吉大一院sci发表的学术论文

▲第一作者：宋丽娜、张伟、王颖；通讯作者：徐吉静教授 通讯单位：吉林大学

论文DOI：10.1038/s41467-020-15712-z

针对锂氧气电池存在的反应动力学缓慢而导致能量转换效率低的问题，研究者通常开发高效、稳定的正极催化剂来降低电池的充电极化电压提高反应动力。该工作将Co单原子固定于掺杂N的碳球壳载体上，用于锂氧气电池的高效催化反应，实验发现Li2O2形成和分解路线与LiO2在单原子催化剂的吸附能有关。研究明确指出，在放电过程中，原子级分散的活性位点能够诱导放电产物的均匀成核和外延生长，最终形成有利的纳米花状放电产物。在充电过程中，CoN4活性中心对放电中间体LiO2弱的吸附能，诱导充电反应由两电子路径向单电子路径转变。 得益于高分散的Co-N单原子催化剂的能级结构和电子结构所发生的根本性变化，大幅提升了电池的充电效率和循环寿命。与同等含量的贵金属基催化剂相比，达到600 mV充放电极化电压的降低和218天的长寿命循环。

锂氧气电池具有锂离子电池10倍以上的理论容量密度，被誉为颠覆性和革命性电池技术 。然而该电池还处于研发的初级阶段，受限于ORR和OER电化学反应动力学缓慢，电池的实际容量、倍率性能、能量效率和循环寿命距产业化应用还有很大差距。因而开发高效稳定的催化剂，是提高电池反应动力和循环效率的迫切需要。原子级纳米晶具有最大化的原子利用效率和独特的结构特点，往往表现出不同于传统纳米催化剂的活性、选择性和稳定性，为调控电化学反应过程提供了多种可能。在锂氧电池中，电解液中可溶性LiO2中间体能够调控放电产物Li2O2的形成与分解路线。先前的研究结果表明[1]，不同的生成路线与LiO2在催化剂的不同晶面上的吸附能有关。 因此，探究单原子催化剂的尺寸效应对LiO2吸附能的影响，可能是一种调整低供体数电解质中过氧化锂形成与分解路径的新思路。这一新发现将为高能量效率和长循环寿命的锂氧电池的设计提供更多的选择。

单原子催化剂（SACs）是一类非常重要的电催化剂，其独特的单分散结构集均相催化和多相催化剂的优点于一身，拥有最大的金属利用率、优异的催化活性和稳定性。同时，SACs的活性位点相对简单确定且易于调控，因而这种独特的结构和性能使得单原子催化剂成为了一个非常理想的催化机理研究和性能优化的材料平台。然而当单原子催化剂与锂空气电池相遇，会擦出怎样的火花呢？本文采用原位聚合技术，设计合成了Co单原子嵌入的氮掺杂碳空心球（N-HP-Co）用于锂氧气电池的研究，并对其充放电过程进行详细分析。其结果表明，受益于N-HP-Co最大化暴露的CoN4单原子活性位点及活性位点在碳球壳上的均匀分布，降低了对LiO2的吸附能力，有效的改变了电池的反应路径，使得电池反应动力学得到极大提高，大幅提升了电池性能。

▲图一 单原子催化剂的合成过程。

单原子催化剂由于活性位点均匀性的提高以及配位环境的高度可控性，在许多催化反应中都表现出较高的催化活性。因此将单原子Co催化剂应用于锂氧气电池中，来探究对Li2O2形成与分解反应路径的影响。我们采用原位聚合的方法，以二氧化硅作为模板，盐酸多巴胺作为碳源，并在900 °C的氮气氛围内热解。

▲图二 单原子催化剂的特性表征。a, b) 样品的SEM图像（a：1微米；b：200纳米）；c) 样品的TEM图像（主图：200纳米；插图：10纳米）；d) 样品的EDX元素分析（50纳米）；e, f) 样品的HAADF-STEM图像（e：50纳米；f：2纳米）；g) 样品及对比材料的XRD图像；h) 样品的N 1s XPS光谱；i) 样品及对比材料的氮气吸附曲线。

▲图三 单原子催化剂的原子结构分析。a) 样品的XANES光谱；b) 样品的傅里叶转换的Co-K边光谱；c, d)样品在k和R空间的EXAFS拟合曲线。

N掺杂的碳球壳作为载体是锚定Co单原子的关键步骤。高角度环形暗场球差电镜（HAADF）、能量色散谱（EDX）元素映像图表和X射线吸收光谱（XAS）测试等关键性表征技术证实了单原子Co的成功制备和CoN4高活性位点的存在。

