7篇AM，刘生忠、帅志刚、曲良体、邵宗平、王连洲、黄富强等成果速递丨顶刊日报20220101
纳米人
2022-01-05
1. Joule: 用于光伏的卤化物钙钛矿的中间相工程
金属卤化物钙钛矿由于其出色的光物理特性和可扩展的溶液制造工艺，激发了对高效光伏应用的广泛研究兴趣。在最先进的溶液处理钙钛矿太阳能电池 (PSC) 中，中间相工程 (IPE) 的特点是在退火前精确操纵或控制前体状态，在形成高质量钙钛矿方面发挥着越来越重要的作用薄膜，这对于具有长期稳定性的高性能电池至关重要。陕西师范大学Wanchun Xiang和洛桑理工学院Anders Hagfeldt，Zaiwei Wang等人对此进行全面总结。1）概述了IPE在不同薄膜加工技术中的作用和机制，包括两步法、一步溶液法、甲胺气体后修复或溶剂化工艺、抗溶剂法和挥发性添加剂法。2）研究人员讨论了IPE目前面临的挑战，并为通IPE开发高性能钙钛矿太阳能电池提供了前景。Wanchun Xiang, et al. Intermediate phase engineering of halide perovskites for photovoltaics, Joule, 2021DOI：10.1016/j.joule.2021.11.013https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121005390#!
2. AM: 离子液体处理稳定全无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池
全无机三碘化铯铅 (CsPbI3) 钙钛矿可以在高达500 °C 的高温和氧化化学应力下稳定。然而，通过环境印刷升级太阳能电池存在不完美的晶体质量和由无法控制的结晶引起的缺陷。陕西师范大学Qingwen Tian, Kui Zhao和刘生忠等人报道了低浓度的新型离子液体的加入有望用于管理CsPbI3薄膜中的缺陷、界面能排列和通过环境刮刀涂层制造的太阳能电池的器件稳定性。1）理论模拟和实验测量均表明，离子液体成功调节钙钛矿薄膜的生长以减少钙钛矿晶界；其中硫酸根离子与未配位的Pb2+配位钝化碘化物空位缺陷，对齐界面以将电子传输层的能垒降低280 meV，并松弛晶格应变以有效促进相稳定性。2）因此，研究人员实现了高效率的环境印刷CsPbI3太阳能电池，在 1个太阳光照射 (100 mW cm-2 ) 下效率高达 20.01%，在室内光照 (1000 lux, 365 μW cm-2 ) 下高达37.24%，两者都是基于印刷的全无机电池最高效率值。3）此外，没有任何封装的电池表现出优异的长期环境稳定性，在环境条件下老化1000小时后，PCE仅降解约5%。
Du, Y., et al, Ionic liquid treatment for highest-efficiency ambient printed stable all-inorganic CsPbI3 perovskite solar cells. Adv. Mater..DOI：10.1002/adma.202106750https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106750
3. AM：光耦合高性能湿度发电体系
自发从环境中收集多种清洁能源对于发展更高水平的能量收集体系具有非常大的重要。环境中无处不在的湿气和阳光是一种具有吸引力的可持续制备能源的方法。有鉴于此，清华大学曲良体、帅志刚等报道发展了一种高性能的能够通过光进行调节的湿度发电体系，该湿度发电体系以聚电解质和光敏剂结合。1 cm2大小厚度为0.56 mm的复合物薄膜能够自发吸收气体水分子，开路电压为0.92 V，短路电流密度达到1.55 mA cm-2。这个电流密度达到新记录，比传统的湿度发电器件电流密度提高2个数量级。1）构建了柔性的达到商业化应用量级的器件，能够在较宽的湿度区间（20-100 %）和较宽的温度区间（10-80 ℃）和光强度（30-200 mW cm-2）区间工作。构建的可穿戴和便携式器件能够在室内或者室外提供足够高的能量用于光或者电驱动器件的工作。2）较高的电流密度是通过湿度导致电荷分离作用和光激发的载流子转移实现的。通过器件的动态蒙特卡洛计算，验证了该结论。本文研究为发展绿色可持续能源提供了一种可行的方法和路线。Jiaxin Bai, et al, Sunlight-coordinated high-performance moisture power in natural condition, Adv. Mater. 2021, 2103897DOI: 10.1002/adma.202103897https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103897
