Science正刊子刊频发，他岂止是木头大王！

胡良兵教授的研究方向为纳米尺度基础科学和纳米加工的大规模应用。胡教授致力于通过合理设计来操控电子、离子、声子、光子以及力学性质以实现材料的多功能性。

 

目前具体的研究兴趣包括：

1. 后锂时代的新兴储能技术；

2. 用于能源与环境的可持续纳米材料（例如木质纳米纤维）；

3. 纳米尺度的材料合成和加工；

4. 柔性电子器件。

 

纳米人编辑部现对胡良兵教授团队近期研究成果进行了及时汇总，供大家学习交流。

 

1. Science：仅需几秒，超快烧结块体陶瓷的通用方法

基于第一性原理方法的计算预测是加速材料发现和改进陶瓷的重要工具。用实验来证实这些预测的材料特性是必要的。然而，材料的筛选速率受到传统陶瓷烧结工艺加工时间长，挥发性元素的损失对成分控制较差的限制。为克服这些限制，美国马里兰大学胡良兵和莫一非、加州大学圣地亚哥分校骆建及弗吉尼亚理工大学郑小雨等人开发了一种超快高温烧结（UHS）工艺，用于在惰性气氛下进行辐射加热来制造陶瓷材料。

 

本文要点：

1）研究人员将陶瓷前驱体粉末压制成的陶瓷片直接夹在两条焦耳加热的碳条之间，通过辐射和传导对陶瓷片进行快速加热，形成统一的高温环境，进行快速合成（固态反应）和反应烧结。在惰性气氛中，这些碳加热元件可提供高达~3000 °C的温度，几乎足以合成和烧结任何陶瓷材料。

2）超快高温烧结（UHS）工艺具有温度分布均匀，高加热（~10³~10⁴ °C/min）和冷却速率（高达10⁴ °C/min），以及高烧结温度（高达3000 °C）等优势。超高的加热速度和温度使烧结时间在10秒左右就能完成，远远超过了大多数传统炉子的烧结速度。较短的烧结时间也有助于防止挥发性蒸发和多层结构界面的不良相互扩散。超快、远离平衡的UHS过程可能会产生点缺陷、位错和其他缺陷或亚稳态相的非平衡浓度的材料，从而获得理想的性能。

3）此外，该技术是通用的，因为其加工过程与材料的固有特性是分离的（不像闪速烧结），因此可以进行常规和快速的陶瓷合成和烧结。UHS工艺还与陶瓷前驱体的3D打印兼容，除了多层陶瓷化合物之间明确定义的界面外，还可以产生新颖的后烧结结构。

4）UHS的速度使得通过实验快速验证计算预测的材料特性成为可能，这有助于促进具有高性能新材料的发现。UHS方法还允许可控和可调的温度曲线，从而能够控制烧结和微观结构的演变。因此，UHS是合成多组分物质以筛选各种应用优异性能的理想方法，包括开发新的固态电解质。

 

 

 

Chengwei Wang, et al. A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds. Science2020, 368 (6490), 521-526.

DOI: 10.1126/science.aaz7681.

https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521

 

2. Nature Reviews Materials 综述：天然和工程木材的结构-性能-功能关系

木材是地球上最丰富的生物材料之一，树木在经过2.7亿年的不断进化后，其复杂的结构得到了优化。这种优化使木材具有高效的水分和养分运输、机械稳定性和耐久性。木材独特的材料结构和明显的各向异性赋予了它一系列显著的特性，为功能材料的设计提供了机会。

 

有鉴于此，马里兰大学胡良兵教授就如何通过结构工程、化学和热改性重新设计木材以改变其机械、流体、离子、光学和热学属性提供了材料和结构方面的观点。

 

文章要点：

1）作者综述了木材的结构和组成，以及改性策略。然后，探讨了木材的内在特性，这些特性来源于木材的分层多孔、各向异性结构和木质纤维素成分。

2）作者总结了在木材结构设计、工程和应用等方面取得的研究成就，重点是了解通过不同的结构修饰赋予木材的机械、离子、流体、光学和热学性质。

3）作者重点介绍了先进的表征和计算模拟方法，用于揭示天然和改性木材的结构-属性-功能关系，以及为生物启发的合成设计提供信息。

4）最后，作者对使用木质材料以可持续的方式应对全球挑战的未来研究方向提出了一些观点。

 

 

 

Chen, C., Kuang, Y., Zhu, S. et al. Structure–property–function relationships of natural and engineered wood. Nat Rev Mater (2020).

