乔世璋教授，现任澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料系纳米技术首席教授，已获得多项重要奖励与荣誉，包括2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者(ARC Australian Laureate Fellow)、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖(DORA)。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志 Journal of Materials Chemistry A副主编，也是科睿唯安(Clarivate Analytics)/汤姆森路透(Thomson Reuters)化学及材料科学两个领域的高被引科学家。
镁离子电池(MIBs)中的Mg/Bi电池目前发展缓慢，所开发的材料在无锂电解液中表现出较差的速率和循环性能。鉴于此，本研究制备了一种介孔Bi纳米片(p-Bi NS)，并提出了一种新的Mg/Bi电池合金化反应机理。利用synchrotron‐based operando XRD，NEXAFS和拉曼光谱技术检测出MgBi中间相， 此中间相为金属导体，可提高材料导电性，较小的体积膨胀率使其可作为体积变化缓冲物质，降低反应能垒，具有良好的动力学性能。Mg/Bi电池体系合金化/脱合金过程可以描述为可逆的两步反应：Bi ↔ MgBi↔Mg3Bi2。p-Bi NS的纳米工程设计为其在腐蚀性镁基电解液中的应用提供了一种实用的新方法。
Revealing the Magnesium Storage Mechanism in Mesoporous Bismuth via Spectroscopy and Ab Initio Simulation, Angew. Chem. Int. Ed., 2020.
https://doi.org/10.1002/anie.202009528
锌基二次电池的实际应用受到能量和功率密度的限制，这会导致其输出平台电压不足和动力学缓慢。本研究基于其课题组前期第一代电解锌锰电池的研究，设计了一种具有更高电压平台的第二代电解锌锰电池：可充电锌锰混合水系电池(Zn–Mn HAB)，具有快速的反应动力学(50C，60 s放电)，电化学稳定性窗口可扩展到3.4 V以上，以及19 kW kg−1的功率密度。同步辐射及密度泛函理论(DFT)计算说明引入的强负电性Ni的活性电子态和电荷离域增强。通过对反应路径的模拟，证实了掺杂的Ni周围的氧位点的电荷转移增强了催化电解动力学。这些发现促进了水系电池的发展应用。
Atomic Engineering Catalyzed MnO2 Electrolysis Kinetics for Hybrid Aqueous Battery with High Power and Energy Density, Adv. Mater., 2020, 32, 2001894.
https://doi.org/10.1002/adma.202001894
钛酸钠作为一种典型的层状电极材料，在钠离子电池中表现出较高的能量密度，但其离子传输动力学较差。本研究构建了具有由氢化诱导产生的氧空位的双壳层结构的钛酸盐(Na2Ti3O7)，实现了从空间结构和原子尺度上调节钠离子的传输通道。DFT计算、最新光谱技术(EELS、XANES和XPS)和电容率性能分析表明，氢化诱导产生的氧空位能够提高材料的导电性，在原子水平上实现了对离子传输进行优化。作为电池的阳极，制备的样品比没有氧空位的样品具有更好的速率性能。这为优化电池的离子传输动力学提供了一条有效途径。
Hydrogenated Dual-Shell Sodium Titanate Cubes for Sodium-Ion Batteries with Optimized Ion Transportation, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 15829-15833. https://doi.org/10.1039/D0TA00967A
在硫阴极中限制多硫化物是消除金属硫电池“穿梭效应”的关键，对于多硫化物限制的机理探索和深入理解仍然有限。鉴于此，本文基于二维金属有机骨架(2D-MOF)，提出了电子态限域效应实现多硫化物有效约束的新机制。结合原位同步辐射X射线衍射、电化学测试和DFT计算，作者证明MOF中Ni中心的动态电子态可以调节多硫化物与MOF在放电/充电过程中的相互作用，使多硫化物具有较强的吸附和快速转化动力学，从而在Ni-MOF上实现了有效的多硫化物约束。本文的研究结果为解决金属硫电池中的穿梭效应提供了一种实用的手段，为设计高稳定性金属硫电池硫阴极材料提供了指导。