▲图四 单原子催化剂的放电机理研究。a) 样品及对比材料的放电曲线；b) 样品及对比材料的CV曲线；c) 样品及对比材料的倍率性能；d, e, f) 样品及对比材料的放电产物的SEM图像及相应的XRD谱图（500纳米）；h, i) 样品及对比材料的放电机理图。

受益于N-HP-Co SACs最大化暴露的CoN4单原子活性位点在碳球壳上的均匀分布，电极氧化还原反应动力学得到极大提升，加快了放电产物Li2O2的形成速率，大幅提升了电池的放电容量和倍率性能。与同等含量的贵金属催化剂相比，在相同的电流密度和容量下，N-HP-Co SACs具有更多的反应活性位点，因而更有利于生成纳米片状的Li2O2，并通过“外延生长方式”进一步组装形成有利的纳米花状Li2O2。这种特殊的放电机制有利于打破电荷传输限制和放电产物电化学绝缘的本质。

▲图五 单原子催化剂的充电特性。a) 样品及对比材料在不同充电阶段的紫外可见光谱图；b) 样品的充电机理图；c-h) 样品及对比材料上的不同结构对LiO2的吸附能。

为了更全面地了解CoN4单位点催化剂的充电机理，通过密度泛函理论(DFT)计算表明复杂的配位环境可以显著改变中心金属原子CoN4对LiO2*的吸附能力，从而调控反应的活性和选择性。可以看出，CoN4活性中心对放电中间体LiO2弱的吸附能，有利于提高LiO2在电解质中的溶解度，诱导充电反应过程由两电子路径向单电子路径转变。因而有利于提高电池的充电效率。

▲图六 锂空气电池的循环稳定性。a) 样品及对比材料的循环性能；b-e) 样品及对比材料在不同循环过程中放电产物的SEM图像（b, d：1微米；c, e：500纳米）；f, g) 样品及对比材料在不同循环过程中的放电产物的XPS光谱。

单原子催化的锂空气电池可以有效的抑制副反应的发生，并展现出优异的循环稳定性，充分验证了催化剂对放电产物的精准调控对稳定电池体系的重要作用。

▲图七 单原子催化剂在循环过程中的稳定性。a) 样品在全圈循环后的XPS光谱；b) 样品在多圈循环后的EDX光谱（200纳米）；c) 样品在多圈循环后的XANES光谱；d) 样品在多圈循环后的傅里叶转换的Co-K边光谱。

N-HP-Co 在50次的循环过程中，Co的单原子结构依然被保留。Co单原子在碳载体上的固有稳定性使它们在电化学反应中具有优异的耐久性，这一显著的优势与低成本的优势相结合，为金属单原子催化剂在锂氧电池反应路线的可调性提供了新的策略。

单原子催化剂的合成受到草莓生长过程的启发，采用二氧化硅为模板，原位聚合生成氮掺杂的Co单原子催化剂。由于单原子催化的本质特征，低配位环境和单原子与碳球壳之间的协同作用能够精准的调控锂氧气电池中放电产物的生成与分解路线。与同等含量的贵金属催化剂相比，单原子催化剂不仅能够调控放电产物的形貌，同时增加了放电容量，避免了过多的副反应的发生，极大地提高了电池的电催化性能。该研究提出的单原子催化正极的概念、设计、制备及催化机制，将为锂空气电池领域新型催化剂的发展提供新的研究思路和科学依据，具有鲜明的引领性和开创性特征。

参考文献 [1] Yao, W. T. et al. Tuning Li2O2 formation routes by facet engineering of MnO2 cathode catalysts. J. Am. Chem. Soc.,2019,141,12832-12838.

徐吉静，1981年7月出生于山东省单县，现任吉林大学，化学学院，无机合成与制备化学国家重点实验室，未来科学国际合作联合实验室，教授，博士生导师。光学晶体标准化技术委员会副秘书长。主要从事多孔新能源材料与器件领域的基础研究和技术开发工作，研究方向包括锂（钠、钾、锌）离子电池关键材料及器件，锂空气（硫、二氧化碳）电池等新型化学电源，外场（光、力、磁、热）辅助能量储存与转化新体系。近5年共发表SCI学术论文50余篇，其中包括第一作者/通讯作者论文：Nat.Commun.3篇、Nat.Energy 1篇、Angew.Chem.Int.Ed. 2篇、Adv.Mater.3篇、Energy Environ.Sci.1篇、ACS Nano 1篇、ACS Cent.Sci.1篇。迄今为止，论文被他引4000余次，单篇最高引用360次，12篇论文入选ESI高引论文，研究成果被Nature、Science等作为亮点报道。获授权发明专利和国防专利10项。曾获科睿唯安“全球高被引学者”（2019年）、吉林省拔尖创新人才（2019年）、吉林省青年 科技 奖（2018年）和吉林大学学术带头人（2018年）等奖项或荣誉。

