顶刊日报丨陈忠伟、崔光磊、周豪慎、丁黎明、王连洲、余彦、汪国秀等成果速递20210530
纳米人
2021-05-31
1. Nature Commun.：一种基于有机硫醇原位转化的人工双固体电解质界面用于锂硫电池
锂硫电池中锂金属负极界面的不稳定性和锂多硫化物的穿梭效应阻碍了锂硫电池的商业化应用。近日，郑州大学付永柱教授报道了一种极有前途的电解质添加剂，即1,3,5-benzenetrithiol （BTT），用于制备双SEIs（D-SEIs），包括锂金属负极上的交换反应和硫正极上的电化学聚合。1）BTT通过高活性的S-H基团与Li和S进行原位反应，生成了由S-Li和S-S键组成的界面层。原位形成的S-X（X为Li或S）键调节了锂的沉积/剥离行为，改变了硫正极的氧化还原路径，从而提高了性能。2）基于BTT的Li-S电池的放电容量为1,239 mAh g−1，在1 C倍率下的循环稳定性高达300 次。此外，采用BTT的Li对称电池在270 h内保持了约40 mV的低沉积电位，电流密度为1 mA cm−2，容量密度为1 mAh cm−2。此外，BTT成功应用在锂硫电池中。3）研究人员系统地研究了原位S-X(S或Li)键的形成和界面电化学转化机理。本研究构建了一种独特的基于键化学的界面反应，旨在解决锂硫电池的固有问题。Guo, W., Zhang, W., Si, Y. et al. Artificial dual solid-electrolyte interfaces based on in situ organothiol transformation in lithium sulfur battery. Nat Commun 12, 3031 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-23155-3https://doi.org/10.1038/s41467-021-23155-3
2. Joule：同时提高效率、运行稳定性和耐弯折的柔性钙钛矿太阳能电池
尽管在提高功率转换效率 (PCE) 和钙钛矿太阳能电池 (PSC) 的运行稳定性方面取得了很大进展，但很少有人关注它们的机械可靠性。耐弯折性对于柔性 PSC (f-PCS) 尤为重要。大连理工大学Yantao Shi和布朗大学Nitin P. Padture等人在 f-PSC 中的 3D MHP 光吸收薄膜上原位生长了二维 (2D) 金属卤化物钙钛矿 (MHP) 薄盖层，以提高其机械可靠性。1）基于此方法， f-PSC 获得了21.0%的高效率，同时具有优异的工作稳定性，经过800小时后，器件仍保留初始 PCE 的 90%，和弯曲耐久性（T80 = 20,000 次仅拉伸弯曲循环）方面，这是目前最耐弯折的柔性PSC。2）这些协同的良性效应归因于 2D MHP 覆盖层增强了光载流子提取，提供了对环境的保护，并“密封”了 3D MHP 薄膜上的表面缺陷。后者降低了弯曲时开裂的倾向，从而提高了环境稳定性和弯曲耐久性。Qingshun Dong，Flexible perovskite solar cells with simultaneously improved efficiency, operational stability, and mechanical reliability, Joule, 2021https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.014https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435121002002
3. Matter：低成本生物传感器用于定点快速检测SARS-CoV-2
SARS-CoV-2病毒所引发的COVID-19已在全球范围内造成300多万人死亡。尽管防控局势非常紧迫，但是目前大多数现有的COVID-19诊断方法都是通过RT-PCR以检测SARS-CoV-2特异性核酸序列。这些检测方法具有实验室空间大、试剂成本高、样品制备步骤多和易交叉污染的问题。此外，检测结果通常需要几个小时甚至几天才能得到。因此，迫切开发需要快速、可靠、廉价的即时诊断策略。宾夕法尼亚大学Cesar de la Fuente-Nunez和坎皮纳斯州立大学William R. de Araujo构建了一种修饰有人类受体血管紧张素转换酶2(ACE2)、快速、简单、手持、高敏感的微型生物传感器。