中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强

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黄富强，上海硅酸盐所研究员，人社部百千万人才工程专家，国家杰出青年基金获得者、科技部重点领域创新团队负责人、国家重点研发计划首席科学家，中科院百人计划引进回国。围绕新能源材料的基础前沿及产业应用研究，取得的系列创新成果包括：1）发现了复杂晶体结构中原子基团的相似相聚特性，提出了多物理量协同的结构功能区新概念和堆积因子理论模型，发现了若干性能优异的新能源材料；2）提出了多尺度结构和性能的设计理论，发明了独特结构的类石墨烯和氮掺杂介孔少层碳，突破碳基双电层储能极限；3）发展出铜铟镓硒太阳能电池的低成本非真空新制备，完成兆瓦级中试，成功进行了示范电站的建立和运行。新型光电材料与器件的结构调控与性能优化项目，获上海市自然科学一等奖（2016年）、国家自然科学二等奖（2017年）。发表Science、Nature Mater.等在内的论文300余篇，他引13000余次，30余篇ESI高被引论文，入选2015、2016、2017年高被引学者。授权专利86项，其中13项专利许可费达1000万元。


姓 名:黄富强        
性    别:男
专家类别:研究员；百人；杰青；浦江人才        
学 历:博士研究生
电 话:021-52411620        
传 真:021-52413903
电子邮件:huangfq@mail.sic.ac.cn        
个人主页:http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/nyhj/hfq/sy
邮政编码:200050        
通讯地址:上海市定西路1295号1号楼222办公室        
简历：
教育经历：
　　1986-1990 南京理工大学，化工学院，学士学位
　　1990-1993 吉林大学，理论化学研究所，硕士学位
　　1993-1996 北京师范大学化学系，博士学位
工作经历:
　　1996-1998 美国密西根大学，化学系，博后
　　1998-2000 美国西北大学，化学系，研究助理
　　2000-2002 美国西门子公司，研究开发部，主管科学家
　　2002-2003 美国宾夕法尼亚大学，材料工程和科学系，助理研究员
　　2003-至今 中国科学院上海硅酸盐研究所，高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，研究员
曾获得奖励、荣誉称号：
国家杰出青年基金获得者
科技部重点领域创新团队负责人
中科院"百人计划"
物理学领域2015年度高被引学者
　　科研工作简介：
新能源化合物设计合成和新奇物性探索
　　提出了被同行称为“Universal Model”的“结构功能区”和“堆积因子”的材料设计概念，系列原创研究被国际学术机构授予“Most Cited Award”、“Hot Article”、“Very Important Paper”；
纳米无机材料和石墨烯材料的新能源应用
　　设计和制备了具有石墨烯新结构的被认为“轻如气球、坚如钢铁”的“超级材料”、以及突破目前碳基的储能比容量极限的氮掺杂介孔少层碳发表《科学》期刊；
新型太阳能、先进储能、催化材料和器件制备。
　　实现全太阳光谱的新型太阳能利用、石墨烯基的先进储能、以及绿色纳米催化的产业应用突破。
　　科研成果：
　　发表Science、Nature Mater.、Nature Commun.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等高影响力SCI论文300余篇，被引用13,000余次，最高单篇>500次；21篇入选ESI前1%高被引论文。
　　近年来围绕能源材料设计和制备做出了系统的创新性工作：基于复杂化合物晶体结构中原子基团的相似相聚特性提出了多物理量协同的结构功能区的概念和堆积因子的理论模型，设计和合成性能优异的能源新材料，有127种新化合物被Pearson's Handbook所收录；基于多尺度结构和性能的设计理论发明了多种石墨烯的独特结构，氮掺杂介孔少层碳突破目前碳基的比容量极限，相关成果在Science发表并获得关注；将双元金属协同制备的低缺陷石墨烯应用于薄膜太阳电池，铜铟镓硒电池效率达18.6%，并在国内率先完成兆瓦级中试示范。申请发明专利98项（国外18项）。先后承担973、863、NSFC（杰青、重点、面上）等课题30余项，其中国家杰青结题为“特优”。
