中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室张新波

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张新波,1978年出生，中科院长春应用化学研究所研究员，博士生导师。1995.9-1999.7于长春科技大学（现吉林大学朝阳校区）化学系获理学学士学位，2000.9–2005.7于长春应化所获理学博士学位，硕博期间从事贮氢材料及镍氢电池的研究。2005.9-2007.8获日本学术振兴会（JSPS）资助赴日本国立产业技术综合研究所（AIST）关西中心从事新型贮氢材料，燃料电池的研究。2007.9-2010.3继续留在AIST任新能源产业技术开发机构(NEDO)研究员，从事离子液体、锂离子电池的研究。曾获长春科技大学最佳论文奖（1999）和中科院院长奖学金优秀奖(2005)。迄今为止，已在Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Journal of Physical Chemistry C、ChemPhysChem、Inorganic chemistry、Journal of Power Sources、International Journal of Hydrogen Energy等国际重要学术期刊上发表学术论文30余篇，获授权中国专利和日本专利各1项。

姓    名:张新波      
性    别:男
职    务:        
职    称:研究员
通讯地址:吉林省长春市人民大街5625号
邮政编码:130022        
电子邮件:xbzhang@ciac.jl.cn                

研究领域：
无机合成与制备化学;清洁能源材料与高能化学电源;环境催化与环境材料
获奖及荣誉：        
1999: 最佳本科毕业论文奖; 2005: 中科院院长优秀奖
代表论著：        
1. X. B. Zhang, J. M. Yan, S. Han, H. Shioyama, Q. Xu, “Magnetically Recyclable Fe@Pt Core-Shell Nanoparticles and Their Use as Electrocatalysts for Ammonia Borane Oxidation: The Role of Crystallinity of the Core”, Journal of the American Chemical Society, 131(8), 2778-2779 (2009).
2. J. M. Yan, X. B. Zhang (equal contribution), S. Han, H. Shioyama, Q. Xu, “Iron Nanoparticle Catalyzed Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane for Chemical Hydrogen Storage”, Angewandte Chemie International Edition, 47(12), 2287-2289 (2008).
3. X. B. Zhang, J. M. Yan, S. Han, M. Chandra, H. Shioyama, K. Yasuda, N. Kuriyama, T. Kobayashi, Q. Xu, “A High Performance Anion Exchange Membrane-Type Ammonia Borane Fuel Cell”, Journal of Power Sources, 182, 515-519 (2008).
4. X. B. Zhang, S. Q. Shi, L. Jiang, S. Han, Y. Kotani, T. Kiyobayashi, N. Kuriyama, T. Kobayashi, Q. Xu, “Existence of the Na-Hδ-…Hδ+-O Dihydrogen Bond in the Hydrogenation Process by Na2O: A First-Principles Identification”, The Journal of Physical Chemistry C, 111(13), 5064-5068 (2007).
5. X. B. Zhang, S. Han, J. M. Yan, M. Chandra, H. Shioyama, K. Yasuda, N. Kuriyama, T. Kobayashi, Q. Xu, “A New Fuel Cell Using Aqueous Ammonia-Borane as the Fuel”, Journal of Power Sources, 168, 167-171 (2007).
6. X. B. Zhang, S. Q. Shi, X. Z. Ke, S. Han, H. Shioyama, N. Kuriyama, T. Kobayashi, Q. Xu, “Dehydrogenation Reaction for Na-O-H System: A First-Principles Study”, ChemPhysChem, 8 (13), 1979-1987 (2007).
7. X. B. Zhang, D. Z. Sun, W. Y. Yin, Y. J. Chai, M. S. Zhao, “Crystallographic and Electrochemical Characteristics of La0.7Mg0.3Ni4.5-x(Al0.5Mo0.5) (x=0-0.8) Hydrogen Storage Alloys”, European Journal of Inorganic Chemistry, 2005(11), 2235-2241 (2005).
8. X. B. Zhang, D. Z. Sun, W. Y. Yin, Y. J. Chai, M. S. Zhao, “Crystallographic and Electrochemical Characteristics of La0.7Mg0.3Ni5.0-x(Al0.5Mo0.5)x Hydrogen-Storage Alloys”, ChemPhysChem, 6 (3), 520-525 (2005).
9. X. B. Zhang, D. Z. Sun, W. Y. Yin, Y. J. Chai, M. S. Zhao, “Effect of La/Ce Ratio on the Structure and Electrochemical Characteristics of La0.7-xCexMg0.3Ni2.8Co0.5 (x=0. 1-0.5) Hydrogen Storage Alloys”, Electrochimica Acta, 50 (9), 1957-1964 (2005).
10. X. B. Zhang, D. Z. Sun, W. Y. Yin, Y. J. Chai, M. S. Zhao, “Crystallographic and Electrochemical Characteristics of La0.7Mg0.3Ni3-x(Al0.5Mo0.5)x (x=0-0.4) Hydrogen Storage Alloys”, Electrochimica Acta, 50 (16-17), 3407-3413 (2005).

