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[专家学者] 厦门大学材料学院王鸣生教授

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发表于 2017-3-27 15:22:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
王鸣生博士,福建省闽江学者特聘教授,厦门大学博士生导师,全国百篇优秀博士学位论文奖及福建省“百人计划”入选者,主要从事低维电子与能源材料的原位电镜(in-situ TEM/SEM)表征及相关器件研究。长期以来致力于利用原位电镜技术(In-situ TEM/SEM)对低维电子和能源材料进行“结构创建—过程观察—物性测量—器件表征”的一体化研究。


姓名:王鸣生
职称:教授,博士生导师
电话:0592-2186896
传真:
邮箱:mswang@xmu.edu.cn

个人简历
王鸣生教授,理学博士,博士生导师。全国百篇优秀博士论文奖获得者,福建省“闽江学者”特聘教授。

教育经历:
1997.9-2001.7     南京大学物理系,晶体物理与材料专业,学士学位
2001.9-2006.7     北京大学电子学系,物理电子学专业,博士学位

工作经历:
2006.8-2008.5     北京大学电子学系,博士后
2008.6-2011.3     日本国立材料学研究所(NIMS),博士后
2011.4-2012.8     美国麻省理工学院(MIT)材料科学与工程系,博士后
2012.9-2013.1     中科院北京纳米能源与系统研究所,研究员
2013.2-               厦门大学,博士生导师,闽江特聘教授

研究领域
长期以来致力于利用原位电镜技术(In-situ TEM/SEM)对低维电子和能源材料进行“结构创建—过程观察—物性测量—器件表征”的一体化研究。内容涉及:
1、发展基于原位透射和扫描电镜的材料结构和性能调控(电、力、光)技术
2、碳基纳电子和能源材料的界面/表面工程(新型sp2/sp3碳材料构建)
3、低维材料生长和物理化学反应的过程观察和结构解析
4、新型能量存储与转换器件的构建和表征

