清华大学曲良体/程虎虎Nature Nanotechnology丨顶刊日报20210428

纳米人

2021-04-28

1. Nature Nanotechnol.：双层聚电解质膜，用于空气中自发电，最高输出1000V电压

环境适应性发电对发展下一代能源极具吸引力。近日，清华大学曲良体教授，程虎虎助理研究员报道了成功开发了一种基于双层聚电解质膜（BPFs）的异质湿气发电机（HMEG）。这种通过水分子在空气中的自发吸附和带相反电荷离子的诱导扩散，所开发的单个HMEG单元在低相对湿度（25% RH ）条件下即可产生约0.95 V的高压，在85% RH下电压升至1.38 V。研究人员设计了一种顺序对准堆叠策略用于大规模集成HMEG单元，所制备的器件可在25% RH，25 ℃环境条件下输出超1000 V的高压。同时，采用折纸组装策略，HMEGs还可以产生43 V cm^-3 超高体积电压。采用这种集成器件可照亮10 W的灯泡，驱动动态电子墨水屏，并控制自供电场效应晶体管的栅极电压。

Wang, H., Sun, Y., He, T. et al. Bilayer of polyelectrolyte films for spontaneous power generation in air up to an integrated 1,000 V output. Nat. Nanotechnol. (2021)

DOI：10.1038/s41565-021-00903-6

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00903-6

2. Chem. Rev.：抑制水系电池中水电解的抗催化策略

水系电解质是满足日益增长的安全、低成本蓄电池需求的首要选择。由于不易燃、环境友好和成本效益的特性，水系电解质促进了更可持续的电池技术。俄勒冈州立大学Xiulei Ji等人对电极上电解水的机理进行了深入的讨论，总结了适用于各种水系电池系统的关键影响因素。这项工作综述了催化、电池、腐蚀等领域的研究成果，重点介绍了水系电解质的热力学稳定性和HER、OER的动力学相关过电位。首先讨论了影响电解质热力学稳定性的因素和表征方法；然后介绍了不同类型的动力学相关过电位，包括电化学过电位、欧姆过电位和浓差过电位，OER/HER的具体机理以及过电位与电解过程的关系。

Yiming Sui et al. Anticatalytic Strategies to Suppress Water Electrolysis in Aqueous Batteries. Chem. Rev. 2021.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00191.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00191

3. Angew：单个金刚石表面网络的自组装策略

双曲面生物支架，特别是单陀螺和单金刚石结构，由于其特殊的物理性质，引起了人们对新型材料的极大兴趣。同济大学的韩璐等研究人员，报道了单个金刚石表面网络的自组装策略。研究人员报道了在四氢呋喃和水的混合溶剂中，通过自组装聚环氧乙烷-聚苯乙烯-聚丙交酯和二氧化硅前体来合成具有单一金刚石表面结构的多孔二氧化硅支架。

Qingqing Sheng, et al. Self‐Assembly of Single Diamond Surface Networks. Angewandte Chemie, 2021.

DOI：10.1002/anie.202102056

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202102056

4. Angew: 高温氧化中的单位点与团簇催化

高分散过渡金属催化剂广泛应用于化工和石油化工过程中，当暴露在严重的氧化还原和水热应力下时，容易通过不可逆烧结发生永久失活。有鉴于此，埃克森美孚研究与工程公司Pedro Serna等人，使用CHA沸石研究了单个Pt原子和小的Pt团簇在高温氧化反应中的行为。单个Pt原子和大于1 nm的Pt纳米颗粒在中等温度（即200⁰C）的同位素交换实验中无法活化，加扰和解吸两个O₂分子，而小于1 nm的簇可以催化，但在反应条件下对氧化断裂不稳定，导致催化剂失活。对于需要在较高温度下活化相当惰性的分子（如烷烃）的氧化过程，当载体为CHA时，催化燃烧可归因于稳定的单个Pt原子，在O₂流中原位生成的。

Pedro Serna et al. Single‐Site vs Cluster Catalysis in High Temperature Oxidations. Angew., 2021.

