华南理工大学化学与化工学院王海辉

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王海辉，男，1975年10月生，华南理工大学化学与化工学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才、英国皇家化学会Fellow、教育部新世纪优秀人才、广东省珠江学者特聘教授。主要致力于围绕高效分离膜精密构筑的关键科学问题研究，发展了系列无机H2O分离膜、气体分离(主要O2, H2)膜及电池隔膜，形成了鲜明的特色。近年来主持国家自然科学基金重点、科技部国家重点研发计划等项目多项，曾获中国化工学会侯德榜化工创新奖、国家自然科学二等奖和广东省科学技术一等奖；获授权国家发明专利15项；在AIChE Journal，Angwante Chemie International Edit等化学化工国际主流学术期刊上，发表论文170余篇，论文被引用7500余次，H因子：51，自2014年起连续入选爱思唯尔中国高被引学者（化学工程领域）。


王海辉
教授,博士
中德无机膜联合实验室主任
地址:  广州市五山路381号华南理工大学16号楼411室
邮编：510640
电话: +86-20-87110131
传真:  +86-20-87110131
邮箱:  hhwang@scut.edu.cn


教育背景
1998 - 2003  博士学位、物理化学/膜催化 （硕博连读）
中国科学院大连化学物理研究所
1994 - 1998  学士学位   工业分析
安徽工业大学（原华东冶金学院）


工作经历
2007至今  
教授，博导  华南理工大学化学与化工学院
2013. 1 - 2015. 1
副院长   华南理工大学化学与化工学院
2015. 2 - 2016. 11
教授 （ARC Future Fellow）  澳大利亚阿德莱德大学化工系
2005. 8 - 2007.3
博士后研究人员   德国汉诺威大学物理化学与电化学研究所
2004. 2  - 2005. 7
洪堡学者   德国汉诺威大学物理化学与电化学研究所
2003. 10 - 2004. 1
德语学习   德国哥廷根歌德语言学校


奖励与荣誉
•        2016  爱思唯尔中国高被引学者（化学工程）  
•        2016  英国皇家化学会会士
•        2015  国家自然科学二等奖
•        2015  科技部中青年科技创新领军人才
•        2015  爱思唯尔中国高被引学者 （化学工程）
•        2014  广东省自然科学一等奖
•        2014  广东省中青年科技创新领军人才
•        2014  爱思唯尔中国高被引学者 （化学工程）
•        2012  国家杰出青年科学基金获得者
•        2011  广东省珠江学者特聘教授
•        2008  教育部霍英东优先基金获得者
•        2007  教育部新世纪优秀人才
•        2004  德国洪堡学者
•        2003  中国科学院院长优秀奖


研究兴趣
•        无机膜分离
•        膜反应器
•        新能源材料


主要科研项目
2016  国家自然科学基金委创新群体项目：氢、电储存材料的多相多尺度结构与性能 （核心成员）
2016  国家重点研发计划： 高效纳米储能材料与器件的基础研究  （课题负责人）
2015   国家自然科学基金委重点项目：混合导体透氢膜性能调控及膜反应器应用基础研究 （主持）
2014  广东省自然科学基金研究团队项目：面向石油化工节能减排的先进分离与催化研究 （主持）
2013  国家自然科学基金委中德科学中心中德联合实验室：无机膜用于清洁能源和洁净环境（主持）
2012  国家杰出青年科学基金：无机膜分离与膜催化 （主持）
2011  国家自然科学基金面上项目：非对称钙钛矿混合质子电子导体中空纤维透氢膜的制备及透氢性能研究 （主持）
2011  国家自然科学基金委中德科学中心中德合作研究项目：新型二氧化碳稳定的氧分离膜用于纯氧燃烧二氧化碳捕获及利用 （主持）
2008  国家自然科学基广东省联合基金重点项目：生物乙醇部分氧化制氢的膜分离技术基础 （参与）
2007  国家自然科学基金青年基金：新型混合导体钙钛矿中空纤维透氧膜的制备、表征及应用 （主持）
发表文章
在AIChE J., Angew. Chem. Int. Ed. 等化学化工国际期刊上发表SCI收录论文171篇，论文被引用7579次（Google Scholar, 2017年2月23日），H因子：47，ESI高引论文13篇，封面论文5篇。


