顶刊日报丨郭玉国、余家国、王定胜、黄富强、支春义等成果速递20210907

1. Nature Commun.:掺硼掺杂的层状钠氧化物助力钠离子电池正极的可逆氧化还原
高能钠离子电池的发展离不开具有稳定循环性能的高电压钠离子正极材料。然而,钠层状正极材料在高电压区下的不可逆氧化还原反应,会导致结构不稳定,较差的循环容量保持率等。基于此,中科院化学研究所郭玉国研究员,殷雅侠研究员报道了一种通过在O3-NaLi1/9Ni2/9Fe2/9Mn4/9O2中掺入轻质硼来抑制充电到>4.0 V时的不可逆氧释放的策略。
本文要点:
1)密度泛函理论(DFT)计算结果表明,在高电压电荷补偿过程中,通过阴离子氧化还原,轻质硼掺杂与邻近的氧原子形成强共价的B-O键,使O原子在电子上更负,以抵抗过度氧化。
2)X-射线衍射实验、X-射线吸收光谱和差示电化学质谱联合分析表明,NaLi1/9Ni2/9Fe2/9Mn4/9O2有效地抑制了晶格在深度脱钠的不可逆氧释放,并具有良好的结构稳定性。
3)有趣的是,轻量的硼掺杂引发了更多的阳离子氧化还原反应,从而提供了额外的容量,与对照材料相比,容量增加了约10.1%。与未掺杂的纯NLNFM相比,B掺杂O3型NaLi1/9Ni2/9Fe2/9Mn4/9B1/50O2(NLNFMB)在0.1 C(25 mA g−1)下的可逆容量为160.5 mA h g−1,循环稳定性为82.8%。此外,构建的硬碳||NLNFMB全电池可提供高达224 Wh kg−1的比能量(基于正极和负极活性物质的总质量)。
这项研究展示了轻质硼掺杂在NIBS技术中的应用前景,可以在抑制不可逆氧释放的同时提高NIBs的容量。此外,通过轻元素掺杂策略,可以进一步设计出具有更稳定、更高容量的层状氧化物。
Guo, YJ., Wang, PF., Niu, YB. et al. Boron-doped sodium layered oxide for reversible oxygen redox reaction in Na-ion battery cathodes. Nat Commun 12, 5267 (2021).
DOI:10.1038/s41467-021-25610-7
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25610-7
2. Nature Commun.:构建Pd-Zn双位点以提高乙醇电氧化性能
合理设计和合成优良的乙醇氧化电催化剂是直接乙醇燃料电池实用化的关键。基于此,清华大学王定胜,温州大学Jian Zhang,中国农业大学孙文明报道了构建了一种具有良好暴露和均匀性的PdZn双位点电催化剂,其可以显著提高乙醇的电氧化效率。
本文要点:
1)研究人员通过聚多巴胺(PDA)限制和锌气相辅助的策略制备出PdZn/NC@ZnO。首先预合成ZnO纳米棒作为载体,然后,在载体上涂覆一层规则的PDA(~10-20 nm)。接下来,通过用碱缓慢沉淀Pd前体,将Pd(OH)2负载在PDA层上。在H2高温还原条件下,PDA层转变为N掺杂碳(NC),限制了Pd原子的迁移,而ZnO生成Zn蒸气束缚Pd原子形成Pd-Zn双位点,扫描透射电子显微镜(STEM)结果证实了PdZn纳米颗粒的存在。
2)实验结果显示,Pd-Zn双位点催化剂(PdZn/NC@ZnO)的质量活性远高于Pd-Pd位点催化剂(PdZn/NC@ZnO)和Pd单位点催化剂(Pd1/NC@ZnO),是商用Pd/C催化剂的24倍。
3)进一步的计算研究表明,Pd-Zn双位点促进了乙醇和氢氧化物离子的吸附,优化了电氧化途径,大大降低了能垒,从而获得了优异的电催化活性。
本工作为开发用于高性能燃料电池的乙醇电氧化催化剂提供了有价值的线索。
Qiu, Y., Zhang, J., Jin, J. et al. Construction of Pd-Zn dual sites to enhance the performance for ethanol electro-oxidation reaction. Nat Commun 12, 5273 (2021).
