楊會穎教授專訪及研究成果集錦

本期人物介紹

楊會穎，新加坡科技與設計大學副教授/博士生導師。2006年於新加坡南洋理工大學獲得博士學位。隨後獲得新加坡政府授予的千禧博士後和李光耀學者獎勵資助進行科研教學工作。2010年加入新加坡科技設計大學任教，於2011年在麻省理工學院機械工程系工作一年。現任英國皇家化學學會會士，美國材料學會，美國工程學會，新加坡物理學會，材料學會會員。她曾榮獲多項國際科技獎項，其中包括2010年獲新加坡歐萊雅女性國家科學家獎，2013年獲新加坡傑出青年工程成就獎，2013年獲陳嘉庚青年發明家獎，2014年獲美國工程學會傑出青年獎，2018年獲新加坡物理學會納米科技獎。她主持多個國際、新加坡國家重大項目研究課題工作，主張通過功能設計、低維納米材料的化學摻雜等方式為可持續能源和環境提供各種高效的設備和技術。迄今為止，在Nat. Commun., Matter, Adv. Mater., Energy & Environ. Sci., Chem等期刊上發表SCI論文240餘篇，他引10497次, H指數56，並有多項專利。以下是楊會穎教授近年的一些研究成果匯總。

活動主題

記錄2020新能源技術發展歷程

活動目的

通過線上、線下的方式採訪和總結新能源技術領域中的100位知名科研者的研究工作，了解新能源的最新研究進展。活動對優秀的工作和課題組進行廣泛的推文宣傳，以實現更多的技術對接，促進新能源科研和產業的協同發展！

活動主辦方

活動支持方

專訪內容

1. 海水淡化的未來研究方向有哪些？

海水淡化是非常重要的一門課題，是關係到人們生產與生活的重中之重。而反滲透膜海水淡化技術則是現階段重要的研究方向。與此同時，各種膜分離技術也是研究重點。近些年來，電容去離子技術（Capacitive deionization, CDI）以其較低的能耗和優異的淡化性能也越來越引起關注。總的來說，現階段海水淡化的研究主要分為兩點：1. 新型膜材料的合成、設計與修飾，以應用於各類滲透膜及膜分離技術。2. 新型材料的合成，包括用納米材料進行膜修飾已經其他技術如CDI的電極材料的設計與合成。總之，低價、環保、低能耗的海水淡化技術是現階段的研究重點。

2. 海水淡化技術市場化的關鍵問題是什麼？

現階段熱處理和反滲透膜海水淡化技術已經相當成熟。熱處理海水淡化技術是最早應用於生產的淡化技術，但是近些年來由於其超高的能耗已經越來越被反滲透膜法取代。然而，反滲透膜技術也存在膜結垢，高成本及能耗相對較高的問題。因此，納米科技的應用成為近期熱點。包括對各類膜材料的納米修飾及納米電極的設計與合成。以期獲得低價、環保、低能耗、易大規模生產的海水淡化技術。

3. CDI相比常規的海水淡化技術的優勢在哪些方面？

CDI通過對電極的充放電吸附水中的離子，不會有二次汙染的產生，且同熱處理相比能量利用率更高。該技術有操作簡單的優勢，在吸脫附時一般採用較低的電壓（0-1.4V），且在離子洗脫時可釋放部分能源，因此相比傳統的海水淡化技術更加低能耗。同時，CDI技術還顯示出高度的離子選擇性，可應用於廢水軟化，鋰/鈉離子回收等課題，擁有廣泛的應用前景。

4. 您覺得目前CDI技術的主要挑戰是什麼？進一步改善和提升的關鍵在哪裡？

傳統的CDI技術應用多孔碳材料作為吸附電極，可達到高效低能耗的除鹽效果。但是碳材料的除鹽容量較低，且不適用於高濃度鹽水。同時，常規的恆壓除鹽操作中，在洗脫過程中能量很難被回收。因此，近些年來，電池材料在CDI中的應用越來越成為熱點。利用電池材料作為CDI的電極可使除鹽容量比原有水平提升一個數量級。同時，此種CDI更適用於高濃度鹽水電解質，並在洗脫時顯示出高能量回收效率，從而達到超低的脫鹽能耗。然而，目前很多CDI技術無法脫離離子交換膜的使用，會產生新的結垢問題，且許多電極材料在充放電時無法保持穩定性，造成脫鹽效率的遞減。因此，未來CDI技術的提升關鍵在於合成低成本、易大量生產且能量回收率高的高性能電極，並通過電極材料的納米修飾來提高其穩定性，從而獲得低價、環保、低能耗的海水淡化技術。