主要科研成果
在国际主流期刊上发表论文50多篇。SCI他引1400多次,H因子23。受邀撰写英文学术专著部分章节,授权发明专利三项。多篇学术论文被Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS nano、JACS等选作封面或亮点,并被其他各类著名学术媒体如Nature Asia Materials、MaterialsViews、NanoWerk、日本工业新闻等作为亮点报道。是多种一流学术期刊的审稿人,多次在国际学术会议上作邀请报告。曾获得北京大学“学术十杰”(2006)、中国电子显微学会“青年优秀论文奖”(2006)、全国百篇优秀博士论文奖(2009)等诸多荣誉和奖励;入选中组部计划(2013)及福建省“百人计划”(2015)。现主持青年计划(300万)、厦门大学科研启动经费(300万)、国家基金委面上项目(83万)、福建省百人计划(50万)及教育部专项科研基金等项目。
主要代表学术论著与论文
1)        B. Zhang, L. Zhao, Y. Cheng, D. Golberg, M. S. Wang*, Reversible Tuning of Individual Carbon Nanotube Mechanical Properties via Defect Engineering, Nano Letters, 2016, 16, 5221-5227.
2)        M. S. Wang, J. P. Hansonb, S. Gradecak* and M. J. Demkowicz*, Cutting Apart of γ Precipitates by Dislocations Emitted from Nanoscale Surface Notches in Ni-Base Alloy 725, Materials Research Letters, 2013, 1, 77-80
3)        A. K. Schaper*, M. S. Wang, Z. Xu, Y. Bando, D. Golberg, Comparative Studies on the Electrical and Mechanical Behavior of Catalytically Grown Multiwalled Carbon Nanotubes and Scrolled Graphene. Nano Letters, 2011, 11, 3295-3300.
4)        M. S. Wang*, D. Golberg, Y. Bando, Superstrong carbon nanotube-carbide-metal nanocontacts. Advanced Materials, 2010, 22, 5350–5355. (Highlighted by www.MaterialsViews.com: http://www.materialsviews.com/de ... _Superstrong.html?u
5)        M. S. Wang*, D. Golberg*, Y. Bando, Carbon onions as point electron sources. ACS Nano, 2010, 4, 4396-4402. (Highlighted by ACS Nano:http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nn101797x)
6)        X. L. Wei*, M. S. Wang, Y. Bando, D. Golberg*, Tensile Tests on Individual Multiwalled Boron Nitride Nanotubes. Advanced Materials, 2010, 22, 4895-4899.
7)        X. L. Wei*, M. S. Wang, Y. Bando, D. Golberg*, Electron-Beam-Induced Substitutional Carbon Doping of Boron Nitride Nanosheets, Nanoribbons and Nanotubes. ACS nano, 2011, 5, 2916-2922.
8)        X. L. Wei*, M. S. Wang, Y. Bando, D. Golberg*, Post-Synthesis Carbon-Doping of Individual Multiwalled Boron Nitride Nanotubes via Electron Beam Irradiation. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132, 13592–13593(highlighted by the website of JACS).
9)        M. S. Wang*, D. Golberg*, Y. Bando, Tensile tests on individual single-walled carbon nanotubes: linking nanotube strength with its defects. Advanced Materials, 2010, 22, 4071–4075.
10)    M. S. Wang*, D. Golberg*, Y. Bando, Interface dynamic behaviour between carbon nanotube and metal electrode. Advanced Materials, 2010, 22, 93-98. (Highlighted by Nature Asia Materials: http://www.nature.com/am/journal/2009/200910/full/am2009222a.html, and by Adv. Mater. in “Advances in Advance”)
11)    J. A. Rodríguez-Manzo#, M. S. Wang#*, F. Banhart, Y. Bando, D.Golberg*, Multi-branched junctions of carbon nanotubes via cobalt particles. Advanced Materials, 2009, 21, 4477-4482. (The first two authors contributed equally, Inside Front Cover)
12)     M. S. Wang*, Y. Bando, J. A. Rodrigez-Manzo, F. Banhart, D. Golberg*, Cobalt nanoparticle assisted engineering of multiwall carbon nanotubes, ACS Nano, 2009, 3, 2632-2638. (Highlighted by ACS Nano: http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nn901113e)
13)    M. S. Wang, Q. Chen, and L.-M. Peng*, Field emission characteristics of individual carbon nanotubes with a conical tip: the validity of the F-N theory and maximum emission current, Small, 2008, 4, 1907-1912.
14)    M. S. Wang, Q. Chen and L-M. Peng*, “Grinding” a Carbon Nanotube, Advanced Materials, 2008, 20, 724-728. (Highlighted by Adv. Mater. in “Advances in Advance”, and by NanoWerk: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=4853.php)
15)    M. S. Wang, I. Kaplan-Ashiri, X. L. Wei, R. Rosentsveig, H. D. Wagner, S. R. Cohen, R. Tenne*, L.-M. Peng, In Situ TEM Measurements of the Mechanical Properties and Behavior of WS2 Nanotubes, Nano Research, 2008, 1, 22-31.
16)    M. S. Wang, L. -M. Peng*, J. Y. Wang, Q. Chen, Shaping a CNT and effects on its electrical and mechanical properties, Advanced Functional Materials, 2006, 16, 1462-1468.
17)    M. S. Wang, J. Y. Wang, L. -M. Peng*, Engineering the cap structure of individual carbon nanotubes and corresponding electron field emission characteristics, Applied Physics Letters, 2006, 88, 243108.
18)    M. S. Wang, L. -M. Peng*, J. Y. Wang, C. H. Jin, Q. Chen, Quantitative Analysis of Electron Field-Emission Characteristics of Individual Carbon Nanotubes: The Importance of the Tip Structure, Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110, 9397-9402.  
19)    M. S. Wang, J. Y. Wang, Q. Chen, L. -M. Peng*, Fabrication and Electrical and Mechanical Properties of Carbon Nanotube Interconnections, Advanced Functional Materials, 2005, 15, 1825-1831. (Cover article)                     
20)    M. S. Wang, L.-M. Peng*, J. Y. Wang, and Q. Chen, Electron Field Emission Characteristics and Field Evaporation of a Single Carbon Nanotube, Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109, 110-113.
21)    M. S. Wang, J. Y. Wang, Q. Chen, L-M. Peng*, Electron beam induced deposition of carbon nanowires in TEM. Journal of Chinese electron Microscopy Society, 2005, 24, 11-16.
22)    M. S. Wang, J. Y. Wang, C. H. Jin, Q. Chen, L. -M. Peng*, Observations of carbon nanotube field emission failure in the transmission electron microscope, Materials Science Forum, 2005, 475-479, 4071-4076.

