“木頭大王”胡良兵 不僅木頭玩得好!近期研究工作紀實


很多人認識胡良兵教授是其顛覆了我們對木頭的傳統認知,他將木頭變成電解質、水凝膠、衣服、并用于鈉電池、Li-CO2電池、超級電容器、電催化的重要部件。其實胡良兵做的不止有木頭,還有其他相當出色的工作。接下來一起走進胡良兵的科研世界。

人物簡介

胡良兵:2002年畢業于中國科技大學少年班應用物理學專業,2002-2007年,在美國加州大學洛杉磯分校攻讀博士學位,師從George Gruner教授;2006年,創立Unidym Inc公司,并工作至2009年;2009-2011年,在美國斯坦福大學著名華裔科學家崔屹課題組做博士后; 2016年至今,美國馬里蘭大學終身教授,先進材料與紡織中心主任(CAPT)。已在Science, Nature, ACS Nano, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemical Reviews, Nano Letters等頂級期刊上發表學術論文300余篇,被引用超過38,000次,H-Index為93。

研究方向

研究成果匯總

近期工作

天然和工程木材的結構-性能-功能關系Nature?Review Materials

作為地球上最豐富的生物材料之一,木材的復雜結構在進化過程中得到了優化。這種優化使木材具有高效的水分和養分輸送、機械穩定性和耐久性。木材獨特的材料結構和顯著的各向異性賦予了它一系列顯著的性能,為功能材料的設計提供了機會。在這篇綜述中,胡良兵教授團隊提供了一個材料和結構方面的觀點,即如何通過結構工程、化學和/或熱改性來重新設計木材,以改變其機械、流體、離子、光學和熱性能。這些改進使各種各樣的應用成為可能,包括高性能結構材料的開發、能源儲存和轉換、環境修復、納米離子、納米流體以及光和熱管理。還強調了先進的表征和計算模擬的方法,以了解天然和改性木材的結構-性能-功能關系,以及仿生合成設計。此外,還對木材研究的未來方向和工業化的挑戰和機遇提出了自己的看法。相關研究以“Structure–property–function relationships of natural and engineered wood”為題目,發表在Nature?Review Materials。

文獻鏈接:DOI:10.1038/s41578-020-0195-z

圖1?多尺度層次及多孔結構

熵驅動合成高效和持久的多元素合金催化劑Science?Advances

多元素合金納米顆粒(MEA-NPs)在幾乎無限的合成空間中為催化劑的發現帶來了巨大的希望。然而,如何合理、可控地綜合這些內在復雜的結構仍然是一個難題。在這里,胡良兵教授團隊報告了計算輔助,熵驅動的設計和合成高效和持久的催化劑MEA-NPs。計算策略包括數百萬組分的預篩,用密度泛函理論計算預測合金的形成,用蒙特卡羅和分子動力學混合方法檢查結構的穩定性。選擇的合成物可以在高溫(如1500 K, 0.5 s)下高效快速地合成,具有優異的熱穩定性。將這些MEA-NPs應用于催化NH3分解,由于多元素混合的協同作用、它們的尺寸小以及合金相的存在,觀察到它們表現出了優異的性能。計算輔助的合理設計和快速合成的MEA-NPs將廣泛適用于各種催化反應,并將加速材料的發現。相關研究以“Computationally aided, entropy-driven synthesis of highly efficient and durable multi-elemental alloy catalysts” 為題目,發表在Science?Advances上。

文獻鏈接:DOI: 10.1126/sciadv.aaz0510

圖2?MEA-NPs的動態生成模擬與高溫合成

竹子制成的堅韌和可伸縮的結構材料強度超過鋼AM

美國馬里蘭大學胡良兵教授等人設計了一種簡單而有效的自頂向下的方法,將天然竹子加工成一種重量輕但強度高的散裝結構材料,其抗拉強度高達≈1 GPa,韌性為9.74 MJ/m3。竹子的密度是由部分去除其木質素和半纖維素,其次是熱壓,長而整齊的纖維素納米纖維顯著增加了氫鍵,大大減少了竹材結構的結構缺陷,使竹材具有較高的機械拉伸強度、彎曲強度和韌性。經過密實處理的竹子中木質纖維素的低密度導致其比強度為777 MPa cm3?g?1,顯著高于其他報道的竹子材料和大多數結構材料(如天然聚合物、塑料、鋼和合金)。這項工作展示了用豐富的、快速生長的和可持續的竹子大規模生產輕質、堅固的塊狀結構材料的潛力。相關研究以“A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo ”為題目,發表在Advanced Materials上。

文獻鏈接:DOI: 10.1002/adma.201906308

圖3?天然竹子向致密竹子轉化的示意圖及抗拉強度、特殊剛度及生長速率對比

一種具有可逆和可調的拓撲網絡動態凝膠Matter?

