• 欢迎来到张金灿课题组!
  • 课题组成立于2024年2月现有博士后2名、研究生18名。依托苏州大学能源学院碳材料与能源技术研究部、能源与材料创新研究院和苏州大学—北京石墨烯研究院协同创新中心等平台，专注于石墨烯等烯碳材料在清洁能源制用中的创新应用研究，并与北京大学、剑桥大学等国内外顶尖学府保持长期紧密的学术合作与交流。团队以水电解槽、燃料电池、金属-空气电池等能源器件的性能提升需求为应用牵引，构建"基础溯源—技术攻坚—材料创制"的系统性研究体系：通过构筑新型多功能石墨烯基微反应池并联用原位表征设备，明晰关键材料的结构与性能需求，进而定向研发烯碳能源材料，最终通过"材料原型开发—器件匹配验证—产业协同量产"的产学研模式，推动新型烯碳材料从实验室走向清洁能源领域的规模化应用。
Welcome to Zhang Group!
  • Our research group was established in February 2024 and currently consists of 2 postdoctoral researchers and 18 graduate students, relying on platforms including the College of Energy, Soochow University, and the Soochow University-Beijing Graphene Institute Collaborative Innovation Center. We focus on cutting-edge applications of graphene materials in clean energy generation and utilization, aiming to elucidate the precise structural and performance requirements raised by the performance bottlenecks of several types of energy devices.
  • 学术亮点 / Highlights
  • Nanoscale: Low-Temperature Growth of High-Quality Multilayer Graphene Films on Porous CuNi Alloys for Enhanced Corrosion Resistance
  • 多层石墨烯凭借其高结晶性和纳米级厚度，成为溶液环境中工程合金的卓越保护材料。然而，在多孔合金表面实现高质量多层石墨烯薄膜的原位沉积而不破坏其复杂微观结构仍具挑战。本文以具有多尺度微观结构的铜镍合金为替代简化模型，使用裂解温度更低的乙醇甲醇作为碳源，在700℃温度下实现了无缺陷石墨烯的高质量连续薄膜（厚度<5纳米）共形生长，该温度为迄今报道的无缺陷石墨烯生长最低温度。这一突破主要归功于甲醇作为碳源的应用以及铜镍基底的优良催化活性。模拟海洋环境（NaCl溶液）中的电化学测试结果表明石墨烯包覆的后能够将多孔合金较裸合金的腐蚀电流密度降低14倍，电荷转移电阻提高8倍。此外，成功验证了除表面多孔的合金衬底外，多层石墨烯薄膜同样能在体相多孔铜镍合金基体上实现完全共形覆盖，且具有相当的液相阻隔防护效能。这项工作为在具有多样非平面结构特征的合金上生长表面精准合成多层高质量连续石墨烯薄膜提供了通用的低温策略，使其能在溶液环境中稳定运行，在海洋工程和能源相关领域具有广阔的应用前景。图：在多孔合金表面低温制备多层石墨烯薄膜以及及其电化学防护效果。a)多孔铜镍合金上表面使用化学气相沉积法合成高质量多层石墨烯的示意图。b)多层石墨烯薄膜的典型拉曼谱图测试结果；插图：合金表面生长石墨烯生长后的光学显微镜图像，证实了衬底表面合金表面维持的多孔结构的有效保留。c)评估石墨烯薄膜防护保护效果的电化学测试示意图。d)石墨烯覆盖（红）和原始样品（蓝）的电化学腐蚀结果。
  • AM: Graphene Liquid Cells for In Situ TEM: Unveiling Nanomaterial Growth and Etching