近年10篇代表性论文如下(*为通讯作者)：
(1) Li Ding, Yanying Wei,* Yanjie Wang, Hongbin Chen, Jürgen Caro,* Haihui Wang*, A new route to two-dimensional lamellar membrane: MXene nanosheet stacks, Angew. Chem. Int .Ed. 56 (2017) 1825 -1829.
(2) Shunfan Cheng, Yanjie Wang, Libin Zhuang, Jian Xue, Yanying Wei,* Armin Feldhoff, Jürgen Caro,* and Haihui Wang*, A Dual-Phase Ceramic Membrane with Extremely High H2 Permeation Flux Prepared by Auto separation of a Ceramic Precursor, Angew. Chem. Int .Ed. 55 (2016) 10895 –1089.
(3) Yan Chen, Qing Liao, Zhong Li, Haihui Wang*, Yanying Wei, Armin Feldhoff, and Jürgen Caro, A CO2-Stable Hollow-Fiber Membrane with High Hydrogen Permeation Flux AIChE Journal 6 (2015) 1997 – 2007.
(4) Yanying Wei, Yanjie Wang, Jun Tang, Zhong Li, Haihui Wang*, Oxy-Fuel Combustion for CO2 Capture using a CO2-Tolerant Oxygen Transporting Membrane, AIChE Journal 59 (2013) 3856-3862.
(5) Qin Zheng, Jian Xue, Qing Liao, Yanying Wei, Zhong Li, Haihui Wang*, CO2-tolerant alkaline-earth metal-free single phase membrane for oxygen separation, Chemical Engineering Science 101 (2013) 240-247.
(6) Yanying Wei, Qing Liao, Zhong Li, Haihui Wang*, Armin Feldhoff, Jürgen Caro, Partial Oxidation of Methane in Hollow-Fiber Membrane Reactors Based on Alkaline-Earth Metal-Free CO2-Tolerant Oxide, AIChE J. 60 (2014) 3587 - 3595.
(7) Jun Tang, Yanying Wei, Lingyi Zhou, Zhong Li, Haihui Wang*, Oxygen permeation through a CO2-tolerant mixed conducting oxide (Pr0.9La0.1)2(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ, AIChE Journal, 58 (2012) 2473-2478.
(8) Yanying Wei, Jun Tang, Lingyi Zhou, Jian Xue, Zhong Li, Haihui Wang*, Oxygen Separation through U-Shaped Hollow Fiber Membrane Using Pure CO2 as Sweep Gas, AIChE Journal, 58 (2012) 2856-2864.
(9) Huixia Luo, Konstantin Efimov, Heqing Jiang, Armin Feldoff, Haihui Wang*, Jürgen Caro*, CO2-stable and cobalt-free dual-phase membrane for oxygen separation, Angew. Chem. Int. Ed., 50 (2011) 759-763.
(10) Yanying Wei, Hongfei Liu, Jian Xue, Zhong Li, Haihui Wang*, Preparation and oxygen permeation of U-shaped perovskite hollow-fiber membranes, AIChE Journal 57 (2011) 975-98.


专利
申请中国发明专利31件，授权12件，欧洲专利2件，授权1件。


近年10件代表性授权专利
1.   Haihui Wang(王海辉), G. Grubert, C. Tablet, J. Caro，Oxygen transported oxide ceramics，欧洲专利，授权号：EP1630148A2，授权时间：2006/3/1
2.  王海辉, 罗惠霞, 刘桥生, 蔡明雅， 含锌系列钙钛矿混合导体透氧膜及其制备方法和应用，中国发明专利，授权号：ZL200810027522.5，授权时间：2010/12/28
3.  王海辉，蔡明雅，刘桥生，余灵辉, 一种钙钛矿中空纤维膜的制备方法，中国发明专利，授权号：ZL 200810028483.0，授权时间：2011/6/15
4.  王海辉, 刘鸿飞， 魏嫣莹，卤素掺杂的钙钛矿型复合氧化物催化剂及其制法和应用, 中国发明专利，授权号：ZL201010253039.6， 授权日期：2012/08/8
5.  王海辉， 黄柳， 魏嫣莹， 一种钙钛矿型中空纤维透氢膜的制备方法，中国发明专利，授权号：ZL201110238379.6， 申请日期：2013/6/12
6.  王海辉， 周笛雄，彭舒军， 魏嫣莹， 一种U型中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法， 中国发明专利，授权号：201110227092.3，授权日期：2013/12/11
7.  王海辉， 魏嫣莹， 陈旭波， 黄司平， 一种中空纤维分子筛膜Al2O3支撑体及其制备方法， 中国发明专利，授权号：ZL201210350251.3， 授权日期：2014/12/31
8.  王海辉，王艳杰，一种银改性多孔陶瓷膜及其制备方法与应用，中国发明专利，授权号：ZL 201410290329.6， 授权日：2015/12/09
9.  王海辉，王艳杰，庄丽彬，用于生产合成气体的高稳定材料及其制备方法，中国发明专利，授权号：ZL 201410123910.9，授权日期：2015/09/02
10.王海辉，王艳杰，一种用于直饮水净化的方法及装置，中国发明专利，授权号：ZL 201410295145.9 授权日期：2015/10/28