工作集錦

1. 鈉離子電池

1.1受建築學結構啟發製備穩定的電池負極結構（Matter, 2020, 2, 428-439.）

長期以來，由於鋰離子電池（LIBs）具有更高的功率密度以及快速的充放電速率，在能源領域中展示了巨大的應用價值。然而由於地殼中鋰元素資源有限，這限制了LIBs的可持續發展。相比於有限的鋰元素資源，與鋰同族的鈉元素在地球中含量非常豐富，並且鈉離子電池（SIBs）與鋰離子電池的儲能機制非常相似且成本很低，因此科學家認為鈉離子電池是鋰離子電池的最有前途的能源替代品。過渡金屬硫化物（FexS, CoxS, NixS, CuxS等）可以作為鈉離子電池負極材料，其在電池中的轉化反應機制賦予了它們非常高的理論容量。然而在實際應用中，存在容量保持能力差和充放電速率慢的兩個缺點。首先在Na+進入與脫出的過程中，轉化反應會引起巨大的體積變化，從而不可避免地導致過渡金屬硫化物電極材料的粉碎，最終造成容量的快速衰減。其次，過渡金屬硫化物固有的低電導率會嚴重阻礙電子傳輸和Na+擴散，從而導致電池倍率性能不佳。目前提高過渡金屬硫化物性能的方法主要有兩種，將碳材料包覆在過渡金屬硫化物外層以提高Na+和電子的傳輸，和設計精細結構（如：空心結構，多層結構，和異質結構等）來減少體積膨脹。然而以上方法也存在一些缺點，首先在碳材料包覆過程中有可能會引入過量的碳（大於40 wt％），這會降低電極的實際容量。並且目前報導的精細結構設計很難同時實現穩定的循環性能（> 1000個循環）和優異的充放電能力。

從建築學的角度看，桁架結構具有很高的機械強度，因為其獨特的三角支撐結構不僅可以提高結構穩定性，還可以提供連續的電子傳輸（圖1A）。如何製備用於電極的微納米桁架結構是目前的研究重點，其中涉及到如何控制刻蝕位點和如何穩定桁架結構。但是刻蝕程度非常不好控制，這有可能會破壞接合點，甚至使結構崩塌。楊會穎團隊報導了一種「選擇性還原」策略來製備穩定的Cu1.81S桁架結構。當抗還原劑（Fe3+離子）存在時，還原性溶劑乙二醇會還原未被Fe3+離子覆蓋的地方，首先將Cu1.75S前體雕刻成桁架結構（圖1B）。同時發生不同的物相變化，還原區域會析出銅單質，而保護區域可以抵抗Cu-S鍵的斷裂並維持Cu1.75S相。銅單質會融入Cu1.75S晶體系統，通過重結晶過程形成Cu1.81S相，這個過程也會穩固桁架結構（圖1C）。

圖1. 構築Cu1.81S桁架結構的過程

圖2. Cu1.81S作為鈉離子電池負極材料的電化學性能表徵

當Cu1.81S桁架結構用於鈉離子電池負極材料時，這種穩定的桁架結構使Cu1.81S電極展現了大的可逆容量（487 mAh/g）（圖2B），優異的倍率性能（3 A/g高電流密度下為331 mAh/g）（圖2D）和循環穩定性（循環1000次後容量維持在77.7％）（圖2E）。該合成策略不僅發展了桁架結構的設計及其加固方法，而且它還可以為下一代電極結構的設計提供新的見解，並有望推廣至其它電池的結構設計中。並且該工作推動了跨學科的交叉研究，例如可以將應用機械工程、土木工程等領域的知識融入到新的電極結構中。

