吉林大学徐吉静Nat. Commun.：单原子催化为锂空电池带来新机遇
▲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。
好就业。吉大机械研究生在南方就业薪资平均水平不超过25000元。机械相关的岗位包括：研发工程师、仿真工程师（力学仿真、热仿真：ansys）、机械工程师、工艺工程师、项目工程师、售后服务、销售、采购等其他方向。非标设计一般压力大，加班多，工资会高点，最近几年新能源比较火，招电池类的结构设计很多，但工程师工资很难超过25K。刚毕业时去企业一般是从车间做两个月（目的是熟悉相关产品、工艺等），才会回到当时应聘的岗位：结构设计岗。工作环境：工厂一般在工业园，远离市中心。工作后隔一段时间跳槽很有必要，建议在毕业后第三年试着在外面寻找一下机会，这行业涨薪就靠跳槽了，每次跳槽后薪资的涨幅都相对而言都很可观。
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专业简介培养从事车辆设计、制造、实验研究以及经营管理等工作的复合型高级专门人才。专业内容包括整车和总成的现代设计理论及方法；整车和总成的性能评价方法；车辆的性能实验技术及制造工艺知识，汽车电子技术等。本专业具有硕士学位、工程硕士专业学位、博士学位授予权点和博士后流动站，是本专业的国家级重点学科并拥有本行业唯一的工程院院士（郭孔辉院士），具有国家级重点实验室（汽车动态模拟实验室），在国内汽车行业中有着重要的地位。
主干课程 本专业学生应在学习外语、计算机、数学和力学等课程的基础之上，完成汽车构造、汽车理论、汽车设计、汽车试验学等专业课的学习。
就业方向毕业生可在有关公司企业、研究设计院所、高等院校和管理部门从事车辆方面的研究与设计、产品开发、制造、实验、教学、管理、营销等工作。
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主干课程汽车造型设计、车身设计、车身制造工艺、车身构造、人体工程学、汽车空气动力学、车身CAD、车身实验学、汽车模型制作、工业设计概论等。
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就业方向 毕业生可在大型企业、相关公司以及相关的研究所、设计院、高等院校和管理部门从事热能工程方面的研究与设计、产品开发、制造、试验、管理、教学等工作。
实际上在东北地域有很多院校的理工科专业专业全是十分非常好的，并且学习的层级也很高，吉林大学也遭受了很多人的喜爱。再再加上东北老工业基地的特点，因此在吉林大学学习培训的情况下，也可以有很多的实践机遇，那麼吉林大学的车辆工程专业整体实力如何呢？发展前景怎样？
吉林大学的车辆工程专业排行非常好实际上到吉林大学就会发觉，吉林大学的理工科专业是特别强的，在机械设备这一归类里边也是很出色。特别注意的是，吉林大学的车辆工程专业一直全是被称作全国各地第一名，尽管在这里两年有一些下降，可是终究瘦死的骆骆驼比马大，吉林大学的车辆工程专业依然能够说成全国各地数一数二的。并且在吉林大学消化吸收了许多 杰出的师资队伍，也有不错的硬件设施配置，因此在吉林大学学习培训车辆工程，就会发觉有很多出色的教师来具体指导，并且也是有丰富多彩的实际操作机遇。
学生就业状况非常好最先车辆工程专业的工作一直是很平稳的，终究在中国汽车企业有很多，并且因为吉林大学的车辆工程专业归属于金牌专业，因此很多的汽车企业都是会到吉林大学去招收，就业是十分高的。再再加上伴随着新能源车的发展趋势，车子的生产制造及其学习培训的东西也不会像传统式的，关键以设备为主导，还交叉了一些跟程序编程为主导的，也有汽车的产品研发。因此吉林大学在人才的培养层面也开拓创新，除开进到汽车企业之外，有一些学员还能进到IT行业开展程序编写。
汇总吉林大学的车辆工程专业是有效的，假如对这一专业有兴趣得话，彻底能够报名吉林大学。再再加上院校对该专业人才的培养的高度重视，因此去吉林大学学习培训车辆工程，就会感受到浓浓的荣誉感和信任感。
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外科学[100210]
妇产科学[100211]
眼科学[100212]
耳鼻咽喉科学[100213]
肿瘤学[100214]
康复医学与理疗学[100215]
麻醉学[100217]
内科学[105101]
儿科学[105102]
神经病学[105104]
皮肤病与性病学[105106]
急诊医学[105107]
重症医学[105108]
康复医学与理疗学[105110]
外科学[105111]
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妇产科学[105115]
眼科学[105116]
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麻醉学[105118]
临床病理[105119]
临床检验诊断学[105120]
肿瘤学[105121]
放射肿瘤学[105122]
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超声医学[105124]
核医学[105125]
口腔医学[105200]
护理[105400]
白求恩第三临床医学院
生物化学与分子生物学[071010]
内科学[100201]
皮肤病与性病学[100206]
影像医学与核医学[100207]
临床检验诊断学[100208]
外科学[100210]
妇产科学[100211]
肿瘤学[100214]
口腔临床医学[100302]
内科学[105101]
儿科学[105102]
老年医学[105103]
神经病学[105104]
皮肤病与性病学[105106]
急诊医学[105107]
重症医学[105108]
全科医学[105109]
康复医学与理疗学[105110]
外科学[105111]
骨科学[105113]
妇产科学[105115]
眼科学[105116]
耳鼻咽喉科学[105117]
麻醉学[105118]
临床病理[105119]
临床检验诊断学[105120]
肿瘤学[105121]
放射肿瘤学[105122]
放射影像学[105123]
超声医学[105124]
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口腔医学[105200]
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其实在东北地区有很多学校的理工科专业都是非常不错的，而且学校的层次也很高，吉林大学也受到了很多人的喜欢。再加上东北老工业基地的特色，所以在吉林大学学习的时候，也能够有很多的实习机会，那么吉林大学的车辆工程专业实力怎么样呢？就业前景如何？
吉林大学的车辆工程专业排名不错其实到了吉林大学就会发现，吉林大学的理工科是非常强的，在机械这一分类里面也是很优秀。值得注意的是，吉林大学的车辆工程专业一直都是被称为全国第一名，虽然在这几年有一些下滑，但是毕竟瘦死的骆骆驼比马大，吉林大学的车辆工程专业依旧可以说是全国数一数二的。而且在吉林大学吸收了很多优秀的师资力量，还有很好的硬件设施配备，所以在吉林大学学习车辆工程，就会发现有很多优秀的老师来指导，而且也有丰富的操作机会。
就业情况不错首先车辆工程专业的就业一直都是很稳定的，毕竟在我国车企有很多，而且由于吉林大学的车辆工程专业属于王牌专业，所以许多的车企都会到吉林大学去招生，就业率是非常高的。再加上随着新能源汽车的发展，车辆的制造以及学习的东西也不再像传统的，主要以机械为主，还穿插了一些跟软件编程为主的，还有新能源汽车的研发。所以吉林大学在人才培养方面也与时俱进，除了进入车企以外，有一些学生还能够进入互联网行业进行编程。
总结吉林大学的车辆工程专业是很好的，如果对这个专业感兴趣的话，完全可以报考吉林大学。再加上学校对该专业人才培养的重视，所以去吉林大学学习车辆工程，就会感受到满满的自豪感和归属感。