2010年，吉林大学材料科学、物理学、化学、工程学、地球科学、临床医学等6个学科（领域）的ESI排名进入全球前1%，比原来增50%，且各学科的全球排位大幅提升，学科辐射范围不断增加，科研实力和学术影响力显著提高,较2009年统计情况可以看出，吉林大学材料科学学科由原来的574个机构进入该学科ESI前1%中的83名，提升为655个机构进入该学科ESI前1%中的45名，位次上升了38位；发表论文数2008篇，论文总被引次数15438次，篇均被引次数7.69次。物理学学科由原来的648个机构进入该学科ESI前1%中的440名，提升为704个机构进入该学科ESI前1%中的426名，位次上升了14位；发表论文数2098篇，论文总被引次数10625次，篇均被引次数5.06次。化学学科由原来的854个机构进入该学科ESI前1%中的99名，提升为986个机构进入该学科ESI前1%中的91名，位次上升了8位；发表论文数5654篇，论文总被引次数39593次，篇均被引次数7次。工程学学科由原来的962个机构进入该学科ESI前1%中的327名，保持为1077个机构进入该学科ESI前1%中的327名；发表论文数950篇，论文总被引次数4301次，篇均被引次数4.53次。地球科学学科则由原来的“榜上无名”跃升至466个机构进入该学科ESI前1%中439名，发表论文数417篇，论文总被引次数2892次，篇均被引次数6.94次。临床医学学科由原来的“榜上无名”跃升至3277个机构进入该学科ESI前1%中2647名，发表论文数408篇，论文总被引次数2091次，篇均被引次数5.12次。至此，吉林大学进入ESI前1%的学科总数由2009年4个，排名国内“985工程”高校的第13位（并列），上升为2011年的6个，国内“985工程”高校排名第12位（并列）。 2012年，吉林大学ESI论文被收录13181篇，被引82960次，居中国大学第九。 2013年，在自然科学研究方面，全校教师自然科学研究到校财务经费11.03亿元。获国家技术发明奖二等奖1项。获省部级科学技术奖54项，其中一等奖15项。SCI论文2309篇（收录文献2504篇），排名第11位；EI论文1592篇，排名第13位；3篇论文进入年度中国百篇最具影响国际学术论文排行榜。专利申请1116项，授权764项，获中国专利奖优秀奖1项，发明创业奖1项。2013年，在社会科学研究方面，学校教师社会科学研究到账经费突破7000万元；获立国家社科基金年度项目42项，立项数量位列全国高校第一位；11项成果获第六届高等学校科学研究优秀成果奖（人文社会科学），其中一等奖1项，打破了连续两届没有一等奖的局面。3部书稿入选《国家哲学社会科学成果文库》，入选数量位列全国高校第二位。1430篇论文被“中文社会科学引文索引（CSSCI）”收录，被收录论文数量位列全国高校第六位。 馆藏资源截至2013年，校图书馆藏有各类纸质书刊701万余册，其中古籍40万册，古籍中6000余部为善本。地方志与谱牒、金石拓片与古文字文献的收藏在高校图书馆中名列前茅。这些珍贵文献与亚细亚文库、满铁资料一起成为吉林大学图书馆的特色收藏。订阅外文期刊1268种，中文报刊4914种。本馆注重数字化文献资源的建设，购买了包括web of science和EI在内的48种西文文献数据库，中国知网等14种中文数据库，超星、书生等电子图书140万册，自建了东北亚研究、地学、汽车、满铁资料等12个数据库。学术期刊 人文社会科学吉林大学社会科学学报史学集刊人口学刊现代日本经济情报科学东北亚论坛法制与社会发展当代法学经济视角自然科学高等学校化学学报高等学校化学研究（英文版）吉林大学学报(理学版)吉林大学学报(工学版)吉林大学学报(医学版)吉林大学学报(地球科学版)吉林大学学报(信息科学版)仿生工程学报中风与神经疾病杂志国外医学·老年医学分册东北亚地学研究世界地质东北数学临床肝胆病杂志中国实验诊断学中国邮电高校学报(英文)中国兽医学报至2013，资料：吉大官网 校徽 校徽，是一所大学的象征。吉林大学校徽包括徽志和徽章。学校徽志是在建校50周年时确定的，于2005年12月写入《吉林大学章程》。