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发表于 2018-3-18 15:54:05 | 显示全部楼层

石墨烯由于其出众的性能以及构建未来碳基器件的巨大潜力一直以来备受关注。其中,石墨烯/金属界面扮演着极其重要的角色。比如,其接触界面的电子/机械耦合、化学稳定性不仅直接影响单个石墨烯器件的性能,也很大程度上决定了石墨烯合成中的生长动力学过程。为此,王鸣生教授团队在原位TEM下研究了不同金属与石墨烯在电场与焦耳热作用下的界面反应行为。研究表明,较重元素的金属在焦耳热作用下可以表现出不同程度的“碳饥渴”。石墨烯中的碳原子可以被钨纳米电极连续“吸食”进体内,形成碳化钨;过饱和后,被吸食的碳再以(弯曲)石墨的形式析出。基于以上观察,提出了周期性横向扩张/纵向增厚的石墨烯边沿生长模型。对于过渡金属镍,与以上反应有所不同,镍纳米电极只能从石墨烯边缘“咬食”,且食量有限,不形成金属碳化物;过饱和后以石墨形式析出。贵金属电极,如金,则几乎完全不与石墨烯反应,显示出最低的“碳饥渴”度。这些新现象对于理解sp2碳生长机理和设计高效稳定的金属/碳电极接触具有重要的科学意义。以上结果以“Graphene Ingestion and Regrowth on “Carbon-Starved” Metal Electrodes”为题发表在《ACS Nano》(2017, 11, 10575-10582)上。王鸣生教授为本文第一兼通讯作者,第二作者是课题组博士研究生程勇。合作单位还包括日本、澳大利亚和印度等科研机构。

石墨烯/金属界面

石墨烯/金属界面

  

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b06078  


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发表于 2018-3-18 15:55:08 | 显示全部楼层

对于轻金属,如锂、钠等,其与碳电极的反应过程则正好相反:碳电极在电场作用下显示出了不同程度的“金属饥渴”。以钠为例,钠金属是钠电池系统中理论上性能最优的负极材料。近年来,随着负极集流体结构设计的不断改进和发展,钠金属负极中存在的枝晶生长和体积变化较大等问题得到一定程度的抑制,钠金属负极也因此重新引起关注。然而,钠金属在集流体上成核、生长和溶解的过程细节人们知之甚少,而这些信息对于钠金属负极的高效运作至关重要。王鸣生教授课题组则首次在纳米尺度上实时观察了钠金属在集流体上的电化学沉积和溶出行为。研究表明,钠金属以纳米/微米颗粒的形式分布在碳纤维及其网络上,其成核点和碳纤维表面的缺陷结构有较明显的关联性。更重要的是,由于无定型碳纤维本身作为有效的钠离子传输通道,钠金属的沉积和溶出可以发生在远离固态电解质的碳纤维网络深处,使得钠金属沉积更加均匀且高度可逆,从而有效避免钠枝晶生长。此外,通过一个巧妙设计,在单根碳纤维的轴向实现其石墨化的连续变化,直接比较了不同区域的嵌钠能力(即“钠饥渴”度)即验证了石墨化程度越高,其内部储钠能力越低;并提出了外部存贮(沉积)辅以内部存储(嵌入)整体上提升钠金属/碳纤维负极的容量的设想。这些发现对于发展高效的全固态钠金属电池系统具有重要的指导意义。这部分结果以“In-situ electron microscopy observation of electrochemical sodium plating and stripping dynamics on carbon nanofiber current collectors”为题发表在《Nano Energy》(2017, 42, 122-128)上。课题组硕士研究生李旭科和博士研究生赵龙泽分别为该文并列第一作者,王鸣生教授为通讯作者。

