“木头大王”胡良兵 不仅木头玩得好！近期研究工作纪实

很多人认识胡良兵教授是其颠覆了我们对木头的传统认知，他将木头变成电解质、水凝胶、衣服、并用于钠电池、Li-CO₂电池、超级电容器、电催化的重要部件。其实胡良兵做的不止有木头，还有其他相当出色的工作。接下来一起走进胡良兵的科研世界。

人物简介

胡良兵：2002年毕业于中国滚球体育 大学少年班应用物理学专业，2002-2007年，在美国加州大学洛杉矶分校攻读博士学位，师从George Gruner教授；2006年，创立Unidym Inc公司，并工作至2009年；2009-2011年，在美国斯坦福大学著名华裔科学家崔屹课题组做博士后； 2016年至今，美国马里兰大学终身教授，先进材料与纺织中心主任（CAPT）。已在Science, Nature, ACS Nano, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemical Reviews, Nano Letters等顶级期刊上发表学术论文300余篇，被引用超过38,000次，H-Index为93。

研究方向

研究成果汇总

近期工作

天然和工程木材的结构-性能-功能关系｜Nature Review Materials

作为地球上最丰富的生物材料之一，木材的复杂结构在进化过程中得到了优化。这种优化使木材具有高效的水分和养分输送、机械稳定性和耐久性。木材独特的材料结构和显著的各向异性赋予了它一系列显著的性能，为功能材料的设计提供了机会。在这篇综述中，胡良兵教授团队提供了一个材料和结构方面的观点，即如何通过结构工程、化学和/或热改性来重新设计木材，以改变其机械、流体、离子、光学和热性能。这些改进使各种各样的应用成为可能，包括高性能结构材料的开发、能源储存和转换、环境修复、纳米离子、纳米流体以及光和热管理。还强调了先进的表征和计算模拟的方法，以了解天然和改性木材的结构-性能-功能关系，以及仿生合成设计。此外，还对木材研究的未来方向和工业化的挑战和机遇提出了自己的看法。相关研究以“Structure–property–function relationships of natural and engineered wood”为题目，发表在Nature Review Materials。

文献链接：DOI：10.1038/s41578-020-0195-z

图1 多尺度层次及多孔结构

熵驱动合成高效和持久的多元素合金催化剂｜ScienceAdvances

多元素合金纳米颗粒(MEA-NPs)在几乎无限的合成空间中为催化剂的发现带来了巨大的希望。然而，如何合理、可控地综合这些内在复杂的结构仍然是一个难题。在这里，胡良兵教授团队报告了计算辅助，熵驱动的设计和合成高效和持久的催化剂MEA-NPs。计算策略包括数百万组分的预筛，用密度泛函理论计算预测合金的形成，用蒙特卡罗和分子动力学混合方法检查结构的稳定性。选择的合成物可以在高温(如1500 K, 0.5 s)下高效快速地合成，具有优异的热稳定性。将这些MEA-NPs应用于催化NH₃分解，由于多元素混合的协同作用、它们的尺寸小以及合金相的存在，观察到它们表现出了优异的性能。计算辅助的合理设计和快速合成的MEA-NPs将广泛适用于各种催化反应，并将加速材料的发现。相关研究以“Computationally aided, entropy-driven synthesis of highly efficient and durable multi-elemental alloy catalysts” 为题目，发表在Science Advances上。

文献链接：DOI: 10.1126/sciadv.aaz0510

图2 MEA-NPs的动态生成模拟与高温合成

竹子制成的坚韧和可伸缩的结构材料强度超过钢｜AM

美国马里兰大学胡良兵教授等人设计了一种简单而有效的自顶向下的方法，将天然竹子加工成一种重量轻但强度高的散装结构材料，其抗拉强度高达≈1 GPa，韧性为9.74 MJ/m³。竹子的密度是由部分去除其木质素和半纤维素，其次是热压，长而整齐的纤维素纳米纤维显著增加了氢键，大大减少了竹材结构的结构缺陷，使竹材具有较高的机械拉伸强度、弯曲强度和韧性。经过密实处理的竹子中木质纤维素的低密度导致其比强度为777 MPa cm³g⁻¹，显著高于其他报道的竹子材料和大多数结构材料(如天然聚合物、塑料、钢和合金)。这项工作展示了用丰富的、快速生长的和可持续的竹子大规模生产轻质、坚固的块状结构材料的潜力。相关研究以“A Strong, Tough, and Scalable Structural Material from Fast-Growing Bamboo ”为题目，发表在Advanced Materials上。