DOI：10.1038/s41578-020-0195-z

https://doi.org/10.1038/s41578-020-0195-z

 

3. AM：由快速生长的竹子制成的坚固、坚韧和可伸缩的结构材料

现代制造业在运输、土木工程、建筑、汽车应用和航空航天等领域迫切需要轻而坚固的结构材料。为了满足这些需求，科学家和工程师开发了一系列具有优异机械性能的非凡材料，例如以石油产品（如碳纤维、碳纳米管和石墨烯）、陶瓷以及金属和合金为基础的材料。然而，大多数合成材料需要复杂且高成本的制造过程（如碳纤维），产生不利的环境影响（如钢铁、合金），或者对于许多应用来说太重。此外，强度和韧性这两个关键的结构特性在结构材料设计中往往是相互排斥的，在这种设计中，坚固的材料通常是脆性的，而坚固的材料通常是脆弱的。为了应对这一挑战，人们付出了巨大的努力来开发生物启发的结构材料，该结构材料可以在低密度（即轻质）的同时提供强度和韧性的组合，同时还可以大批量、低成本地制造。

 

在此，马里兰大学胡良兵等人设计了一种简单而有效的自上而下的方法，将天然竹子加工成一种重量轻但强度高的散装结构材料，其抗拉强度高达≈1 GPa，韧性为9.74 MJ m⁻³。更具体地说，竹子是通过部分去除其木质素和半纤维素，然后进行热压增密的。长而整齐的纤维素纳米纤维显著增加了氢键，大大减少了致密竹材结构的结构缺陷，使竹材具有较高的机械拉伸强度、弯曲强度和韧性。经过密实处理的竹子中木质纤维素的低密度使其比强度达777 MPa cm³ g⁻¹，显著高于其他报道的竹子材料和大多数结构材料（如天然聚合物、塑料、钢和合金）。这项工作展示了由原料丰富、快速生长和可持续的竹子大规模生产轻质、坚固的散装结构材料的潜力。

 

 

 

Zhihan Li, Chaoji Chen, Ruiyu Mi, Wentao Gan, Jiaqi Dai, Miaolun Jiao, Hua Xie, Yonggang Yao, Shaoliang Xiao, Liangbing Hu. A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo.Advanced Materials 2020, 1906308.

DOI: 10.1002/adma.201906308

https://doi.org/10.1002/adma.201906308

 

4. Science Advance: 计算辅助，熵驱动合成高效耐用的多元素合金催化剂

化学工业和新兴的电化学能量转换技术通常是热能或电能密集型的，因此需要高效的催化剂来降低反应温度、压力或电化学过电位。清洁能源氢气(H₂)尽管是很有前途的化石燃料替代能源，但其制备在很大程度上是依赖于先进的催化剂，有望大大提高能量转换效率和降低材料成本。其中，多元素合金纳米粒子(MEA-NPs)被证明是一种非常具有潜力的催化剂。实验结果表明，与现有的一元或二元催化剂相比，MEA-NPs具有更好的催化性能。然而，由于多元素合成的内在复杂性和多元素间易于相分离/元素分离，使得MEA-NPs在文献中报道较少，合成MEA-NPs也是一项较大的挑战。近年来，计算辅助材料的发现在预测晶体结构及其催化性能方面取得了显著进展。然而，针对日益复杂的结构（如MEA-NP）的仿真模型的开发尚不可用，这对计算构成了挑战。因此，尽管MEA-NPs的研究前景十分广阔，但其研究仍处于起步阶段，需要在理论和实验手段上进一步发展，为MEA-NP催化剂的合理设计和可控合成提供理论和实验手段。

 

有鉴于此，马里兰大学的胡良兵教授、匹兹堡大学的Guofeng Wang、约翰霍普金斯大学的王超教授和伊利诺伊大学芝加哥分校的Reza Shahbazian-Yassar等人合作，报道了一种计算辅助，熵驱动合成的MEA-NPs。

 