　　http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/nyhj/hfq/kycg/
主要承担项目：
在研项目：
国家重点研发项目，高功率低成本规模超级电容器的基础科学与前瞻技术研究，2016-2020，2500万；
科技部重点领域创新团队，无机能量转换材料与应用创新团队，2016-2020；
中国科学院前沿科学重点研究项目，高功率储能材料结构设计与性能调控，2016-2021，300万；
中国科学院战略性先导科技专项（B类），超导新化合物和复合结构的设计制备与超导性能研究，2012-2016，1085万；
国家自然科学基金面上项目，三维石墨烯导电网络制备与宽光谱太阳电池探索，2014-2017，85万；
上海市科技创新行动计划，石墨烯基高功率储能器件的基础科学与前瞻技术研究，2016-2019，100万；
上海市科委基础重点项目，纳米黑色二氧化钛的全太阳光谱利用，2013-2016，40万；
上海市科委国际学术合作交流，新型黑色纳米二氧化钛与太阳能高效利用，2014-2017，30万；
产学研合作项目，先进储能材料与器件，2016-2020，5000万。
已结题的项目
科技部863计划，低成本非真空铜铟镓硒太阳电池中试技术，2012-2014；
科技部973项目，新型光电转换材料的设计和制备，2007-2011；
国家杰出青年科学基金，新型光电材料与薄膜太阳电池研究，2012-2015；
国家自然基金委创新研究群体科学基金，高性能无机复合能量转换材料的研究，2012-2014
国家自然科学基金面上项目，光电和光催化材料的结构和性能关系模型，2008-2010
国家自然科学基金面上项目，新型p型透明导电体合成与性能研究，2006-2008
中国科学院院重点部署项目，石墨烯在太阳电池中的前期探索，2012-2014
中国科学院知识创新工程重要方向项目，大面积铜铟镓硒薄膜太阳电池低成本制备，2008-2010
中科院知识创新工程重要方向项目，石墨烯制备、物性与应用探索，2009-2011
中科院百人计划，新型光电材料研究，2004-2007
上海市学术带头人，新型光电材料与薄膜太阳电池研究，2012-2014
上海市浦江人才，平面显示用无机电光材料，2005-2007
上海市科委基础研究领域项目，高临界温度和临界磁场铁基超导材料的制备，2010-2012
上海市科委基础研究领域项目，基于太阳能利用的光电转换材料中空旷度模型和复合模型，2008-2010，
上海市科委非政府间国际科技合作项目，新一代光伏透明导电氧化锌基薄膜的研究，2010-2012
上海市科委纳米专项，高性能锂离子电池正极材料的宏量制备，2009-2011
详细介绍：
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日前，中共中央组织部办公厅下发《关于印发第三批国家“万人计划”入选人员名单的通知》。中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强研究员入选科技创新领军人才。截至目前，上海硅酸盐所共8名研究员入选国家“万人计划”。
　　黄富强研究员，人社部百千万人才工程专家，国家杰出青年基金获得者、科技部重点领域创新团队负责人、国家重点研发计划首席科学家，中科院百人计划引进回国。围绕新能源材料的基础前沿及产业应用研究，取得的系列创新成果包括：1）发现了复杂晶体结构中原子基团的相似相聚特性，提出了多物理量协同的结构功能区新概念和堆积因子理论模型，发现了若干性能优异的新能源材料；2）提出了多尺度结构和性能的设计理论，发明了独特结构的类石墨烯和氮掺杂介孔少层碳，突破碳基双电层储能极限；3）发展出铜铟镓硒太阳能电池的低成本非真空新制备，完成兆瓦级中试，成功进行了示范电站的建立和运行。新型光电材料与器件的结构调控与性能优化项目，获上海市自然科学一等奖（2016年）、国家自然科学二等奖（2017年）。发表Science、Nature Mater.等在内的论文300余篇，他引13000余次，30余篇ESI高被引论文，入选2015、2016、2017年高被引学者。授权专利86项，其中13项专利许可费达1000万元。

