中国科学院海西研究院材料工程研究所王要兵

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王要兵，男，博士，研究员、博士生导师。1982年4月生。2003年本科毕业于湖北大学化学与材料科学学院，2008年在中国科学院化学研究所获得物理化学博士学位（导师：姚建年院士），随后在美国加州大学河滨分校化学系从事博士后研究（合作导师：Chris Bardeen），2009年回国于深圳从事石墨烯产业化项目工作。2012年12月以高层次人才引进到中国科学院福建物质结构研究所工作，任研究员、课题组长。在Advanced Materials，Scientific Reports，Journal of  Materials Chemistry A， Electrochimica Acta，Journal of  Power Sources等国际著名期刊上发表文章三十余篇，并获得授权专利40余篇。  
Email：wangyb@fjirsm.ac.cn; Tel: 0591-63173109  
研究方向
1. 新型炭（石墨烯）材料及其在能量转化/存储中的应用；
2. 超级电容器、锂电池以及燃料电池。
研究成果
        2016年　
1. Qin Liu, Yaobing Wang*, Liming Dai*, Jiannian Yao. Scalable fabrication of nanoporous carbon fiber films as bifunctional catalytic electrodes for flexible Zn-air batteries.  Advanced Materials 2016, DOI: 10.1002/adma.201506112.
2. Tengfei Li, Yiyin Huang, Kui Ding, Peng Wu, Syed Comail Abbas,　Muhammad Arsalan Ghausi, Teng Zhang*, Yaobing Wang*. Newly designed PdRuBi/N-Graphene catalysts with synergistic effects for enhanced ethylene glycol electro-oxidation. Electrochimica Acta 2016, 191, 940-945.
　　2015年：  
1. Kui Ding, Yakun Bu, Qin Liu, Tengfei Li, Kai Meng, Yaobing Wang*. Ternary-layered nitrogen-doped graphene/sulfur/polyaniline nanoarchitecture for high-performance of Lithium-Sulfur batteries. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 8022-8027.  
2.  Kai Meng, Qin Liu, Yiyin Huang, Yaobing Wang*. Facile synthesis of nitrogen and fluorine co-doped carbon materials as efficient electrocatalysts for oxygen reduction reactions in air-cathode microbial fuel cells. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 6873-6877.  
3.  Peng Wu, Yiyin Huang, Liqun Zhou, Yaobing Wang*, Yakun Bu, JiannianYao. Nitrogen-doped graphene supported highly dispersed palladium-lead nanoparticles for synergetic enhancement of ethanol electrooxidation in alkaline medium. Electrochimica Acta 2015, 152, 68-74.  
4.  Jinjin Liu, Zhitao Chen, Duosi Tang, Yaobing Wang, Longtian Kang*, Jiannian Yao*. Graphene quantum dots-based fluorescent probe for turn-on sensing of ascorbic acid. Sensors and Actuators B: Chemical 2015, 212, 214-219.  
5.   Fang Fu, Yiyin Huang, Peng Wu, Yakun Bu, Yaobing Wang*, Jiannian Yao. Controlled synthesis of lithium-rich layered Li1.2Mn0.56Ni0.12Co0.12O2 oxide with tunable morphology and structure as cathode material for lithium-ion batteries by solvo/hydrothermal methods. Journal of Alloys and Compounds 2015, 618, 673-678.  
6.   Hui Chen, Yiyin Huang, Dian Tang, Teng Zhang*, Yaobing Wang*. Ethanol oxidation on Pd/C promoted with CaSiO3 in alkaline medium. Electrochimica Acta 2015, 158, 18-23.  
7.   Yakun Bu, Yiyin Huang, Tengfei Li, Peng Wu, Yaobing Wang*, Jiannian Yao. One-step synthesis of SnO2@rGO–carbon particle framework nanoarchitectures as anode materials for tunable lithium storage properties. Journal of Alloys and Compounds 2015, 629, 69-73.  
8.   Qin Liu, Kai Meng, Kui Ding, Yaobing Wang*. A superhydrophobic sponge with hierarchical structure as an efficient and recyclable oil absorbent. ChemPlusChem 2015, 80, 1435-1439.
9.  Peng Wu, Yiyin Huang, Longtian Kang, Maoxiang Wu, Yaobing Wang*. Multisource Synergistic Electrocatalytic Oxidation Effect of Strongly Coupled PdM (M = Sn, Pb)/N-doped Graphene Nanocomposite on Small Organic Molecules. Scientific Reports 2015, DOI: 10.1038/srep14173.