1）在4分钟内，该传感器可以通过电化学阻抗谱测量其氧化还原探针增加的电荷转移电阻，进而在10 μL的样本中检测SARS-CoV-2。2）实验结果表明，RAPID对鼻咽/口咽拭子敏感性和特异性分别为85.3%和100%，对和唾液样本的敏感性和特异性则为100%和86.5%。Marcelo D. T. Torres. et al. Low-cost Biosensor for Rapid Detection of SARS-CoV-2 at the Point-of-Care. Matter. 2021https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521002228
4. EES：一种基于二元熔盐电解质的具有低充电过电位的Li-CO2电池
Li-CO2电池的高充电过电位导致其寿命短以及能量利用率低等问题。尽管研究人员已经大量研究了利用固体催化剂如功能碳材料和贵金属，来促进Li2CO3的分解。然而，其充电电位仍在4 V以上，电解质副反应仍然不可避免。与逐步发展起来的催化剂不同，电解质的优化一直是制约Li-CO2电池实用化的瓶颈。近日，南京大学周豪慎教授，Ping He报道了一种由熔盐电解质和多孔碳基正极组成的具有低充电过电位的Li-CO2电池。1）在熔融状态下，LiNO3/KNO3混合电解质具有6.29 mS cm-1的高离子电导率。值得注意的是，采用Super P正极的熔盐Li-CO2电池的充电电压平台值为3.6 V，容量高达5180 mAh g-1。2）除了先进的电解质外，开发高效催化剂以提高该熔融体系的性能也至关重要。得益于碳负载的纳米Ru颗粒（Ru@Super P正极）的高催化活性，这种熔盐Li-CO2电池的充电电位进一步降低到3.2 V，循环寿命也提高到70次。这种电解质和固体正极中多相催化剂的设计为降低Li-CO2电池的高充电电位以及减缓电解质的分解提供了新见解。D. Wang, J. Yang, P. He and H. Zhou, A Low-Charge-Overpotential Lithium-CO2 Cell Based on Binary Molten Salt Electrolyte, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE00068C
5. EES：一种人工杂化界面层相助力超高倍率和实用的锂金属负极
固体电解质界面层（SEI）对于稳定和可充电电池，特别是在高倍率条件下，起着至关重要的作用。然而，目前人们还没有完全阐明锂离子通过SEI的传输机制，以构建实用的锂金属电池的坚固的锂负极。近日，电子科技大学熊杰教授，王显福研究员，Baihai Li报道了构建了一个由锂锑（Li3Sb）和氟化锂（LiF）组成的人工杂化SEI层来揭示SEI中的离子扩散行为。1）Li3Sb组分作为离子通道消除了界面层中Li+的扩散势垒，而电子绝缘的LiF则在SEI/Li界面起到屏蔽电子的作用，在SEI/Li界面实现了均匀的Li沉积。此外，这种杂化界面继承了良好的界面机械稳定性，有效地抑制了枝晶的生长。2）结果表明，采用改性锂负极的对称电池在20 mA cm−2的倍率下，在1360次循环中获得了延长的镀锂/剥离稳定性，且极化电压（100 mV）大大降低。在实际应用中，通过与改性锂负极配对，组装的0.4 Ah锂硫电池在6 mg cm−2的高硫负荷和3 µl mg−1的低电解质/硫比条件下，60次循环后的比能量密度可达325.28 Wh kg−1，容量保持率为91.5%。这一有效的策略和阐明的相应内在机理，为发展高能、长寿命的锂金属电池提供了重要指导。Anjun Hu, et al, An artificial hybrid interphase endowing ultrahigh-rate and practical lithium metal anode, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE00508A
6. EES：层状磷酸钒的层间距调节机制助力高性能锌离子电池
