复旦大学化学系物理化学王永刚

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王永刚  男，1979年1月生，复旦大学教授。2001年7月在新疆大学获学士学位。2004年7月在新疆大学获硕士学位。2007年7月毕业于复旦大学化学系，获理学博士学位，导师夏永姚教授。博士毕业论文获得上海市优秀博论文及全国优博论文提名奖。2007. 10 -2009. 10， 获得日本学术振兴会（JSPS）研究基金，在日本国立产业技术综合研究所 （AIST）从事锂离子电池的开发和研究。2009.10-2010.10 在AIST做特别研究员（博士后），从事新型锂-氧气电池的研究与开发。 2010年12月通过复旦大学人才引进计划重要岗位的资助，任化学系副研究员。已发明多种新型储能器件, 并根据不同器件的储能机理设计和合成了多种电极功能材料。部分研究成果已获得广泛的关注，并处于产业化研究和商业化市场开发阶段。在 Angew, Adv. 以及电化学专业杂志上共计表文章 40余篇。已发表文章共被引用1025次，被他人引用近900次， 申请专利十余项。

王永刚,物理化学，教授，博士生导师
电子邮箱：ygwang@fudan.edu.cn
办公地点：淞沪路2205号复旦大学江湾校区先进材料楼223室
电话：021-51630319
传真：021-51630318
课题组主页：http://www.chemistry.fudan.edu.cn/usr2000/xyy/index.htm
研究兴趣
主要从事锂离子电池、超级电容器、锂-硫电池、锂-空气电池等储能器件和可穿戴柔性储能器件的基础研究和应用基础研究。
获奖情况

• 国际电化学委员会应用电化学奖(ISE Prize Applied Electrochemistry), 2014.
• 上海市优秀博士学位论文（2008） （入围全国百篇优秀博士论文的评选）；  
• 2005年度 “科创杯”上海高校学生创造发明奖，二等奖；
• 复旦大学 2005-2006 年度 一等奖学金 ；
• 复旦大学 2004-2005 年度 一等奖学金 ；
• 新疆大学优秀硕士学位论文 （2004）。
  

学习工作经历

• 2004年 9月 至 2007年 7月，在复旦大学化学系攻读博士学位；
• 2001年 9月 至 2004年 7月，在新疆大学应用化学研究所攻读硕士学位；
• 1997年 9月 至 2001年 7月，在新疆大学化学系攻读本科学位。
• 2010年12月至今，在复旦大学化学系任副教授。
• 2009年10月至2010年12，日本国立产业技术综合研究所 （AIST, 中央二所）做博士后。
• 2007年10月至2009年10月获得日本学术振兴会（JSPS）研究基金，在日本国立产业技术综合研究所 （AIST, 中央二所）做博士后。
  

授课情况

普通化学实验课程和高能化学电源课程。

代表性论文或专著

• Wang, Y. G.; Xia, Y. Y., Li-O2 Batteries: an agent for change, Nat. Chem., 5,445-447(2013)；
• Ren, J.; Zhang, Y.; Bai, W. Y.; Chen, X. L.; Zhang, Z. T.; Fang, X.; Weng, W.; Wang, Y. G*.; Peng, H. S*., Elastic and wearable wire-shaped lithium-ion battery with high electrochemical performance, Angew. Chem. Int. Ed., 30, 7864-7869(2014);
• Lin, H.J.; Weng, W.; Ren, J.; Qiu, L.B.; Zhang, Z. T.; Chen, P. N.; Chen, X.L.; Deng, J.; Wang, Y.G.*;Peng, H. S.*, Twisted aligned carbon nanotube/silicon composite fiber anode for flexible wire-shaped lithium-ion battery, Adv. Mater., 26, 1217-1222(2014);
• Wu, D. F.; Guo, Z. Y.; Yin, X. B.; Pang, Q. Q.; Tu, B. B.; Zhang, L. J.; Wang, Y. G.*; Li, Q. W.*, Metal-organic frameworks as cathode materials for Li-O2 batteries, Adv. Mater., 20, 3258-3262(2014);
• Wang, Y. G.; Xia, Y. Y., Recent progress in supercapacitors: from materials design to system construction, Adv. Mater., 37, 5336-5342(2013);
• Ren, J.; Li, L.; Chen, C.; Chen, X. L.; Cai, Z. B.; Qiu, L. B.; Wang, Y. G.*; Zhu, X. R.; Peng, H. S.*, Twisting carbon nanotube fibers for both wire-shaped micro-supercapacitor and micro-battery, Adv. Mater., 8, 1155-1159(2013);
• Guo, Z. Y.; Zhou, D. D.; Dong, X. L.; Qiu, Z. J.; Wang, Y. G.*; Xia, Y. Y.*, Ordered hierarchical mesoporous/macroporous carbon: A high-performance catalyst for rechargeable Li-O2 batteries, Adv. Mater., 39, 5668-5672(2013);
• Wang, Y.G.; Wang, Y. R.; Hosono. E. J.; Wang, K. X.; Zhou, H. S., The design of a LiFePO4/Carbon nanocomposite with a core-shell structure and its synthesis by an in situ polymerization restriction method, Angew. Chem. Int. Ed., 47, 7641-7465(2008);
• Wang, Y. G.; Wu, W.; Cheng, L.; He, P.; Wang, C. X.; Xia, Y. Y., A polyaniline-intercalated layered manganese oxide nanocomposite prepared by an inorganic/organic interface reaction and its high electrochemical performance for Li storage, Adv. Mater., 11,2166-2170 (2008);
• Wang, Y. G.; Li, H. Q.; Xia, Y. Y., Ordered whiskerlike polyaniline grown on the surface of mesoporous carbon and its electrochemical capacitance performance, Adv. Mater., 19, 2619-2623(2006);
  

