【科研进展】华南理工大学彭新文教授近期工作总结

个人简介

彭新文，华南理工大学轻工科学与工程学院教授，博士生导师，制浆造纸工程国家重点实验室/轻工学科学术骨干。2012~2017年于华南理工大学获得博士学位，并于新加坡国立大学化学系从事博士后、访问学者研究，师从国际可再生资源安塞姆·佩恩奖获得者孙润仓教授，全球碳材料前10%科学家、新加坡总统奖获得者Loh Kianping教授。2012~2014破格晋升副教授、硕士生导师；2014~2017年破格晋升教授、博士生导师；2018~2019年于澳大利亚卧龙岗大学、澳大利亚昆士兰大学从事合作访问研究。

研究方向

彭新文教授主要基于制浆造纸技术平台，致力于生物质功能材料与制浆造纸废弃物高值转化研究，重点围绕生物质碳材料及其在电催化、电合成氘代药、锌空气电池、锂离子电池、水分解、CO₂补集与还原、传感与柔性可穿戴器件等领域；在木质纤维素、半纤维素、低聚糖、单糖的光、电、热高度选择性转化为有机酸（糖酸、乳酸）耦合水分解、CO₂还原利用等方面开展了一系列研究工作。近年来在国际顶级期刊“Nature com., Adv. Mater., Adv. Fun. Mater., ACS Nano., Energy Storage Materials., J. Mater. Chem. A.”等期刊发表学术论文105篇；撰写中英文专著4部；授权专利15项。研究成果获得2012年教育部高等学校自然科学奖一等奖1项（第9）、2015年教育部高等学校自然科学奖二等奖1项（第5）、2019年教育部高等学校自然科学奖二等奖1项（第3）。主持国家自然科学基金面上项目在内的项目20余项，作为学术骨干参与并完成了国家重点基础研究发展计划1项、国家自然科学基金重点项目2项，在重要的国际国内学术会议做邀请报告36次；兼任国家自然科学基金、广东省自然科学基金等评审专家、广州市科协促进会特聘专家、广东省生物质热解工程技术研究中心学术委员会委员。兼任几个中英文期刊客座编辑。

团队结构

彭新文教授实验室拥有先进的生物质光催化、电催化转化及储能材料制备与测试装置设备，学术氛围浓厚，研究团队优化；与新加坡同步辐射光源、新加坡国立大学、澳洲昆士兰大学、美国国家实验室建立了良好的国际合作关系。培养本科生、研究生在国家、省级挑战杯、创新创业大赛中20余次获奖，10人次获得国家奖学金、陶氏化学奖学金；培养的硕士博士毕业生进入国内外大型科研院所与企业：华为、西安交通大学、广东工业大学、北京林业大学、陕西科技大学、大连工业大学、广东药科大学、齐鲁工业大学、新加坡国立大学、加拿大麦克马斯特大学、美国马里兰大学、深圳欣旺达电子股份有限公司从事科学研究与技术开发等工作。

近期发表论文：

1. Xinwen Peng^#*, Lei Zhang^#, Zhongxin Chen, Linxin Zhong, Dengke Zhao, Xiao Chi, Xiaoxu Zhao, Ligui Li*, Xihong Lu, Kai Leng, Cuibo Liu, Wei Liu, Wei Tang, Kianping Loh*. Hierarchically Porous Carbon Plates Derived from Wood as Bifunctional ORR/OER Electrodes, Advanced Materials. 2019, 31(16): 1900341.

2. Kunze Wu, Lei Zhang, Yifei Yuan, Linxin Zhong, Zhongxin Chen, Xiao Chi, Hao Lu, Zehong Chen, Ren Zou, Tingzhen Li, Chengyu Jiang, Yongkang Chen, Xinwen Peng*, Jun Lu*, An Iron-Decorated Carbon Aerogel for Rechargeable Flow and Flexible Zn-Air Batteries, Advanced Materials. 2020, 32(32): 2002292.