层状磷酸钒（VOPO4·2H2O）由于其独特的层状结构和较高的放电平台，被认为是一种很有前途的可充电锌离子电池（ZIBs）正极材料。然而，其缓慢的Zn2+离子扩散动力学、低比容量和较差的电化学稳定性等问题仍然制约了ZIBs的实际应用。近日，东南大学孙正明教授，胡林峰教授报道了采用溶剂热法合成了一组具有不同层间距（14.8、15.6和16.5 Å）的苯胺（PA）插层的VOPO4·2H2O。1）研究发现，在PA-VOPO4·2H2O体系中，比容量与d间距呈近似的线性关系，最大层间距（16.5 Å）相在0.1 A·g-1下的放电容量达到268.2 mAh·g-1，放电平台为1.3 V，能量密度为328.5 Wh·kg-1。实验数据和密度泛函理论（DFT）计算都表明，最佳的16.5 Å间距可以促进Zn2+离子的快速扩散，其超高扩散系数约为5.7×10-8 cm-2.s-1。2）此外，PA分子的插层还显著增加了水溶液中的疏水性，抑制了VOPO4·2H2O的分解/溶解，并显著改善了VOPO4·2H2O在5.0 A·g-1下2000次循环的稳定性，容量保持率为200 mAh·g-1。这项研究为解决Zn2+扩散速度慢、循环稳定性差的问题提供了一种可行的解决方案，并对层状磷酸盐用于高性能锌离子电池的层间化学机制有了清晰的认识。L. Hu, Z. Wu, C.Lu, F. Ye, Q. Liu and Z. Sun, Principle in Interlayer-Spacing Regulation of Layered Vanadium Phosphates for Superior Zinc-ion Batteries, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE01158H
7. AM综述：无铅钙钛矿光电探测器的进展、挑战与机遇
应用杂化钙钛矿材料的最先进光电探测器（PD）已成为下一代光传感的强有力候选者。其中，铅基光电材料因其独特而优越的光电性能，无疑是最受欢迎的光电材料。然而，由于铅基钙钛矿的稳定性较差，在无毒和高性能之间存在商业化的权衡，这表明用无毒的元素代替铅是不可缺少的，同时也使光电探测器的性能达到相当的水平和相对的长期稳定性。有鉴于此，吉林大学沈亮教授、国家纳米科学中心丁黎明研究员等人综述了近年来无铅钙钛矿光电探测器的研究进展，分析了新材料设计的原理，突出了一些可与铅基光电探测器媲美甚至优于铅基光电探测器的显著进展。1）首先从PDs的基本类别开始，分为光电导体、光电二极管和光电晶体管。然后，总结了一些性能参数作为对不同PDs的评估。此外，还简要说明了不同无铅钙钛矿的设计原理，说明了不同的结构是如何从ABX3型结构起源的。2）还概述了文中描述的钙钛矿不同结构的可能特性。更重要的是，作者将基于锡、铋、锑、铜和镱的钙钛矿的主要无铅钙钛矿PDs分类，并将材料的特性与产生的器件的特性联系起来。令人惊讶的是，无铅钙钛矿PDs显示的特性与铅基PDs相当，这为无铅钙钛矿材料在光电应用方面提供了相当大的潜力。锗基卤化钙钛矿具有窄带隙和相似的光学吸收系数，表现出很好的光电特性。一些双钙钛矿，包括Cs2InBiCl6、Cs2NaBiI6和Cs2AgInCl6也极具希望。3）最后对其在光通信、图像传感、窄带光探测等领域的潜在应用策略进行了探讨，并展望了开发具有更优性能的新材料和光探测器的前景。Yiqi Zhang et al. Lead-Free Perovskite Photodetectors: Progress, Challenges, and Opportunities. Adv. Mater. 2021, 2006691.DOI: 10.1002/adma.202006691.https://doi.org/10.1002/adma.202006691
8. Nano Energy：聚合物碳氮化物的不对称结构工程用于可见光驱动的还原反应
聚合物氮化碳（g-C3N4）的光催化活性强烈依赖于其电子结构，而电子结构又对制备方法高度敏感。近日，北京工业大学王金淑教授，澳大利亚昆士兰大学王连洲教授报道了采用乙二胺（EDA）诱导的气固两相法对甜瓜偶联物的末端基团进行芳香化处理，以精确调节g-C3N4的电子构型，从而提高光催化活性。1）理论和实验结果显示，末端芳构化通过向甜瓜基g-C3N4中注入丰富的π-电子，阻断甜瓜基序之间的平衡连接，扩大了π-电子的离域，加剧了π-共轭体系的不对称性。2）结果表明，光生e-h对的迁移率的提高和e-h对的分离是质子和氧光催化还原的触发因素，在可见光照射下，PHE的光催化还原效率达到15.4倍，H2O2的光催化还原效率为末端芳构化前的6.6倍。这一策略为g-C3N4及其相关聚合物半导体的结构设计提供了一个新的视角，从而提高其性能。Wei Luo, et al, Asymmetric Structure Engineering of Polymeric Carbon Nitride for Visible-light driven Reduction Reactions, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106168https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106168