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碳基复合二氧化碳电催化材料的制备及其应用

Carbon-based CDRR Electrocatalyst and its Application

王要兵

中国科学院福建物质结构研究所

wangyb@fjirsm.ac.cn

随着现代社会的发展，传统化石能源的消耗引起二氧化碳浓度的逐步升高，引起全球气温的升高，同时，虽然清洁能源的发展逐步提高，但是由于东西部电网的不平衡，导致大量清洁能源的浪费。基于以上两种挑战，期望能够利用富余的清洁能源，实时就地转化CO2生产高经济价值化学品，如烯烃或者醇类化合物，这样不仅实现CO2气体的减排，同时有效的利用率富余的新能源，获得了搞经济价值的化学品，其存在的挑战是CO2深度还原电催化剂研发及其相应的器件构建。

我们课题组基于以上问题展开了两个方面的工作，一个是非金属F，Si/N掺杂的碳基电催化CO2还原的电催化材料的设计与制备【1-2】。另一方面采用电沉积的方法构建了贵金属负载碳布的三维多孔电极材料，并组装了相应的电化学转化器件【3-4】。为将来利用率富余的新能源，获得了搞经济价值的化学品提供了理论、材料器件基础。

关键词： 碳材料；贵金属；二氧化碳分解；金属二氧化碳电池

参考文献：

【1】      J. F. Xie, X. T. Zhao, M. X. Wu, Q. H. Li* and Y. B. Wang*, J. N.Yao, Angew. Chem. Int. Ed. 57, 9640-9644 (2018)

【2】      G. M. Ghausi,J. F. Xie, Q. H. Li, M. X. Wu,Y. B. Wang* and L. M. Dai* Angew. Chem.Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201807571 (2018)

【3】      J. F. Xie, X. T. Zhao, Q. H. Li*and Y. B. Wang*, J. Mater. Chem. A. 6,13952-13958 (2018)

【4】      J. F. Xie, X. Y. Wang, M. X. WuandY. B. Wang*, J. N. Yao, Enery Environ.Sci. Revising.

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王要兵Angew.：首次实现可逆水性Zn-CO2电池！

M-CO2电池是固定和利用CO2的一种有效策略，其关键之一在于提高CO2和碳酸盐/草酸盐之间的相互转化。中科院福建物构所王要兵团队以相互交联的3D多孔Pd纳米片作为正极材料，首次构建了一种可逆水性Zn-CO2电池。具有高活性表面的3D多孔Pd纳米片作为双功能电催化剂，一方面高效还原CO2，另一方面高效氧化HCOOH，实现了CO2和HCOOH之间的高效可逆转换。该Zn-CO2电池实现了1 V的电压和100次循环，能量效率为81.2%。

Xie J,Wang Y, et al. Reversible Aqueous Zinc–CO2 Batteries Based on CO2-HCOOH Interconversion[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2018.

DOI: 10.1002/anie.201811853

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201811853

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高效新能源存储与转换技术在国家能源安全和经济可持续发展中发挥着至关重要的作用，同时也是促进节能减排的重要需求。以多种方式高效利用廉价、高丰度的气态反应物 (如N2等) 向高附加值化学品的转化，是应对国家战略需求的重要手段。然而，由于N2分子的惰性和产品范围的有限，这一圣杯反应一直面临着挑战。双(三氟甲烷磺酰基)亚胺锂（通常称为LiTFSI）及其类似物锂盐是锂电池和太阳能电池的关键高端电解质。据统计，2019年全球市场对LiTFSI的需求为1.509亿美元，预计到2026年将达到2.94亿美元，增长潜力显著。然而，当前LiTFSI的商业化热化学合成依赖于NH3中间体的使用，涉及多步催化及纯化过程，导致大量碳排放。因此，发展一种温和条件下直接以N2为氮源合成LiTFSI的方法变得尤为重要。
        针对以上问题，中国科学院福建物质结构研究所王要兵研究员及其团队基于Li-N2电池提出了一种级联电化学合成策略，实现了包括LiTFSI在内的多种含氮化合物的高效电化学合成。具体策略包括1. 放电时将N2电催化还原为Li3N；2. Li3N酰化为LiTFSI和副产物LiCl；3. 充电时氧化去除副产物 LiCl 以完成合成循环。作者通过X射线衍射，低温透射电镜结合EDS图谱实证了电催化N2还原至Li3N的过程，通过核磁共振、质谱、以及傅里叶变换红外光谱证实了Li3N与CF3SO2Cl之间通过S-N酰化反应生成LiTFSI的可行性，并基于甲基橙在充电过程中从红色变为无色的现象，证明副产物LiCl被氧化为Cl2。研究结果表明，在优化条件下，N2到Li3N的催化还原效率达到了53.2%，N2到LiTFSI的转化效率为48.9%，电化学合成LiTFSI的能量效率达到了3.0%。同时，作者利用流体池器件实现了连续的LiTFSI电化学合成，证明了该策略对于实际生产的重要意义。特别的，这一策略通过扩大底物范围，提供了直接从N2电化学合成具有不同 N-X 键 (X = S、C等) 和金属阳离子 (Li+、Zn2+等) 类似物的途径，证明了策略的可拓展性。

图1. Li-N2电池电化学合成LiTESI的级联反应示意图

        该研究不仅为实际生产含氮化学物质提供了通用的电化学合成方案，还为合成具有更高氮原子经济型的高端电解质提供了一条前景广阔的途径，并为需要富氮化学品的各种领域提供了潜在的原料供应支撑。相关结果以“Cascade electrosynthesis of LiTFSI and N-containing analogues via a looped Li–N2 battery”为标题发表在《自然催化》杂志 (Nat. Catal. 2024, DOI: 10.1038/s41929-023-01067-3)。论文的第一作者为中国科学院福建物构所张祥副研究员，通讯作者为王要兵研究员，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-023-01067-3