文献链接：DOI: 10.1002/adma.201906308

图3 天然竹子向致密竹子转化的示意图及抗拉强度、特殊刚度及生长速率对比

一种具有可逆和可调的拓扑网络动态凝胶｜Matter

具有独特结构基模的聚合物网络的设计可以允许动态特性，但大多数现有材料系统表现出有限的运行状态或不可逆响应。在此，胡良兵教授等人以氢键拓扑网络为设计原则，构建了一种基于纤维素、离子液体和水的离子凝胶材料(Cel-IL动态凝胶)。所制备的Cel-IL动态凝胶具有可调的机械强度、离子导电性、粘弹性和自愈性。在限定水含量的情况下，Cel-IL动态凝胶呈现出一种具有良好附着力、快速自愈合和中等离子电导率的特点。通过将水含量提高到32wt %，微观结构转变为致密的图灵网络，使凝胶具有良好的拉伸性、韧性和高离子电导率。利用这种材料，我们展示了一种灵活、透明、可设计和生物兼容的离子传感器设备，它展示了在电子皮肤和智能设备中使用的巨大潜力。相关研究以“A Dynamic Gel with Reversible and Tunable Topological Networks and Performances”为题目，发表在Matter上。

文献链接：DOI: 10.1016/j.matt.2019.10.020

图4 可调微观结构和拓扑网络的动态凝胶设计

各向异性导热六边形氮化硼涂层的耐火结构材料｜AFM

防火涂料已被证明可以有效降低结构材料在燃烧过程中的热释放率(HRR)；然而，在燃烧前提高点火温度和延迟时间的有效方法却鲜有报道。本文将致密化处理与六边形氮化硼(h-BN)各向异性导热防火涂料相结合，研制出一种强度高、耐高温的木质结构材料纳米薄片用于生产氮化硼密度的木材。BN涂层产生的热管理性能提供了快速、平面内的热扩散，减缓了热量通过致密木材的传导，从而提高了材料的点火性能。与未包覆BN的致密木材相比，BN-致密木材的着火温度(T_ig)提高了41℃，着火延迟时间(t_ig)提高了2倍，最大HRR降低了25%。BN-致密木材改进的热管理、耐燃性、机械强度使其成为一种有希望的结构材料，用于安全和节能建筑。相关研究以“Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating”为题目，发表在AFM上。

文献链接：DOI: 10.1002/adfm.201909196

图5 BN-致密化木材的工作原理及耐燃和机械性能

一种用秒合成和烧结大块陶瓷的方法｜Science

陶瓷是一类重要的材料，因其具有较高的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性而得到广泛的应用。基于第一性原理方法的计算预测可以成为加速材料发现和改进陶瓷的一个有价值的工具。从实验上证实这些预测的材料特性是至关重要的。然而，传统的陶瓷烧结工艺由于加工时间长，挥发性元素的损失导致的成分控制较差，限制了材料的筛选率。为了克服这些限制，美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亚理工大学、加州大学郑小雨教授和加州大学圣地亚哥分校骆建教授团队等人开发了一种超快高温烧结(UHS)工艺，在惰性气体环境下通过辐射加热制备陶瓷材料，碳加热元件可以提供高达3000℃的温度以合成和烧结几乎任何陶瓷材料。较短的烧结时间也有助于防止多层结构界面上的挥发性蒸发和不理想的相互扩散。研究提供了几个UHS过程的例子来展示其潜在的用途和应用，包括在固态电解质、多组分结构和高通量材料筛选方面的进展。相关研究以“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”为题目，发表在Science上。