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王永刚教授及其合作者通过在电解液中引入双极性有机自由基提升双电层电容器能量密度

       近日，复旦大学化学系王永刚教授研究小组和华中科技大学李会巧教授团队合作，在双电层电容器研究方面取得新进展，相关工作“Electrochemical Double‐Layer Capacitor Energized by Adding an Ambipolar Organic Redox Radical into the Electrolyte”在线发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 8214-8218）上。

       双电层电容器具有超高的功率密度和优异的循环稳定性，但是其功率密度较低。通常的方法是对碳材料的孔径/结构进行优化或与赝电容材料复合以提高碳电极的容量，但是这会降低电极的振实密度、牺牲电极的导电性和稳定性。与开发先进的电极材料不同，在传统的惰性电解液中加入可溶的氧化还原活性物质是一种新兴的提高电极容量的方法。该研究团队通过在电解液中加入一种双极性的有机自由基TEMPO（2, 2, 6, 6-tetramethylpiperidinyloxyl），同时增加了正负两极的容量，进而提高了双电层电容器的能量密度。这一结果为提高双电层电容器的能量密度而不影响其体积和循环稳定性提供了一种新的有效路径。

       以上研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和教育部能源材料化学协同创新中心（2011•iChEM）的资助。

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复旦大学夏永姚，王永刚教授团队在水系锌-锰电池研究方面取得新进展，相关工作“Polyaniline-intercalated manganese dioxide nanolayers as a high-performance cathode material for an aqueous zinc-ion battery”在线发表在《自然 通讯》 (Nature Commun., 2018, 9: 2906)。

       Li+，Na+水系电池由于其安全性和环境友好性引起了广泛的关注，然而目前所报道的水系锂离子电池和钠离子电池正极材料的比容量都较低（<150mAh/g）。近年来水系锌离子电池由于其高比容量，绿色安全等特点吸引了研究者的广泛关注。MnO2作为常用的正极材料，具有高理论容量(308mAh/g)、低成本、低毒性等优点。但无论是α，β，γ还是δ晶型的MnO2，其在循环过程中都会发生结构变化，转变为有水分子嵌入的层状氧化锰相。相变产生大的体积变化，造成容量衰减；其次随着深度充放电过程中水合阳离子嵌入也会造成结构坍塌，进一步致使容量衰减。针对这一问题，该研究团队通过界面反应法，将聚苯胺（PANI）作为客体材料插层于主体材料纳米层状MnO2，扩展了MnO2储锌通道的同时有效强化了扩展后的层结构，从而有效的提升锌离子存储性能和材料的结构稳定性。以该材料为正极的锌离子电池具有优异的倍率性能和循环寿命。尤其是在活性材料利用率高达90%（～280mAh/g）时仍能保持很好的循环稳定性。

       此外，研究人员详细阐明了复合材料中Zn2+/H+的共嵌机理：第一个放电平台主要为H+的嵌入；随着电极周围H+浓度降低，Zn2+嵌入主导电化学反应，产生第二个放电平台；与此同时，持续降低的H+浓度使得片状碱式硫酸锌在电极表面生成。反之在充电时， H+的脱出会溶解所生成的碱式硫酸锌。该高度可逆的过程能够缓冲电解液在充放电过程中pH值的变化，有益于提高循环稳定性能。

       该论文第一作者为复旦大学博士后黄健航，通讯作者为复旦大学王永刚教授。该项目得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。