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亚稳相MoS2的制备、结构解析及基本物性研究

以MoS2为代表的层状过渡金属硫化物（TMDs）是继石墨烯之后的二维材料新星，其具有可调节的半导体电子结构、高载流子迁移率、量子自旋霍尔效应和谷磁电效应等一系列奇异的物理特性，引起了科学家极大的研究兴趣。单层或少层MoS2可广泛应用于开发下一代场效应晶体管、光电探测器和传感器等高性能纳米器件。MoS2有多种不同的晶体结构，包括2H、3R、1T’和1T相等。其中1T’和1T MoS2为金属相，具有良好的导电性，在电催化产氢、锂电池、钠电池以及超级电容器等能源储存方面具有优异的性能。然而，它们都是热力学亚稳相，在高温、激光辐照等外界作用下易转变成2H相。因此，制备纯相1T’和1T MoS2极具挑战。

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所光电转换材料与器件黄富强课题组、上海微系统与信息技术研究所超导中心以及北京大学化学院合作研究，首先采用高温固相策略合成出高结晶性的LiMoS2晶体，再利用饱和乙腈碘溶液对LiMoS2晶体进行氧化处理，，首次制备出1T MoS2晶体。该过程产生的化学驱动力促使Li离子从二硫化钼层间脱出，而钼的八面体配位方式仍然保持，最终可得到结晶性良好的1T MoS2单晶。同时，具有超导特性的1T MoS2的晶体结构首次被解析。相关研究成果以“Structure Re-Determination and Superconductivity Observation of Bulk 1T MoS2”为题发表于国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1232–1235（DOI : 10.1002/ange.201710512）上，论文共同第一作者为上海硅酸盐所在读研究生方裕强和潘杰，共同通讯作者为黄富强研究员、林天全副研究员以及牟刚副研究员。该研究成果进一步揭示了MoS2亚稳相的新奇物理特性，拓展了其在凝聚态物理和新能源领域的研究和应用。

　　针对现有方法制备出的1T MoS2纳米片存在2H、1T和1T’等多种杂相共存的难题，近年来，光电转换材料与器件课题组发展出通过剥离高温固相合成的高质量LiMoS2晶体而获得高纯度的1T/1T’ MoS2纳米片甚至单晶材料。该方法已经拓展至其它过渡金属二硫化物纳米片的制备，如NbS2、TaS2、TiS2等（J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 4623； J. Mater. Chem. C 2017, 5 , 5977；J. Mater. Chem. C 2017, 5, 10855）。

　　上述系列研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院和上海市科委等项目的资助。

　　（a）1T MoS2粉末XRD、（b）1T MoS2拉曼光谱、（c）1T MoS2的HAADF-STEM图像、（d）不同磁场下1T MoS2的电阻随温度变化

　　剥离高温固相合成高质量LiMoS2晶体并制得高纯度1T/1T’ MoS2纳米片甚至单晶材料（a）剥离示意图、（b）LiMoS2晶体的SEM图像、（c）1T’ MoS2的高分辨原子图像

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中科院上海硅酸盐研究所黄富强成功研发治污新材料 光照2周可改善水质

左图：在中科院上海硅酸盐研究所实验室内，课题组研究人员将治污新材料倒入富含大量油污的污水量杯，开始吸附效果时长测试。右图：吸附效果测试结果显示，3分4秒后，量杯中的污水由明黄色变清澈，刺激气味随之消失（拼版照片，4月24日摄）。中科院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研发出治污新材料，光照2周内，可明显改善水质，帮助污水变清。 新华社记者 丁汀摄

新华社上海5月23日电（记者王琳琳、张紫赟）中科院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领的团队近日成功研发出治污新材料，光照2周内，可明显改善水质，帮助污水变清。相关成果今年初获“国家自然科学奖”二等奖，现已在上海、安徽、江苏等地成功示范。