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　日前，教育部印发《2017年度“长江学者奖励计划”入选名单》，华南理工大学共有6人获聘为长江学者。化学与化工学院王海辉获聘特聘教授。截至目前，学校共有长江学者特聘教授25名，青年学者7名。
　　本次华南理工大学获聘的长江学者人数创历史新高，位列全国第20名。尤其是青年学者入选人数不仅取得历史佳绩，而且实现了文科类青年学者零的突破。

　　王海辉，男，1975年10月生，华南理工大学化学与化工学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才、英国皇家化学会Fellow、教育部新世纪优秀人才、广东省珠江学者特聘教授。主要致力于围绕高效分离膜精密构筑的关键科学问题研究，发展了系列无机H2O分离膜、气体分离(主要O2, H2)膜及电池隔膜，形成了鲜明的特色。近年来主持国家自然科学基金重点、科技部国家重点研发计划等项目多项，曾获中国化工学会侯德榜化工创新奖、国家自然科学二等奖和广东省科学技术一等奖；获授权国家发明专利15项；在AIChE Journal，Angwante Chemie International Edit等化学化工国际主流学术期刊上，发表论文170余篇，论文被引用7500余次，H因子：51，自2014年起连续入选爱思唯尔中国高被引学者（化学工程领域）。

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王海辉EES：正极支撑的固体电解质薄膜框架改善全固态电池界面接触

为了采用经济高效的方法解决固态电解质与电极的界面接触问题，研究人员提出了一种新型的正极支撑的固态电解质支撑框架以实现优异的全固态电池性能。他们将固态电解质直接涂覆在正极层上增强固态电解质对正极的浸润性和界面附着力。由此组装的Li/LiFePO4全固态电池表现出优异的电化学性能，在0.1 C的电流密度下其室温首周放电比容量高达125 mAh/g。这种新型的固态电解质支撑框架为大规模生产基于金属锂负极的全固态电池提供了新的策略。

Chen X, He W, et al. Enhancing interfacial contact in all solid state batteries with a cathode-supported solid electrolytemembrane framework[J]. Energy & Environmental Science, 2018.

DOI: 10.1039/C8EE02617C

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/EE/C8EE02617C#!divAbstract

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王海辉 Angew.：二维MoN-VN异质结构调控多硫化物实现高效Li-S电池

Li-S电池是最具希望的新一代高比能二次电池体系。然而，有关硫载体与多硫化物原子级别上的相互作用的理解十分缺乏。在本文中，研究人员合成了一种二维异质MoN-VN化合物作为模型硫载体。理论计算表明MoN的电子结构可以通过V的比例来进行调控。此外，原位X射线衍射和电化学测试表明多硫化锂能够在MoN-VN中得到有效调控与利用。基于MoN-VN的Li-S电池在2 C的电流密度下放电容量高达708 mAh/g且循环500周后的平均容量衰减率只有0.068%。

YeC, et al. 2D MoN‐VN Heterostructure to Regulate Polysulfides for Highly Efficient Lithium-Sulfur Batteries[J]. Angewandte Chemie International Edition,2018.