Electron-state Confinement of Polysulfides for Highly Stable Sodium-sulfur Batteries, Adv. Mater., 2020, 32, 1907557. https://doi.org/10.1002/adma.201907557
锂金属负极常被认为电解液过量的情况下表现出良好的稳定性，而循环过程中电解液的大量消耗会严重影响Li金属负极的稳定性。在本研究中，以碳基材料为例，借助原位同步辐射X射线衍射、原位拉曼光谱和电化学阻抗谱对Li金属的成核和沉积进行了研究，发现Li的不均匀成核/沉积和负极表面生成的固体电解质界面(SEI)层开裂都会导致电解液的大量消耗。在此基础上，研究者提出了一种抑制Li金属负极循环过程中电解液消耗的设计原则，即必须同时控制Li结构的不均匀生长和SEI层的开裂。证明了3D低表面积缺陷石墨烯(L-DG)可以控制Li成核/沉积和稳定SEI层，其可以在贫电解液(10μL)和1.0 mAh cm–2的条件下实现稳定的循环。将此锂负极与硫正极搭配后，组装的锂硫电池可以在贫电解液的条件下实现稳定的循环(E/S≈8.3)。本文论证了在贫电解液条件下设计锂金属阳极的必要性，使锂金属电池更接近实际应用。
Revealing Principles for Design of Lean-electrolyte Lithium Metal Anode via in-situ Spectroscopy, J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 2012-2022.
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11774
水系电池(ABs)具有安全工作、低成本、易于制造和回收、高功率密度和抗滥用性的优点。近5年来，对ABs的研究兴趣和成果在全球范围内日益增长。然而，由于其输出电压有限，能量密度不足，使得其大规模应用受到困扰。本综述提出了目前ABs基础研究面临的的挑战(有限的输出电压，枝晶生长，腐蚀、钝化和其他副反应等)及各种水系电池(Li/Na/K离子基，Zn基，Mg/Al/Ca离子基ABs等)取得的成果。对ABs的最新进展进行了评论性分析，特别强调先进材料与新兴电化学之间的联系，提供了一个从材料设计到下一代可靠ABs的商业化的路线图。
Roadmap for Advanced Aqueous Batteries: From Design of Materials to Applications, Sci. Adv., 2020, 6, eaba4098. DOI: 10.1126/sciadv.aba4098
锂/钠硫电池具有能量密度高、成本低等优点，在一代电池中具有实用前景。本文从理论和实验上揭示二维材料在锂/钠-硫电池中的研究进展。结合实验和理论研究，探讨了二维纳米材料在不同反应阶段的硫氧化还原转化率，并对影响二维纳米材料如人工固体电解质界面(SEI)和载体材料保护Li和Na金属阳极的关键因素进行了分析。此外发现由二维材料制备三维电极可能是提高Li/Na-硫电池和其他金属硫电池能量密度和功率密度的一种很有前途的方法。
Unveiling the Advances of 2D Materials for Li/Na-S Batteries Experimentally and Theoretically, Matter, 2020, 2, 323-344. DOI: 10.1016/j.matt.2019.12.020
近几十年来，碱金属离子电池(AMIBs)阳极材料的制备与开发一直是国内外研究的热点。然而，在转化反应过程中，其电化学性能仍受到结构聚集和断裂的严重影响。为了解决这些问题，可以采用表面缺陷、层间距扩展、相位控制、合金化和杂原子掺杂等方式对材料和电极进行优化。本文综述了结构工程方法的研究进展，并结合计算和实验方法，重点介绍了相应的电荷储存机制，同时也概述了该研究领域目前面临的挑战和机遇。
Transition Metal Dichalcogenides for Alkali Metal Ion Batteries: Emerging Strategies at Atomic Level, Energy Environ. Sci., 2020, 13, 1096-1131. DOI:10.1039/C9EE03549D
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