黄富强介绍，新材料由三维石墨烯管和黑色二氧化钛混合而成，其原理是“物理吸附+光化学催化降解”。三维石墨烯管负责牢牢“抓住”有毒有机物，黑色二氧化钛作为光催化剂，可吸收高达95%的全太阳光谱，把有毒有机物降解为二氧化碳和水。

过去一个月，团队在上海、安徽、江苏等地共铺设新材料光降解吸附网3000多张，覆盖水域近4万平方米。

在上海天山公园和中山公园，周围居民反映，湖底淤泥深厚，气味腥臭，湖面常有死鱼漂浮。将涂覆有新材料的光降解吸附网铺在湖面后，不动水底淤泥，吸附网就能将有机物分解为二氧化碳和水，进而提高水体含氧量，增强水体自净化和生态修复能力。上海轻工业环境保护技术研究所检测中心和江苏省环境科学研究院环境工程重点实验室的检测结果显示，治理仅7天后，化学需氧量、氨氮、总磷等代表性指标均从劣五类水改善至五类水以上。

在安徽省合肥市肥东县，团队对定光河污染较严重的中上游河段进行了治理。肥东县环保局水环境管理科主任薛铁成说，定光河是典型的复合污染河道，这次治理后，各项水质指标提升60%以上。

据介绍，新材料还可降解印染废水、制革废水等工业污水，高效吸附其中有毒重金属，添加1克多孔新材料可吸附1.476克铅离子，简单酸化处理后，可被加工成高附加值材料。目前该成果已走出实验室，实现规模化制备，获得发明专利50多项。

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8月17日~18日，由中国科学院上海硅酸盐研究所牵头的国家重点研发计划“高功率低成本规模超级电容器的基础科学与前瞻技术研究”课题绩效评价会在江苏南通召开，会议采取线上和线下相结合的形式进行。专家组组长东华大学朱美芳院士，项目责任专家中国电科院电工与新材料研究所来小康研究员，咨询专家南京工业大学吴宇平教授、上海交通大学杨军教授、中国科学院物理所天目湖先进储能技术研究院郑杰允研究员、西安热工研究院兀鹏越高级工程师、国网山东省电力公司电力科学研究院孙树敏高级工程师、南通大学汤艳峰教授和上海事诚会计师事务所有限公司张利平会计师应邀出席会议。上海硅酸盐所副所长吴成铁、科技综合处处长刘军及项目组成员共30余人参加会议，会议由项目负责人黄富强研究员、朱美芳院士主持。
　　吴成铁向与会专家和领导表示欢迎和感谢，希望专家对各课题的总结汇报提出宝贵意见和建议，指导后续的项目综合绩效评价，同时表示上海硅酸盐所将继续提供全方位的支持，确保项目结题顺利。刘军结合国家重点研发计划项目综合绩效评价工作规范,简要介绍了本次课题绩效评价会的工作流程及重点审查事项。
　　随后，项目负责人黄富强研究员汇报了项目基本情况及实施以来的完成情况,各课题负责人分别详细汇报了课题实施以来的研究目标及考核指标完成情况、成果效益、人才培养及组织管理等方面内容。
　　与会专家在听取课题汇报的基础上，审阅了课题绩效自评价报告及相关支撑材料，现场考察并听取了高功率锂离子超级电容器生产线的建设、实际运行等情况汇报，经充分质询，对项目实施以来所取得的成果给予肯定，认为四个课题均完成了任务书规定的研究目标和考核指标，顺利通过课题绩效评价。同时，各位专家从科研成果的总结凝练、支撑材料的时效性、相关性、合规性以及财务审计报告的风险点提出了宝贵的意见和建议。项目组成员就专家提出的建议进行了认真研讨，并表示将根据专家意见对各课题评价资料进一步补充完善，为项目综合绩效评价做充分准备。