具有獨特結構基模的聚合物網絡的設計可以允許動態特性,但大多數現有材料系統表現出有限的運行狀態或不可逆響應。在此,胡良兵教授等人以氫鍵拓撲網絡為設計原則,構建了一種基于纖維素、離子液體和水的離子凝膠材料(Cel-IL動態凝膠)。所制備的Cel-IL動態凝膠具有可調的機械強度、離子導電性、粘彈性和自愈性。在限定水含量的情況下,Cel-IL動態凝膠呈現出一種具有良好附著力、快速自愈合和中等離子電導率的特點。通過將水含量提高到32wt %,微觀結構轉變為致密的圖靈網絡,使凝膠具有良好的拉伸性、韌性和高離子電導率。利用這種材料,我們展示了一種靈活、透明、可設計和生物兼容的離子傳感器設備,它展示了在電子皮膚和智能設備中使用的巨大潛力。相關研究以“A Dynamic Gel with Reversible and Tunable Topological Networks and Performances”為題目,發表在Matter上。

文獻鏈接:DOI: 10.1016/j.matt.2019.10.020

圖4?可調微觀結構和拓撲網絡的動態凝膠設計

各向異性導熱六邊形氮化硼涂層的耐火結構材料AFM

防火涂料已被證明可以有效降低結構材料在燃燒過程中的熱釋放率(HRR);然而,在燃燒前提高點火溫度和延遲時間的有效方法卻鮮有報道。本文將致密化處理與六邊形氮化硼(h-BN)各向異性導熱防火涂料相結合,研制出一種強度高、耐高溫的木質結構材料納米薄片用于生產氮化硼密度的木材。BN涂層產生的熱管理性能提供了快速、平面內的熱擴散,減緩了熱量通過致密木材的傳導,從而提高了材料的點火性能。與未包覆BN的致密木材相比,BN-致密木材的著火溫度(Tig)提高了41℃,著火延遲時間(tig)提高了2倍,最大HRR降低了25%。BN-致密木材改進的熱管理、耐燃性、機械強度使其成為一種有希望的結構材料,用于安全和節能建筑。相關研究以“Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating”為題目,發表在AFM上。

文獻鏈接:DOI: 10.1002/adfm.201909196

圖5?BN-致密化木材的工作原理及耐燃和機械性能

一種用秒合成和燒結大塊陶瓷的方法Science

陶瓷是一類重要的材料,因其具有較高的熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性而得到廣泛的應用。基于第一性原理方法的計算預測可以成為加速材料發現和改進陶瓷的一個有價值的工具。從實驗上證實這些預測的材料特性是至關重要的。然而,傳統的陶瓷燒結工藝由于加工時間長,揮發性元素的損失導致的成分控制較差,限制了材料的篩選率。為了克服這些限制,美國馬里蘭大學胡良兵教授、莫一非教授,弗吉尼亞理工大學、加州大學鄭小雨教授和加州大學圣地亞哥分校駱建教授團隊等人開發了一種超快高溫燒結(UHS)工藝,在惰性氣體環境下通過輻射加熱制備陶瓷材料,碳加熱元件可以提供高達3000℃的溫度以合成和燒結幾乎任何陶瓷材料。較短的燒結時間也有助于防止多層結構界面上的揮發性蒸發和不理想的相互擴散。研究提供了幾個UHS過程的例子來展示其潛在的用途和應用,包括在固態電解質、多組分結構和高通量材料篩選方面的進展。相關研究以“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”為題目,發表在Science上。