DOI: 10.1002/ange.201810579

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.201810579

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Small Methods: 常温常压下氮还原合成氨研究进展：选择性提升策略

氨是一种重要的化工原料，在工、农业生产和能源储存转换等领域发挥着重要作用。目前，工业上合成氨主要依赖于能源密集型的Haber-Bosch工艺技术，由于该技术需要在高温高压下进行（300~500 oC、200~300 atm），据统计，其年均能耗约占到世界能源总消耗的1~2%。因此，在能源危机和环境问题日益凸显的情形下，非常有必要开发或寻求在温和条件下合成氨的绿色方法。

相比Haber-Bosch法，电催化氮还原固氮理论上可在常温常压下进行，并且原料水和氮气来源广泛，这为在温和条件下实现氨的绿色合成带来了契机。近年来，特别是2016年以来，利用电化学法固氮引起了人们的高度关注，相关的研究报道呈现迅速增长之势。然而，目前的研究表明，利用电化学技术虽然的确可实现常温常压下的氨合成，但在常温常压下，由于N≡N三键极难活化断裂以及N2溶解度低等问题，氮气的还原反应在热力学和动力学上非常难于进行，而且由于析氢竞争反应的存在，致使氮还原合成氨的效率和选择性都非常低。因此，如何提升氮还原反应的选择性，进而提升合成氨的效率将是常温常压下电化学合成氨研究面临的最大挑战。

近年来，华南理工大学王海辉教授团队致力于实现常温常压下的高效电化学固氮（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9771-9774; Adv. Mater. 2018, 30, 1803694; Joule 2019, 3, 1-11，Small Methods 2018, doi.org/10.1002/ smtd.201800337），对还处于起步阶段的电化学合成氨研究提供了诸多新的见解，尤其是在高选择性催化剂的理性设计和活性评价方面。譬如，在催化剂设计方面，在选择富电子催化剂的同时（由于N2的活化需要催化剂的电子转移到N2的分子轨道上来活化N≡N键），考虑到析氢作为竞争反应和合成氨必需原料的两面性，首次提出了应兼顾平衡氮活化和析氢竞争反应，而不应片面地通过抑制析氢来获得高选择性，并提出了从催化剂结构设计上来促进氢气的扩散脱附和氮气的扩散吸附的有效策略，为同步提升氮还原的选择性和产氨速率提供了重要借鉴。在催化剂活性评价方面，首先关注到了环境中的氨对实验结果的干扰（譬如氮气中的NOx、试剂中的杂质如硝酸根等的还原影响），并建立了标准的15N2同位素示踪实验技术和核磁定量方法（就目前合成氨的ppm级水平，同位素示踪应是不可或缺的检测手段），进而有效避免了指示剂法和氨敏电极等方法存在的检测误差。此外，王海辉教授团队还提出了在利用库伦效率评价催化剂活性的同时应关注工作电流和工作电压（小电流易实现高库伦效率，高过电位易实现高的产氨速率）。上述这些研究成果和发现对推动电化学合成氨技术的发展具有重要的现实意义。

近日，王海辉教授团队结合自己的研究工作，系统地总结了自2016年以来在提升氮还原反应选择性方面的研究进展。该综述性论文以“Advances in Electrocatalytic N2 Reduction-Strategies to Tackle the Selectivity Challenge”为题在线发表在Small Methods的Nitrogen Reduction Reactions专刊上（DOI:10.1002/smtd.201800337）。论文第一作者为博士研究生陈高锋，通讯作者为丁良鑫研究员和王海辉教授。

该综述论文首先从理论角度阐述了合理的抑制析氢反应可有效地提升合成氨选择性。然后在催化剂角度从贵金属催化剂、过渡金属催化剂及非金属催化剂这三个方面对一些新兴的氮还原活性物质进行了归纳。接着重点在限制电子及质子供给的策略上，详细阐述了最近发展的反应选择性提升机制，并介绍了近两年来的代表性工作，包括制备抑氢催化剂、设计反应装置、反应液选择、优化反应条件（电位、温度等）及电化学生物固氮等。该综述论文还总结了电化学固氮合成氨的发展趋势以及面临的主要挑战，并对其研究前景进行了展望。特别是鉴于目前电化学合成氨仍处初期探索阶段，作者针对研究过程中可能存在的测试表征手段单一、氨污染等问题，总结出了一套完整的合成氨实验流程，同时也包括利用同位素（15N2）示踪技术和核磁定量方法以避免氨氮污染引起的测试误差等。总的来说，该综述论文可望为从事电化学固氮工作的研究者提供重要的借鉴。