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随着化石燃料短缺以及环境污染等问题日趋严重，迫切需要一种绿色可再生能源以减少对化石燃料的依赖。氢气具有最高的质量能量密度(120 MJ kg-1)且燃烧产物为水，是最有潜力的清洁能源。使用非贵金属双功能电催化剂进行碱性水电解大规模制氢，能够简化电解槽的制造过程，是一项具有吸引力的商业化技术。钼基和镍基过渡金属化合物表现出优异的电催化性能，可替代贵金属电催化剂。然而，因为这类催化剂的电子电导率较差，且没有足够的活性位点，因此电催化性能通常较低（<100 mA cm-2）。因此，开发高性能的非贵金属电催化剂，实现在工业要求的高电流密度下高效电解水仍然是一个挑战。。


       鉴于此，中科院上海硅酸盐研究所黄富强研究员团队设计了一种新型金属性的异质结构催化剂Mo2S3@NiMo3S4，降低了界面电阻，提升了电子转移动力学，可实现大电流密度下高效电解水。
        本文要点：
        1) 本文报道设计了一种具有高导电性的金属硫化物Mo2S3纳米棒作为载体，原位外延生长NiMo3S纳米片，构建Mo2S3@NiMo3S4金属异质结构，电阻率为0.014 Ω mm，具有优异的导电性。
        2) 与NiMo3S4和Mo2S3相比，Mo2S3@NiMo3S4复合材料具有低界面电阻，有利于电荷从NiMo3S4向Mo2S3转移，提高HER/OER反应动力学。
        3) Mo2S3@NiMo3S4在电流密度分别为10、500和1000 mA·cm-2时，过电位仅为173、256和390 mV，表现出优异的OER活性。此外在HER测试中，Mo2S3@NiMo3S4在电流密度分别为10、100和1000 mA cm-2时，仅为32、124和174 mV，显著优于NiMo3S4，Mo2S3以及商业Pt/C。
         4) 在OER反应后，Mo2S3@NiMo3S4复合材料表面生成具有Ni3+的NiOOH，能够提高全解水性能。Ni K边明显向高能方向移动，表明Ni被氧化到更高的价态。除此之外，当电位达到1.3 V时，拉曼测试在474和551 cm-1处出现了两个新的特征峰，分别为Ni3+-O弯曲振动峰和Ni3+-O伸缩振动峰，对应在1.3 V时出现的NiOOH。
Tong Wu, Shumao Xu, Zhuang Zhang, Mengjia Luo, Ruiqi Wang, Yufeng Tang,* Jiacheng Wang,* and Fuqiang Huang*, Bimetal Modulation Stabilizing a Metallic Heterostructure for Efficient Overall Water Splitting at Large Current Density. Adv. Sci. 2022, 2202750.

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国际竞争激烈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难题和制约其广泛应用的最关键问题。
　　近期，中国科学院上海硅酸盐研究所先进材料与新能源应用研究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=1/2CV2）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。在材料类国际学术期刊Materials Science and Engineering R（IF = 33.67）上发表了题为“Materials Design and Preparation for High Energy Density and High Power Density Electrochemical Supercapacitor”的综述性论文。该综述包涵6个章节、63幅大图、7个汇总表格、近1000篇参考文献、9万余字，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。

　　针对功率补充应用迫切需求的高比能高功率超级电容器，该团队从2010年开始布局高比能高功率超级电容器研究方向，在高比电容少层介孔碳电极材料的设计与宏量制备方法、赝电容式极速储放能金属氧化物缺陷态调控、宽电压水系高比能超级电容器的器件构筑等方面取得系列进展，发表Science、Nat. Commun.、Adv. Mater. 等材料与器件相关学术论文100余篇，获授权专利30余项，承担“十三五”超级电容器重点研发计划项目并顺利结题，相关研究成果获2019年上海市自然科学一等奖，为推动超级电容器的推广应用起到了重要作用。
　　该综述性论文第一作者为上海硅酸盐所董武杰博士，通讯作者为黄富强研究员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市自然科学基金的支持。
　　文章链接：  https://doi.org/10.1016/j.mser.2022.100713