1. 氧析出反应催化材料
氧析出反应是电/光电分解水制氢过程的阳极反应，也是整个过程的动力学瓶颈。因此，研发高活性、低成本、高稳定性的氧析出反应催化材料对提高电/光电分解水制氢能量转化效率、实现其大规模应用具有重要意义。我们的研究致力于高性能氧析出反应催化材料的可控电沉积制备，并通过探究材料自身物理化学性质与其催化活性和稳定性之间的联系来进一步探明其催化活性位点和催化机理，为相关氧析出反应催化材料的合成和性能优化提供依据。
我们近期围绕钴基金属氧化物氧析出反应催化材料开展了一系列工作。成功的采用一步电化学沉积的方法在导电基体（如：不锈钢、碳、金等）表面制备了对氧析出反应具有高活性和稳定性的ZnxCo3-xO4、CoxFe3-xO4、Co3O4薄膜。电沉积的方法相比目前报道过的关于这些材料的制备方法而言具有很多优势，如：1）简单、快速、低成本，催化材料直接生长于集流体（导电基体）上，省去了负载的步骤，整个催化电极的制备仅需几分钟；2）催化材料与基体之间有直接的电子传输路径；3）适用于在形貌复杂、高比表面积的基体表面制备催化材料；4）无需任何后续煅烧过程，适合于在对温度较敏感的基体表面（如：Si）进行催化材料的制备。如下图所示，在室温下1 M NaOH溶液中，电沉积的ZnxCo3-xO4薄膜在10 mA cm-2的电流密度下氧析出反应过电位仅为33 mV，Tafel曲线斜率仅为39 mV/dec，表现出与目前报道过的最好的非贵金属氧析出反应催化材料相当的催化活性，且在10小时长时间氧析出反应条件下，其结构、形貌及催化活性并没有明显变化，表现出良好的稳定性。
相关论文：
[1] Shan Han, Suqin Liu, Rui Wang, Xuan Liu, Lu Bai, Zhen He*. One-Step Electrodeposition of Nanocrystalline ZnxCo3-xO4 Films with High Activity and Stability for Electrocatalytic Oxygen Evolution. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 17186-17194. http://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-JXBXTjTH6MqkTnUVeF2V
[2] Shan Han, Suqin Liu, Shengjie Yin, Lei Chen, Zhen He*. Electrodeposited Co-Doped Fe3O4 Thin Films as Efficient Catalysts for the Oxygen Evolution Reaction. Electrochim. Acta 2016, 210, 942-949. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.05.194
[3] Jakub A. Koza#, Zhen He#(#并列一作), Andrew S. Miller, Jay A. Switzer*. Electrodeposition of Crystalline Co3O4—A Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction. Chem. Mater. 2012, 24, 3567-3573. https://doi.org/10.1021/cm3012205
2. 电沉积金属氧化物外延膜/超晶格
许多晶体材料中存在各项异性的现象，因此，制备具有特定生长取向的晶体外延膜或单晶结构对研究晶体各向异性以及最大程度利用晶体某一晶向上的特性具有重要意义。超晶格是一种由周期性重复单元组成的特殊结构，其每个重复单元可以控制在纳米尺寸，而整个超晶格又可以组装为微米或更大的尺寸。因此，超晶格在保持某些纳米结构所独有的特性基础上，相比纳米材料又更易应用到器件上，被誉为一种重要的将纳米材料与宏观世界联系起来的桥梁。
我们围绕过渡金属氧化物外延膜和超晶格结构的电沉积制备开展了研究，成功的在单晶Au基体表面制备了CoxFe3-xO4外延膜和超晶格。同时，我们研究了CoxFe3-xO4超晶格中的电阻突变和负微分电阻现象（如下图所示），即CoxFe3-xO4超晶格的电阻可由外加电压来控制，实现高阻和低阻之间的快速切换，有望应用于电阻式随机存储记忆体（Resistive Random Access Memories, RRAM）。相比较之前报道的分子束外延、镭射激光沉积等制备外延膜的方法，电沉积法对设备要求较简单，且成本更低。
相关论文：
[1] Zhen He, Jakub A. Koza, Guojun Mu, Andrew S. Miller, Eric W. Bohannan, Jay A. Switzer*. Electrodeposition of CoxFe3-xO4 Epitaxial Films and Superlattices. Chem. Mater. 2013, 25, 223-232. https://doi.org/10.1021/cm303289t
3. 直接电化学还原金属氧化物外延膜制备金属/合金外延膜
我们在室温条件下将电沉积在单晶Au基体上的有序生长的Fe3O4外延膜在NaOH溶液中通过直接电化学还原为金属Fe膜，意外的发现所得到的金属Fe薄膜也是外延有序生长的，且其生长取向受单晶Au基体控制。这个实验结果证实了在较低温度条件下固体至固体有序转变的可行性，为高品质金属及合金外延膜的制备提供了全新的思路，并有望应用于单晶Si薄膜的制备。在后续的研究中，我们又尝试了室温条件下直接电化学还原多元金属氧化物薄膜（如：CoxFe3-xO4薄膜），发现所得到的CoFe合金薄膜中两种金属原子的比例与氧化物前驱体中的比例基本一致，这为制备还原电位相差较大的两种或多种金属的合金材料提供了一种新的途径。我们还发现通过直接电化学还原Bi2O3(111)外延膜所得到的Bi(012)金属外延膜具有良好的磁传输性质，与之前报道过的Bi(012)薄膜相比，其薄膜微观结构更连续，且晶粒尺寸较大，性质更接近单晶Bi材料。
