Yat Li（李轶）教授

美国加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学系教授。1999年和2002年分别于香港大学取得学士和博士学位。2003至2007年于哈佛大学博士后，师从国际著名纳米学科奠基人Charles M. Lieber教授。2007年加入加州大学圣克鲁兹分校担任助理教授，2013年晋升副教授，2018年晋升教授。

主要研究领域包括低维纳米材料的设计制备与其在能源与催化领域的应用。迄今发表SCI论文130篇，其中24篇入选ESI高被引论文，他引逾20000次，h因子56，于2017年被选为全球高被引科学家。

纳米人专访

1. 纳米人：请您简单介绍一下课题组主要的研究方向和发展情况！

李轶教授：我们课题组现在主要专注于能源与催化两个大方向。能源方向主要侧重于超级电容器，锂离子电池，锂硫电池，锂金属电池等。催化方向主要侧重于电催化及光电催化产氢，产氧，二氧化碳还原等。近年来，我们课题组通过与劳伦斯利弗莫国家实验室合作，在储能领域引入三维打印技术，突破了传统电极的一些限制，成功地实现了更加优异的性能。

2. 纳米人：您主要研究低维材料的设计制备与其在能源与催化领域的应用。您认为，低维材料在能源和催化领域有那些优势？

李轶教授：低维纳米材料因其自身较高的比表面积，往往具有不同于大尺寸体相的诸多性质。例如在储能和催化领域，低维纳米材料提供了可供电解质接触的更多的比表面积，更多的催化活性位点，并且由于量子限域效应，许多低维半导体纳米材料的光学和电学性能也会随着尺寸的变化而不同，因而带来许多新奇的发现和应用。

3. 纳米人：清洁能源转化与存储是全球科学家研究的热点问题，您觉得储能领域迈向工业化，最亟需解决的问题有哪些？

李轶教授：清洁能源的存储一直以来都是大家十分关注的热点研究领域。在这一领域，许多国际领先的实验室通过近些年的发展，已成功制备许多新型纳米电极材料，同时也改进了许多传统电极材料，实现了接近其理论值的优异性能。然而，要想将这些实验室的成果真正应用于商业化生产，还有许多问题需要解决。比如，当把实验室测试的小型器件的尺寸扩大到商业应用的大型器件时，随之而来的电阻的增加，发热量的管理，活性物质增加带来的性能衰减等都是不可忽虑的问题。因此，研究满足实际应用条件下的储能器件的性能，特别是在大型器件，高活性物质负载量下的性能，就显得十分必要。

4. 纳米人：近日，您在Joule发表了3D打印构建高性能电极材料的工作，请问这项工作的亮点在哪里？

李轶教授：如何实现电化学储能电极高活性物质负载量下依然优异的性能是困扰该领域许久的一个问题。在非常低的负载量下（1 mg/cm²），依靠基底良好的导电性以及较薄的活性物质下充分的离子迁移，许多复合电极实现了接近活性物质理论容量的性能。然而，在高的负载量下，复合电极由于其自身导电性的限制以及随着电极增厚带来的不充分的离子扩散导致其电化学性能急剧衰减。

对于实际实际的生产应用，单位面积的活性物质载量至少应达到10 mg/cm²。然而，在这么高的负载量下，传统电极因其受限的离子扩散，难以达到令人满意的电化学性能。如何通过合理的结构设计和先进的制备方法实现高载量下有效的离子迁移，是当前电化学能源研究领域的一个难点问题，也是一个热点问题。

针对这一长久以来的问题，我们与美国劳伦斯利福莫国家实验室Marcus Worsley等研究员合作，提出通过三维打印技术制备的大孔石墨烯气溶胶可作为理想的载体，实现在高载量甚至超高载量的活性物质负载下优异的电化学性能。相关研究结果发表在国际顶级期刊Joule上，题为“Efficient 3D PrintedPseudocapacitive Electrodes with Ultrahigh MnO₂ Loading”。

该研究成功地实现了在三维打印的石墨烯气溶胶基体上MnO₂的可控超高载量负载，单位面积的负载量可达到182.2mg/cm²。令人惊喜的是，在如此高的负载量下，复合电极同时实现了出色的质量比电容，面积比电容和体积比电容，这也是之前报道的传统电极不可实现的。同时，保持三维打印的石墨烯气溶胶厚度不变，增加沉积的二氧化锰纳米片载量，复合电极的面积比电容和体积比电容近乎线性增加，而二氧化锰的质量比电容并未发生明显衰减。增加复合电极的厚度与沉积的二氧化锰的质量，整体电极的面积比电容呈现线性增长，而质量比电容和体积比电容几乎未受影响。

