武汉理工大学材料学院木士春

xinkaiduan

木士春，1973年生，理学博士，武汉理工大学二级教授，博士生导师。1991年9月-1995年7月，毕业于现吉林大学，获学士学位；1997.1毕业于中国科学院广州地球化学研究所，获硕士学位，导师为汪灵研究；2001.1毕业于中国科学院广州地球化学研究所，获博士学位，导师为陈国达 院士；2001.2作为进入武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室博士后流动站从事质子交换膜燃电池关键材料和核心器件（膜电极MEA/CCM）研究工作，合作导师为袁润章教授。2003.3至今，留校工作。2003.5特聘副教授，2006年破格晋升教授并被聘为博士生导师，2014年被聘为二级教授。2007.9赴英国牛津大学化学系进行为期一年的访学。2007年入选教育部“新世纪优秀人才计划”，2014年入选国际电化学能源科学院（IAOEES）理事，并担任欧盟石墨烯旗舰计划项目评审专家。
研究领域
1、燃料电池及其关键材料
2、锂离子电池关键材料

科研项目
1、“质子导体高分子保护碳纳米管载Pt催化剂合成及稳定机制（50972112）”，国家自然科学基金项目，项目负责人
2、“海泡石-坡缕石矿物的超临界氢吸附模式研究（40302011）”，国家自然科学基金项目，项目负责人
3、“质子交换膜研究开发”，科技部863项目（2006AA11A139)，项目负责人
4、“质子交换膜燃料电池导电陶瓷载Pt催化剂研究”，教育部“新世纪优秀人才计划”（NCET-07-0652）项目，项目负责人
5、“车载燃料电池发动机用CCM研发”，横向合同（湖北省科技重大攻关分解项目），项目负责人

代表性论文及著作
1.        Shibin Yin, Shichun Mu*, Haifeng LV, Niancai Cheng , Mu Pan, and  Zhengyi Fu. A Highly Stable Catalyst for PEM Fuel Cell Based on Durable Titanium Diboride Support and Polymer Stabilization, Applied Catalysis B: Environmenta，doi:10.1016/j.apcatb.2009.09.034
2.        Shichun Mu, Cheng Xu, Ying Gao, Haolin Tang, Mu Pan. Accelerated Durability Tests of Catalyst Layers with Various Pore Volume for Catalyst Coated Membranes Applied in PEM Fuel Cells, International Journal of Hydrogen Energy, 2009, doi:10.1016/j.ijhydene.2009.05.022
3.        Feng Xu, Shichun Mu*, Mu Pan. Recycling of Key Materials for Membrane Electrode Assembly Applied in PEM Fuel Cell by Acid Processing, International Journal of Hydrogen Energy, 2009, doi:10.1016/j.ijhydene.2009.05.087
4.        Niancai Cheng, Shichun Mu*, Mu Pan, Peter P Edwards. Improved lifetime of PEM Fuel Cell Catalysts through Polymer Stabilization. Electrochem. Commun., 2009, 11: 1610-1614
5.        Mu Shichun, Tang Haolin, Wan Zhaohui., Pan Mu and Yuan Runzhang. Au nanoparticles self-assembled onto Nafion membranes for use as methanol-blocking barriers. Electrochem. Commun., 7 (2005) 1143–1147
6.        Mu Shichun, Wang Xiaoen, Tang Haolin, Pan Mu and Yuan Runzhang. A self-humidifying composite membrane with self-assembled Pt nanoparticles for polymer electrolyte membrane fuel cells , Journal of The Electrochemical Society, 2006,153,A1868-A1872
7.        Shi-chun Mu, Hao-lin Tang, Sheng-hao Qian, Mu Pan and Run-zhang Yuan, Hydrogen storage in carbon nanotubes modified by microwave plasma etching and Pd decoration, Carbon, 2006，44，762-767
8.        Mu shichun, Tang Haolin, Qiang Shenghao, Pan Mu, Yuan Runzhang. Performance of hydrogen storage of carbon nanotubes decorated with palladium, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2004, 14(5): 996-999.
9.        Mu Shichun, Tang Haolin, Pan Mu and Yuan Runzhang. Synthesis and Evaluation on Performance of Hydrogen Storage of Multi-Walled Carbon Nanotubes Decorated with Platinum. Journal of Wuhan University of Technology-mater.Sci. Ed.,2003(3):33-35
10.    Mu Shichun, Pan Mu and Yuan Runzhang，“A New Concept: Hydrogen Storage in Minerals”Materials Science Forum，Vols. 475-479 (2005) 2441-2444

联系方式
Tel：027-87651837-8611
E-mail：msc@whut.edu.cn
工作地址：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室