9. Nano Energy：一种具有链甲异质结构绣球花状二元金属硫化物助力高效钠离子电池
金属硫化物长期以来被认为是钠离子电池的先进负极材料。然而，其固有的缺陷（如导电性差和体积变化大）严重阻碍了这种材料在实际中的应用。近日，吉林师范大学李海波教授，Ming Feng，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授报道了提出了一个简单的策略来设计具有链状Sb2S3/MoS2异质结构的二元金属（Sb-Mo）硫化物，以Sb2MoO6为前驱体，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为碳保护层和成核诱导剂，从而有效地避免了Sb和Mo元素在复合材料中的聚集和不均匀分布。1）所获得的绣球状二元金属硫化物异质结构可以从以下几个方面克服金属硫化物的上述缺点。首先，Sb2S3/MoS2异质结构可以通过产生复合材料的晶格畸变和长程无序来增强热力学稳定性。同时，Sb2S3/MoS2异质界面间内部电子场的存在可以加速电子输运，使电荷转移动力学更有利。此外，MoS2和Sb2S3组分的不同氧化还原电位使得复合材料在钠化过程中实现稳定的体积膨胀，从而具有显著的结构稳定性。2）实验结果显示，基于这种链状异质结构二元金属硫化物的SIB负极在5 A·g-1的超高倍率下，650次循环后表现出411.5 mAh·g-1的优异持久循环性能。研究工作为开发高性能异质结构金属硫化物用于SIBs负极材料以实现其实际应用提供了一条可行的途径。Duo Wang, et al, Chain Mail Heterostructured Hydrangea-like Binary Metal Sulfides for High Efficiency Sodium Ion Battery, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106185https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106185
10. Adv. Sci.：揭示LiH触发的高能LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨软包电池的热失控机理
锂离子电池能量密度的不断提高不可避免地伴随着安全隐患的增加。有鉴于此，中科院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员等人分析了使用热稳定双盐电解质的高能5Ah LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨软包电池的热失控特性。1）通过在碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）和碳酸甲乙酯（EMC）的碳酸酯溶剂中溶解LiTFSI和LiDFOB锂盐制备了5 Ah的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨（NCM523/G）软包电池并进行了电化学和热安全性研究。具体而言，研究了5 Ah NCM523/G软包电池在较宽的温度范围（−40–60°C）下的电化学性能。2）更重要的是，使用了各种先进的表征技术（例如，温度分辨X射线衍射（XRD）、ARC、在线滴定气体分析系统）来阐明从具有不同SOC（100％和0％）的软包电池中拆卸下来的电池材料的热相容性。3）此外，这项研究创新性地鉴定了石墨负极侧LiH的存在，并证明了LiH/电解质放热反应和H2从负极向正极侧的迁移有助于触发软包电池的热失控，而锂化的石墨负极和正极释放的O2只是热失控的加速因素。另外，在绝热和等温环境两种边界情况下循环过程中的热量监测清楚地说明了设计一种高效且智能的电池热管理系统以避免热量积聚的必要性。这些发现将为热失控路线图的描绘和热失控的预防以及用于高能安全锂离子电池的电解质配方提供有希望的启示。Lang Huang et al. Uncovering LiH Triggered Thermal Runaway Mechanism of a High-Energy LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/Graphite Pouch Cell. Adv. Sci. 2021, 2100676.DOI: 10.1002/advs.202100676.https://doi.org/10.1002/advs.202100676
