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[专家学者] 上海科技大学物质科学与技术学院系统材料学崔屹

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发表于 2017-8-19 09:15:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
崔屹1998年在中国科学技术大学获理学学士学位, 2002年在哈佛大学获得博士学位(导师Charles Lieber),2003年-2005年在加州大学伯克利分校从事博士后研究(导师Paul Alivisatos),现为斯坦福大学材料科学与工程系教授。现任Nano Letters副主编、美国湾区太阳能光伏联盟(Bay Area Photovoltaics Consortium)主任以及美国电池500联盟(Battery500 Consortium)主任。Yi Cui教授是当今世界知名的材料科学家,专长于能源纳米技术,在纳米材料研究取得了很多开创性的成就,在Science、Nature系列等高水平杂志上共发表近400篇研究论文,H-Index(H因子)155,总引用高达10万余次。授权国际专利40余件,并获得一系列奖项,包括2017年度布拉瓦尼克青年科学家奖,2015年MRS Kavli Distinguished Lectureship in Nanoscience, Resonate Award for Sustainability,2014年Nano Energy奖、2014年Blavatnik(布拉瓦尼克)国家奖入围奖、2013年IUPCA(国际理论化学与应用化学联合会)新材料及合成杰出奖、2011年哈佛大学威尔逊奖、2010年斯隆研究基金、2008年KAUST研究奖、2008年ONR年轻发明家奖、2007年MDV创新奖等,2004年入选“世界顶尖100名青年发明家”。Yi Cui教授还是一位创业家。9年前,他创办了第一家公司安普瑞斯(Amprius),生产硅负极高能锂电池;2015年,他和诺奖得主、美国前能源部部长朱棣文教授共同创办了4CAir公司,生产雾霾过滤产品。


崔屹    特聘教授
研究方向        纳米材料
联系方式        yicui@@stanford.edu
教育背景                 
1998年在中国科学技术大学获理学学士学位; 2002年在哈佛大学获得博士学位; 2003年-2005年在加州大学伯克利分校从事博士后研究;现任斯坦福大学教授。
研究介绍                 
纳米材料的设计,合成和性能研究以及应用在能源存储,太阳能电池,催化,水和空气净化; 二位层状材料;拓扑绝缘体;纳米生物学。
科研成果                 
1.C. K. Chan, H. Peng, G. Liu, K. McIlwrath, X. F. Zhang, R. A. Huggins, Y. Cui "High Performance Lithium Battery Anodes Using Silicon Nanowires" Nature Nanotechnology 3, 31 (2008).
2.D. Kong, Y. Chen, J. J. Cha, Q. Zhang, J. G. Analytis, K. Lai, Z. Liu, S. S. Hong, K. J. Koski, S. K. Mo, Z. Hussain, I. R. Fisher, Z. X. Shen, and Yi Cui, "Ambipolar field effect in the ternary topological insulator (BixSb1-x)2Te3 by composition tuning" Nature Nanotechnology 6, 705(2011).
3.H. Wu, G. Chan, J. W. Choi, I. Ryu, Y. Yao, M. T. McDowell, S. W. Lee, A. Jackson, Y. Yang, L. Hu and Y. Cui, "Stable cycling of double-walled silicon nanotube battery anodes through solid-electrolyte interphase control," Nature Nanotechnology 7, 310 (2012).
4.Z. W. Seh, W. Li, J. J. Cha, G. Zheng, Y. Yang, M. T. McDowell, P.-C. Hsu, and Yi Cui, "Sulphur-TiO2 yolk-shell nanoarchitecture with internal void space for long-cycle lithium-sulphur batteries," Nature Communications 4:1331 (2013).
5.G. Zheng, S. W. Lee, Z. Liang, H.-Y. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu and Y. Cui, "Interconnected hollow carbon nanospheres for stable lithium metal anodes", Nature Nanotechnology 9, 618 (2014).