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Mo2C纳米颗粒修饰的碳纳米纤维作为锂-氧气电池的高效多孔电极

        锂-氧气二次电池由于其超高的能量密度(3600 Wh/kg)而引起广泛关注, 其反应机理是基于放电产物Li2O2形成与分解(Li++O2+2e⇌Li2O2 , ∆ E=2.96 V)。针对电池充/放电过程中ORR和OER反应动力学缓慢的问题, 中科院长春应用化学研究所张新波和吉林大学黄科科等巧妙地设计了一种自支撑的Mo2C修饰的CNF多孔电极, 该电极独特的三维多孔结构和Mo2C高效的催化性能, 有效提升了电池的电化学性能。该研究工作已在Science Bulletin 2018年第7期作为封面文章报道。

       目前锂-氧气电池的发展仍处于初级阶段,  仍面临多重挑战: (1) 难溶性放电产物Li2O2会随机沉积在电极表面, 堵塞电解液和氧气的扩散通道, 导致电池放电容量低; (2) 充/放过程所涉及的氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应动力学缓慢, 电池过电位高,  严重降低了电池的能量利用效率。此外,  传统电极制备过程中使用的有机黏结剂在电池体系极不稳定,  容易分解产生一些副产物, 这些副产物会掩盖电极表面的活性位点, 堵塞氧气和电解液的扩散通道, 导致电池的性能下降, 甚至使电池“死亡”。

为了解决上述问题, 长春应化所张新波和吉林大学黄科科等利用静电纺丝技术和高温碳化处理过程合成制备了Mo2C修饰的CNF(MCNFs)。制备过程中, 作者发现碳化温度的选择对Mo2C的合成至关重要, 只有碳化温度达到900°C时才能形成Mo2C。MCNFs电极具有三维网络多孔结构,有利于电解液和氧气的快速传输, 同时还能够为放电产物的沉积提供足够的空间。此外, MCNFs电极的自支撑结构避免了黏结剂的使用。负载的Mo2C纳米颗粒具有良好的ORR/OER催化活性,能够有效地促进放电产物Li2O2形成与分解。基于上述优点, 采用MCNFs电极表现出良好的电化学性能。

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MVC：能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作？


ZXB: 我们课题组主要从事金属-空气电池与能源电催化/电合成相关研究。在金属-空气电池方面主要开展金属负极和电解液稳定性和空气正极氧还原/析出双功能电催化剂性能提升以及高性能电池器件研制方面的工作；能源电催化/电合成研究主要涉及电解水和二氧化碳/氮气电还原，着眼于解决可再生能源发电大规模储存的难题。近日, 我们课题组与北京航空航天大学化学学院张瑜研究员及吉林大学材料科学与工程学院鄢俊敏教授合作，通过使用Li-Na合金作为负极和1,3-二氧戊环（DOL）为电解液添加剂，有效抑制了枝晶、腐蚀和粉化，得到了高性能双金属Li-Na合金-氧气电池，发表在了Nature Chemistry上。如果大家兴趣，可以参考我们组的一些论文：


Nat. Chem., 2019, 11, 64; Nat. Energy,2017, 2, 17133; Chem, 2017, 2, 525;


Nat. Commun., 2015, 6, 7892; Adv. Mater., 2014, 26, 2273;


J. Am. Chem. Soc.,2015, 137,10570; Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 14235


MVC: 当您还在上学的时候，您想未来从事什么职业？是什么把您吸引到科学领域的呢？


ZXB: 我从小就一直想从事一些与日常生活息息相关的事情。上大学的时候个人计算机和网络刚刚兴起，虽然我学习的是化学专业，但我花了很多的时间学习计算机专业的知识。当我第一次能快速帮老师把一篇文稿输入到计算中时，我感到非常有成就感，也因此想成为一名计算机工程师。


本科毕业后开始了镍氢电池的研究。研究过程中，我很快发现可以通过自己所学的化学/材料相关的专业知识设计制备电极材料，并组装成可以应用的电池，让我意识到电池研究是一个应用性很强，且可以充分发挥所学知识的研究方向，所以一直坚持到现在。


MVC: 您的研究组对于金属空气电池领域的研究将来有什么研究兴趣？您对其前景有何展望?


ZXB: 金属-空气电池最大的特点是理论能量密度高。我们目前已经实现了780Wh/kg锂-空气电池器件的研制，但其循环和倍率性能还不是非常满意，这是我们团队下一步努力的目标。金属-空气电池性能全面提升到可以满足电动汽车的需要还需要做大量的研究工作。除此之外，个人觉得在一些特殊的应用领域，如军事领域，同样会有广阔的应用前景。另外，如何实现金属-空气电池在空气中稳定运行，阐明其所涉及的复杂反应机理也是应该重点关注的。


MVC：您能谈谈对可持续世界/可持续生活的个人想法吗？


ZXB: 我觉得要实现可持续世界/可持续生活，必需解决能源、资源和环境的可持续问题。大力发展可再生能源是解决这三大挑战的重要选择。


MVC: 在您看来，至今最重要的研究成果是什么？您又对于将来科学技术的突破有怎样的期待？


ZXB: 人工智能。我期待人工智能、机器学习和大数据能给我所从事的电池和能源电催化领域带来大的突破。


MVC:科学工作之余，您如何平衡生活和工作？您最大的爱好是什么？


ZXB: 我觉得我一直没有做到很好地平衡生活和工作。以前工作之余我一般会参加一些体育运动，包括每周都会坚持参加一次足球比赛。但随着工作越来载忙，这个爱好也已经很难坚持了。


MVC: 您认为什么是科学工作者最重要的品质？您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议？


ZXB: 我认为严谨的工作态度和敏锐的观察能力是科研工作者最重要的品质。跟做任何事一样，兴趣是第一位的。我觉得有志从事科学研究的青年学生一定要选择一个自己有浓厚兴趣的研究方向。


MVC: 您能否用简单的几个英文单词形容下拥有快乐的实验室生活的关键？


ZXB: Respect(尊重个体差异) 、Cooperation（合作协同攻关）、Share（分享经验与教训、成功与失败）、Freedom (学术自由与平等).