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三维ZIF衍生的一维Co-Nx/C纳米棒ORR/OER双功能电催化剂及锌-空电池性能

与氢燃料电相似，可充锌空电池充放电过程中在空气侧电极分别发生的氧析出反应（OER）/氧化还原反应（ORR）动力学非常缓慢。虽然Pt、 Ir等贵金属电催化剂对ORR/OER具有较高的催化活性，但其昂贵的价格和严重稀缺的资源限制了可充锌空电池的发展。因此，急需一种高效、价格低廉且资源丰富的非贵金属催化剂作为替代。当前，可充锌空电池非贵金属催化剂的研究中已取得了积极进展，其中具有大比表面积的M-N/C体系材料成为人们的研究热点。过渡金属有机框架（MOF）材料是获得M-N/C的重要前驱体，但是高温直接碳化会导致氮（N）含量和孔隙率下降从而严重影响材料的多功能催化性能。因此，需要构筑合适的结构来保证材料的N含量和孔隙率保持稳定。

针对上述科学问题，武汉理工大学木士春教授课题组通过制备三维（3D）ZIF材料设计和构筑出了一种一维Co-Nx/C纳米棒阵列电催化剂。一维纳米棒结构可有效避免过高温碳化导致材料的N含量和孔隙率的降低，并有效阻止碳化过程中Co的团聚从而形成大量的Co-N活性位点。测试结果表明，一维Co-Nx/C纳米棒阵列材料具有优异的ORR（E1/2=0.877V）/OER（ηj=10=0.3V）电催化活性和稳定性。作为一种高效的双功能催化剂（Ej=10(OER)-E1/2(ORR)=0.65V），将其用于可充锌空电池的阴极催化剂时，在5mA/cm2电流密度下的效率达到了65.7%。全固态锌空电池的开路电压达到了1.42V，电池的能量密度高达853.12 Wh kgZn–1，为理论能量密度的78.6%，并在高电流下的充放电测试中都展现出优异的稳定性。一维Co-Nx/C纳米棒阵列优异的多功能电催化性能应归因于其化学组分之间的协同效应、高比表面积以及拥有大量活性位点的纳米棒结构。此外，DFT理论计算结果和SCN– 毒化实验均进一步证明了Co-N是最佳的活性位点，对提高一维Co-Nx/C纳米棒阵列的催化性能起着非常重要的作用。该项研究成果为多功能催化剂材料的设计和构筑，以及电化学能源器件的研发提供了新的方向。相关文章在线发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201704638）上。

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武汉理工大学木士春教授团队基于近期相关研究工作及已有文献报道，对本征碳缺陷电催化应用的最新进展进行了系统评述。他们首先简要概述了纳米催化剂缺陷工程的含义，即包括缺陷的定向构筑、缺陷几何构型及浓度的表征、缺陷基催化剂的活性评估、缺陷位点的电子结构和催化作用机制，以及缺陷基催化剂的规模化制备等方面。继而从本征缺陷的几何构型出发，详细论述了不同本征碳缺陷位点的构筑策略及催化应用，从理论模拟与实验验证的角度对富含本征缺陷的碳基电催化剂的反应机制进行分析。紧接着，他们介绍了本征碳缺陷与杂原子点缺陷对碳位点电子结构的协同优化效应，以及本征碳缺陷对高活性金属单原子的捕获效应。此外，还系统总结了目前应用于本征缺陷位点物性表征的手段，包括对其几何构型的可视化观测技术，以及对其缺陷浓度信息、表面电子态的光谱学表征技术，为缺陷催化的研究提供技术指南。最后，简要评述了本征碳缺陷参与的活性位点的构效关系，并就目前面临的挑战对缺陷电催化领域的未来发展进行了全面的展望。

该综述从缺陷工程的角度探讨了本征碳缺陷作为电催化活性中心的研究进展，对其构筑策略、表征手段、构效关系及催化机制进行系统阐释，为未来缺陷基电催化剂的研发与应用提供必要的理论依据和技术指导。相关论文以Defect Engineering in the Carbon-Based Electrocatalysts: Insight into the Intrinsic Carbon Defects为题目在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001097)上，博士研究生朱加伟为第一作者，武汉理工大学木士春教授为通讯作者。

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材料复合新技术国家重点实验室木士春教授课题组联合广东佛山仙湖实验室在非贵金属电解水催化剂研究领域又取得重要进展，研究成果已在国际能源材料顶级刊物Advanced Energy Materials（10.1002/aenm.201903891）上在线发表。
　　为了解决日益紧张的能源需求及环境恶化等问题，发展新型可再生能源势在必行。其中，氢能源作为一种可持续且环境友好的新型能源，近年来受到了广泛关注。电解水制氢以水为原料可实现在无碳排放的情况下的高质量产氢，具有操作简单、氢气纯度高且绿色环保等优势，被认为是最具前景的产氢技术之一。近几年来，我校木士春教授课题组在电解水制氢催化剂的设计、构筑及电催化性能方面开展了大量的研究工作，已在J Am Chem Soc、Energy Environ Sci、Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy、J Catal等国际权威期刊上发表50余篇SCI高质量论文。

