Yat Li（李軼）教授
美國加州大學(xué)圣克魯茲分校化學(xué)與生物化學(xué)系教授。1999年和2002年分別于香港大學(xué)取得學(xué)士和博士學(xué)位。2003至2007年于哈佛大學(xué)博士后，師從國際著名納米學(xué)科奠基人Charles M. Lieber教授。2007年加入加州大學(xué)圣克魯茲分校擔任助理教授，2013年晉升副教授，2018年晉升教授。
主要研究領(lǐng)域包括低維納米材料的設(shè)計制備與其在能源與催化領(lǐng)域的應(yīng)用。迄今發(fā)表SCI論文130篇，其中24篇入選ESI高被引論文，他引逾20000次，h因子56，于2017年被選為全球高被引科學(xué)家。
納米人專訪
1. 納米人：請您簡單介紹一下課題組主要的研究方向和發(fā)展情況！
李軼教授：我們課題組現(xiàn)在主要專注于能源與催化兩個大方向。能源方向主要側(cè)重于超級電容器，鋰離子電池，鋰硫電池，鋰金屬電池等。催化方向主要側(cè)重于電催化及光電催化產(chǎn)氫，產(chǎn)氧，二氧化碳還原等。近年來，我們課題組通過與勞倫斯利弗莫國家實驗室合作，在儲能領(lǐng)域引入三維打印技術(shù)，突破了傳統(tǒng)電極的一些限制，成功地實現(xiàn)了更加優(yōu)異的性能。
2. 納米人：您主要研究低維材料的設(shè)計制備與其在能源與催化領(lǐng)域的應(yīng)用。您認為，低維材料在能源和催化領(lǐng)域有那些優(yōu)勢？
李軼教授：低維納米材料因其自身較高的比表面積，往往具有不同于大尺寸體相的諸多性質(zhì)。例如在儲能和催化領(lǐng)域，低維納米材料提供了可供電解質(zhì)接觸的更多的比表面積，更多的催化活性位點，并且由于量子限域效應(yīng)，許多低維半導(dǎo)體納米材料的光學(xué)和電學(xué)性能也會隨著尺寸的變化而不同，因而帶來許多新奇的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
3. 納米人：清潔能源轉(zhuǎn)化與存儲是全球科學(xué)家研究的熱點問題，您覺得儲能領(lǐng)域邁向工業(yè)化，最亟需解決的問題有哪些？
李軼教授：清潔能源的存儲一直以來都是大家十分關(guān)注的熱點研究領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域，許多國際領(lǐng)先的實驗室通過近些年的發(fā)展，已成功制備許多新型納米電極材料，同時也改進了許多傳統(tǒng)電極材料，實現(xiàn)了接近其理論值的優(yōu)異性能。然而，要想將這些實驗室的成果真正應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)，還有許多問題需要解決。比如，當把實驗室測試的小型器件的尺寸擴大到商業(yè)應(yīng)用的大型器件時，隨之而來的電阻的增加，發(fā)熱量的管理，活性物質(zhì)增加帶來的性能衰減等都是不可忽慮的問題。因此，研究滿足實際應(yīng)用條件下的儲能器件的性能，特別是在大型器件，高活性物質(zhì)負載量下的性能，就顯得十分必要。
4. 納米人：近日，您在Joule發(fā)表了3D打印構(gòu)建高性能電極材料的工作，請問這項工作的亮點在哪里？
李軼教授：如何實現(xiàn)電化學(xué)儲能電極高活性物質(zhì)負載量下依然優(yōu)異的性能是困擾該領(lǐng)域許久的一個問題。在非常低的負載量下（1 mg/cm2），依靠基底良好的導(dǎo)電性以及較薄的活性物質(zhì)下充分的離子遷移，許多復(fù)合電極實現(xiàn)了接近活性物質(zhì)理論容量的性能。然而，在高的負載量下，復(fù)合電極由于其自身導(dǎo)電性的限制以及隨著電極增厚帶來的不充分的離子擴散導(dǎo)致其電化學(xué)性能急劇衰減。