本文要点：

1）该MEA-NPs具有统一的合金结构，由传统的非混相元素组成。多元素体系有一个增加的熵，促进均匀混合的合金形成。

2）利用密度泛函理论(DFT)计算方法对MEA-NPs的形成能进行了预测，并采用蒙特卡罗与分子动力学(MC-MD)相结合的方法对其结构进行了模拟。实验中使用了一种快速高温的策略(0.5秒内1500k)，使MEA-NPs与合金结构的合成成为可能，这种合金结构包含破碎的域和丰富的界面。

3）合成的MEA-NPs无论在粒径还是结构上都表现出良好的热稳定性。此外，MEA-NPs在催化NH₃分解中表现出优异的性能。

 

总之，这种计算辅助的合理设计和可控合成方法可以普遍用于MEA-NPs的合成。

 

 

 

Yonggang Yao et al. Computationally aided, entropy-driven synthesis of highly efficient and durable multi-elemental alloy catalysts. Science Advance, 2020.

DOI: 10.1126/sciadv.aaz0510

http://doi.org/10.1126/sciadv.aaz0510

 

5. Chem. Rev.综述：石榴石型固态电解质：材料、界面和电池

固态电解质(SSEs)作为固态电池中最关键的组成部分，在很大程度上引领着未来电池的发展。在不同类型的固态电解质中，石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固态电解质具有特别高的离子电导率(10⁻³~10⁻⁴ S/cm)，对锂金属具有良好的化学稳定性，为固态锂金属电池的发展提供了巨大的机遇。有鉴于此，卡尔加里大学Thangadurai与马里兰大学胡良兵等人综述了近年来石榴石型LLZO电解质的研究进展，同时讨论了实验研究和理论结果，LLZO电解质的合成策略和改性，石榴石固体电解质/电极的稳定性，新兴的纳米结构设计，降解机制，以及电池的结构和集成。

 

本文要点：

1）研究人员首先介绍了石榴石型氧化物材料中的锂离子传导机理以及化学成分与结构的关系，并讨论了混合电子/离子导体的概念和设计，以及石榴石型电解质的力学性能。

2）其次，展示了石榴石型固体电解质的化学和电化学稳定性，主要关注了不同类型的负极和正极材料以及液体电解质(包括有机电解质和水系电解质)的稳定性。还讨论了石榴石型固体电解质界面挑战的起源和计算研究，并展示了解决界面挑战的策略和相应的表征技术。

3）而后，讨论了最近出现的纳米结构固体电解质的设计原理、合成方法和离子传输机制。最后，展示了石榴石型固体电解质在全电池中的作用，讨论了锂离子电池和锂离子电池的衰减和失效机理，并进行了分析，提出了Li–S和Li–O₂电池的固态设计概念。

 

 

 

 

Chengwei Wang, et al. Garnet-Type Solid-State Electrolytes: Materials, Interfaces, and Batteries. Chem. Rev. 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00427.

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00427

 

6. ACS Nano：利用裸露整齐排列的纳米纤维快速制备高性能结构材料

轻质结构材料在建筑和汽车应用中至关重要。在过去的几个世纪里，人们在开发坚固的结构材料方面已经取得了巨大的成就，例如钢、混凝土和石油基复合材料等。然而，这些材料中的大多数要么太重，要么成本太高，要么不可再生。因此，开发具有高机械强度的生物源复合材料以代替传统结构材料至关重要。有鉴于此，马里兰大学胡良兵教授报道了一种由竹子经两步制备工艺（包括部分脱木素和微波加热）而制得的坚固、轻质的生物基结构材料。

 

文章要点：

1）部分脱木素是微波加热之前的一个关键步骤，可以使竹子的细胞壁更柔软，暴露出更多的纤维素纳米纤维，从而通过热驱动收缩使竹结构更致密。此外，微波加热作为一种快速、均匀的加热方法，可以将水从竹材结构中挤出，但不会破坏竹材结构的完整性，即使在竹材体积大幅度减少28.9%的情况下也没有任何影响。

2）与天然竹相比，微波加热脱木素竹的抗拉强度提高近2倍，韧性提高3.2倍，弯曲强度提高2倍，具有优异的力学性能。此外，改性竹结构的比拉伸强度达到560 MPa cm³ g^-1，鉴于其密度较低（1.0 g cm^-3），表现优于普通结构材料，例如钢、金属合金和石油基复合材料。

 

总而言之，优良的机械性能加上竹子资源丰富、可再生和可持续的特点，以及快速、可扩展的制造工艺，使得这种强大的微波处理竹结构对轻质、节能的工程应用具有极大吸引力。

  

