美国东北大学祝红丽团队近期生物质相关工作介绍
利用可再生的天然原料制备先进的功能材料及器件，将有助于减少人类对化石燃料的依赖。为了满足社会发展需求，通过科学技术将人与自然紧密连接，祝红丽团队主要关注于可持续能源存储，多功能材料制备，以及先进制造技术。基于在天然资源、能源储存、柔性器件及先进制造方面的研究兴趣和专业知识，祝红丽团队以从自然中开发更多功能性材料为目标，以及实现更加安全、廉价、高性能的能源储存系统。目前，祝红丽副教授已发表70余篇工作，其团队的多项研究成果被CBC News、National Public Radio、Science Daily等40余家媒体所报道。
01
教育和工作经历
2004‒2009 华南理工大学，西密歇根大学，博士；
2014‒2017瑞典皇家理工学院，博士后研究员，木材基可再生材料（导师Prof. Gunnar Henriksson）；
2012‒2015马里兰大学，博士后研究员，纸基电子及能源储存材料（导师Prof. Liangbing Hu）；
2015‒至今 美国东北大学，副教授。
02
研究方向
(1)生物衍生及生物启发的多功能材料
研究生物衍生材料中的构效关系，先进的功能化修饰、加工和表征方法，以及对生物衍生材料或运用生物仿生策略所制备材料的高性能、多功能化设计。例如将纳米纤维素用于生物/电子/储能应用，从树皮中提取富含单宁的醌类物质用于制备赝电容器，由纤维素纳米晶制备离子选择性膜材料，木质素用于液流电池的负极侧电解液等。
(2)高性能电池及可持续大规模电网储能
关注于高性能、高安全及低成本的可再生能源存储，尤其是全固态电池、液流电池及碱金属离子电池。
(3)先进、可持续的智能制造工艺
研究领域涵盖了传统制造业及新兴高科技电子及储能器件的生产。如高速卷对卷制造工艺，包括多种纸品的生产、涂布及印刷；纳米材料、储能设备及柔性器件的生产。
03
课题组链接
https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/index.html
04
近期发表论文
1.Proton-conductive membranes with percolated transport paths for aqueous redox flow batteries. Materials Today Nano, 2021, 13, 100100
2.Ice-Templated Anisotropic Flame-Resistant Boron Nitride Aerogels Enhanced through Surface Modification and Cellulose Nanofibrils. ACS Applied Polymer Materials 2021, 3, 1358–1367
3.Biodegradable, Hygienic, and Compostable Tableware from Hybrid Sugarcane and Bamboo Fibers as Plastic Alternative. Matter 2020, 3, 2066-2079
4.Stretchable, ultrasensitive, and low-temperature NO2 sensors based on MoS2@ rGO nanocomposites. Materials Today Physics 2020, 15, 100265
5.Lightweight and Construable Magnetic Wood for Electromagnetic Interference Shielding. Advanced Engineering Materials 2020, 22, 2000257
6.Regulated lithium ionic flux through well-aligned channels for lithium dendrite inhibition in solid-state batteries. Energy Storage Materials 2020, 31, 344-351
7.Biopolymers derived from trees as sustainable multifunctional materials: a review. Advanced Materials, 2020, 2001654
8.An ‘antifouling’ porous loofah sponge with internal microchannels as solar absorbers and water pumpers for thermal desalination. Journal of Material Chemistry A, 2020, 8, 12323-12333
9.Functionalized Well-Aligned Channels Derived from Wood as a Convection-Enhanced Electrode for Aqueous Flow Batteries. ACS Applied Energy Materials, 2020, 3, 6249-6257
