朱嘉(南京大學現代工程與套用科學學院教授)

朱嘉，男，博士，1982年出，江蘇徐州人，南京大學物理學學士，在美國史丹福大學（Stanford University）電子工程系獲碩士及博士學位，隨後在加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）和勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）從事新能源和環境領域的博士後研究工作。

朱嘉2013年回國後發明納米新材料，他被國際權威雜誌《科學》稱為“可以為世界解渴”的人。

現為南京大學現代工程與套用科學學院教授，博士生導師，科技部“青年973”首席科學家。

基本介紹

• 中文名：朱嘉
• 國籍：中國
• 畢業院校：美國史丹福大學
• 學位/學歷：博士
• 專業方向：納米材料合成和表征、納米光子學
• 任職院校：南京大學

研究方向

納米材料合成和表征、納米光子學、納米熱傳輸能源轉化與存儲 (光伏、熱電以及鋰電池)。

主要研究方向為基於微納結構的太陽能光熱轉換與水純化技術。針對新能源和水資源利用等國家戰略需求及其交叉科學前沿，基於人工微結構設計思想，主要開展微納結構設計與製備、基於能源材料的光學-熱學性質調控，以及太陽能界面光熱轉換與海水淡化等方面的研究工作。

相關成果： 基於微納結構的高效太陽能光熱轉換

能源和水是人類生存最基本要素和社會發展的兩大重要戰略需求。利用太陽能進行海水淡化及水處理，是可持續發展過程中能源、環境和水資源領域共同的關注焦點。傳統太陽能海水淡化技術多以太陽能集熱或產電的方式驅動熱法和膜法海水淡化，然而這類集中式技術對基礎設施、投資、占地等要求較高，增加了在缺水區域作大規模推廣的難度。微納結構因其具有特殊的尺度、形貌及可調控的光學、熱學性質，為太陽能光熱轉換及其套用提供了新機遇。朱嘉及其團隊近年來在微結構界面光熱轉換材料與器件等方向深入開展了一系列研究，發展了基於三維模板的納米顆粒自組裝工藝，製備出寬頻、高效的等離激元黑色吸收體材料；在此基礎上率先製備了基於等離激元增強效應的太陽能海水淡化器件；提出並實現了“二維水通道”設計與“人工蒸騰”結構，實現了集熱蒸發一體化的太陽能海水淡化器件的便攜、高效率和低成本化。基於界面光熱轉換的高效太陽能海水淡化技術已實現成果轉化，團隊正在社會各界的大力支持下致力於提供便攜、低成本、環保的水處理技術。

開設課程

能源存儲與轉化原理

研究經歷

2015年8月，朱嘉教授課題組在對鋰離子電池納米顆粒矽負極的合成製備的研究中取得進展，研究人員著眼於工業生產中的粗矽源，通過高能球磨的方法控制時間及轉速獲得不同尺寸的矽顆粒，系統研究了兩種不同矽源作為電極的優勢，並且在以製得的100 nm左右的顆粒作為電極材料時獲得了很好的循環及倍率性能。整個過程簡便且大大降低了成本，為大規模生產矽納米顆粒，製備矽負極提供了新思路，並且也為矽在光伏，熱電領域的製備合成提供了新方法。該研究成果發表在《Nano Letters》（DOI：10.1021/acs.nanolett.5b01698）上。

2015年10月，朱嘉教授課題組與合作者利用納米技術有效實現矽的提純，研究成果發表在《美國科學院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci., Doi:10.1073/pnas.1513012112）上；研究人員創新性的將納米技術引入到矽純化工藝當中，以工業粗矽（矽含量84%）為原材料，高能球磨製備110nm 左右的矽顆粒，酸洗等一系列步驟後得純度高於99.999%的矽納米顆粒。相比於傳統的矽提純工業，避免了高溫高壓以及對HCI和H₂的大量消耗，同時通過該技術得到的高純度矽為直徑在80nm 左右的顆粒，有著更廣泛的用途，純化後得到的矽納米顆粒作為負極材料時獲得了很好的循環及倍率性能。整個過程低能耗低污染，為生產太陽能級矽提供了新思路，並且也為進一步降低太陽能發電的成本打下了堅實的基礎。

納米純化矽過程示意圖

2015年11月，朱嘉教授課題組在矽純化領域進一步取得進展，同時實現對低純矽源的純化和多孔化，並成功套用在能源存儲領域，該研究成果發表在《Nano Letters》（DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03932）上；研究人員著眼於低純度矽源，通過球磨和金屬輔助化學刻蝕的方法，將微米級顆粒暴露在酸性溶液中，化學刻蝕能夠將低純度矽中的雜質去除，將矽純度從83.4%提升到99.4%，同時化學刻蝕將微米級矽顆粒變成多孔狀。這些被純化且多孔化的矽顆粒，運用在鋰離子電池的負極方面，能夠緩解其在嵌鋰時發生的體積膨脹，獲得了很好的循環及倍率性能。整個過程簡便且大大降低了成本，為大規模生產矽顆粒，製備矽負極提供了新思路，並且也為矽在光伏，熱電領域的製備合成提供了新方法。

2016年1月，朱嘉教授課題組在有機-無機雜化型鈣鈦礦納米線製備及其光電器件套用的研究中取得進展，有關成果發表在《Nano Letters》（2016, 16, 871-876）上；研究人員利用不良溶劑和良溶劑的混合溶液，再加上簡單的旋塗操作，可以將易於製備的鈣鈦礦薄膜轉變為鈣鈦礦納米線。通過調節不良溶劑與良溶劑的比例和勻膠機的轉速，還可對納米線直徑大小以及尺寸分布進行良好的控制。由此形成的納米線可以進一步套用在柔性的光電子器件上，顯示出良好的機械穩定性。該方法簡單易行，可以與傳統薄膜方法直接嫁接，從而實現大規模的納米線生產，也為其他材料納米線的製備提供了新思路。