该工作首次实现了超级电容器电极材料超过180 mg/cm²的超高活性物质负载量，以及创纪录的44.13F/cm²的超高面积电容。对称型超级电容器器件可实现1.56 mWh/cm²的超高单位面积能量密度。最重要的是，电极的面积比电容和器件的能量密度尚未达到饱和值，还可通过增加电极的厚度和活性物质的载量而进一步提高。

该工作首次成功证实了三维打印技术可作为一种有效的手段解决长久以来的高负载下电化学性能衰减的问题，并且有望改变现有的工业上层层堆叠组装的电容器生产方式。

5. 纳米人：您是怎么想到3D打印策略的，在研究过程中遇到了哪些问题？

李轶教授：3D打印作为一项新兴的材料制备技术，在生物材料以及结构材料等方面已经实现了广泛的应用，然而却还很少应用于能源领域。3D打印独特的技术特点可以从宏观上实现对于材料结构的调整，特别是孔结构的调控。

两年前，我们课题组首次将3D打印的碳材料应用于超级电容器的电极，发现3D打印电极特有的有序大孔结构可实现理想的高倍率性能（Nano Letters 2016, 16, 3448-3456.）。然而，由于碳电极自身较低的比电容，很难满足实际的应用。因此，我们想到将3D打印的碳材料电极作为导电骨架，来沉积具有更高比电容的赝电容二氧化锰纳米材料，从而制备复合电极以实现更加优异的性能。

然而，我们之前报道的3D打印的碳电极其孔结构以介孔和小孔为主，而这些小尺寸的孔结构限制了电镀溶液离子的有效迁移，难以实现均匀的材料沉积。因此，我们重新调整了打印碳电极的配方，成功制备了具有大孔结构的石墨烯气溶胶。该石墨烯气溶胶特有的大孔结构可实现电镀溶液离子快速充分的迁移，实现活性物质在石墨烯电极上均匀的负载。并且，这些大孔也为高载量活性物质的沉积提供了充足的空间。

6. 纳米人： 为了解决高负载下电化学性能衰减的问题，现在有很多方法。和其他策略相比，您采用的这种3D打印的策略有什么优势或者特别之处么？

李轶教授：现有的解决高负载下电化学性能衰减的方法主要集中于通过选用更加多孔导电的新型纳米材料以及优化纳米材料的电极结构等方面。然而，这些方法只能一定程度上缓解随负载增加而带来的性能衰减，方法往往仅限于某种特有的材料或者形貌，其电极的最高载量也基本集中于10mg/cm²左右。

进一步增加负载量，其性能依然面临急剧衰减的问题。同时，这些电极难以同时实现优异的质量比电容，面积比电容和体积比电容。我们利用大孔结构的3D打印石墨烯气溶胶成功实现了182.2mg/cm²的超高负载量，比现有的高负载量的电极提高了近一个数量级。并且，同时实现了优异的质量比电容，面积比电容和体积比电容，这对于传统电极是不可实现的。而且，电极厚度以及活性物质负载量可随打印电极的厚度以及沉积时间的控制而精确调整，其电化学性能不会发生明显衰减。

3D打印技术在这项研究中发挥了重要作用，其独特的有序大孔辅助石墨烯气凝胶自身的大孔结构，对于实现活性材料的高负载量，均匀沉积以及大载量下充放电过程中离子快速充分的迁移提供了十分必要的保障。

7. 纳米人：能否分享一下，您是如何走上科研道路的，尤其是如何选择了储能和催化这两个研究方向？

李轶教授：我走上科研道路其实挺顺其自然的。在香港大学读本科的时候，一个偶然的机会和同学一起加入了黄永德老师的课题组做本科论文。过程里发现做科研很有趣，就留在黄老师组里读博士，主要从事金属簇的配位和催化研究。得到了黄老师和师兄师姐们很多的指导帮助，令我对做科研也更有信心。之后很幸运的去了哈佛Charles Lieber老师课题组做博士后。在Lieber组的经历帮我开启纳米材料研究的大门，获益良多，更坚定了做科研的目标。

选择储能和催化这两个研究方向主要是结合了自己的科研经历和兴趣。我觉得纳米材料拥有超大的表面积和可控的表面性质在储能和催化方面都有相当大的应用前景，也有太多可以探索创新的地方。对于这种同时结合了基础科学和应用的科研，我特别感兴趣。

8. 纳米人：请问您希望学生更注重哪些方面素质的培养？您最近是否有招生或者博后招聘的需要？

李轶教授：我希望学生有独立思考的能力，有敢于去想，讨论和做新东西的勇气和激情，和对做好科研的执着。是的，我课题组有招生的需要，欢迎有意的同学联系我和申请我们学校。