10.Stable and highly ion-selective membrane made from cellulose nanocrystals for aqueous redox flow batteries. Nano letters 2019, 19, 8979-8989
05
代表性成果简介
1.基于纳米纤维素的3D打印高性能金属锂微电池
通过3D打印技术构筑的电池具有微型化、自成形、可调控结构原型等本征优势。然而，由于打印金属锂较为困难，3D打印金属锂电池（LMBs）尚未被报道。作者在这项工作中首次提出了利用含量丰富的生物大分子——纤维素纳米纤维（CNF），通过3D打印技术构筑高性能金属锂电池的策略。CNF凝胶独特的剪切致稀性能有助于磷酸铁锂（LiFePO4）电极以及稳定金属锂骨架的打印。此外，CNF骨架的多孔结构有助于提高离子可及度，减小金属锂负极的局部电流密度。通过第一性原理以及相场模拟等多尺度计算发现，多孔结构有助于更均匀的金属锂沉积。因此，通过3D打印技术构建的LiFePO4 | Li全电池在10 C倍率下表现出80 mAh g‒1的比容量，以及3000圈循环后高达85%的容量保持率。
(a) CNF墨水的来源；(b~d) 3D打印金属锂电池的示意图
3D Printed High-Performance Lithium Metal Microbatteries Enabled by Nanocellulose
Daxian Cao, Yingjie Xing, Karnpiwat Tantratian, Xiao Wang, Yi Ma, Alolika Mukhopadhyay,
Zheng Cheng, Qing Zhang, Yucong Jiao, Lei Chen,* and Hongli Zhu*
Adv. Mater. 2019, 1807313
https://doi.org/10.1002/adma.201807313
2. 通过高取向性孔道调控锂离子运输行为，抑制固态电池中的锂枝晶形成
由于不规则的金属锂沉脱行为，通过固态电解质抑制金属锂枝晶的形成仍有较大的优化空间。祝红丽团队与路易斯维尔大学Wang Hui团队合作报道了通过真空辅助-溶胶-凝胶浸渍法，将Li6PS5Cl电解质灌入木材模版中的策略。这种改进后的Li6PS5Cl@wood固态电解质具有2.2×10‒4 S cm‒1的室温离子电导率，更重要的是，木材的天然高取向性孔道结构在电池循环过程中可以有效调控锂离子的输运行为，进而可以达到1000小时的高循环稳定性。另外，利用该固态电解质组装的Li4Ti5O12 (LTO) | Li全电池表现出了高达100圈的循环性能。作者还利用相场模拟计算的方法进一步解释了Li6PS5Cl@wood固态电解质抑制锂枝晶生长的可能机制。这项工作为固态电解质调控均匀锂离子沉积，从而抑制锂枝晶生成，构建高性能二次锂电池提供了一条新的思路。
(a)Li6PS5Cl@wood固态电解质的制备示意图；(b)空白固态电解质与Li6PS5Cl@wood固态电解质对金属锂沉脱行为调控作用的对比
Regulated lithium ionic flux through well-aligned channels for lithium dendrite inhibition in solid-state batteries
Yang Li , Daxian Cao, William Arnold, Yao Ren, Chao Liu, Jacek B. Jasinski, Thad Druffel, Ye Cao, Hongli Zhu**, Hui Wang,*
Energy Storage Mater. 2020, 31, 344‒351
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.06.029
3.利用纤维素纳米晶制备的稳定、高离子选择性的液流电池隔膜
为用于高浓度酸环境液流电池设计化学性能稳定的离子交换隔膜仍然具有较大挑战。本工作中，作者利用在聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基体中掺杂质子导电纤维素纳米晶(CNCs)制备了一种稳定且具有高离子选择性的薄膜。PVDF-HFP基质的高疏水性有助于避免正、负两极电解质的交叉混合，而来自木材的丰富、低成本的CNC提供了高质子导电性。CNC的高质子导电性主要归结于其分子结构中的羟基基团，磺酸基团，以及发达的分子间氢键网络。此外，CNC由于高结晶性，在酸性环境下表现出较强的机械和化学结构稳定性。因此，由于CNC/PVDF-HFP隔膜的高质子导电性，高离子选择性，高化学稳定性和结构稳定性，这种具有CNC/PVDF-HFP隔膜的全钒液流电池能够达到98.2%的高库伦效率，88.2%的能量效率，以及在电流密度为100 mA cm‒2下超过650圈的稳定循环能力。这种CNC/PVDF-HFP隔膜还具有较好的柔韧性、高拉伸强度，所使用的刮涂式制备方法也能满足大规模生产的要求。
(a) 装有CNC/PVDF-HFP隔膜的液流电池结构示意图；(b) CNC/PVDF-HFP隔膜的两相结构；(c) CNC/PVDF-HFP隔膜的高质子导电机理示意图
Stable and Highly Ion-Selective Membrane Made from Cellulose Nanocrystals for Aqueous Redox Flow Batteries