文献链接：DOI: 10.1126/science.aaz7681

图6 用于陶瓷筛选的快速烧结技术

通过木质可重复使用的过滤器进行高效水处理｜ACS Materials Letters

便携式滤水器对家庭或社区用水净化至关重要，在发展中国家或没有水处理厂的偏远地区尤其流行。然而，商用过滤器面临着许多挑战，如缓慢的吸附速率，有限的吞吐量，以及使用昂贵的材料和复杂的制造方法，阻碍了它们在改善水质和健康方面的广泛应用。在这里，胡良兵教授等人通过将木材材料方便的碳化和活化，报告了一个高效的水过滤器。在碳化木材中大量垂直排列的通道使快速和高流量的水流成为可能，同时污染物有效地吸收在活化过程中所赋予的高表面积的纳米孔通道壁上。作为概念验证研究，3D活化木质过滤器对亚甲蓝的吸附能力(198.64 mg g^-1)和吸附速率(99.52% in 5min)均高于商用过滤器。此外，通过一个简单的碳化过程，可以对块状过滤器进行热再生，以回收使用。这一卓越的性能，结合自然丰富的木材材料，方便和可扩展的制造工艺，并大大降低成本，使该过滤器可以作为一个高效和可持续的便携式商业过滤器替代品，特别是为发展中国家迫切需要清洁的水。相关研究以“Highly Efficient Water Treatment via a Wood-Based and Reusable Filter”为题目，发表在ACS Materials Letters上。

文献链接：DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00488

图7木质过滤器的工作原理及性能比较

多孔三维木基电极用于钒流电池｜EnergyStorage Materials

钒流电池（VFB）因其设计灵活、循环寿命长、安全性高而被广泛认为是最可靠的大规模储能技术之一。胡良兵教授与中国科学院大连化学物理研究所Tao Liu等人演示了一个多孔三维木基电极。三维木电极继承了原始木材料固有的垂直排列的通道(即低弯曲结构)，在流动电池系统中提供了流畅的电解质传输路径。此外，在三维木基电极垂直方向钻出小洞(约1.3 mm)连接平行通道，从而实现离子交换和降低流动阻力。由于这些电极的修改，在VFB充放电过程中浓度极化显著降低。三维木基电极的多孔结构，具有216.77 m²g^-1的高比表面积且具有含氧官能团，为钒阳离子提供了足够的反应位点，增强了VFBs的电化学反应活性。三维木基电极的优越结构保证了其在VFBs中的可行性，并通过对地球上丰富的生物材料进行孔隙工程，为开发流动电池电极提供了一个有希望的方向。相关研究以“Holey three-dimensional wood-based electrode for vanadium flow batteries

”为题目，发表在Energy Storage Materials上。

文献链接：DOI: 10.1016/j.ensm.2020.02.008

图8 多孔三维木电极工作原理的原理图

3D打印热冲击合成的纳米催化剂｜Small

高温合成和高温处理在化学反应和材料制造中普遍存在。然而，传统的烧结炉体积大，效率低，温度范围窄(<1500 K)，加热速度慢(<100 K min^{- 1})，这对于许多需要瞬态加热才能产生理想纳米结构的应用来说是不可取的。胡良兵教授团队开发了一个可三维打印具有密集的微型栅格设计的微型反应器，以最大限度的优化材料，从而获得高度高效和可控的加热。通过3D打印，可以构造出具有微尺度特征的通用的小型化反应器，其温度范围可以达到≈3000 K，其超快加热/冷却速率可以达到≈104 K s⁻¹。为了证明该设计的实用性，我们采用瞬态加热(1500k, 500ms)的方法对有序介孔碳负载的钌纳米颗粒进行了快速和批量合成。由此制备出的钌纳米微粒具有良好的循环稳定性，可作为Li- CO₂电池的正极。该微型反应器具有通用的形状设计和高度可控的加热能力，为纳米催化剂的合成提供了一个平台，可以对高温进行局部和超快加热，这是其他方面难以实现的。相关研究以“Thermal Shock Synthesis of Nanocatalyst by 3D-Printed Miniaturized Reactors”为题目，发表在Small上。

文献链接：DOI: 10.1002/smll.202000509

图9 3D打印小型化反应器

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