3. Hao Zhuo, Yijie Hu, Xing Tong, Zehong Chen, Linxin Zhong^*, Haihong Lai, Linxiang Liu, Shuangshuang Jing, Qingzhong Liu, Chuanfu Liu, Xinwen Peng^*, Runcang Sun^*. A Supercompressible, Elastic, and Bendable Carbon Aerogel with Ultrasensitive Detection Limits for Compression Strain, Pressure, and Bending Angle, Advanced Materials. 2018, 30(18): 1706705.

4. Zhongxin Chen, Cuibo Liu, Jia Liu, Jing Li, Sshibo Xi, Xiao Chi, Haisen Xu, In-hyeok Park, Xinwen Peng, Xing Li, Wei Yu, Xiaowang Liu, Linxin Zhong, Kai Leng, Wei Huang, MingJoo Koh*, KianPing Loh*, Cobalt Single-Atom-Intercalated Molybdenum Disulfide for Sulfide Oxidation with Exceptional Chemoselectivity, Advanced Materials. 2020, 32(4): 1906437.

5. Yunpeng Liu, Yuhang Li, Xiaoyao Li, Hao Yu, Qiao Zhang, Xinwen Peng* and Feng Peng*. Regulating Electron–Hole Separation to Promote Photocatalytic H2 Evolution Activity of Nanoconfined Ru/MXene/TiO2 Catalysts. ACS Nano. 2020, accepted.

6. Zehong Chen, Hao Zhuo, Yijie Hu, Haihong Lai, Linxiang Liu, Linxin Zhong, Xinwen Peng*. Wood-Derived Lightweight and Elastic Carbon Aerogel for Pressure Sensing and Energy Storage, Advanced Functional Materials. 2020, 30(17): 1910292.

7. Yijie Hu, Zehong Chen, Hao Zhuo, Linxin Zhong*, Xinwen Peng*, Runcang Sun, Advanced Compressible and Elastic 3D Monoliths beyond Hydrogels, Advanced Functional Materials. 2019, 29(44): 1904472.

8. Jiewen Tan, Xin Ao, Alvin Dai, Yifei Yuan, Hao Zhuo, Hao Lu, Libin Zhuang, Yuxuan Ke, Chenliang Su, Xinwen Peng*, Bingbing Tian*, Jun Lu*, Polycation Ionic Liquid Tailored PEO-based Solid Polymer Electrolytes for High Temperature Lithium Metal Batteries, Energy Storage Materials. 2020, 33: 173-180.

9. Qiong Liu, Zhongxin Chen, Wenjian Tao, Haiming Zhu, Linxin Zhong, Fuxian Wang, Ren Zou, Yongqian Lei, Cuibo Liu, Xinwen Peng*, Edge Activation of An Inert Polymeric Carbon Nitride Matrix with Boosted Absorption Kinetics and Near-Infrared Response for Efficient Photocatalytic CO₂ Reduction, Journal of Materials Chemistry A. 2020, 8(23): 11761-11772.

10. Jiewen Tan, Xin Ao, Hao Zhuo, Libin Zhuang, Chenliang Su, Wei Tang, Bingbing Tian*, Xinwen Peng*, Cryogenic Engineering of Solid Polymer Electrolytes for Room Temperature and High Voltage All-Solid-State Lithium Batteries, Chemical Engineering Journal. 2020. Accepted. ASAP

11. Zehong Chen, Yijie Hu, Hao Zhuo, Linxiang Liu, Shuangshuang Jing, Linxin Zhong*, Xinwen Peng*, Runcang Sun. Compressible, Elastic, and Pressure-Sensitive Carbon Aerogels Derived from 2D Titanium Carbide Nanosheets and Bacterial Cellulose for Wearable Sensors, Chemistry of Materials. 2019, 31(9): 3301-3312.