  • 液体环境中纳米材料的生长与刻蚀过程会显著影响其尺寸、形貌和组成成分，从而决定其性能。为了以原子分辨实时可视化这些过程，原位液相透射电子显微成像技术得到了迅速发展，尤其是石墨烯液体池因其高分辨率、制备简便以及兼容常规透射电镜样品杆等特点，成为了强有力的研究平台。本综述首先总结了构筑石墨烯液体池的关键窗口材料——悬空石墨烯的制备方法，并介绍了多种类型的石墨烯液体池结构，在此基础上系统梳理了石墨烯液体池在揭示纳米材料生长与刻蚀过程中的具体应用。最后，本综述对基于石墨烯液体池研究所面临的机遇与挑战进行了展望，旨在为这一快速发展的研究领域提供全景式理解和最新进展的全面概述。左图：用于透射电子显微镜原位观察纳米材料生长与刻蚀过程的石墨烯液体池的制备、构筑与应用；右图：从六个方面对代表性液体池（LCs）进行的比较分析。蓝色-氮化硅（SiNx）液体池。红色-石墨烯液体池（GLC）。绿色-碳膜液体池。成像分辨率反映了在液相 TEM 成像过程中可实现的空间分辨率。稳定性是指液体池在成像过程中的机械鲁棒性。效率描述了在单次组装中能形成多少个可观测的液体囊泡。多功能性描述了集成外部刺激（例如热、电、机械）的能力。简便性评估了制备的难易程度。兼容性是指液体池所能支持的材料和环境范围。
  • AM: Trace Oxygen-Assisted Synthesis of High-Quality Graphene with Improved Electrical Performance
  • 石墨烯的优异性能在实际应用中常因CVD制备过程中产生的点缺陷和非晶碳污染而大幅受限。现有研究多聚焦于污染去除或缺陷修复的单独问题，但二者的关联机制仍不清晰，也缺乏能同时实现清洁与修复的有效策略。此外，氧在石墨烯生长及缺陷修复中的具体作用长期存在争议，仍有待系统阐明。因此，本研究提出了一种痕量氧辅助的后处理策略，通过精准调控氧气的引入，同步实现石墨烯表面非晶碳污染的高效去除与晶格缺陷的快速修复。研究结合第一性原理计算与系统实验验证，揭示了氧气在蚀刻非晶碳和降低缺陷修复能垒方面的双重作用机制，成功将Stone-Wales缺陷的修复能垒从2.84 eV显著降低至0.36 eV。所制备的石墨烯薄膜展现出接近理想单晶的结构完整性，其二维杨氏模量高达355 N·m-1，断裂强度达1778 nN，电学性能方面更是实现了174.4 ± 31.9Ω·sq-1的低方阻和室温下超15000 cm2·V-1·s-1的载流子迁移率。该工作不仅阐明了氧气在高质量石墨烯合成中的新功能，也为面向高性能电子器件的大规模石墨烯制备提供了一条简单而有效的技术路径。图：痕量氧辅助制备高质量石墨烯薄膜。a)痕量氧刻蚀无定形碳并促进缺陷修复示意图。b)理论计算不同结构的修复能垒，氧气存在时结构转变所需的能量最小。c)未处理（蓝色）与处理后（红色）石墨烯薄膜的力-位移曲线，经过处理后的石墨烯力学性能更强。d)经过处理后石墨烯的方块电阻直方图统计结果。
  • 2D Mater.: CVD graphene with high electrical conductivity: empowering applications
  • 石墨烯是一种独特的材料，具有特殊的结构、卓越的性能和广泛的应用前景。特别是石墨烯优异的导电性，使其在多个领域具有无可比拟的优势。化学气相沉积法(CVD)是批量制备高质量石墨烯的主要方法，人们一直致力于逐步提高石墨烯材料的导电性。从这个角度出发，我们对过去5年来高导电石墨烯的生长、转移和后处理策略进行了全面的分析和讨论。先提出了从单层到多层的大面积石墨烯薄膜，随后我们分析了基于石墨烯的复合材料使传统的金属和非金属材料表现出增强的电学性能。最后，对CVD石墨烯材料实现更高电导率以及开发新应用的未来方向进行了展望。图注：高导电CVD石墨烯及其复合材料的可控制备与应用前景。
  • JEC: Carbon-supported Pt-based ORR catalysts for PEMFCs: recent progress in degradation mechanism-motivated durability enhancement strategies
  • 碳负载铂基催化剂已成为质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中氧还原反应（ORR）颇具前景的催化剂。然而，其在苛刻操作条件下有限的耐久性仍是制约实际应用的关键障碍。本综述聚焦且及时地总结了碳负载铂基催化剂的降解机制及其相应的耐久性提升策略，重点介绍了过去五年报道的研究进展。在系统分析了三种相互关联的降解路径（金属溶解、碳载体腐蚀和纳米颗粒团聚）及其耦合效应之后，我们回顾了当前先进的耐久性评价指标和测试标准。随后，我们全面讨论了缓解催化剂降解的结构调控策略，以及相应的材料合成方法、耐久性增强机制和改进后的耐久性能。最后但同样重要的是，我们对机理理解、催化剂合成和测试标准化方面的关键挑战提出了展望。通过将基本降解机制与先进设计策略相结合，本综述为面向高性能、经济高效且商业可行的PEMFC用ORR催化剂指明了未来发展方向。
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