DOI: 10.1002/anie.202102339

https://doi.org/10.1002/anie.202102339

5. Angew：锚定在石墨烯上的具有独特配位的钨原子催化剂助力锂硫电池

催化剂被认为是解决锂硫电池（LSBs）中缓慢的锂多硫化物（LiPSs）转化动力学和严重穿梭效应的最理想策略。山东大学熊胜林教授，奚宝娟副教授报道了采用简易的自模板自还原法包括温和的回流和随后的退火过程，成功制备了一种新型的锚定在氮掺杂的石墨烯上的W负载量高达8.6 wt%的W SACs（W/NG），并将其用作多功能隔膜改性剂。采用W/NG改性隔膜的LSBs在0.5 C下循环200次后循环稳定性得到有效提高，容量达到986 mAh g⁻¹，在10 C下的超高倍率性能达到678 mAh g⁻¹，在高质量负载电极上的面积容量高达6.24 mAh cm⁻²。

Peng Wang, et al, Atomic Tungsten on Graphene with Unique Coordination Enabling Kinetically Boosted Lithium−Sulfur Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202104053

https://doi.org/10.1002/anie.202104053

6. Nano Energy: 基于氧化单壁碳纳米管/聚合物电极的集成微型超级电容器和摩擦纳米发电机装置

可穿戴设备出色的可拉伸性对于确保抵抗机械变形（例如弯曲，折叠，扭曲和拉伸）的鲁棒性至关重要。韩国电气研究院Jong Hwan Parka和Joong Tark Han等人开发了一种能够完全拉伸的自充电动力装置，该装置使用氧化的单壁碳纳米管/聚合物电极同时集成了微型超级电容器和摩擦纳米发电机。具有氧化的单壁碳纳米管/聚乙烯醇电极的完全可拉伸的微型超级电容器在0.1 A cm^-2电流下表现出20 mF cm^-2的电容量，并在10,000次拉伸测试循环中保持了机械柔韧性和可拉伸性。独立摩擦起电层的纳米发电机在周期性和往返行程下产生84.4 mW m^-2的最大瞬时功率密度。此外，纳米发电机可以在1200 s的时间内电压从0到2.2 V，并成功地为完全可拉伸的集成自充电功率单元的微型超级电容器充电，能够为商用数字时钟供电约10 s。

Hye Jin Yang, et al. Fully stretchable self-charging power unit with micro-supercapacitor and triboelectric nanogenerator based on oxidized single-walled carbon nanotube/polymer electrodes. Nano Energy. 2021

DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106083

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106083

7. Nano Energy: 一种用于校准摩擦纳米发电机电压测量的通用电荷补偿策略

摩擦电纳米发电机（TENG）可以从周围环境中收集各种机械能，例如风，水流，机械振动，人体运动等，并将它们有效地转换为电能。河南大学杜祖亮和程纲教授等人通过电容测量电路的分析，提出了一种通用的电荷补偿策略，用于校准TENG的电压测量。

Wenhe Zhang ,et al. A General Charge Compensation Strategy for Calibrating the Voltage of a Triboelectric Nanogenerator Measured by a Capacitive Circuit. Nano Energy. 2021

DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106056

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106056

8. EnSM：面向可持续热能存储的聚硅氧烷网络相变材料

热能作为自然界中能够利用的并普遍存在的能源类型，通常无法被连续且高效利用。北京化工大学张军营教授和程珏等人提出了一种新颖、简易的3D打印策略，来制备可回收和可调节的梳状/刷状相变聚硅氧烷网络（Si-ODT-x）。接枝晶体的烷基链含量可以有效调节网络的潜热（从24.9 J/g到125.3 J/g），相变温度（从24.9°C到53.6°C），网络的热机械和粘弹性。

Jiahao Ma, et al. 3D Printable, Recyclable and Adjustable Comb/Bottlebrush Phase Change Polysiloxane Networks toward Sustainable Thermal Energy Storage. Energy Storage Materials. 2021

DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.033

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.033