1.2 非晶矽納米膜作高效儲鈉材料（Adv. Mater. 2018, 30, 1706637.）

近年來，鈉離子電池由於其固有的安全性和低廉的價格成為新的研究熱點。然而，相比於鋰離子（0.076 nm），鈉離子（0.102 nm）具有更大的半徑，這會使得鈉離子吸脫附過程減緩並造成較大的體積膨脹，從而進一步降低電池容量及循環次數。合金型材料（如P，Sn，Sb和Pb等）具有超高的理論容量和較低的鈉離子嵌入電勢，因此在鈉離子電池負極材料中展現了巨大的潛力。然而，合金型材料在電化學過程中會發生巨大的體積變化（293-487 %），導致較差的循環性能。同時，體積變化也會導致SEI膜的不穩定和較低的庫倫效率。

矽在地殼中含量豐富，當其用作鋰離子電池負極材料時，其合金式反應機理賦予其超高的理論容量（3579 mAh/g）。但是矽材料可否用於鈉離子電池尚不清晰。第一性原理計算證明，需要克服很大的能壘才能將鈉離子嵌入到晶體矽（c-Si）內，因此c-Si的鈉存儲能力非常有限（圖3b）。如果換用非晶矽（a-Si）材料，其鈉離子嵌入的能量勢壘會降低，並且a-Si的無序結構會產生大量的Si懸空鍵，可以進一步提高其鈉離子傳輸動力和儲存能力（圖3a）。基於以上分析，楊會穎團隊設計了一種卷層納米非晶矽膜（a-Si）作為鈉離子電池的負極材料。

圖3. 非晶矽和晶體矽的儲鈉機理

a-Si在100 mA/g的電流密度下展現了661.1 mAh/g的超高首圈容量，經過50次循環後可保持255mAh/g的循環容量（圖4c）。相比於其它典型的合金型鈉離子電池負極材料，卷層納米非晶矽膜在充放電中體積變化小很多；a-Si在500 mA/g的高電流密度下仍可保持152 mAh/g的容量循環超過2000次（圖4e），證明了優異的循環性能和機械穩定性。本工作促進了非晶材料在高性能鈉離子電池材料中的研究。

圖4. a-Si作為鈉離子電池負極材料的電化學性能表徵

2. 電容去離子裝置

2.1一種可發電的雙離子電容去離子裝置（Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2081-2089）

水資源和能源危機是亟待解決的兩大全球性問題。海水淡化可以提供無限量的淡水資源，因此是解決水資源危機的有效途徑。常規的海水淡化技術例如熱處理法，反滲透膜等需要消耗大量的能源，因此電容去離子裝置（CDI）在近年來成為低能耗海水淡化的研究熱點。傳統的CDI應用多孔碳作為電容性電極材料，在通電時，水中的離子會被雙電層吸引，擁有環保、低能耗等優點。然而，傳統的碳材料受限於較低的吸附容量，同時很難回收電能。因此，近些年來電池材料的應用成為CDI研究的熱點。

楊會穎團隊設計了一種新型的雙離子CDI系統。其中，Na0.44MnO2（NMO）和BiOCl被分別應用於CDI的正負極材料。在去離子過程中，通過施加外部電流，水中的鈉離子和氯離子分別與NMO和BiOCl發生化學反應，並嵌入到其晶體結構中。再衝洗過程中，鈉離子和氯離子會被釋放出來，同時一部分電能被回收。該「海水淡化發生器」裝置安裝簡單，操作方便，成本效益高，為未來的可再生能源和水處理技術的發展有極大貢獻。

圖5.「海水淡化發生器」裝置工作示意圖

圖6. 海水淡化發生器的電化學性能表徵

以NMO為正極的海水淡化裝置獲得了68.5mg/g的高吸附容量，比傳統的CDI技術要高出3-4倍。同時，此CDI還展現出0.02mg/g/s的高吸附速率。其在50次循環後仍原有容量，擁有優異的循環和倍率性能。

此工作構建了一種新的基於雙離子電化學的電池去電離系統，利用氧化還原反應來可逆的吸脫附水溶液中的氯離子和鈉離子。這種新型的去離子化系統提供了一種穩定且可逆的68.5mg/g的脫鹽容量且適用於高濃度鹽水的淡化。在脫鹽過程中，一部分能源可以被順利回收，因此可用於構建更高效、更經濟的海水淡化系統，可對未來的能源和水處理方向做出重大貢獻。