對于實際實際的生產(chǎn)應(yīng)用，單位面積的活性物質(zhì)載量至少應(yīng)達到10 mg/cm2。然而，在這么高的負載量下，傳統(tǒng)電極因其受限的離子擴散，難以達到令人滿意的電化學(xué)性能。如何通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和先進的制備方法實現(xiàn)高載量下有效的離子遷移，是當前電化學(xué)能源研究領(lǐng)域的一個難點問題，也是一個熱點問題。
針對這一長久以來的問題，我們與美國勞倫斯利福莫國家實驗室Marcus Worsley等研究員合作，提出通過三維打印技術(shù)制備的大孔石墨烯氣溶膠可作為理想的載體，實現(xiàn)在高載量甚至超高載量的活性物質(zhì)負載下優(yōu)異的電化學(xué)性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國際頂級期刊Joule上，題為“Efficient 3D PrintedPseudocapacitive Electrodes with Ultrahigh MnO2 Loading”。
該研究成功地實現(xiàn)了在三維打印的石墨烯氣溶膠基體上MnO2的可控超高載量負載，單位面積的負載量可達到182.2mg/cm2。令人驚喜的是，在如此高的負載量下，復(fù)合電極同時實現(xiàn)了出色的質(zhì)量比電容，面積比電容和體積比電容，這也是之前報道的傳統(tǒng)電極不可實現(xiàn)的。同時，保持三維打印的石墨烯氣溶膠厚度不變，增加沉積的二氧化錳納米片載量，復(fù)合電極的面積比電容和體積比電容近乎線性增加，而二氧化錳的質(zhì)量比電容并未發(fā)生明顯衰減。增加復(fù)合電極的厚度與沉積的二氧化錳的質(zhì)量，整體電極的面積比電容呈現(xiàn)線性增長，而質(zhì)量比電容和體積比電容幾乎未受影響。
該工作首次實現(xiàn)了超級電容器電極材料超過180 mg/cm2的超高活性物質(zhì)負載量，以及創(chuàng)紀錄的44.13F/cm2的超高面積電容。對稱型超級電容器器件可實現(xiàn)1.56 mWh/cm2的超高單位面積能量密度。最重要的是，電極的面積比電容和器件的能量密度尚未達到飽和值，還可通過增加電極的厚度和活性物質(zhì)的載量而進一步提高。
該工作首次成功證實了三維打印技術(shù)可作為一種有效的手段解決長久以來的高負載下電化學(xué)性能衰減的問題，并且有望改變現(xiàn)有的工業(yè)上層層堆疊組裝的電容器生產(chǎn)方式。
5. 納米人：您是怎么想到3D打印策略的，在研究過程中遇到了哪些問題？
李軼教授：3D打印作為一項新興的材料制備技術(shù)，在生物材料以及結(jié)構(gòu)材料等方面已經(jīng)實現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，然而卻還很少應(yīng)用于能源領(lǐng)域。3D打印獨特的技術(shù)特點可以從宏觀上實現(xiàn)對于材料結(jié)構(gòu)的調(diào)整，特別是孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控。
兩年前，我們課題組首次將3D打印的碳材料應(yīng)用于超級電容器的電極，發(fā)現(xiàn)3D打印電極特有的有序大孔結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)理想的高倍率性能（Nano Letters 2016, 16, 3448-3456.）。然而，由于碳電極自身較低的比電容，很難滿足實際的應(yīng)用。因此，我們想到將3D打印的碳材料電極作為導(dǎo)電骨架，來沉積具有更高比電容的贗電容二氧化錳納米材料，從而制備復(fù)合電極以實現(xiàn)更加優(yōu)異的性能。