DOI:10.1038/s41467-021-25600-9
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25600-9
3. Nature Commun.:硫化钼的界面电子结构工程用于稳健的双pH下电催化析氢
二硫化钼(MoS2)作为一种电子高度可调的催化剂材料,调整其电子结构是提高其本征析氢反应(HER)活性的关键。然而,对MoS2催化剂表面电子结构的理解和调控仍面临着巨大的挑战。近日,哈工大(深圳)汪桂根,中科院北京纳米能源与纳米系统研究所杨亚研究员报道通过相调整与界面化学的协同作用和磷或硫注入缺陷的策略来调节电子结构,成功制备了一系列具有优异HER电催化活性、在双pH环境中稳定的异质结-多相界面电催化剂(1T0.81-MoS2@Ni2P和1T0.72-MoS2@NiS2)。
本文要点:
1)实验结果显示,所得到的1T0.81-MoS2@Ni2P和1T0.72-MoS2@NiS2电极在0.5 M的H2SO4(或1.0 M的KOH)中用于HER只需要38.9(或186)mV和98.5(或128)mV的小过电位即可获得10 mA/cm2的电流密度,并且具有41(或79)和42(或68)mV/dec的低塔菲尔斜率。结果表明,1T0.81-MoS2@Ni2P和1T0.72-MoS2@NiS2电极中存在多种多样的多相界面,由于其独特的多相效应,可以认为是通用的电活性位点,有利于电子转移。
2)密度泛函理论计算结果表明,金属相MoS2和本征HER活性Ni基材料的引入可以有效地调节MoS2的电子结构,使禁带宽度变窄。电化学拉曼光谱表明,在碱性介质中,OH-离子被驱使吸附在Mo、Ni原子上,形成OH*中间体。Ni和Mo在催化剂表面存在较强的相互作用,从而提高了Mo原子的局域电子态,降低了质子在Mo原子上的吸氢能,从而改善了催化剂的本征催化性能。
3)XANES谱结果表明,Ni的减少有利于H原子的捕获,降低了1T0.81MoS2@Ni2P(或1T0.72-MoS2@NiS2)催化剂的Mo-H强度,这也是1T0.72-MoS2@NiS2催化剂比2H相MoS2、1T相MoS2和其他Mo基催化剂具有更低的Tafel斜率和过电位等优异电催化性能的原因。
研究工作为合理设计非贵金属电催化剂的多相界面,实现优异的HER电催化性能提供了新的思路。
Liu, M., Wang, JA., Klysubun, W. et al. Interfacial electronic structure engineering on molybdenum sulfide for robust dual-pH hydrogen evolution. Nat Commun 12, 5260 (2021).
DOI:10.1038/s41467-021-25647-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25647-8
4. Nature Commun.:石墨烯量子点上官能团调控用于引导CO2选择性转化为CH4
对单一碳氢化合物或含氧产物具有专一选择性的催化剂系统对于实现CO2电化学转化为高价值化学品的工业应用至关重要。Cu是目前已知的唯一能将CO2转化为高级烃和含氧物的金属催化剂。然而,Cu基催化剂具有不同的选择性。近日,美国辛辛那提大学Jingjie Wu,华东理工大学Cheng Lian,上海大学Liang Wang报道了功能化的石墨烯量子点(GQDs)可以同时实现电化学CO2还原为CH4的高选择性和活性。
本文要点:
1)通过对具有不同电子性质的表面官能团修饰的GQDs的广泛研究,研究人员发现给电子基(EDGs)有利于CO2还原生成CH4,而吸电子基团(EWGs)则抑制CO2还原生成CH4。在EDG(例如-OH和-NH2)官能化的GQD上,CO2主要转化为CH4,在−200 mA cm−2的CH4部分电流密度(jCH4)下,FE达到为70.0%。相反,EWG(例如-COOH和-SO3)修饰的GQD具有低于20%的CO2还原FE。
2)与EWG功能化的GQDs相比,EDG功能化的GQDs具有较高CH4产率的源于EGDs保持了邻近的C或N活性位点的较高电荷密度,并且通过EDG-中间体电子相互作用额外固定了关键中间体所致。
这项工作提供了对GQDs的结构环境在调节用于CO2电还原反应催化剂选择性和活性中的作用的洞察。
Zhang, T., Li, W., Huang, K. et al. Regulation of functional groups on graphene quantum dots directs selective CO2 to CH4 conversion. Nat Commun 12, 5265 (2021).