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在国家自然科学基金项目（批准号：21536005、51621001和21776099）的资助下，华南理工大学王海辉教授团队联合美国阿贡国家实验室在常温常压电化学合成氨领域取得进展。研究成果以“铜-分子催化剂直接八电子电还原硝酸盐合成氨（Electrochemical reduction of nitrate to ammonia via direct eight-electron transfer using a copper–molecular solid catalyst）”为题，于2020年7月27日发表在《自然-能源》（Nature Energy）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-0654-1。
　　氨（NH3）是氮肥生产的基本原料，对国家粮食安全至关重要。近一个世纪以来，氨的规模化生产主要依赖于能量密集型且需消耗大量化石燃料的哈伯-博施（Haber-Bosch）工艺。作为一种绿色环保的替代方法，利用可持续能源驱动的电化学低温合成策略近年来引起了学者们的研究兴趣。目前，电化学合成氨的研究主要以氮气为原料，尽管经过多年的发展，其能量利用率仍然非常低，且其氨产率比Haber-Bosch工艺低2~3个数量级。除了极难活化的N≡N键外，氮气在水中的超低溶解度也是性能难以提升的关键问题之一。

图1. 铜-分子催化剂以低能垒的方式直接八电子还原NO3−制备氨（NH3）的示意图

　　针对以上问题，该团队提出了电驱动硝酸盐还原合成氨的策略。据统计，我国年均排放氮氧化物总量为14.5 ± 3.1百万吨，且大量存在于环境污水中，因此以NO3− 作为氮源合成氨不仅有利于降低能源消耗、减少温室气体排放，而且有助于解决环境污水的问题。在本工作中，该团队通过筛选二十多种金属材料（图2g），开发了一种铜耦合3,4,9,10-苝四羧酸二酐（Cu-PTCDA）固体分子催化剂，可实现以较低的过电位直接八电子还原硝酸盐制备氨（图1）。相比于析氢竞争反应需要0 V（vs可逆氢电极）的起始电位，该催化剂可实现在+0.27 V（vs可逆氢电极）还原硝酸盐，从而减少因副反应而引起的电子消耗，进而提升合成氨的法拉第效率（图2a）。通过气相色谱分析，在电合成反应时，只有0.46%的电子用于析氢竞争反应。进一步的定量分析结果表明，在−0.4 ~ −0.6 V（vs可逆氢电极）的电位时，该催化剂的氨产率为400 ~ 900 μg h−1 cm−2，法拉第效率高达60 ~ 86%（图2b~c）。相比于电化学还原氮气合成氨，其产率提升一个数量级以上。结合理论计算和实验结果表明，该催化剂优异的性能主要归因于：一方面，筛选出的金属铜中心具备独特的3d电子轨道，增强了与硝酸盐2p轨道的杂化作用，从而促进催化剂与反应物之间的电子转移（图2g）；另一方面，固体分子的共轭芳香族结构可调节质子和/或电子向铜中心位点的转移以及抑制析氢反应，从而实现高效和高选择性合成氨。

a）不同电解液条件下的线性扫描曲线：纯磷酸盐缓冲液（黑色）、含硝酸盐（红色）、含亚硝酸盐（蓝色）；b）不同电位条件下的氨产率；c）不同电位条件下的法拉第效率；d）不同反应时间时的氨产率；e）不同反应时间的法拉第效率：氨（蓝色）、亚硝酸根（粉色）；f）用核磁检测和紫外检测方法分别得到的氨产率（蓝色）和法拉第效率（粉色）；g）电荷密度差异图：蓝色电子云代表电子聚集，红色电子云代表电子消逝

图2. 铜-分子催化剂的电催化性能以及分子固体耦合不同金属催化剂的电荷密度差异图

　　该研究工作为常温常压下电化学合成氨和氮肥循环利用提供了新的思路。Nature Energy杂志同期在线刊登了同行学者美国阿肯色大学的劳伦·F·格林利（Lauren F. Greenlee）博士以“循环肥料（Recycling fertilizer）”为题的评论文章。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-0670-1。该评论文章以美国的污水氮含量和化肥使用情况为例，积极评价了王海辉教授团队的新研究工作。文章指出，美国在2016年的玉米种植面积为9400万英亩，其年氮肥使用量大概为890万吨，占美国40%的氮肥年均使用量。而美国污水中每年可用的氮含量为240万吨。从这个统计数据来看，污水中的氮是非常值得重视的宝贵资源。
　　如果能通过发展有效的污水管理体系和氮转化技术，实现氮资源的循环利用，将对全球资源高效利用和环境保护具有重要意义。