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基于质子交换膜的酸性电解水体系具有操作简单、可在相对较高的电流密度下工作、可快速启停、制氢效率高等特点，受到了国内外众多研究者的广泛关注。然而，传统的电解水体系氢气和氧气是同时/同步产生的，需要使用质子交换膜来分割两极，避免氢、氧混合气的生成。其中，质子交换膜的使用不仅增加了电解成本，还增加了体系的内阻和能耗。并且氢气、氧气和催化剂的共同存在还会产生活性氧（ROS）,对质子交换膜有一定的降解作用，从而降低电解体系的使用寿命。另外，析氢反应和析氧反应动力学的差异，限制了不稳定可再生能源（如太阳能、风能等）的直接使用。因此，开发新型的电解制氢体系具有十分重要的意义。

       近期，复旦大学化学系的夏永姚、王永刚教授研究团队针对上述问题，采用基于可逆烯醇化反应的芘-4,5,9,10-四酮（PTO）作为氧化还原电对，实现了酸性无膜分步电解制氢体系的研究。该分步电解体系包括两个步骤，即制氧步骤和制氢步骤，其制氧步骤（即步骤1）包括阳极的析氧反应（2H2O – 4e- → O2 + 4H+）和阴极PTO电极的还原反应（PTO + 4e- + 4H+ → PTO-4H）。随后的制氢步骤（即步骤2）包括阳极PTO-4H的氧化反应（PTO-4H – 4e- → PTO + 4H+）和阴极的析氢反应（4H+ + 4e- → 2H2）。步骤1和步骤2可以交替进行，实现了无膜条件下氢气和氧气的分步制备。他们还通过视频证明了这种分步电解体系的制氢和制氧步骤可以在不同的时间和地点进行，例如白天阳光充足的时候可以在室外依赖太阳能来电解制氧，晚上在储氢基站电解制氢实现氢气的存储。

       基于PTO的分步电解制氢体系有以下几个优点：一、可以得到高纯的氢气和氧气。为了证明这一点，他们利用原位差分电化学质谱对电解过程中生成的气体进行了检测，结果显示在制氧的过程中没有氢气生成，同样的在制氢的过程中没有氧气生成。二、相比膜基电解水体系来说，该体系的能耗更低了。三、氢、氧的分时制备有利于可再生能源的灵活利用，如在夜晚可以采用风能来驱动制氧，在白天可以利用太阳能来电解制氢。四、氢气和氧气的分时/分地制备有利于氢气的转移和集中存储。

       这一研究工作发表在德国应用化学（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4622-4626），文章的第一作者为复旦大学化学系的博士研究生马元元。该工作得到了复旦大学化学系、国家重点研发项目、国家自然科学优秀青年基金及面上项目的大力支持。

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关于水系锌-有机物电池的研究
批准号        21975052       
学科分类        其他新型电池 ( B050805 )
项目负责人        王永刚       
依托单位        复旦大学
资助金额        65.00万元       
项目类别        面上项目       
研究期限        2020 年 01 月 01 日 至2023 年 12 月 31 日

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2020年9月1日上午，复旦大学王永刚教授应青岛大学材料科学与工程学院邀请，为我校师生作了题为《有机物在能量存储与转化中的应用》的夏季学期学术报告。会议采用线上方式进行，报告由材料学院副院长李洪亮教授主持。
       报告中，王教授着重介绍了有机电极材料的优势，如储量丰富、环境友好、绿色环保、可持续发展等。报告细致地展开介绍了有机物作为电极材料的电荷储存机制，以及其在单价(Li+/Na+)、多价(Mg2+/Zn2+)金属阳离子和质子(H+)存储领域的具体应用和所涉及的界面电化学问题；同时利用该储能机制和相应的界面特性，发展出一系列具有超长寿命且环保低毒的水系有机物电池，以及能够在超低温条件下工作的电池体系；报告最后讲述了基于有机物电极的电解水-氢氧分离制备技术。报告内容精彩丰富，展示的动画惟妙惟肖，语言通俗易懂。在报告中对老师和同学们的提问知无不言，营造了一个较为舒适的学术交流氛围，让大家畅所欲言，给在场的师生们上了生动且极具意义的一课，让与会的师生们收益颇丰。
        王永刚，复旦大学化学系教授，博士生导师。2007年获复旦大学博士学位，2007年至2010年，获得日本学术振兴会研究基金，在日本国立产业技术综合研究所（AIST）做博士后。2010年12月起，就职于复旦大学。主要从事化学电源电极界面电化学和新型化学电源体系的基础和应用基础研究，在Nature Chemistry，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy & Environ. Sci.等国际著名学术期刊发表SCI论文160余篇，总被引用12259次, H-Index：59。荣获2014年度国际电化学委员会应用电化学奖，2015年教育部自然科学一等奖(第二完成人)，2016年度中国锂电青年研究奖等奖项就，2017年中国电化学青年奖。于2016年获得国家自然基金优秀青年基金的资助，任ACS Applied Energy Materials副主编，以及ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊的Editorial Advisory Board member.