王喜章

男， 南京大学化学化工学院物理化学学科， 教授/研究员/教授级高工或同等级别

学习/工作经历

2011.12-至今，南京大学化学化工学院物理化学学科，教授
2003.10-2011.12，南京大学化学化工学院物理化学学科，副教授
2003.11-2005.11，日本东京大学物理工学科，日本学术振兴会(JSPS)特别研究员
2001.09-2003.10，南京大学化学化工学院物理化学教研室，讲师
1996.09-2001.09，南京大学化学化工学院物理化学专业，硕士生、博士生
1992.07-1996.08，中南林学院基础课部有机化学教研室，助教
1988.09-1992.06，长沙水利电力师范学院(现长沙理工大学)化学系，本科学生

研究领域和兴趣

纳米能源材料物理化学、多相催化化学

主要业绩

申请人长期围绕纳米与介观结构材料的生长机理、成分与结构调控、宏量制备、催化功能化、能量转化与储存等方面开展研究工作，并取得良好进展，获得多项国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目、江苏省自然科学基金创新人才基金项目资助，还作为学术骨干参加国家重大科学研究计划纳米专项3项、国家自然科学基金重点项目3项。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Energy等国内外重要学术刊物发表论文160余篇，申请中国发明专利30余项(授权20余项)。下边简要介绍我们的研究进展：
1、碳基纳米管/纳米笼的制备科学及其功能化研究
在碳基纳米管/纳米笼的生长机理、可控制备、结构和成分调控、催化和能源导向的功能化、中试量产、催化功能化等方面的研究工作取得重要进展：
(1) 生长机理、制备科学
在碳纳米管（CNT）制备、性能、应用等方面的研究均取得重大进展，但依然存在生长机制不明、结构与成分难以调控等诸多瓶颈问题。我们考虑到苯分子中的六元环(苯环)与CNT的结构单元相似，提出并通过定量化实验验证了苯生长CNT的六元环机理。以此机理为指导，以吡啶等含氮芳香化合物为前驱体，制备了氮掺杂CNT（NCNT），发现在适当条件下前驱物的分子结构特征能部分“遗传”至产物；类似地，制备了硼或硼氮共掺杂CNT。这为其功能化应用奠定物质基础。
我们将模板控制生长和化学气相沉积相结合，以具有多尺度分级结构的MgO为模板，以苯、吡啶等为前驱体，发展了一条可方便制备碳基纳米新材料的有自主知识产权的技术路线，获得了具有超大比表面、独特多尺度分级结构、高石墨化程度(良好导电性)、大孔容、且易于掺杂的新型空心碳基纳米笼，初步实现了碳基纳米笼的连续化制备。

(2) 能源导向功能化研究
(a) 高性能超级电容器（EDLC）电极材料
利用碳纳米笼（CNC）超高比表面积、良好导电性和独特形貌与结构，作为EDLC电极材料，展现出高比容量、良好循环稳定性、高速充放电能力。氮掺杂能显著提高其EDLC性能，主要源于氮原子掺杂改善了导电性和表面浸润性。利用毛细力压缩碳基纳米笼，制备出高密度的塌陷碳基纳米笼，展现出优异的EDLC体积性能，其在离子液体中的体积能量密度达到铅酸电池水平。这些结果均显著优于文献报道。

(b) 高性能锂离子电池（LIB）电极材料
利用碳基纳米笼的高比表面积、优良导电性、丰富孔结构，用于LIB负极材料，展现出高比容量、高倍率和优异循环性能。利用纳米笼空腔和微孔，将过渡金属氧化物填充到纳米笼空腔内，能有效的缓解充放电过程中的体积变化、减少活性材料流失、减少极化、阻止不稳定SEI的形成，获得了高比容量、高倍率和优异循环性能。这些性能均优于文献。

(c) 新颖的能源催化材料
利用杂原子对催化活性组分具有配位或锚定作用，发展了不需对NCNT预处理即可方便负载高分散铂基纳米颗粒的新技术路线，成功构建了一系列纳米复合催化剂，具有优良的甲醇氧化、氧还原（ORR）电催化性能。这对于优化利用Pt资源、开发新型燃料电池催化剂具有重要意义。