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发表于 2018-6-10 09:32:48 | 显示全部楼层
崔屹:稳定锂金属负极

研究亮点:
1.选用高机械强度的纳米金刚石界面,有效抑制锂枝晶。
2.首次提出双层保护膜设计,使一层中的缺陷可以被另一层有效屏蔽从而大大提高纳米金刚石保护层的缺陷容忍度,实现均匀锂离子流,促进均匀的锂沉积。
3.引入氧化石墨烯,减弱金刚石和集流体衬底界面的相互作用力。
在众多的新型负极材料中,金属锂以最高的理论容量(3860 mAh g-1)和最负的电势(-3.040 V vs. 标准氢电极)而成为下一代高能电池最有前景的负极材料之一。然而,金属锂异常活泼,可以与电解液自发迅速反应生成钝化层 (固体电解质界面膜,SEI膜)。
稳定的SEI膜可以阻止金属锂和电解液的进一步反应,然而金属锂负极在充放电过程中体积变化极大,从而导致脆弱的SEI膜极易发生破损,引发锂离子在负极与电解液界面处的不均匀分布,造成树枝状锂枝晶的沉积。锂枝晶一方面可能刺穿电池绝缘隔膜,从而引发短路进而导致起火等安全隐患,另一方面锂枝晶的生长不断破坏SEI,导致副反应增加,极大缩短电池循环寿命。因此,提高金属锂界面的稳定性便显得尤为重要。
纳米界面保护层是解决不稳定SEI膜所引起的锂金属负极问题的重要手段之一。此方法的核心概念是在SEI膜和金属锂之间搭建一层“脚手架”,在充放电的过程中“脚手架”能够随着SEI膜移动从而防止其破裂。至今,该方法仍大大受制于对于构建保护层材料的严格要求:
1)对金属锂绝对稳定;
2)具有高机械强度和紧密的结构以抑制锂枝晶生长;
3)具有一定程度的柔韧性以适应循环过程中电极的体积变化;
4)能在电极表面实现均匀的锂离子流;
5)具有低导电性和与集流体较弱的相互作用力,使锂沉积仅发生在保护层下面。
有鉴于此,美国斯坦福大学朱棣文(美国前能源部部长,诺贝尔奖得主)团队和崔屹团队合作开发了一种可以严格满足上述要求的超强纳米金刚石保护层来构建稳定的金属锂界面。

纳米金刚石保护下金属锂的电化学沉积形貌

纳米金刚石保护下金属锂的电化学沉积形貌

参考文献:
Yayuan Liu, Yan-Kai Tzeng, DingchangLin, Allen Pei, Haiyu Lu, Nicholas A. Melosh, Zhi-Xun Shen, Steven Chu* and YiCui*, An ultrastrong double-layer nanodiamond interface for stable lithiummetal anodes. Joule 2018. DOI: 10.1016/j.joule.2018.05.007

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发表于 2018-6-26 08:31:09 | 显示全部楼层
研究亮点:
1.  发展了一种高弹性模量,高孔隙率和显着的大内表面积SiO2-气凝胶增强复合聚合物电解质(CPE)。
2.  构建了具有良好循环性和倍率性能的LiFePO4(LFP)-Li全电池的环境条件操作,证明具有高达2.1mAh cm-2的高面积容量的全电池。

二氧化硅气凝胶增强固态聚合物电解质

二氧化硅气凝胶增强固态聚合物电解质

开发全固态电池对于解决锂枝晶具有很重大的意义。首先,采用高模量固体电解质会从物理上阻碍Li枝晶的形成和穿透,避免内部短路。其次,用全固态电解质替代高度易燃的液体电解质将显着减少电池爆炸的风险。而且,除去液体电解质可减少副反应并抑制正极物质(S)向负极的穿梭效应。
固体聚合物电解质(SPE)具有显着的加工优势,但通常在机械上太脆弱并且无法有效抑制Li枝晶形成。而且,它们的锂离子电导率较低,比液态低至少2-3个数量级,限制了在室温下的高功率运行。事实上,在SPE中高离子导电率与高弹性模量通常难以兼得。这是因为高离子电导率通常需要低结晶度和更多可移动的聚合物链,这反过来使聚合物的机械强度大大降低。
有鉴于此,斯坦福大学崔屹教授和ReinholdH. Dauskardt教授通过引入高硬度介孔SiO2气凝胶作为聚合物基电解质的骨架,成功地设计和制造了超强增强复合聚合物电解质(CPE)。
这种新型复合电解质是由相互连接的SiO2气凝胶骨架和高导电交联PEO基电解质组成。相互连接的SiO2气凝胶不仅作为强化整个复合材料的强支柱,而且为强阴离子吸附提供了大而连续的表面,从而产生穿过复合材料的高导电通路。