12. Qiong Liu, Fuxian Wang, Yu Jiang, Wei Chen, Ren Zou, Linxin Zhong, Xinwen Peng*, Efficient Photoreforming of Lignocellulose into H2 and photocatalytic CO₂ reduction via In-plane Surface Dyadic Heterostructure of Porous Polymeric Carbon Nitride Rose-leaf Architecture, Carbon. 2020. Carbon. 2020. 170, 199-212.

13. Qiusheng Zhou, Jianrui Feng, Xinwen Peng*, Linxin Zhong, Runcang Sun, Porous Carbon Coupled with an Interlaced MoP-MoS₂ Heterojunction Hybrid for Efficient Hydrogen Evolution Reaction, Journal of Energy Chemistry. 2020, 45: 45-51.

14. Jiliang Ma, Zewei Liu, Junlong Song, Linxin Zhong*, Dequan Xiao, Hongxia Xi, Xuehui Li, Runcang Sun*, Xinwen Peng*. Au@h-Al₂O₃ analogic yolk–shell nanocatalyst for highly selective synthesis of biomass-derived D-xylonic acid via regulation of structure effects, Green Chemistry. 2018, 22: 5188-5195.

15. Jiliang Ma, Linxin Zhong, Xinwen Peng*, Runcang Sun. D-Xylonic acid: a solvent and an effective biocatalyst for a three-component reaction, Green Chemistry. 2016, 18, 1738-1750.

16. Xintong Meng, Zengyong Li, Di Li, Yiming Huang, Jiaojiao Ma, Chuanfu Liu*, Xinwen Peng*, Efficient Base-Free Oxidation of Monosaccharide into Sugar Acid under Mild Conditions Using Hierarchical Porous Carbon Supported Gold Catalysts, Green Chemistry. 2020, 22(8): 2588-2597.

17. Qiusheng Zhou, Hongxin Chen, Linxin Zhong^*, Xuehui Li, Runcang Sun, Jianrui Feng, Guichang Wang, Xinwen Peng^*. Solvothermally Controlled Synthesis of Organic-Inorganic Hybrid Nanosheets as Efficient pH-universal Hydrogen-Evolution Electrocatalysts, ChemSusChem. 2018, 11(16): 2828-2836.

代表性成果简介

用于双功能电极的高活性ORR/OER催化性能木材体相碳材料

多孔碳电极已经成为金属-空气电池体系中一类重要的正极材料，然而，大多数以生物质为原料制备多孔碳电极的方法需要将生物质原料先进行解构之后再重新得到粉状碳材料，这样一来使得能源效率大大降低。彭新文教授课题组与合作者报道了一种使用高效水解酶以水解木材原料中的部分纤维素并得到多种纳米孔结构的方法。这种方法较大限度地暴露出了木材原料的内部结构，使得在随后的退火煅烧过程中能够有效地在其内部碳骨架上进行氮元素掺杂。用该种方法制备得到的木材衍生碳无论对于ORR还是OER反应都表现出较好的催化活性。此外，这种碳化木材具备较高的机械强度和良好的导电性，并且其内部具有交联的网络结构以提供离子输运通道，因此可以直接用作非金属电极，不再需要额外的碳纸、高分子粘结剂以及炭黑等。用这种木材衍生碳作为锌空电池的正极可以达到801 mAh g‒1的比容量，955 Wh kg‒1的能量密度以及长达110小时的长循环性能。这项工作为将储量丰富的生物质原料转化为面向能源相关领域应用的高值化工程产品提供了新的借鉴。

Hierarchically Porous Carbon Plates Derived from Wood as Bifunctional ORR/OER Electrodes

Xinwen Peng,* Lei Zhang, Zhongxin Chen, Linxin Zhong, Dengke Zhao, Xiao Chi, Xiaoxu Zhao,