11. ACS Nano：F诱导的超高边缘缺陷碳纳米片的超快储钾
碳质材料具有高导电性、环保性和结构稳定性等优点，被认为是钾离子电池（PIBs）的理想负极材料。然而，大量钾离子的重复插入/提取而导致的小的层间距和严重的体积膨胀限制了碳质材料的储钾性能。近日，广东工业大学芮先宏教授，中科大余彦教授报道了合理设计并成功制备了具有富边缺陷的氟氮共掺杂的碳纳米片（FNCS）三维多孔结构。1）这种FNCS材料具有以下优点：i）F和N共掺杂可以产生丰富的边缘缺陷，为电化学反应提供大量的反应位点；ii）三维多孔结构有利于电解液的渗透；iii）薄碳纳米片有效地缩短了电子和K+-离子的输运路径。2）当用作PIBs的负极时，FNCS具有超长的循环寿命（131 mAh g−1，5 A g−1,4000次循环）和优异的倍率性能（93 mAh g−1，20 A g−1）。当与K2FeFe(CN)6正极配合使用时，组装的PIBs全电池表现出高的可逆容量，在0.2 A g−1时可达516 mAh g−1，并且具有优异的长循环寿命（例如，128mAh g−1在1 A g−1时可循环500次）。3）电子顺磁共振技术（EPR）、密度泛函理论（DFT）和态密度（DOS）计算结果表明，F掺杂可以产生更多的边缘缺陷和活性位，有利于钾离子的吸收，从而获得良好的PIB性能。该设计策略可以推广到其他高性能储能电极材料的设计，如镁离子电池、超级电容器、电催化等。Yu Jiang, et al, Ultrafast Potassium Storage in F-Induced Ultra-High Edge-Defective Carbon Nanosheets, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c02275https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02275
12. AFM：反应动力学增强的磷氧双掺杂的多孔碳球负极材料用于高性能钾离子混合电容器
低成本、高比容量的硬碳作为钾基储能的负极材料具有巨大的应用潜力。然而，其缓慢的反应动力学和不可避免的体积膨胀降低了它们的电化学性能。考虑到合理的结构设计和杂原子掺杂的优点，近日，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授，Bing Sun报道了通过化学气相沉积法（CVD），随后进行杂原子掺杂，成功合成了一种磷/氧双掺杂的多孔碳球（P/O-PCSs）。1）P/O-PCSs的3D多孔结构作为一个开放的框架可以缓解大体积膨胀。同时，杂原子的引入增加了层间距离和丰富的钾离子储存活性位点，研究人员通过实验研究和密度泛函理论（DFT）计算都证明了这一点。2）将P/O-PCSs作为电池型负极材料，其在0.1 A·g-1下显示出401 mAh·g-1的可逆放电容量、优异的倍率性能和优异的长期循环稳定性（10000次循环后为89.8%）。原位拉曼光谱和非原位XPS测量表明，P-C键和P-O/P-OH键的形成不仅提高了结构稳定性，而且增强了硬碳材料在循环过程中的反应动力学。3）通过将P/O-PCSs负极与商用活性炭正极耦合，所制备的PIHC具有显著的电化学性能，可作为用于长期和大规模能量存储的先进能量存储器件。
Shuoqing Zhao, et al, Phosphorus and Oxygen Dual-Doped Porous Carbon Spheres with Enhanced Reaction Kinetics as Anode Materials for High-Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102060https://doi.org/10.1002/adfm.202102060