研究人员认为,这项研究中的设计方法和相应的材料属性不同于通过机械共混陶瓷填料粉末,聚合物和锂盐制造的传统复合电解质)。连续SiO2气凝胶网络的预成形起着关键作用,并已被证明可以解决机械混合对应物中的主要问题,包括平庸的机械性能和离子导电性以及粉末团聚。

SiO2气凝胶的引入提供了至少三个优点:
1)首先,由于SiO2气凝胶骨架结构牢固,复合材料的力学性能较少依赖于机械弱聚合物,与传统聚合物电解质相比,其弹性模量至少高1个数量级。
2)大面积,均匀分布,超小SiO2结构域和有利的酸性表面最大化它们与Li盐的阴离子的相互作用并在复合物内形成连续的路径,这进一步有助于更高水平的盐离解和增强的离子导电率。
3)SiO2气凝胶/ PEO复合材料能够在高温下保持其机械刚度,与传统聚合物电解质在这些温度下硬度显着降低相反。
由于这些优点,获得了离子电导率的三倍增强,在30°C时达到约0.6 mS cm-1。复合电解质的机械性能表现出约0.43GPa的弹性模量,比交联的PEO基电解质的弹性模量高至少1个数量级,并且显着增强≈170MPa的硬度。
此外,研究人员发现在延长的循环中没有内部短路,获得了显着的树枝状晶体抑制效果,获得了室温下具有良好循环性和倍率性能的LiFePO4 -Li全电池。即使在15℃的低温下,≈105 mAhg-1的高容量仍然保持在0.4C,还实现了具有高达2.1 mAh cm-2的阴极容量的全电池。
这是斯坦福崔屹课题组与Dauskardt课题组的又一合作成果。崔组在电池材料的开发,纳米材料制备及电化学表征上有多年经验, 而Prof. Dauskardt是机械性质研究领域的权威专家。两个组的合作扩展了对于电池材料机械性能的研究。气凝胶增强的CPE代表了固态电解质的新设计原理,并为未来的全固态锂电池提供了机会。
参考文献:
A Silica‐Aerogel‐Reinforced Composite Polymer Electrolyte with High IonicConductivity and High Modulus,Dingchang Lin ,Pak Yan Yuen ,Yayuan Liu ,Wei Liu ,Nian Liu ,Reinhold H.Dauskardt ,Yi Cui
Advanced Materials 2018.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802661

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发表于 2018-7-19 08:57:10 | 显示全部楼层
文章亮点:本研究展示了一种ZnO纳米颗粒嵌入纳米多孔聚乙烯(ZnO-PE)的辐射室外冷却的新型光谱选择性纳米复合材料纺织品。该纺织品通过反射超过90%的太阳辐照度并选择性地将人体热辐射传输到寒冷的外太空。与白天高峰条件下的普通纺织品相比,该纺织品可以使模拟皮肤避免过热5-13°C。由于其优越的被动冷却能力和大规模生产的兼容性,该辐射式户外冷却纺织品有望在从健康到经济的许多方面广泛地有益于社会的可持续性。