Liming, Dai等报道(Science, 2009)NCNT在碱性条件下具有可与商业化的铂基催化剂媲美的ORR能力，受到广泛重视。在需要电子的ORR中，富电子的NCNT表现出优良的电催化性能易于接受，但我们发现缺电子的硼掺杂同样表现出良好的ORR性能，借助理论计算，很好地理解了无金属碳基纳米管的ORR催化机理，揭示了将碳材料转变为ORR催化剂的关键：创造表面带正电荷的位点以增强氧分子吸附、活化并有效利用碳共轭体系中丰富的π电子。
进一步，我们设计并制备出两种不同微结构(N与B相邻、B与N相离)的硼氮共掺杂CNT，二者在碱性条件下表现出截然相反的无金属氧还原催化性能，N与B相邻时削弱其ORR性能，而N与B相离则增强其ORR性能，即ORR性能与其微结构的密切关系，得到JACS审稿人的高度评价。
氮掺杂碳的ORR活性是源于氮掺杂还是源于金属杂质？学术界一直存在争论，因为催化生长法生长的碳不可避免地存在Fe、Co、Ni等金属杂质。我们的氮掺杂CNC在碱性条件下表现出了可与商业Pt/C催化剂媲美的氧还原催化活性，因为所使用的模板完全不含Fe、Co、Ni等具有氧还原活性的金属物种，因此厘清关于氮掺杂碳的ORR活性起源问题。

(3) 多相催化功能化：Fe/NCNTs催化剂
以NCNT为载体，方便地构建出Fe/NCNT催化剂，表现出优异的费托合成制低碳烯烃催化性能，显著优于CNT载体，明确揭示出NCNT的本征碱性、氮对催化剂电子结构调变是提高其催化活性和稳定性、抑制甲烷生成、提高C2-C4烯选择性的原因。为设计高效NCNT基催化剂提供有价值的参考。

2. 相平衡主导的气-液-固(VLS)生长机理研究
1964年由Bell实验室的Wagner等在生长硅晶须时提出气-液-固(VLS)唯象生长模型，现被广泛运用于理解和解释CNT等一维纳米材料的生长，但缺乏充分的实验证据。我们在高温氮化AlNi和FeSi合金颗粒生长AlN和Si3N4纳米线过程中，通过定量化的实验结果明确揭示出VLS生长模型的本质是相平衡主导的，为利用相图设计纳米线生长提供了重要科学依据。

3. 羰基铁介导的费托合成铁基催化剂粒子长大机理研究
结合在线质谱、热力学分析、反应温度和压强对催化剂粒子生长(烧结)影响规律的结果，首次明确提出并验证了(氮掺杂)碳纳米笼负载的铁费托合成催化剂烧结机理是由羰基铁介导的，即：在费托合成反应中，CO和催化活性相碳化铁粒子发生表面反应形成微量羰基铁，小尺寸碳化铁粒子表面能较高更易形成羰基铁，原位形成的羰基铁通过气相传输到在大尺寸碳化铁粒子表面、分解和生长出新的碳化铁，导致小粒子逐渐变小直至消失，大粒子不断长大。运用该机理，通过控制羰基铁生成量，成功地调控了Fe/NCNC催化剂烧结程度。这为人们设计抗烧结催化剂提供依据。