然而，我們之前報道的3D打印的碳電極其孔結(jié)構(gòu)以介孔和小孔為主，而這些小尺寸的孔結(jié)構(gòu)限制了電鍍?nèi)芤弘x子的有效遷移，難以實現(xiàn)均勻的材料沉積。因此，我們重新調(diào)整了打印碳電極的配方，成功制備了具有大孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣溶膠。該石墨烯氣溶膠特有的大孔結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)電鍍?nèi)芤弘x子快速充分的遷移，實現(xiàn)活性物質(zhì)在石墨烯電極上均勻的負載。并且，這些大孔也為高載量活性物質(zhì)的沉積提供了充足的空間。
6. 納米人： 為了解決高負載下電化學(xué)性能衰減的問題，現(xiàn)在有很多方法。和其他策略相比，您采用的這種3D打印的策略有什么優(yōu)勢或者特別之處么？
李軼教授：現(xiàn)有的解決高負載下電化學(xué)性能衰減的方法主要集中于通過選用更加多孔導(dǎo)電的新型納米材料以及優(yōu)化納米材料的電極結(jié)構(gòu)等方面。然而，這些方法只能一定程度上緩解隨負載增加而帶來的性能衰減，方法往往僅限于某種特有的材料或者形貌，其電極的最高載量也基本集中于10mg/cm2左右。
進一步增加負載量，其性能依然面臨急劇衰減的問題。同時，這些電極難以同時實現(xiàn)優(yōu)異的質(zhì)量比電容，面積比電容和體積比電容。我們利用大孔結(jié)構(gòu)的3D打印石墨烯氣溶膠成功實現(xiàn)了182.2mg/cm2的超高負載量，比現(xiàn)有的高負載量的電極提高了近一個數(shù)量級。并且，同時實現(xiàn)了優(yōu)異的質(zhì)量比電容，面積比電容和體積比電容，這對于傳統(tǒng)電極是不可實現(xiàn)的。而且，電極厚度以及活性物質(zhì)負載量可隨打印電極的厚度以及沉積時間的控制而精確調(diào)整，其電化學(xué)性能不會發(fā)生明顯衰減。
3D打印技術(shù)在這項研究中發(fā)揮了重要作用，其獨特的有序大孔輔助石墨烯氣凝膠自身的大孔結(jié)構(gòu)，對于實現(xiàn)活性材料的高負載量，均勻沉積以及大載量下充放電過程中離子快速充分的遷移提供了十分必要的保障。
7. 納米人：能否分享一下，您是如何走上科研道路的，尤其是如何選擇了儲能和催化這兩個研究方向？
李軼教授：我走上科研道路其實挺順其自然的。在香港大學(xué)讀本科的時候，一個偶然的機會和同學(xué)一起加入了黃永德老師的課題組做本科論文。過程里發(fā)現(xiàn)做科研很有趣，就留在黃老師組里讀博士，主要從事金屬簇的配位和催化研究。得到了黃老師和師兄師姐們很多的指導(dǎo)幫助，令我對做科研也更有信心。之后很幸運的去了哈佛Charles Lieber老師課題組做博士后。在Lieber組的經(jīng)歷幫我開啟納米材料研究的大門，獲益良多，更堅定了做科研的目標。
選擇儲能和催化這兩個研究方向主要是結(jié)合了自己的科研經(jīng)歷和興趣。我覺得納米材料擁有超大的表面積和可控的表面性質(zhì)在儲能和催化方面都有相當大的應(yīng)用前景，也有太多可以探索創(chuàng)新的地方。對于這種同時結(jié)合了基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用的科研，我特別感興趣。
8. 納米人：請問您希望學(xué)生更注重哪些方面素質(zhì)的培養(yǎng)？您最近是否有招生或者博后招聘的需要？
李軼教授：我希望學(xué)生有獨立思考的能力，有敢于去想，討論和做新東西的勇氣和激情，和對做好科研的執(zhí)著。是的，我課題組有招生的需要，歡迎有意的同學(xué)聯(lián)系我和申請我們學(xué)校。