DOI:10.1038/s41467-021-25640-1
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25640-1
5. Matter:CsCdCuSb基层状双钙钛矿纳米晶的合成和电荷载流子动力学研究
铅基金属卤化物钙钛矿的毒性和不稳定性是阻碍钙钛矿材料在应用中实施的两个主要障碍。最近,层状双钙钛矿(LDPs)作为钙钛矿材料的新家族出现,为通过铅组分替代和降低晶体结构维数来解决这些问题提供了新途径。然而,LDP 纳米晶体(NCs)很少被研究,限制了进一步的性质探索和应用实现。布朗大学Ou Chen等人通过调整金属前体的化学计量学报告了一系列 Cs4Cd1−xCuxSb2Cl12 (0 ≤ x ≤ 1) LDP NCs 的胶体合成。
本文要点:
1) 通过材料表征、密度泛函理论计算和瞬态吸收光谱研究所得Cs4Cd1−xCuxSb2Cl12的组成、结构与性质之间的关系。此外,研究人员证明了可以通过溶液处理使用胶体LDP NC制造高性能高速光电探测器。
2)这项工作为进一步扩展这种基于LDP的材料进行基础研究和应用集成奠定了基础。
Tong Cai et al. Colloidal synthesis and charge carrier dynamics of Cs4Cd1−xCuxSb2Cl12 (0≤x≤1) layered double perovskite nanocrystals, Matter, 2021.
DOI:10.1016/j.matt.2021.07.018
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238521003659#!
6. EES: 外源电子注入蓝藻光合系统I驱动CO2高效还原
大自然的生物催化过程是由光合作用驱动,因此光系统I和II被串联起来,在光的刺激下产生燃料产品或电力。从外部直接向光合作用电子转移链(PETC)供电有许多潜在的好处,尽管实现这一目标的策略仍然难以捉摸。有鉴于此,国家可再生能源实验室的Wei Xiong、Jeffrey Blackburn等人,报告了一个集成的光电化学结构,它可以在活的蓝藻细菌中直接将电子传送到PETC。
本文要点:
1)这种结构的阴极在电化学上与缺乏光系统II活性且不能独立进行光合作用的蓝藻细胞结合。通过光系统I,阴极照明将电子从外部电路传输到细胞内的PETC,最终推动蓝藻将CO2转化为醋酸盐。
2)在间歇条件下,即在光照和外源电子处于30秒供应加30分钟的间隔条件时,同时向系统提供光照和外源电子时才会有乙酸盐的形成。在间歇LED照明(400 – 700 nm)和外源电子供应下,生成乙酸盐的能量转换效率可达9%。
3)这种方法适用于通过使用工程蓝藻产生各种 CO2 还原产物,其中一种已经实现了乙烯(一种在化学工业中广泛使用的碳氢化合物)的光电生产。据估算,第8天时乙烯效价可达0.365 mmol L-1OD730-1,平均外源电子利用率为74.9%。
Zhaodong Li, et al. Exogenous Electricity Flowing through Cyanobacterial Photosystem I Drives CO2 Valorization with High Energy Efficiency. Energy Environ. Sci. 2021.