2.2 Desalination：一種基於NTP的超低能耗雙離子淡化裝置（Desalination, 2019,451, 241-247）

具有高脫鹽容量和低能耗的新型海水淡化技術是當前海水淡化技術發展的迫切需要。楊會穎副教授課題組報導了一種新型高效雙離子CDI。以NaTi2(PO4)3和還原石墨烯氧化物複合物(NTP/rGO)以及銀納米粒子和還原石墨烯氧化物複合物(AgNPs/rGO)分別作為此CDI系統的法拉第正負極以吸附水中的鈉離子和氯離子。此CDI系統展現出穩定可逆105 mg/g的高除鹽容量，可循環超過50次。在0-1.4V的電壓窗口下時，儘管除鹽容量相對較低(35.8mg/g)，但該系統的能量回收率高於30%，能耗低至0.127Wh/g。此技術體現出了為未來的海水淡化技術提供了重要依據。

圖7. 雙離子法拉第CDI示意圖

圖8. 雙離子法拉第CDI在不同電壓窗口下的能耗

基於NTP/rGO的CDI系統在不同的電壓窗口下顯示出不同的除鹽效率和能耗。其中，在0-1.4V的電壓窗口下，此CDI系統在放電期間可回收超過30%的能量，並達到0.127Wh/g NaCl的低能耗。在2500ppm的進液中能耗可低至0.254Wh/L。

圖9. 雙離子法拉第CDI電吸附性能表徵

在100mA/g的電流密度下，此CDI系統循環50次後仍可達到105mg/g的高容量。同時展現出了優異的倍率性能。

綜上所述，此工作報導了一種NTP/rGO和AgNPs/rGO分別為鈉離子和氯離子吸附電極的新型高效雙離子CDI。此CDI系統在100mA/g的電流密度下表現出105mg/g的穩定且可逆的去鹽能力。而且當應用0-1.4V的電壓窗口時，雖然容量降低至35.8mg/g，能量回收率卻可達到30%以上，從而達到0.127Wh/g NaCl的能量消耗。該系統的優良性能使其海水淡化的商業領域具有廣闊的應用前景。

3. 低維材料的合成與利用

3.1高性能單層過渡金屬二硫化物的同步合成（Advanced functional materials，2017，27.15，1605896）

迄今為止，化學氣相沉積(CVD)方法已廣泛應用於過渡金屬二滷代烴(TMDs)的生長。然而，一般的CVD方法不能同時合成一種以上的TMDs。因此，楊會穎團隊報導了一種新型的CVD技術，可以同時合成多個高質量的單層過渡金屬二硫化物。通過氣體流動動力學研究和對前驅體的濃度分析發現，在生長階段，前驅體之間沒有混合。這一策略預示了二維材料批量生產的可行性。

圖10. 同步生長過程CVD設置示意圖

圖11. 同步生長過程CVD設置示意圖

通過對MoS2和WS2生長過程中硫蒸汽的流動動力學及濃度分布的研究，驗證了MoO3和WO3前驅體可以在限定區域內與硫蒸汽作用，從而消除了不同物相混合的可能性，所得MoS2和WS2的高純度也進一步驗證了這個理論。

圖12. 單個MoS2的明場TEM圖像及其表徵

同步生長的MoS2體現出高結晶性。衍射圖像顯示樣品中沒有轉動邊界。STEM表徵顯示MoS2沒有結構缺陷。

此工作通過研究了化學氣相沉積法並行合成單層MoS2及其衍生物證明了批量生產不同二維材料的可能性。本工作通過考慮氣體流動動力學和硫的濃度分布同步合成生長的MoS2和WS2顯示了較高的純度及結晶性，顯示了其在二維材料批量生產領域的高度可行性。

課題組主頁：

新加坡科技與設計大學楊會穎教授課題組

https://people.sutd.edu.sg/~yanghuiying/

招生信息及要求：

Research Projects

Low-dimensional nanomaterials for energy devices (including batteries, electrocatalysts for various devices, printable devices)

Start time

Every Jan and Sep

Scholarship

SUTD offers a number of attractive and prestigious scholarships to our graduate students from all nationalities

Requirements

The candidate should have basic background knowledge nanomaterials in energy applications, and energy device and new technologies.

The candidate must be self-motivated, responsible, and preferably creative; He/she should have a high curiosity and eagerness to design, develop and implement research ideas.

The candidate should ideally have excellent teamwork quality and reasonably good communication skill; you are not expected to follow instructions or confine yourself in our own lab - collaboration is key to success.

English tests scores (TOEFL/IELST) is required.