代表成果

1. 论文：作者（按原排序），题目，期刊名称，卷（期）（年），DOI号；
(i) Y. F. Bu, T. Sun, Y. J. Cai, L. Y. Du, O. Zhuo, L. J. Yang, Q. Wu,* X. Z. Wang,* Z. Hu*, Compressing Carbon Nanocages by Capillarity for Optimizing Porous Structures toward Ultrahigh-Volumetric-Performance Supercapacitors, Adv. Mater. 29(24), 1700470(2017). (高被引论文)
(ii) J. Zhao, Y. F. Jiang, H. Fan, M. Liu, O. Zhuo, X. Z. Wang,* Q. Wu,* L. J. Yang, Y. W. Ma, Z. Hu*, Porous 3D Few-Layer graphene-Like Carbon for Ultrahigh-Power Supercapacitors with Well-Defined Structure-Performance Relationship, Adv. Mater. 29(11), 1604569 (2017). (高被引论文)
(iii) J. Zhao, H. W. Lai, Z. Z. Lyu, Y. F. Jiang, K. Xie, X. Z. Wang,* Q. Wu, L. J. Yang, Z. Jin, Y. W. Ma, J. Liu, Z. Hu*, Hydrophilic Hierarchical Nitrogen-Doped Carbon Nanocages for Ultrahigh Supercapacitive Performance, Adv. Mater. 27(23), 3541-3545(2015) (高被引论文)
(iv) S. Chen, J. Y. Bi, Y. Zhao, L. J. Yang, C. Zhang, Y. W. Ma, Q. Wu, X. Z. Wang*, Z. Hu*, Nitrogen-Doped Carbon Nanocages as Efficient Metal-Free Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction, Adv. Mater. 24(41), 5593-5597 (2012) (Back Cover) (高被引论文)
(v) K. Xie, X. T. Qin, X. Z. Wang*, Y. N. Wang, H. S. Tao, Q. Wu, L. J. Yang, Z. Hu*, Carbon Nanocages as Supercapacitor Electrode Materials, Adv. Mater. 24(1), 347-352 (2012) (Frontispiece) (高被引论文)
(vi) J. Z. Lu, L. J. Yang, B. L. Xu*, Q. Wu, D. Zhang, S. J. Yuan, Y. Zhai, X. Z. Wang*, Y. N. Fan, Z. Hu*, Promotion Effects of Nitrogen Doping into Carbon Nanotubes on Supported Iron Fischer-Tropsch Catalysts for Lower Olefins, ACS Catal. 4(2), 613-621 (2014). (高被引论文)
(vii) M. Liu, H. Fan, O. Zhuo, J. C. Chen, Q. Wu,* L. J. Yang, L. M. Peng, X. Z. Wang,* R. C. Che, Z. Hu*, A general strategy to construct yolk-shelled metal oxides inside carbon nanocages for high-stable lithium-ion battery anodes, Nano Energy, 68, 104368(2020).
(viii) Z. Y. Lyu, D. Xu, L. J. Yang, R. C. Che, R. Feng, J. Zhao, Y. Li, Q. Wu*, X. Z. Wang*, Z. Hu*, Hierarchical carbon nanocages confining high-loading sulfur for high-rate lithium-sulfur batteries, Nano Energy 12, 657-665(2015)(Cover)
(ix) O. Zhuo, L. J. Yang,* F. J. Gao, B. L. Xu, Q. Wu, Y. N. Fan, Y. Zhang, Y. F. Jiang, R. S. Huang, X. Z. Wang,* Z. Hu*, Stabilizing the active phase of iron-based Fischer-Tropsch catalysts for lower olefins: mechanism and strategy, Chem. Sci. 10, 6083(2019). (Inside front cover)
(x) H. Fan, K. Mao, M. Liu, O. Zhuo, J. Zhao, T. Sun, Y. F. Jiang, X. Du, X. L. Zhang, Q. S. Wu, R. C. Che,* L. J. Yang, Q. Wu, X. Z. Wang*, Z. Hu*, Tailoring the nano heterointerface of hematite/magnetite on hierarchical nitrogen-doped carbon nanocages for superb oxygen reduction, J. Mater. Chem. A 6, 21313-21319(2018). (Inside Cover)