Ligui Li,* Xihong Lu, Kai Leng, Cuibo Liu, Wei Liu, Wei Tang, and Kian Ping Loh*

Adv. Mater. 2019, 31, 1900341

https://doi.org/10.1002/adma.201900341

酶解辅助的方法将整块木材制备为N掺杂多级孔碳的示意图

用于可充电液流电池和锌-空气电池电极的柔性体相木质纤维碳材料

具备优良的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）活性，且具有稳定的机械强度、可折叠的空气正极是可穿戴金属-空气电池的一大关键组分。彭新文课题组报道了一种取向冷冻铸造结合退火煅烧的方法以制备具有三维蜂窝状纳米结构，N, P共掺杂，且原位生长FeP/Fe2O3纳米颗粒的碳气凝胶，并将其应用于锌-空气电池（Zn‒air batteries, ZAB）的正极。用该种气凝胶作为空气正极组装的水系可充电锌空电池在电流密度为20 mA cm‒2的条件下依然具有高达648 mAh g‒1的比容量，并且表现出了稳定的长循环性能，超过了已经商业化的Pt/C+RuO2催化剂。此外，这种可折叠的碳气凝胶含有取向性的孔道结构，能够用作柔性固态锌空电池的自支撑空气正极，不再需要使用碳布或碳纸以及其他添加剂。所组装的柔性固态锌空电池在5 mA cm‒2的电流密度下具有676 mAh g‒1的比容量以及517 Wh kg‒1的能量密度，并且具有良好的循环稳定性。这项工作为设计及合成高效的双功能空气电池以及拓展其未来在电化学储能器件中的应用提供了新的思路及方法。

An Iron-Decorated Carbon Aerogel for Rechargeable Flow and Flexible Zn–Air Batteries

Kunze Wu, Lei Zhang, Yifei Yuan, Linxin Zhong, Zhongxin Chen, Xiao Chi, Hao Lu, Zehong Chen, Ren Zou, Tingzhen Li, Chengyu Jiang, Yongkang Chen, Xinwen Peng,* and Jun Lu*

Adv. Mater. 2020, 2002292 https://doi.org/10.1002/adma.202002292

制备原位生长FeP/Fe2O3，N, P共掺杂碳气凝胶的示意图

用于压力传感及能源储存的木材体相弹性碳气凝胶

近年来，轻质、弹性的碳材料在柔性可穿戴储能器件及传感器件等领域引起了广泛的关注。木材作为一种储量丰富的可再生能源可以为轻质碳材料的制备提供丰富、绿色的原料。在这项工作中，彭新文教授课题组提出了一种利用纤维素纳米纤维（CNF）和木质素来制备具有管胞状结构的弹性碳气凝胶的制备方法。其中，柔性的CNF之间相互缠绕，形成了交联的网状结构；而具有较高热稳定性和一定强度的木质素可以减少CNF交联网络的热解构，从而阻止气凝胶在退火过程中发生严重的结构坍塌。运用这一策略制备出的具有管胞状结构的碳气凝胶表现出了优良的机械性能，较高的可压缩性（高达95%的应变）、弹性以及抗疲劳性。同时，这种碳气凝胶还具备较高的灵敏性，可以在0‒16.80 kPa的范围内准确检测出人类的生物信号。此外，该气凝胶可以被制备成柔性自支撑全固态对称超级电容器，再次证明了该碳气凝胶突出的电化学性能和柔性性能。

Wood-Derived Lightweight and Elastic Carbon Aerogel forPressure Sensing and Energy Storage

Zehong Chen, Hao Zhuo, Yijie Hu, Haihong Lai, Linxiang Liu, Linxin Zhong, and Xinwen Peng*