DOI: 10.1039/D1EE01526E.
https://doi.org/10.1039/D1EE01526E
7. AM综述:用于自供电系统的可穿戴式热电材料和器件
人工智能和物联网的出现,使得人们对可穿戴、免维护电源的需求日益增加。现代集成电路不断向低工作电压和低功耗的方向发展,使得开发体热驱动的器件最终成为可能。在这一背景下,热电(TE)材料已经成为有效地将人体热能转化为电能并为可穿戴器件提供动力而不受环境条件限制的有前途候选材料。在过去20年里,在加工技术和TE材料性能的快速发展的推动下,可穿戴热电发电机(WTEGs)逐渐变得更加灵活和可伸展,从而可以应用在复杂和动态的表面上。
基于此,华南理工大学马於光教授,Qinglin Jiang,林雪平大学Simone Fabiano对基于WTEGs的自供电电子器件进行了全面的总结。此外,还提供了一些关于应用前景和发展的见解,以启发未来的研究。
本文要点:
1)热电发电机(TEGs)是固态设备,可在跨器件施加的温差下产生电能。与其他发电机相比,TEGs具有使用寿命长,无移动部件,运行过程中不排放有害污染物,无运行和维护成本以及使用低热能的优点。目前,人们已经开发了各种TEGs(大TEG,微TEG和薄膜TEG)以满足各种应用的功率需求(从mW到W)。
2)一个世纪以来,研究人员已经将微TE模块应用于手表作为能源。近几十年来,TE材料发展迅速,在近室温环境下表现出优异的性能。作者接着从所使用的TE材料,结构演变和性能优化的角度总结和分析了WTEGs的历史发展。
3)作为人类,环境和机器之间的互动平台,下一代可穿戴器件应包含多个电子组件,例如用于能量收集,存储和传感的电子组件,以在一件服装中实现集成智能系统(ISSs)。传感元件和供电系统是国际空间站的关键部件,而TE模块则是一种理想的选择。一方面,TE材料是一种本征温度传感器,根据其输出电压信号可以用作压力或应变传感器。另一方面,在提供充足电力供应的背景下,基于混合能源TEGs受到了人们的关注,包括太阳能TEGs和摩擦电TEGs。目前,人们已经开发出TEG-MSC和离子TE超级电容器来制造集成的能量收集和存储器件。作者总结了WTEGs在自供电ISSs中的发展现状、趋势和应用前景。
4)目前对WTEGs的研究主要集中在以下两个方面,以实现高功率输出:i)开发高性能TE材料;ii)优化器件结构。目前,人们在开发有前景的候选材料方面已经取得了重大进展,包括具有高ZT值的柔性材料(薄膜和纤维)。此外,尽管已经取得了一定进展,但WTEGs的研究(在材料和原型器件方面)仍处于初级阶段。作者指出了在开发高性能WTEG材料和器件方面仍面临几个挑战。
Yanhua Jia, et al, Wearable Thermoelectric Materials and Devices for Self-Powered Electronic Systems, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202102990
https://doi.org/10.1002/adma.202102990
8. AM:MOFs光子球用于局部热和光热传感
由于高孔隙率和化学多功能性,金属有机框架(MOFs)表现出对基于光子的应用有吸引力的物理特性。虽然已经报道了几种MOFs光子结构,但其应用的例子主要限于化学传感。近日,索邦大学Marco Faustini等通过将光子MOFs集成到一个新的架构中,MOFs光子球,将其应用范围扩展到局部热和光热传感领域。
本文要点:
1)作者通过喷雾干燥自组装,一种低成本、绿色和高通量的方法,制备了由单分散MOFs胶体组成的微米级光子球。该制备方法具有多功能性,可以调整由具有定制光学特性的几种MOFs和复合材料制成的光子球的形态和组成。
2)作者通过X射线纳米断层扫描和环境高光谱显微镜分析单个物体及其在受控大气和温度下的演变。在存在蒸汽的情况下,MOF光子球充当局部、无标记的温度探测器。与其它热探头相比,这些材料的温度检测范围可以“按需”调整。
3)作为概念证明,作者将光子球用于测定集中激光束周围的局部温度分布。
该工作有望激发对光子MOFs物理特性的新研究,为器件制造提供新的可能性。
Civan Avci, et al. Metal–Organic Framework Photonic Balls: Single Object Analysis for Local Thermal Probing. Adv. Mater., 2021
DOI: 10.1002/adma.202104450
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104450