文獻鏈接:DOI:?10.1126/science.aaz7681

圖6?用于陶瓷篩選的快速燒結技術

通過木質可重復使用的過濾器進行高效水處理 |ACS Materials Letters

便攜式濾水器對家庭或社區用水凈化至關重要,在發展中國家或沒有水處理廠的偏遠地區尤其流行。然而,商用過濾器面臨著許多挑戰,如緩慢的吸附速率,有限的吞吐量,以及使用昂貴的材料和復雜的制造方法,阻礙了它們在改善水質和健康方面的廣泛應用。在這里,胡良兵教授等人通過將木材材料方便的碳化和活化,報告了一個高效的水過濾器。在碳化木材中大量垂直排列的通道使快速和高流量的水流成為可能,同時污染物有效地吸收在活化過程中所賦予的高表面積的納米孔通道壁上。作為概念驗證研究,3D活化木質過濾器對亞甲藍的吸附能力(198.64 mg g-1)和吸附速率(99.52% in 5min)均高于商用過濾器。此外,通過一個簡單的碳化過程,可以對塊狀過濾器進行熱再生,以回收使用。這一卓越的性能,結合自然豐富的木材材料,方便和可擴展的制造工藝,并大大降低成本,使該過濾器可以作為一個高效和可持續的便攜式商業過濾器替代品,特別是為發展中國家迫切需要清潔的水。相關研究以“Highly Efficient Water Treatment via a Wood-Based and Reusable Filter”為題目,發表在ACS Materials Letters上。

文獻鏈接:DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00488

圖7木質過濾器的工作原理及性能比較

多孔三維木基電極用于釩流電池Energy?Storage Materials

釩流電池(VFB)因其設計靈活、循環壽命長、安全性高而被廣泛認為是最可靠的大規模儲能技術之一。胡良兵教授與中國科學院大連化學物理研究所Tao Liu等人演示了一個多孔三維木基電極。三維木電極繼承了原始木材料固有的垂直排列的通道(即低彎曲結構),在流動電池系統中提供了流暢的電解質傳輸路徑。此外,在三維木基電極垂直方向鉆出小洞(約1.3 mm)連接平行通道,從而實現離子交換和降低流動阻力。由于這些電極的修改,在VFB充放電過程中濃度極化顯著降低。三維木基電極的多孔結構,具有216.77 m2?g-1的高比表面積且具有含氧官能團,為釩陽離子提供了足夠的反應位點,增強了VFBs的電化學反應活性。三維木基電極的優越結構保證了其在VFBs中的可行性,并通過對地球上豐富的生物材料進行孔隙工程,為開發流動電池電極提供了一個有希望的方向。相關研究以“Holey three-dimensional wood-based electrode for vanadium flow batteries

”為題目,發表在Energy?Storage Materials上

文獻鏈接:DOI: 10.1016/j.ensm.2020.02.008

圖8?多孔三維木電極工作原理的原理圖

3D打印熱沖擊合成納米催化劑|Small

高溫合成和高溫處理在化學反應和材料制造中普遍存在。然而,傳統的燒結爐體積大,效率低,溫度范圍窄(<1500 K),加熱速度慢(<100 K min - 1),這對于許多需要瞬態加熱才能產生理想納米結構的應用來說是不可取的。胡良兵教授團隊開發了一個可三維打印具有密集的微型柵格設計的微型反應器,以最大限度的優化材料,從而獲得高度高效和可控的加熱。通過3D打印,可以構造出具有微尺度特征的通用的小型化反應器,其溫度范圍可以達到≈3000 K,其超快加熱/冷卻速率可以達到≈104 K s?1。為了證明該設計的實用性,我們采用瞬態加熱(1500k, 500ms)的方法對有序介孔碳負載的釕納米顆粒進行了快速和批量合成。由此制備出的釕納米微粒具有良好的循環穩定性,可作為Li- CO2電池的正極。該微型反應器具有通用的形狀設計和高度可控的加熱能力,為納米催化劑的合成提供了一個平臺,可以對高溫進行局部和超快加熱,這是其他方面難以實現的。相關研究以“Thermal Shock Synthesis of Nanocatalyst by 3D-Printed Miniaturized Reactors”為題目,發表在Small上。

文獻鏈接:DOI: 10.1002/smll.202000509

圖9?3D打印小型化反應器

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