ZnO-纳米聚乙烯织物“智能”辐射降温

ZnO-纳米聚乙烯织物“智能”辐射降温
室外热应激对公共健康构成严重威胁,并限制工业劳动力供应和生产力,从而对整个社会的健康和经济产生不利影响。随着气候变化,将出现更加激烈和频繁的热浪,进一步对社会环境构成巨大挑战。然而,缺乏能够在没有强烈能量输入的情况下提供人体的局部室外冷却的有效且经济的方法。因此,在可持续发展的社会中,室外冷却在许多方面都是至关重要的,但由于其开放性,仍然是一个巨大的挑战。理想的解决方案是通过衣服对人体进行局部冷却。最近,辐射冷却纺织品已经被认为是有吸引力的策略,因为它发挥了人体在不需要任何能量输入的情况下发出热辐射的固有能力。对于室内环境,证明红外透明纺织品可以充分传递身体辐射热量允许被动个人冷却。然而,在阳光直射下的室外辐射冷却由于从太阳辐照度(≈1000Wm-2)和明显的体内热量产生(≈100Wm-2)增加了大量的外部加热而提出了更大的挑战,需要一种在太阳和中红外波长具有选择性响应的纺织材料。然而,尚未实现具有上述特性的纺织品。

近日,斯坦福大学崔屹教授课题组(通讯作者)在国际顶级期刊 Advanced Materials上发表 “Spectrally Selective NanocompositeTextile for Outdoor Personal Cooling”的论文。研究人员展示了一种用于室外辐射冷却的光谱选择性纳米复合材料纺织品,它显示出超过90%的太阳辐照度反射和人体热辐射的高透射率。通过结合了固有材料特性和结构光子工程,将氧化锌纳米颗粒(NPs)嵌入纳米多孔聚乙烯(ZnO-PE)中,开发出具有选择性光谱响应的新型纺织材料。结果表明:ZnO-PE可以使模拟皮肤避免过热超过10°C,相当于超过200 W m-2的冷却功率,与典型户外环境下的传统纺织品如棉花相比,太阳辐照峰值超过900 W m-2。此外,当汗液蒸发起作用时,与棉花相比,辐射冷却纺织品仍然可以避免皮肤模拟加热器过热达8°C。结果证明了将体温调节概念与纳米光子结构相结合用于被动户外个人冷却的卓越能力。这将导致个人热管理的革命性改进,不仅可以使个人健康受益,而且通过可持续的方式使工业生产力受益。



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发表于 2018-7-24 08:59:35 | 显示全部楼层
CO2还原出奇招,崔屹Nature Catalysis这次造了一个人工肺!



研究亮点:
模拟肺泡结构构建了三相界面电催化CO2还原系统,使得高浓度CO2可以有效传递到催化剂表面并实现高效电催化还原!
电催化还原CO2,已经成为了各国科学家的新宠。不仅能够实现CO2减排,还能制造更多有用化学品,何乐而不为!近年来,电催化还原CO2方面的研究不可谓不迅猛,催化剂活性和选择性不可谓不高。

人工肺

人工肺
问题在于:CO2在水中溶解度极小,如何能让高浓度CO2有效到达催化剂表面以实现更高的效率?
有鉴于此,斯坦福大学崔屹教授团队模仿肺泡结构设计了一种双层仿生人工肺泡,用于三相界面CO2电催化还原系统。
借助于肺泡结构中气体透过性高和水扩散性低的特点以及其中CO2和O2传递机理,研究人员构建了一种双层的三相催化界面阵列。阵列由高度柔性的疏水、高气体透过性的纳孔PE膜和溅射的Au纳米催化剂层构成。
柔性、疏水、高气体透过性的纳孔PE膜用于CO2传质,同时疏水特性使得PE膜可以在Au/CO2/H2O气固液三相界面提供更多的活性位点;除此之外,人工肺泡还可以实现局部pH调控,在不同的CO2流动速度条件下,催化剂表面可以都能确保高的碱性。
在电催化还原制CO的过程中,以20-80 nm厚的Au纳米催化剂层和12 μm厚的PE膜构建的独特仿生结构,实现了高达92%的法拉第效率,几何电流密度达到25.5 mA cm-2(-0.6V vs RHE)。
总之,这项研究为CO2电催化还原提供了新的思路!