9. EnSM:一种高离子导电性复合聚合物电解质和硅负极设计的固态电池
聚合物固态电池(SSBs)具有界面接触性好的优点,但其应用仍面临离子导电性低的问题。近日,中科院上硅所黄富强研究员,澳大利亚伍伦贡大学Nana Wang报道了制备了一种含碳酸丙烯酸酯增塑剂的三维多孔复合聚合物电解质(3D-PPLLP-CPE),即使在室温下也表现出较高的离子电导率。
本文要点:
1)3D-PPLLP-CPEs在第一次放电过程中发生电化学原位聚合,避免了液体增塑剂带来的安全问题,同时又不牺牲电解质的离子导电性。此外,可控的原位生成的富LiF界面可以避免Li枝晶生长。
2)为了进一步提高SSB实用价值,采用具有高初始库仑效率的微尺寸Si@Li3PO4@C来代替锂箔。实验结果显示,在0.2 C的电流密度下,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111)//Micro Si@Li3PO4@C全电池的容量为129.1 mAh g-1, 100次循环后容量保持率为98.5%,是具有最佳性能的Si基负极SSBs。即使在2.0 A g-1的高电流密度下,容量仍然达到92.5 mAh g-1。
这种CPEs和电极的设计为开发实用SSBs开辟了一条新的途径。
Jun Pan, et al, Solid-state Batteries Designed with High Ion Conductive Composite Polymer Electrolyte and Silicon Anode,Energy Storage Materials(2021)
DOI:10.1016/j.ensm.2021.09.001
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.09.001
10. ACS Nano:Ti3C2Tx MXene作为晶格匹配电子/离子再分布器助力实用锌粉负极
水系锌离子电池的复兴引起了人们对锌(Zn)金属负极问题的高度关注,包括枝晶生长、死锌、低效率和其他寄生副反应。然而,相对于目前广泛使用的2D Zn箔,Zn粉(Zn-p)负极在工业应用中是一种更为实用的Zn基电池选择,其具有较好的可加工性和可调性,在工业上更具有实用性,但很少有相关研究来解决其存在的主要问题。
近日,香港城市大学支春义教授报道了首先揭示了Zn箔和Zn-p作为锌基电池阳极的不同失效模式。然后在稳定的Zn-p基负极上,选择的柔性2D Ti3C2Tx Mxene 薄片具有与Zn晶格的高相容性,亲水性和良好导电性,作为电子和离子再分布器,实现了高度可逆。
本文要点:
1)研究人员利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和原位光学技术揭示了Ti3C2Tx MXene的晶格相容性(失配10%)使其在最暴露的(0002)面实现了均匀的Zn形核。由此产生的共格非均质界面导致随后均匀的Zn沉积。
2)Ti3C2Tx MXene薄片上均匀的Zn种子层能够更快地吸收较晚的Zn离子,并通过高速导电的MXene网络为其还原提供足够的电子。同时,Ti3C2Tx Mxene薄片在溶解过程中发生相应的变形以配合体积收缩,从而消除电接触失效的危险。
3)实验结果表明,在不同电流密度(1−10 mA cm−2)和不同容量(0.5−4 m Am−2)下,Zn-p氧化还原动力学和耐久性均得到改善,成核过电位和极化电压均小于100 mV,CE值均在98%以上,明显优于目前研究较多的锌箔负极。此外,Zn枝晶生长也得到有效抑制。因此,即使在大容量条件下,沉积表面也保持平坦,没有明显的突起。当与FeHCF正极配对时,FeHCF//MXene@Zn电池表现出优异的电化学性能,其循环寿命比FeHCF//Zn-p电池提高了近850%。在1000次循环中实现77%的容量保持率和99%的CE。即使在高达5 A g−1的电流密度下,也可以提供1 A g−1的64%容量。
与目前研究较多的Zn箔负极相比,本工作为更具实用价值的Zn-P负极提供了新的见解。此外,采用的晶格匹配MXene再分布器突出了电池中金属电极的共格异质界面结构。
Xinliang Li, et al, Toward a Practical Zn Powder Anode: Ti3C2Tx MXene as a Lattice-Match Electrons/Ions Redistributor, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c04354
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04354