Adv. Mater. 2020, 1910292

https://doi.org/10.1002/adfm.201910292

木材衍生的碳气凝胶材料制备示意图

层状碳气凝胶材料

超轻、可压缩的碳材料在应变与压力检测的应用上具有良好前景，然而由于结构调控的困难，制备具有超高压缩性、高弹性、稳定的应变-电信号响应以及超灵敏检测限的碳材料仍然面临着严峻挑战。彭新文教授与钟林新教授以还原氧化石墨烯（rGO）为原料，通过设计波浪状rGO片层，制备出了一种具有优异性能的层状碳气凝胶材料。其中添加了纤维素纳米晶（CNC）以及少量的低分子量碳前躯体（葡萄糖或尿素）以增强rGO片层之间的相互作用，从而使其具备超轻、柔性以及高结构稳定性。利用这种方法制备的碳气凝胶具有超高压缩性（能承受99%的应变），高弹性（重复10000次30%的应变仍然保持原有的高度），以及稳定的应变-电流响应。这种碳气凝胶还具有超级灵敏的检测限，可以检测到0.012%的微小应变和0.25 Pa的压力。此外，良好的柔性使得这种碳气凝胶具备可弯曲性能，并且可以检测到0.052o的弯曲信号。这种石墨烯气凝胶在压力传感、可穿戴器件等方面的应用具有重要价值。

A Supercompressible, Elastic, and Bendable Carbon Aerogel with Ultrasensitive Detection Limits for Compression Strain, Pressure, and Bending Angle

Hao Zhuo, Yijie Hu, Xing Tong, Zehong Chen, Linxin Zhong,* Haihong Lai, Linxiang Liu, Shuangshuang Jing, Qingzhong Liu, Chuanfu Liu, Xinwen Peng,* and Runcang Sun*

Adv. Mater. 2018, 30, 1706705

https://doi.org/10.1002/adma.201706705

CNC/rGO-X气凝胶的制备示意图（X为葡萄糖或尿素）

碳材料用于光催化水裂解产氢耦合半纤维素木糖选择性转化为木糖酸

氢气作为一种可再生能源能够解决化石燃料危机以及环境负担问题。但是目前氢气仍然依靠化石燃料物质的蒸汽转化制备，实质还是在消耗化石资源。利用自然界广泛存在的非食品的生物质资源作为原料生产氢气能够有效解决氢气清洁制备问题.木糖酸属于环境友好型水溶性有机酸，具有无腐蚀、不挥发、温和无毒、易于生物降解且无残留等优点，是最具发展前途的木糖转化产物之一。基于光催化、热催化等方法，将桉木木糖氧化制备木糖酸与分解水产氢结合起来，同时实现平台化学品与清洁能源的高效制备。华南理工大学彭新文教授课题组在Carbon、Green Chem上报道了一种具有平面内二元异质结构的卷曲氮化碳多空纳米片作为光催化剂，实现木质纤维素光重整产氢，同时还具有光催化二氧化碳还原产一氧化碳以及光分解水产氢能力。该材料可见光下在木质纤维素溶液中具有很高的光催化产氢效率（122.77 umol/h），是普通氮化碳材料的15.6倍，420nm波长光下的表观量子效率达7.87%，使可见光驱动几种木质纤维素单糖、双糖、半纤维素、纤维素耦合产氢成为可能。除此之外，光催化分解水产氢速率可达22043 umol/g/h，（普通氮化碳的56倍），表观量子效率可达41.2%，同时还具有较高的光催化还原二氧化碳制一氧化碳性能（56.3umol/h，普通氮化碳的24.5倍）。另外，申请人通过模板法合成金纳米颗粒镶嵌于介孔氧化铝空心球内壁制备了纳米催化剂。木糖酸的最高产率达83.3%，木糖的选择性为93.8%。该系列催化剂在使用10次后木糖酸的产率和木糖的转化率依然可达最初的96.6%和98.9%以上，具有良好的稳定性和循环使用性。

Efficient Photoreforming of Lignocellulose into H2 and photocatalytic CO2 reduction via In-plane Surface Dyadic Heterostructure of Porous Polymeric Carbon Nitride Rose-leaf Architecture.

Qiong Liu, Fuxian Wang, Yu Jiang, Wei Chen, Ren Zou, Linxin Zhong, Xinwen Peng*.

Carbon. 2020. 170, 199-212.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320307582

往期推荐