Alolika Mukhopadhyay, Zheng Cheng, Avi Natan, Yi Ma, Yang Yang, Daxian Cao, Wei Wang,* and Hongli Zhu*
Nano Lett. 2019, 19, 8979–8989
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03964
4.由甘蔗和竹纤维混合制备的可生物降解、清洁、可堆肥的餐具
作者在此工作中，利用制糖工业剩余的甘蔗渣为原料，通过纸浆模塑工艺，将其从废弃物高值转化为食品相关的终端产品。甘蔗渣的天然安全性保证了其在食品相关领域的应用，作者利用其生产的餐具具有可完全生物降解、可回收和环境友好的显著优势。除此之外，作者还开发了纤维混合策略，即将竹材的长纤维与甘蔗渣的短纤维相混合，使得在生产的餐具内部具有丰富的物理交联结构。所制备的餐具表现出高拉伸强度、抗油污性、疏水性以及低金属含量等特点。值得注意的是，这种餐具在自然条件下基本可以在60天内实现完全生物降解，明显短于合成塑料的降解时间。另外，与聚苯乙烯类产品的生产工艺相比，纸浆模塑工艺有更少的二氧化碳排放量。这项工作中提出的利用生物质原料生产餐具的工艺具有环保、低成本、可降解的特点，有望在食品包装应用上进一步替代合成塑料产品。
以甘蔗渣和竹纤维为原料，通过纸浆模塑工艺生产可生物降解餐具的示意图
Biodegradable, Hygienic, and Compostable Tableware from Hybrid Sugarcane and Bamboo Fibers as Plastic Alternative
Chao Liu, Pengcheng Luan, Qiang Li, Zheng Cheng, Xiao Sun, Daxian Cao, Hongli Zhu*
Matter 2020, 3, 1–14
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.10.004
5.具有微孔道结构的丝瓜络用于海水淡化
作为一种新型的太阳能技术，界面蒸发用于海水的淡化和分离受到了广泛关注。作者利用常见、易得的丝瓜络制备了一种可回收、高效的双界面太阳能蒸发器。上层通过碳化的方法进行修饰，使得其能够高效吸收太阳能，且具有吸光波度宽、光捕获能力强的特点。在蒸发器的下层，由于丝瓜络纤维的天然亲水性、多级孔结构、丰富的微通道，使得海水可以被充分吸收并泵入至加热界面处。在淡化过程中，由于大孔结构和微通道的存在，使得盐浓度呈梯度分布，避免了盐分在蒸发器表面的累积，从而保证了蒸发器长期使用的稳定性。这一经济、轻便的光吸收-水蒸发器件在太阳光下表现出约1.42 kg m‒2 h‒1的蒸发率和89.9%的蒸发效率。这种低成本、来源广泛、结构稳定的材料有望在未来大规模太阳能蒸发中得到应用。
An ‘antifouling’ porous loofah sponge with internal microchannels as solar absorbers and waterpumpers for thermal desalination
Chao Liu, Kevin Hong, Xiao Sun, Avi Natan, Pengcheng Luan, Yang Yang and Hongli Zhu*
J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 12323‒12333
https://doi.org/10.1039/D0TA03872E
丝瓜络制备的太阳能海水蒸发器结构及工作示意图
6.综述：由树木衍生的生物大分子作为可持续、可再生的多功能材料
当前世界能源经济正逐步由化石燃料驱动转变为可再生、可持续的能源驱动。作为一种丰富的可再生生物资源，由树木为原料制备一系列先进材料引起了广泛关注。树木由复杂的结构和组分构成，包括树干(包括树皮)、叶、花、种子、树根等。尽管之前有一些工作报道了木材及木材衍生的生物高分子在能源、电子、生物医药、水处理等众多领域的应用，但是尚未有全面、系统地讨论这些由树木衍生而来的先进材料和器件的综述文章。祝红丽团队及时总结了近年来由树木不同部位衍生的材料及其结构特点。在这篇综述中，作者首先对树木的不同部位作以简明扼要地介绍；之后综述了由树木中生物高分子组分衍生的功能材料的相关化学结构及制备研究；并讨论了这些生物高分子基材料的多种先进应用进展。
综述了树木不同部位衍生材料在能源、电子、环境及生物等领域的应用进展
Biopolymers Derived from Trees as Sustainable Multifunctional Materials: A Review
Chao Liu, Pengcheng Luan, Qiang Li, Zheng Cheng, Pengyang Xiang, Detao Liu, Yi Hou,Yang Yang, and Hongli Zhu*
Adv. Mater. 2020, 2001654
https://doi.org/10.1002/adma.202001654
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