11. ACS Nano:一种简易、可扩展的大面积超薄氧化石墨烯纳滤膜制备方法
氧化石墨烯膜以其超高速的水传输和优异的分子筛分性能,在水净化和分子分离的膜过滤领域显示出巨大的应用潜力。然而,无法在工业规模上生产出统一的氧化石墨烯膜和其不环保的还原处理是阻碍其工业应用的瓶颈。近日,香港理工大学忻浩忠教授报道了成功地开发了一种基于Mayer棒涂层的连续制备大面积超薄还原氧化石墨烯膜的工艺,并在此基础上进行了大功率UV还原。
本文要点:
1)研究人员采用该方法制备了面积为30×80 cm2、厚度为几nm的氧化石墨烯膜。XPS和XRD结果表明,高功率紫外辐射可在数秒内有效地将氧化石墨烯膜还原到合适的程度。
2)一系列的实验室纳滤实验和中试试验表明,氧化石墨烯膜具有优异的透水性、分离效率、优异的稳定性和防污能力。特别是,rGO-10膜在渗透通量(60.0 kg m−2h−1)和盐排斥率(96.0%)之间表现出最佳的平衡。此外,这些超薄的氧化石墨烯膜足够坚固,能够承受严酷的交叉流过滤过程。综合测试表明,制备的氧化石墨烯膜具有良好的纳滤效果。
3)Mayer棒涂层法适用于氧化石墨烯膜的大规模生产,其可以通过卷到卷的生产实现纳米材料的均匀沉积。同时,高功率UV辐射是氧化石墨烯膜快速、连续、大面积还原的有效策略。这种组合工艺是一种绿色、简便、连续、可控和可扩展的方法,可用于成本效益高的氧化石墨烯膜生产。未来有望通过设备的专用件,制造方法能够实现全自动。
这项研究所提出的制备的工艺能够有效克服氧化石墨烯膜生产中存在的可扩展性不足的问题,从而促进氧化石墨烯膜在水净化领域的工业化应用。
Zhiyu Liu, et al, A Facile and Scalable Method of Fabrication of Large-Area Ultrathin Graphene Oxide Nanofiltration Membrane, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c06155
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06155
12. Appl. Catal. B:分级多孔镍负载NiFeOxHy纳米薄片用于工业条件下高效、耐用的析氧电催化剂
氢气作为一种理想的清洁能源载体,被认为是未来能源系统中最有前途的化石燃料替代品。与传统的水蒸气转化工艺相比,电解水制氢是一种创新的绿色制氢方法。然而,缓慢的析氧反应(OER)动力学严重限制了电解水的效率,因此研制高效、耐用的OER电催化剂是推动氢气工业发展的迫切需要。
近日,武汉理工大学余家国教授,中国地质大学(武汉)Linxi Wang报道了通过简单的两步电沉积工艺,在多孔镍(PN)上均匀生长出高活性的NiFeOxHy纳米片,成功地制备出了一种高效耐用的NiFeOxHy-PN OER电催化剂。
本文要点:
1)制备的NiFeOxHy-PN电催化剂将超薄的NiFeOxHy纳米片与Pn层次化的基底结合,为电解质扩散和气体释放提供了更多的活性中心和更大的空间。
2)优化后的NiFeOxHy-PN电催化剂表现出优异的OER性能,在电流密度为100 mA cm-2时的过电位仅为265 mV。当在工业条件下用作碱性水电解阳极时,NiFeOxHy-PN在1.86 V的电池电压下提供的电流密度达到了400 mA cm-2。此外,研究人员对NiFeOxHy-PN在400 mA cm-2下进行了120h的耐久性试验,结果显示,其性能衰减可以忽略不计,表明其具有良好的工业应用稳定性。
由于电沉积工艺简单、可扩展,这项研究有望开发出低成本、高活性的碱性水电解NiFeOxHy-PN电催化剂。
Bo Zhong, et al, Hierarchical Porous Nickel Supported NiFeOxHy Nanosheets for Efficient and Robust Oxygen Evolution Electrocatalyst under industrial condition, Applied Catalysis B: Environmental, (2021)
DOI:10.1016/j.apcatb.2021.120668
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120668
版权声明:
本平台根据相关科技期刊文献、教材以及网站编译整理的内容,仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究,不得作为商业用途。