 

 

Chaoji Chen, et al, Rapid Processing of Whole Bamboo with Exposed, Aligned Nanofibrils Toward a High-Performance Structural Material, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.9b08747

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b08747

 

7. EnSM：用于钒流电池的多孔三维木基电极

钒流电池（VFB）以其设计灵活、循环寿命长、安全性高等优点，被广泛认为是最可靠的大规模储能技术之一。然而，仍然需要通过进一步降低成本来制备具有合适结构的VFB新型电极，以扩大其在储能市场的应用。有鉴于此，马里兰大学胡良兵与中国科学院大连化学物理研究所Tao Liu通过对地球上资源丰富、廉价、可持续的木材进行简单的打孔和碳化改性，制备了一种用于VFBs的多孔三维（3D）木基电极。

 

本文要点：

1）3D木基电极继承了原始木材固有的垂直排列通道（即低弯曲度结构），为液流电池系统提供了畅通的电解质传输路径。此外，研究人员在3D木基电极上沿垂直方向钻了小孔（约1.3 mm）以连接平行通道，从而加速电极中的离子交换并降低了流动阻力。

2）通过对电极的改性，显著降低了其在充/放电过程中的浓差极化。3D木基电极的多孔结构具有216.77 m² g⁻¹的高比表面积且具有含氧官能团，可为钒阳离子提供足够的反应位点，从而增强VFB的电化学活性。结果，3D木基电极在VFB中显示出可观的电化学性能，如高电压效率（10 mA cm⁻²下为91.77％）和稳定的循环性能。

 

3D木基电极的优越结构保证了其在VFBs中的可行性，通过对地球上丰富的生物材料进行造孔工程，为开发液流电池电极提供了一个有前景的方向。

 

 

 

Miaolun Jiao et al. Holey Three-Dimensional Wood-based Electrode for Vanadium Flow Batteries. Energy Storage Materials 2020.

DOI: 10.1016/j.ensm.2020.02.008

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.02.008

 

8. Materials Today：喷雾+微通道，连续大规模合成纳米粒子

气溶胶喷雾与高温热解相结合是一种大规模连续生产纳米材料的新兴技术，具有极高的生产效率。现有的气溶胶喷雾技术使用管式炉通常只能在相对笨重的炉腔内（典型尺寸：直径≥2 cm，长≥40 cm）获得较低的温度范围（<1500K），生产有限的产品以及不均匀的加热，导致产品质量控制困难。

 

在这里，伊利诺斯大学芝加哥分校的Reza Shahbazian-Yassar和马里兰大学的胡良兵合作，报告了“液滴到颗粒”气溶胶技术与高温（~2000 K）微通道反应器的结合，与传统的管式炉相比，该方法提供的尺寸约小100倍，从而可实现均质且高温的纳米材料制造。

 

为了证明这种碳化木微通道反应器的独特功能，作者成功地以连续且无支撑的方式合成了多元素高熵合金/氧化物纳米粒子（通常需要高温（2000 K）才能实现均匀的元素混合）。由多元素前驱体雾化的液滴飞过通过加热至2000 K的微通道，停留时间仅为数十毫秒，并且能量转换效率高（> 95％），在此期间发生盐分解和颗粒成核/生长。高温严格地使所形成的纳米颗粒中的元素均匀混合，而短的停留时间是抑制颗粒生长和团聚的关键。与传统的气溶胶喷雾热解法相比，碳化木反应器可以达到创纪录的高温（≥2000 K），更短的停留时间（约数十毫秒），高效，均匀加热，并为连续纳米材料制造提供了适用于广泛应用的平台。

 

 

 

Xizheng Wang, Zhennan Huang, Yonggang Yao, Haiyu Qiao, Geng Zhong, Yong Pei, Chaolun Zheng, Dylan Kline, Qinqin Xia, Zhiwei Lin, Jiaqi Dai, Michael R. Zachariah, Bao Yang, Reza Shahbazian-Yassar, Liangbing Hu. Continuous 2000K droplet-to-particle synthesis. Materials Today 2020.

DOI: 10.1016/j.mattod.2019.11.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119308673

 

参考资料：

文章人物图片来源于胡良兵教授课题组网站：

https://www.bingnano.com/