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发表于 2018-8-2 10:03:39 | 显示全部楼层

Sci. Adv.三维锂金属负极稳定界面设计


金属锂负极具有3860mAh/g的比容量,被认为是最有前途的锂电池负极材料。尽管已有数十年研究,其商业化仍受长循环性能和安全性差的限制。其面临的主要挑战是:(1)锂与电解液高的化学反应活性;(2)锂电化学沉积/剥离过程中大的体积变化。金属锂和有机电解液之间的副反应消耗了活性锂和电解液,导致形成连续不稳定的SEI膜。沉积/剥离过程中的体积变化使易碎的SEI膜破裂,导致新鲜的高反应活性锂暴露于电解液中以形成新的SEI膜。如此循环消耗活性锂和电解液,导致容量衰减和阻抗上升。三维(3D)锂负极具有稳定的界面,使其具有以下优点:(1)引导锂电化学沉积/剥离;(2)形成稳定的SEI膜;(3)防止锂与电解液反应。

材料合成和制造过程

材料合成和制造过程


在提高锂金属负极性能的各种方法中,以适应循环期间锂的大体积变化和开发稳定界面以最小化副反应发生为努力方向。目前为止大多数锂负极可分为两大类:第一类主体是亲锂基体通过热熔融反应制备。尽管在高电流密度下可以抑制锂枝晶的产生,但表面上仍暴露锂渗透通道,这使得主体内的锂容易与电解液反应。第二类主体是由空心电极组成,空腔内可容纳锂电化学沉积。然而在去除模板时不可避免会在壳上留下微孔。因此应在宿主材料表面形成稳定的界面来避免电解液和金属锂的反应。原子层沉积(ALD)技术能够在高纵横比锂电池电极上实现无针孔涂层,是一种有前途的工具。

最近,斯坦福大学的崔屹教授课题组设计并开发了一种使用ALD涂层空心碳球(HCS)的新型3D电极。微孔碳壳用作坚固的机械框架以限制电化学锂沉积;薄ALD涂层密封了HCS的微孔防止锂和电解液接触并使有缺陷的HCS表面失活。通过这种设计,液体电解液仅接触ALD Al2O3/HCS的外表面且不能穿透空心球。因此,循环时SEI仅在ALD涂覆的HCS的外侧形成。在锂沉积过程中,锂离子穿透外部Al2O3/C壳在空心球内沉积。在醚基电解液中,经过500次循环后仍具有超过99%的高库仑效率。

作者设计并制备的电极,在电解液和容纳锂金属的空腔之间具有稳定的界面。ALD Al2O3涂层可以引导锂在HCS空腔内电化学沉积。ALD Al2O3涂覆的碳壳也可用作有效的人造SEI,其不仅可以防止锂枝晶的形成,还可防止电解液进入。电解液和电化学沉积锂的有效分离对于减小副反应是至关重要的。最终在醚基电解液中获得了高达99%的平均库仑效率和超过500次稳定循环。

Jin Xie, Jiangyan Wang, Hye Ryoung Lee, Kai Yan, Yuzhang Li, Feifei Shi, William Huang, Allen Pei, Gilbert Chen, Ram Subbaraman, Jake Christensen and Yi Cui. Engineering stable interfaces for three-dimensional lithium metal anodes,  Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aat5168.

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发表于 2018-9-8 14:38:53 | 显示全部楼层
崔屹Joule:揭示电池中SEI的原子结构

SEI是在所有锂电池负极上形成的关键界面,但其在原子尺度上的精确机械功能仍不清楚。崔屹团队使用低温电子显微镜(cryo-EM)揭示电池材料中SEI的原子结构,发现两种不同的SEI纳米结构(即马赛克和多层)的功能,并将其与电池性能相关联,得出SEI的纳米结构是决定最终电池性能的关键因素。

揭示电池中SEI的原子结构

揭示电池中SEI的原子结构
Li Y, et al. Correlating Structure and Function of Battery Interphases at Atomic Resolution Using Cryoelectron Microscopy[J]. Joule, 2018.
DOI: 10.1016/j.joule.2018.08.004
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118303842

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发表于 2018-9-14 08:23:17 | 显示全部楼层
鲍哲南/崔屹AM:弹性锂离子导体的双交联设计

