Batteries. Adv. Energy Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/aenm.202403258.AEM：阴离子还原催化诱导富含LiF的SEI，实现高性能LMBs锂金属电池（LMBs）因其高能量密度，被视为下一代能源存储设备的理想选择。然而，LMBs的实际应用一直受到锂（Li）枝晶生长不可控和Li金属负极上固态电解质界面（SEI）不稳定的制约。构建富无机SEI被认为是实现高密度Li沉积和抑制界面副反应，从而提高LMBs使用寿命的有效策略。基于此，北京航空航天大学宫勇吉教授和翟朋博博士、天府绛溪实验室Xiaokun Zhang（共同通讯作者）等人报道了一种独特的阴离子还原催化策略，以诱导在商用醚/酯基电解质体系中形成富LiF的杂化SEI。亲锂碲（Te）纳米片可在还原氧化石墨烯（rGO）基底上引导均匀的Li成核和沉积，而锂化产物Li2Te作为阴离子还原催化剂，对TFSI-阴离子具有更强的吸附作用，促进界面电荷转移，从而促进C-F键的分解，诱导形成富含LiF的SEI。具体而言，Li2Te对TFSI-阴离子的吸附比石墨烯强得多。吸引更多的氟（F）物种参与SEI形成反应。此外，Li2Te诱导电荷转移到电极表面吸附的TFSI-阴离子上，促进了分解过程。利用这些优势，Li2Te作为阴离子还原催化剂，显著催化TFSI-转化为LiF，增加了SEI中LiF的含量，提高了Li金属负极的电化学稳定性。结果表明，改性Li金属负极在半电池和对称电池中都表现出优异的寿命。在5 mAh cm-2下，Te修饰电极的循环寿命超过500次，平均库仑效率（CE）高达97.8%。将Te修饰Li负极与高质量负载LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2（NCM90）正极配对的高能量密度（405 Wh kg-1）软包电池在碳酸盐电解质中表现出稳定的循环性能，平均CE高达99.3%，可以稳定循环超过70次。本研究为促进高能量密度LMBs的实际应用提供了一种阴离子还原催化剂设计策略。Anion-Reduction-Catalysis Induced LiF-Rich SEI Construction for High-Performance Lithium-Metal Batteries. Adv. Energy Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/anie.202213863.Nat. Commun.：英寸级单晶单层α-In2Se3的准平衡生长通过在两个局部最稳定的取向之间引入一个小的结合能差，已实现了具有均匀取向的二维（2D）材料的外延生长。然而，这种微小的能量差在生长过程中容易受到不可控动力学的干扰，限制了它的实际应用。基于此，北京航空航天大学宫勇吉教授、汤沛哲教授和张鹏助理教授、中科院深圳先进技术研究院丁峰研究员（共同通讯作者）等人报道了一种准平衡生长（QEG）策略来合成一种具有铁电性质的半导体——英寸级单层α-In2Se3单晶。研究发现，QEG有助于区分两个局部最稳定取向之间结合能的微小差异，从而在宽的生长窗口内实现稳定的单取向外延。因此，单晶α-In2Se3薄膜可以外延生长在氟云母上，其解理表面原子层与α-In2Se3具有相同的3重旋转对称性。所得到的晶体质量使得α-In2Se3铁电场效应晶体管的电子迁移率高达117.2 cm2 V-1 s-1，具有可靠的非易失性存储性能，保持时间长、循环耐久性强。总之，所开发的QEG策略为制备更大面积的2D单晶材料提供了一条途径，并为2D铁电器件和纳米电子学的应用提供了一个有希望的机会。Quasi-equilibrium growth of inch-scale single-crystal monolayer α-In2Se3 on fluor-phlogopite. Nat. Commun., 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-51322-9.Nat. Commun.：可控超薄杂原子插层2D层状材料的直接合成二维（2D）层状材料因其出色的电子、光学和热学性质，特别是与维度相关的量子现象（超导性等），引起了科学家们极大的科学和工程兴趣。对比母体2D材料，插入的3d过渡金属（TMs）可以引入各种非凡的电子和磁性。然而，很难获得超薄杂原子插层二维材料（UHI-2DMs）。通量辅助生长（FAG）策略是一种合成层内多元素复杂2D材料的通用方法，但这种方法是否可以合成范德华间隙中具有杂原子的复杂2D材料尚不清楚。基于此，北京航空航天大学宫勇吉教授和汤沛哲教授（共同通讯作者）等人报道了利用FAG方法合成了插层量可控的UHI-2DMs。密度泛函理论（DFT）计算揭示UHI-2DMs的热力学稳定性窗口非常窄，导致CVD合成困难。相比之下，FAG方法遵循通量结晶机制，通过该机制可以提供具有精确控制化学计量比的均匀前驱体通量，并且有限的空间可以动力学地抑制垂直方向生长。因此，FAG可以合成具有可控插层组分的UHI-2DMs。通过FAG方法，作者制备了具有铁磁（FM）性或反铁磁（AFM）性的UHI-2DMs（V1/3NbS2、Cr1/3NbS2、Mn1/3NbS2、Fe1/3NbS2、Co1/3NbS2、Co1/3NbSe2和Fe1/3TaS2）。其中，Fe1/4TaS2的成功合成证明了FAG方法精确控制插层剂浓度的能力。选区电子衍射（SAED）表明，母体2D材料被具有特定超晶格的TMs均匀插层，因为Fe1/3TaS2和Fe1/4TaS2样品分别出现了√3a×√3a和2a×2a超晶格。横截面扫描透射电子显微镜（STEM）明确证实了分布在母体2D材料范德华间隙中的插层TMs。此外，还可以合成其他具有前景的UHI-2DMs，如Ni/Cu/Pd/Ag/Pt插层2D材料。Direct synthesis of controllable ultrathin heteroatoms-intercalated 2D layered materials. Nat. Commun., 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-50694-2.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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