钠金属在集流体上成核

钠金属在集流体上成核

  

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517306547


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发表于 2018-7-5 08:34:45 | 显示全部楼层
相对于传统的双电层超级电容器(EDLCs)和可再充锂子电池(LIBs),由电容电极和电池型法拉第电极组成的非对称超级电容器(Asymmetric supercapacitors, ASCs)能实现更高的能量密度和功率密度,这主要是由电池型电极更高的容量和电极对更宽的电压窗口引起的。因此,ASCs的研究引起了人们广泛关注。作为一种在碱性电解液中很有希望的超级电容器电极材料,氢氧化钴(Co(OH)2)通常表现出一对明显分开的法拉第氧化还原峰,所以它在过去几十年里被广泛地报道为一种超级电容器的赝电容材料。近来研究表明Co(OH)2在碱性介质中能表现出电池类型行为,因而可以认为是一种电池型材料。然而,Co(OH)2通常具有不可逆的相变,大的体积变化和低的电子电导率,导致耐久性差和有限的倍率等缺点,严重限制了它在ASCs方面的应用。
许多工作一直在致力于解决上述问题。为了提高Co(OH)2电极的电子导电性,已报道了引入电子导电的第二相或者直接把Co(OH)2生长在高导电性的一维纳米阵列模板上形成自支持的树枝状分级结构。为了进一步提高Co(OH)2电极的电化学性能,研究者们还开发了材料结构纳米化以及原子替代或掺杂等方法。相比于结构纳米化或者石墨烯复合法,原子替换或者掺杂是目前提高Co(OH)2电极最有效的方法,但是具体的性能提高机制仍然不清楚。相应地,对ASCs的Co(OH)2电极的合理设计或优化仍然缺乏科学依据。此外,将上述几种方法结合起来预计会使Co(OH)2电极的电化学性能有更大的提高,但是如何实现这种改进仍然是一个挑战。

纳米管阵列

纳米管阵列
近日,厦门大学王鸣生教授、南京工业大学吴宇平教授和佐治亚理工学院刘美林教授课题组(共同通讯作者)在国际顶级期刊Energy Storage Materials 上成功发表 “Design and Understanding of Dendritic Mixed-metal Hydroxide Nanosheets@N-doped Carbon Nanotube Array Electrode for High-performance Asymmetric Supercapacitors”的论文。研究人员提出了一种简单有效的化学浴沉积(CBD)工艺,首次把Zn,Ni共取代的Co碳酸盐氢氧化物(ZnNiCo-CHs)纳米片直接生长在泡沫镍支撑的N掺杂的碳纳米管阵列上,形成多孔树枝状纳米阵列分级结构。在这个电极设计中,N掺杂的碳纳米管阵列作为一维骨架,为电活性物质提供一维的电子和离子通道,使每个ZnNiCo-CHs纳米片充分和电解液接触,确保电活性物质能够有效的进行大量的电荷转移和电解液的离子扩散。此外,ZnNiCo-CHs中多金属组分潜在的协同效应可以提供更多的氧化还原活性位点和获得更高的电导率,从而提高电化学性能。因此,制备的电极表现出优异的电化学性能和高比容量(1 A g-1时964 Cg-1/1928 Fg-1),杰出的倍率性能(700 Cg-1/1400 Fg-1,50 A g-1 )和超长的循环稳定性(在20 A g-1下10,000次循环后保持初始容量的约96%),远远优于由ZnNiCo-CHs纳米片组成的电极和由C @ Co-CHs,C @ ZnCo-CHs和C @ NiCo CHs制成的电极。理论计算的结果表明,电极性能的提高主要归因于较低的去质子化能和有效的电子转移, Zn的引入能大大的提高钴的氧化还原反应位点和稳定其结构,而Ni 的引入主要是提供更多的氧化还原反应活性,从而提高电极的容量。实验结果表明:基于自支撑的C @ ZnNiCo-CHs正电极和N,S共掺杂的rGO负电极的不对称SC在功率密度为966 W kg-1时表现出70.9 Wh kg-1的高能量密度。同时,其还具有相当高的循环容量和长循环寿命:在20 A g-1下能保持20,000次循环的长循环寿命(容量保持率为91%)。
Qiaobao Zhang, Zaichun Liu, Bote Zhao, Yong Cheng, Lei Zhang, Hong-Hui Wu, Ming-Sheng Wang, Shuge Dai, Kaili Zhang, Dong Ding, Yuping Wu, Meilin Liu , Design and Understanding of Dendritic Mixed-metal Hydroxide Nanosheets@N-doped Carbon Nanotube Array Electrode for High-performance Asymmetric Supercapacitors, Energy Storage Materials,        https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.06.026