　　在众多的催化剂中，Ni3S2材料因具有高电导率、独特的电子结构和可控的多元化形貌，被认为是最有前景的非贵金属电解水催化剂之一，但其稀疏的活性位点严重限制了其氢析出反应/氧析出反应（HER/OER）电催化活性。目前，提高电化学水分解催化活性的有效策略主要集中于金属或非金属掺杂、界面工程等，然而，不同策略的有机结合及协同优化却很少被人们探讨。对此，在前期研究基础上，木士春教授课题组提出了一种新颖的自上而下策略，通过巧妙结合金属掺杂和界面工程构筑了具有高催化活性的分级枝叶状Mo-Ni3S2/NixPy/NF中空纳米棒。首先，他们通过精确控制Mo掺杂优化Ni3S2的电子结构，并诱导Ni3S2纳米片聚集成花状团簇；再经部分磷化处理，Mo-Ni3S2花状团簇与磷化物发生杂化，同时Mo-Ni3S2作为结构模板进一步融合生长，从而构筑出了分级枝叶状Mo-Ni3S2/NixPy/NF中空纳米棒。
　　得益于优化的电子结构配置、独特的分级枝叶状中空纳米棒结构以及丰富的异质界面，构筑的Mo-Ni3S2/NixPy/NF电极在1 M KOH溶液中呈现出了优异的HER/OER电催化活性和稳定性：对于氧析出反应（OER），仅需238 mV过电位即可达到50 mA cm-2的电流密度；而对于氢析出反应（HER），也仅需109 mV过电位可达到10 mA cm-2电流密度。更重要的是，当将其作为双功能催化剂组装成电解槽时，仅需1.46V的超低电压就可以达到10 mA cm-2的电流密度，这是目前为止报道的最低水分解电压值之一。此外，该催化剂还具有优异的稳定性和几乎100%的法拉第产氢效率。密度泛函理论（DFT）计算结果进一步证实，该掺杂型异质结构可以协同优化吸附H*及含氧中间产物(OH*，O*，OOH*) 在HER和OER过程中的吉布斯自由能，从而加速电化学水分解的催化动力学。无疑，此项工作将为合理设计和研发具有高催化性能的廉价电极材料提供新的研究思路。
　　论文第一作者为硕士研究生罗旭，作为共同通讯作者，武汉理工大学李能教授参与了部分理论计算工作，郑州大学张佳楠教授也参与了部分实验测试工作。该研究得到了国家自然科学基金（No.51672204）及国家重点研发计划(No. 2016YFA0202603)等项目的支持。
　　点击链接阅读原文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903891

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武汉理工大学的木士春教授等人以超薄氮掺杂碳层（NC）包覆的硒化钌（RuSe2@NC）作为理论模型，对活性原子 Ru 进行了二重电子结构调控。研究发现，通过将氮掺杂碳（NC）层中具有更多电负性的局部 N 原子作为一个额外的电子供体，可以将部分电子转移到活性的 Ru 原子，以平衡其在 RuSe2 中的电子缺位，而且 Se 原子作为主要的电子受体，还可从 Ru 原子获得过多的电子。因此，NC 耦合层对 RuSe2 的二次电子调制增强了 RuSe2 在 Ru 位点上的 H*吸附和水解离，使其在碱性 HER 中达到最高活性。这使得与纯 RuSe2 相相比，所构筑的 RuSe2@NC 在转换频率(TOF)上展现出了两倍的增强，从而有力地提高了催化剂的 HER 活性。在 10mA/cm2 电流密度下，HER 过电位从 57mV 降低到 30mV。此外，形成的超薄 NC 层不仅通过空间限制作用限制了 RuSe2 晶体的生长，加速了分子扩散和电荷转移过程，而且还避免了 RuSe2 过快的电化学氧化，促进了催化剂的长期稳定性。本项研究提出的二重电子结构优化策略将为制备高效的催化剂提供科学指导。

        该成果以" Duetting Electronic Structure Optimization Enables More Moderate H* Adsorption and Water Dissociation for Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Media "为题，发表于 Journal of Materials Chemistry A 。武汉理工大学材料学院研究生陈钉、陆瑞虎、姚有弢为本文第一作者，木士春教授、唐浩林教授、寇宗魁教授为本文通讯作者。