2016年4月，朱嘉教授課題組在寬頻、高效金屬吸收體及其光熱轉換方面取得重要進展，相關研究成果發表於《Science Advances》(2, e1501227, 2016)上。研究人員創新性地將氧化鋁多孔模板與金屬納米顆粒自組裝技術相結合，設計並製備了世界上最黑的超寬頻、高效金屬吸收體-在400nm–1 0 mm波段達到99%的光吸收效率，超過有文獻報導的所有的金屬光吸收體材料，可以與之前廣泛認為的最黑體-碳納米管陣列媲美，這對高效率太陽能光熱、光電、光催化等諸多套用產生重要的意義。

等離激元增強太陽能海水淡化的設計示意圖

2016年4月，朱嘉教授課題組在高效太陽能海水淡化方面取得重要進展，相關研究成果發表於《Nature Photonics》（DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.75）上，該研究首次利用等離激元增強效應實現了高效太陽能海水淡化（能量傳遞效率~90%，淡化前後鹽度降低4個數量級），這對高效率太陽能海水淡化技術的實用化將產生重要的意義。

納米多孔矽製備示意圖

2016年9月，朱嘉教授課題組在低純矽領域取得進展，實現了以低純矽為原材料製備納米級多孔矽顆粒，並成功地套用在鋰離子電池負極，該研究成果發表於《Nano Letters》（DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03567）上。研究人員通過球磨，退火（歧化反應）和酸處理的工藝，最終得到多孔矽顆粒，並且通過控制實驗條件，能夠精確調控多孔矽的孔隙率（從17%到70%），多孔化矽顆粒運用在鋰離子電池的負極，能夠緩解其在嵌鋰時發生體積膨脹，具有很好的循環及倍率性能。整個過程簡便且大大降低了成本，為大規模生產矽顆粒，製備矽負極提供了新思路，且為矽在光伏，熱電領域的製備合成提供了新方法。

2016年10月，朱嘉教授課題組在鋰基負極合成製備的研究中取得進展，該研究成果線上發表在《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.201603755)上；研究人員首次著眼於常見的聚合物聚二甲基矽氧烷（PDMS），通過簡單的不同轉速旋塗工藝控制膜厚及不同濃度酸處理控制孔洞大小分布，製備出多孔的PDMS 膜來保護鋰電極，抑制了循環中枝晶鋰的生長，極大地穩定了循環效率，提高了循環壽命；此外由於PDMS的化學惰性，其與研發出的各種電解液具有兼容性；從原料到合成工藝具有極高的成本優勢，為規模化製備生產提供了新的方向。

2016年11月，朱嘉教授研究組在太陽能光熱轉換方面取得新進展，相關研究成果分別發表在《Proc. Natl. Acad. Sci.》 （DOI:10.1073/pnas.1613031113）和 《Advanced materials》 (DOI:10.1002/adma.201604031) 上；①發表在PNAS的工作，選用氧化石墨烯薄膜作為吸收體，在結構上充分利用二維材料層間熱導率低的特性，同時使吸收體和水體間接接觸，通過二維水傳輸通道同時達到有效水供應與極低的熱傳導損耗，從而在無需外界聚焦條件下，獲得了～80%的光-蒸汽轉換效率。同時氧化石墨烯薄膜可摺疊，為攜帶型、高效、低成本的太陽能海水淡化技術的發展邁進一步；②發表在Adv. Mater.的工作，則選用基於還原氧化石墨烯的氣凝膠，通過加入碳納米管與海藻酸鈉來調控光學吸收與親水性，氣凝膠因其極低的熱導率可以有效壓制吸收體的熱傳導損失，最終在無需聚焦條件下，同樣能獲得～80%的光-蒸汽轉換效率。

主要貢獻

朱嘉教授從事納米材料在能源轉換與存儲的研究。近年來，已在Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nano Letters，Advanced Energy Materials, Advanced Materials等學術期刊發表論文20餘篇，被SCI引用1000餘次。3篇論文被選為Nature Nanotechnology, Nano Letters, Advanced Energy Materials等雜誌的內/外封面。出版英文書籍一章，申請美國專利4項。部分研究成果被Nature Nanotechnology雜誌、MIT Technology Review雜誌、New Scientist等國際科學媒體廣泛報導，在國際產生廣泛的影響，受邀在政府，國際會議及世界著名學府做過30多場專題報告，同時是20多個國際學術期刊的特約審稿人。

榮譽獎勵

科技部“青年973”首席科學家、江蘇省“六大高峰人才”、

美國化學學會無機化學青年科學家獎、美國材料學會研究生金獎、中國政府優秀留學生獎、

中國僑界貢獻獎創新人才獎 （2016）、江蘇省“雙創英才” （2016）、

2016年8月，入選美國《麻省理工學院技術評論》第十六屆全球35歲以下創新者榜單。

2017年1月，獲2016年度杜邦“青年教授獎”（2016 Class of DuPont Young Professors）。

2018年5月，獲陳嘉庚青年科學獎技術科學獎。

2019年8月，入選國家傑出青年科學基金建議資助項目申請人名單。

2020年9月，獲得第二屆科學探索獎。

2021年11月，當選美國光學學會會士。