2. 专利：申报人(按原排序)；专利名称；申请年份、申请号；批准年份、专利号；
(i) 李谊，王喜章，谢克，吴强，杨立军，胡征，一种纽扣型超级电容器，2013年11月06日授权，ZL201320106185.5
(ii) 李谊，王喜章，毕吉玉，吴强，杨立军，胡征，一种连续化制备碳基纳米笼的反应装置，ZL 201320106181.7(2013年10月09日授权)
(iii) 赵进，王喜章，吴强，杨立军，胡征，一种高性能超级电容器用分级自相似性三维寡层多孔石墨烯的制备方法，2017.09.05授权，ZL 201610145769.1
(iv) 沈丽明，卓欧，王喜章，吴强，杨立军，胡征，一种York-shell型氮掺杂碳纳米笼包覆铂纳米颗粒的高抗醇性能氧还原电催化剂制备方法，2019.01.04授权，ZL 201610147142.X
(v) 卓欧，高福杰，吴强，杨立军，王喜章，胡征，一种费托合成催化剂及其制备方法，2020.04.08授权，ZL 201810225545.0
(vi) 杜玲玉，李有彬，吴强，杨立军，王喜章，胡征，一种用于促进锂硫电池中多硫化物转化的碳基无金属电催化剂，2020.07.08授权，ZL 201810195789.9
(vii) 张志琦，吴强，杨立军，王喜章，胡征，一种基于碳基纳米笼载体的金属单原子催化剂的制备方法，2018.10.22申请，201811228440.7
(viii) 卓欧，刘萌，高福杰，王喜章，吴强，杨立军，胡征，一种限阈型铁基费托合成催化剂及其制备方法，2019.04.23申请，201910323146.2
(ix) 陈轶群，吕品，王喜章，吴强，杨立军，胡征，一种用于二氧化碳电还原的金属-氮-催化剂及其制备方法碳，2020.06.05申请，202010501157.8
(x) 李国昌，王保兴，王喜章，吴强，杨立军，胡征，塌陷碳基纳米笼电极材料及其制备方法，2020.08.04申请，202010774550.4

3. 著作：作者（按原排序），著作名称，出版社，出版年份，出版地；
(i) 沈文霞，王喜章，许波连，物理化学核心教程（第三版），科学出版社，2016，北京
(ii) 沈文霞，淳远，王喜章，物理化学核心教程学习指导（第二版），科学出版社，2016，北京
(iii) 沈文霞，淳远，王喜章，物理化学核心教程”学习指导，科学出版社，2009，北京

4. 研究技术报告（未公开发表的重要报告）：作者（按原排序），报告题目，完成年份；

5. 重要学术会议邀请报告：作者（按原排序），报告题目，报告年份，会议名称、地点。
(i) 王喜章，碳基纳米笼：结构设计、可控制备及其超级电容器性能，2020年11月13-15日，2020第五届超级电容器及关键材料学术会议，四川成都
(ii) 王喜章，氮掺杂碳纳米笼负载铁基费托合成制烯烃催化剂构建及性能，2019年12月6-8日，2019（杭州）绿色化工催化加氢技术、催化剂开发及设备选型交流研讨会，浙江杭州
(iii) 王喜章，碳基纳米笼：高性能能量存储与转换平台材料，2019年10月7-10日，2019年纳米和表面科学与技术全国会议，江苏苏州
(iv) 王喜章，碳基纳米笼：高性能能量存储与转换平台材料，2019年7月19-21日，第五届全国储能工程大会，河南郑州
(v) 王喜章，碳基纳米笼：高性能能量存储与转换平台材料，2019年5月24-27日，第四届中国能源材料化学研讨会，辽宁大连
(vi) 王喜章，高性能介观结构碳基超级电容器电极材料，2019年1月11-14日，超级电容器技术及产业国际论坛暨2018产业年会，广西北海
(vii) 王喜章，高性能介观结构碳基储能材料，2018年7月13-15日，2018第四届全国储能工程大会暨中日电池研讨会，安徽合肥
(viii) 王喜章，高性能介观结构碳基储能材料，2018年10月26-28日，第五届全国储能科学与技术大会，湖北武汉
(ix) 王喜章，高性能介观结构碳基储能材料，2018年8月16 -19日，中国真空学会2018学术年会，吉林长春
(x) 王喜章，介观结构碳基纳米笼：高性能能量存储材料，2017年7月27-28日， 2017年第三届储能工程大会——储能技术与储能材料关键技术论坛，浙江横店

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