相关论文：
[1] Zhen He, Rakesh V. Gudavarthy, Jakub A. Koza, Jay A. Switzer*. Room-Temperature Electrochemical Reduction of Epitaxial Magnetite Films to Epitaxial Iron Films. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12358-12361. https://doi.org/10.1021/ja203975z
[2] Zhen He*, Jakub A. Koza, Ying-Chau Liu, Qingzhi Chen, Jay A. Switzer. Room-Temperature Electrochemical Reduction of Epitaxial Bi2O3 Films to Epitaxial Bi Films. RSC Adv. 2016, 6, 96832-96836. https://doi.org/10.1039/C6RA18098A
4. 全钒液流电池关键材料
我们围绕全钒液流电池关键材料——电极、电解液、隔膜开展了一系列工作。在电极方面，我们通过对传统石墨毡电极进行表面改性获得了对钒离子氧化还原电对具有高电化学活性和稳定性的碳基电极材料；在电解液方面，我们探索了无机杂质离子和含有不同官能团的有机添加剂对电解液中的钒离子存在状态、电解液电化学活性和稳定性的影响及机制；在隔膜方面，我们从分子结构设计入手，针对磺化聚酰亚胺类材料抗氧化能力较低、机械性能不高等缺点，通过主链结构设计、引入含氟官能团、侧链及支链的嫁接等手段获得了具有高阻钒性能、高质子选择性、良好的稳定性、低成本的质子传导膜。
相关论文：
[1] Jinchao Li, Xiaodong Yuan, Suqin Liu*, Zhen He*, Zhi Zhou, Aikui Li. A Low-Cost and High-Performance Sulfonated Polyimide Proton-Conductive Membrane for Vanadium Redox Flow/Static Batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 32643-32651. https://doi.org/10.1021/acsami.7b07437
[2] Jinchao Li, Suqin Liu*, Zhen He*, Zhi Zhou. A Novel Branched Side-Chain-Type Sulfonated Polyimide Membrane with Flexible Sulfoalkyl Pendants and Trifluoromethyl Groups for Vanadium Redox Flow Batteries. J. Power Sources 2017, 347, 114-126. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.02.055
[3] Jinchao Li, Suqin Liu*, Zhen He*, Zhi Zhou. Semi-Fluorinated Sulfonated Polyimide Membranes with Enhanced Proton Selectivity and Stability for Vanadium Redox Flow Batteries. Electrochim. Acta 2016, 216, 320-331. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.09.039
[4] Zhangxing He, Lei Liu, Chao Gao, Zhi Zhou, Xinxing Liang, Ying Lei, Zhen He*, Suqin Liu*. Carbon Nanofibers Grown on the Surface of Graphite Felt by Chemical Vapour Deposition for Vanadium Redox Flow Batteries. RSC Adv. 2013, 3, 19774-19777. https://doi.org/10.1039/C3RA22631J
[5] Ying Lei, Suqin Liu, Chao Gao, Xinxing Liang, Zhangxing He, Yunhua Deng, Zhen He*. Effect of Amino Acid Additives on the Positive Electrolyte of Vanadium Redox Flow Batteries. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A722-A727. https://doi.org/10.1149/2.006306jes
[6] Zhangxing He, Jianlei Liu, Huiguo Han, Yong Chen, Zhi Zhou, Shijie Zheng, Wei Lu, Suqin Liu*, Zhen He*. Effects of Organic Additives Containing -NH2 and -SO3H on Electrochemical Properties of Vanadium Redox Flow Battery. Electrochem. Acta 2013, 106, 556-562. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.05.086