学校徽志是双圆套圆形徽标，中间是由“吉林大学”英文缩写组成的大雁飞翔 图案，上方有“1946”字样，代表学校建校时间；外环上方是“中国·吉林大学”的英文大写，下方是郭沫若题写的校名。学校徽章为教职员工和学生佩戴的题有校名的长方形证章。校旗，是一所大学的重要标识之一。吉林大学校旗是在建校50周年时确定的，2005年12月写入《吉林大学章程》。学校校旗为天蓝色长方形旗帜，中央印有郭沫若题写的校名，左上角配以学校徽志。国旗旗坐落成典礼，是在1996年9月20日建校50周年庆典的时候在前卫校区南区举行的。以后每周举行一次升旗仪式，时间是每周一早晨6点30分。 校歌 校歌，是一所大学的精神旗帜。校歌，以艺术形式表达了全校师生员工的共同理想和精神风貌，是学校文化的重要组成部分，是大学精神和文化的载体，也是体现学校特色、振奋精神、激励师生员工求实创新、励志图强的精神旗帜。一首脍炙人口的校歌，可以凝聚人心，鼓舞斗志，树立形象，远播声名。《吉林大学校歌》，是1996年建校50周年的时候创作的，2005年12月写入《吉林大学章程》。词作者是全国著名学者、诗人、《中国人民解放军军歌》的作者、原吉林大学副校长、文学院名誉院长公木先生（张松如教授），曲作者是全国著名音乐家、中央歌舞剧院院长、中国音乐家协会副会长王世光先生。《吉林大学校歌》，概括了吉林大学发展壮大的历史，描绘了吉林大学的远大理想、坚定信念和宏伟目标，展现了吉大人的宽阔胸怀、豪迈气概和雄心壮志。校歌中写到，“我们崛起在祖国的北疆”，为什么用“崛起”这个词，这是因为吉林大学是1946年建校的，1952年成为党和人民政府布局在东北的唯一一所综合性大学，1960年成为国家重点大学。除了革命战争烽火年代，真正的建设时间仅有10年。10年的时间成为国家重点大学，屹立于全国名校前列,所以用“崛起”是有着深刻意义的。“攀登科学高峰——我们的目标，造福人类社会——我们的方向”表明的是学校的理想和信念。“哺育英才的摇篮，探求知识的殿堂”表明了学校研究型大学的根本任务：人才培养和知识创新，这与该校老校长匡亚明先生在1955年《吉林大学自然科学学报》发刊词中强调“我校要坚持教学与科研并重的思想”是相吻合的。“求实创新、励志图强、艰苦创业、奋发向上”充分表明了吉大人的精神状态。“跨越长江、跨越黄河、跨越太平洋”表明吉林大学是国际化的大学，崛起在祖国的北疆但不局限在祖国的北疆，而要面向全国，面向全世界。“人比山高，脚比路长，跨越新世纪，去迎接轰响的红太阳”，表明了吉大火红的事业、火红的明天，表明了吉大人向往美好、追求卓越的雄心壮志。 校训 吉林大学校训是“求实创新、励志图强”。吉林大学校训碑揭幕式，是在1996年9月21日建校50周年庆典的时候举行的。校训碑形状像一艘乘风破浪的帆船，象征着学校的事业披荆斩棘，一帆风顺，勇往直前！上面镌刻着由吉林省书法家协会名誉主席金义庵书写的“求实创新 励志图强”八个苍劲有力的红色大字，这八字校训集中体现了吉大几代人脚踏实地、艰苦创业、勇于进取、奋力拼搏的精神风貌。在新的历史背景下，对校训给予新的诠释，既要将6校合并的新吉林大学所进行的改革实践沉淀进去，也要将吉林大学在向高水平研究型大学迈进的进程中必须吸纳的新的理念、新的思想和新的教学与管理风格凝练其中，赋予新的内容与时代特征。新吉林大学于2003年启动现代大学精神研究，着重研究了合并的原5所大学在长期办学过程中形成的优秀传统、办学理念、校风学风和价值观念，并对“求实创新、励志图强”的校训进行了与时俱进的诠释，在此基础上提出21世纪的吉大精神。2005年12月29日在《吉林大学章程》中进一步凝炼出以求真务实、自由民主、开放兼容、隆法明德、与时俱进为核心的大学精神。 学生天地 校团委 、吉林大学学生会 、吉林大学研究生会 、吉林大学学生社团联合会、吉林大学大学生艺术团 学生期刊 《研究生报》 《吉大青年》 国防生天地 【 国防生风采 】、【国防生社团 】、【国防生业余生活】、【新绿杂志】 教工天地 工会活动、 文体活动 、会议学习、 职工度假中心 、网球协会 、乒乓球协会 离退休天地 夕阳风采老有所为群团组织老年书画研究会、太极拳协会、离退休职工艺术团、京剧活动中心、门球协会、老年篮球队、离退休职工台球队、离退休职工乒乓球队、老年象棋队、麻将协会