目前固态电解质材料通常不能完全满足机械和电化学性能的要求,该团队首次在聚合物电解质中应用牺牲交联,设计了具有双共价和动态氢键交联的弹性锂离子导体,其具有更大的弹性同时不牺牲室温离子电导率。聚环氧丙烷弹性体(ePPO)通过静电共价键的组合提供弹性,酰胺基团之间的动态牺牲氢键可消除应力。选择聚醚胺前体是因为其可转化为氢键合酰胺,PPO主链形成无定形而不是由PEO形成的结晶域。将线性二胺引入以增加交联的分子量,降低了材料的模量并使纯聚合物的应变能力从250%增加到500%。将其用作Li/LiFePO4电池的电解质和粘合剂,表现出稳定的操作性。全固态全电池在经过符合工业标准程序的折叠、切割、实验室规模的锤击试验后也能正常使用。


弹性锂离子导体的双交联设计

弹性锂离子导体的双交联设计
Lopez J, Sun Y, Mackanic D G, et al. A Dual-Crosslinking Design for Resilient Lithium‐Ion Conductors[J]. Advanced Materials, 2018.
DOI: 10.1002/adma.201804142

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发表于 2018-11-1 17:53:43 | 显示全部楼层
崔屹PNAS:用于大规模储能的镍氢电池
大规模能量储存对于可再生能源并入电网意义重大。尽管抽水蓄能在电网储能中占据主导地位,但其会受到选址和占地面积的影响,因此二次电池在大规模储能领域中的重要性不言而喻。然而,对于长周期和日历寿命的低成本材料的挑战性要求限制了大多数用于电网储能的电化学器件。近年来,崔屹教授研究团队引入了具有Mn2+/MnO2氧化还原正极电对的锰氢电池概念,该电池能够实现10000次循环寿命和电网储能潜力。本文对这一概念进行了拓展,用镍基正极代替了Mn2+/MnO2电对实现了十倍的面容量,达到了35 mAh/cm2。他们还用低成本的双功能镍钼钴合金代替负极上的高成本铂催化剂,该合金能够有效的催化碱性电解质体系中的析氢反应和氧化反应。这种镍氢电池在水溶液电解质体系中的能量密度约140 Wh/kg,并且在1500次的长期循环中容量衰减可以忽略。

用于大规模储能的镍氢电池

用于大规模储能的镍氢电池

Chen W, Jin Y, et al. Nickel-hydrogen batteries for large-scale energy storage[J]. Proceedings of the National Academy ofSciences, 2018.
DOI: 10.1073/pnas.1809344115
http://www.pnas.org/content/early/2018/10/23/1809344115

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崔屹Nat. Commun.:在少层MoS2表面进行可逆且选择性离子插层
用电化学对二维材料进行离子插层可实现在低温下调控二维材料的物理化学性质。近日,斯坦福大学崔屹教授课题组成功实现了在少层MoS2表面进行可逆且选择性离子插层,理论计算表明,该技术的成功得力于MoS2表面丰富的天然缺陷。这一发现对日后开发功能性二维材料器件具有指导意义。

少层MoS2

少层MoS2

Zhang J, Yang A, Cui Y, et al. Reversible and selective ionintercalation through the top surface of few-layer MoS2[J]. Nature Communications, 2018.
DOI: 10.1038/s41467-018-07710-z
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07710-z

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土壤重金属污染是一个十分严峻的环境问题,然而现有土壤修复技术遇到了时间长、化学成本高、能耗大、二次污染和土壤养分流失等诸多障碍。有鉴于此,斯坦福大学崔屹教授等报道了一种新型的基于非对称交流电化学手段的土壤修复方法,该方法能实现对不同初始浓度(100-10000 ppm)重金属(铜、铅、镉)高效快捷去除。修复结果表明,在处理过的土壤中没有观察到过多的养分流失,也没有产生次生有毒物质。经过长期试验和植物试验表明,该方法具有较高的可持续性和农业应用的可行性。

土壤重金属污染

土壤重金属污染
Jinwei Xu, Chong Liu, Po-Chun Hsu, Jie Zhao,Tong Wu, Jing Tang, Kai Liu & Yi Cui*. Remediation of heavy metal contaminated soil by asymmetrical alternating current electrochemistry. Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-10472-x
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10472-x

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