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发表于 2018-11-15 16:53:56 | 显示全部楼层
王鸣生ACS Nano:核壳Bi2S纳米线@N掺杂碳电极高性能锂电的机理
高性能LIB通常由异质复合电极构成,这些异质复合电极设计能够改善电池性能取决于对多种活性组分的机理及其协同作用或权衡效应的基本理解。研究人员报道了核-壳Bi2S3@N掺杂碳复合负极的制备和深入分析,该材料包括活性Bi2S3 纳米线(NW)核,外部N掺杂介孔C壳,以及核壳之间的中空空间。通过原位TEM、原位XRD、原位SAED,原位核磁共振和计算模型,研究人员阐明了Bi2S3@C NW负极的相变,结构演变和锂化动力学的主要机制。原位TEM和有限元模拟结果表明,Bi2S3-NW核与碳壳之间的空心空间可以有效地适应Bi2S3锂化引起的膨胀,而不会破坏C壳。这项工作揭示了异质复合电极的锂化机制和机械行为,阐明了金属硫化物材料中复杂多步反应的机理理解。

核壳Bi2S纳米线@N掺杂碳电极

核壳Bi2S纳米线@N掺杂碳电极

Zhao L, WuH, Yang C, et al. Mechanistic Origin of the High Performance of Yolk@Shell Bi2S3@N-DopedCarbon Nanowire Electrodes[J]. ACS Nano, 2018.
DOI:10.1021/acsnano.8b07319
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b07319

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王鸣生教授课题组在TEM碳基纳米减材制造方向取得重要进展。结构决定性质,对于石墨烯为代表的二维材料尤其如此。为了充分利用石墨烯的优越性能,人们需要对其主要结构参数进行全面控制,包括其形状、尺寸以及边缘手性和粗糙度等。课题组最近将传统的减材制造的概念引入到石墨烯的加工,提出了一种基于纳米“铣刀”的非接触式的石墨烯裁剪方法,并在透射电子显微镜(TEM)中演示了这一技术。通常的铣削加工基于机械剪切力将材料从其表面或边缘去除,而这对于石墨烯这种极高强度的材料显然是不适用的。为此,该工作制备了一种特制的纳米铣刀,即尖端有石墨化碳保护的钨纳米针尖。在特定范围的偏压下将此铣刀靠近石墨烯边缘,使边缘碳原子被逐步蒸发,从而对一片悬空石墨烯片进行高精度的可控纳米裁剪。第一性原理计算揭示其原子蒸发机理:由电子隧穿引发带间激发,并辅以焦耳热,致使C-C键断裂。通过移动探针,可以对石墨烯片进行任意修剪,类似宏观尺度下的铣削加工,从而实现对单片石墨烯的形状、尺寸以及边缘手性方向的任意控制。这种非接触式“铣削”加工得到的石墨烯边缘粗糙度可以达到亚纳米;若再通过原位退火,可进一步提升至原子级平整度,获得接近完美的armchair或zigzag边缘。利用这种剪裁技术来改变石墨烯阴极的形状和尺寸,可以有效地调节其场发射性能。

碳基纳米减材制造

碳基纳米减材制造


相关成果以“Shaping and Edge Engineering of Few-Layered Freestanding Graphene Sheets in a Transmission Electron Microscope”为题在纳米类顶级期刊Nano Letters (2020, 20, 2279)上发表,并被选做封面论文。课题组博士研究生赵龙泽与南方科技大学助理教授罗光富为该论文并列第一作者,王鸣生教授为本文通讯作者。

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