4. AM：一种在氧化性气氛下的选择性阳离子脱溶而制备的新型耐久表面纳米颗粒改性的钙钛矿型阴极助力质子陶瓷燃料电池正极
质子陶瓷燃料电池（PCFCs）的高性能正极应具有良好的氧还原反应性、高的质子/氧离子/电子电导率和足够的工作稳定性，这就需要对电极材料的体相和表面性质进行微调。虽然利用还原气氛脱溶中的纳米颗粒对钙钛矿进行表面改性可以有效地改善电化学阳极氧化，但这种纳米颗粒很容易重新进入钙钛矿晶格，给其作为阴极的应用带来了极大挑战。近日，南京工业大学邵宗平教授，Guangming Yang报道了通过纳米颗粒在氧化性气氛中脱溶而制备了一种用于PCFC的耐用钙钛矿型纳米复合阴极。1）通过组成和阳离子非化学计量比调控，设计、合成和研究了名义组成为Ba0.95(Co0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1)0.95Ni0.05O3-δ（BCFZYN-095）的前驱体，煅烧后形成了钙钛矿型纳米复合材料，主要由钙钛矿相和少量NiO相组成。2）通过适当的阳离子非化学计量比处理，主体钙钛矿相促进了体质子传导，而NiO纳米粒子促进了氧表面交换过程，从而实现了优异的阴极性能，在650 °C时的最大峰值功率密度为1040 mW cm-2，在550 °C下的操作稳定性为400 h。Mingzhuang Liang, et al, A New Durable Surface Nanoparticles-Modified Perovskite Cathode for Protonic Ceramic Fuel Cells from Selective Cation Exsolution under Oxidizing Atmosphere, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202106379https://doi.org/10.1002/adma.202106379
5. AM：机器学习指导下的金属氧化物光电化学水分解掺杂剂选择：Fe2O3和CuO的案例研究
掺杂是一种用于太阳能光电化学（PEC）水分解的金属氧化物半导体调谐的有效策略。尽管已经经过了几十年的大量研究，掺杂剂的选择仍然在很大程度上依赖于一种反复试验的方法。机器学习（ML）在为高性能PEC系统的掺杂剂选择提供可预测的洞察力方面很有希望，它可以揭示掺杂剂的大量特征和掺杂光电极的PEC性能之间看似模糊的联系。基于此，澳大利亚昆士兰大学王连洲教授，Zhiliang Wang，麻省理工学院Shijing Sun报道了首次将ML应用于研究选择掺杂剂的关键标准，以实现改善光电极的PEC响应。1）以Fe2O3作为典型的半导体候选者，使用从17种类型的掺杂剂(每种掺杂剂包含5种不同的掺杂剂浓度)获得的数据来训练ML模型。在ML研究中，采用了10个本征特征(如原子序数、离子半径、化学价等)和1个加工特征(掺杂浓度)作为描述符，并应用了6种不同的算法，包括基线线性回归(LR)、RF、GB、支持向量回归(SVR)、k近邻回归(KNN)和神经网络(NN)。2）利用训练好的ML模型，研究人员成功地预测了分别掺杂La和Y的Fe2O3光阳极的电荷分离和转移（CST）性能。然后通过SHapley Additive exPlanations （SHAP）分析对这些描述符的重要性进行排序，评估了PEC过程中化学态、金属氧键形成焓和离子半径对CST的相对影响。3）ML引导的掺杂剂选择被进一步扩展到典型的基于CuO的光电阴极设计，从而展示了这种数据驱动方法的一般特性。Zhiliang Wang, et al, Machine learning guided dopant selection for metal oxide based photoelectrochemical water splitting: the case study of Fe2O3 and CuO, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202106776https://doi.org/10.1002/adma.202106776
6. AM：Ni3N@2M-MoS2构建金属异质结促进工业级电催化分解水
碱性水电解具有商业化大规模制氢的前景，目前非常多的非贵金属催化剂在较低的电流密度（10-50 mA cm-2）能够实现非常高的电催化活性，但是对于在工业需求的>500 mA cm-2电流密度进行电催化制氢反应仍具有非常大的挑战。这是因为电子传输无法达到要求，同时催化剂面临着羟基和H2O分子竞争性吸附的现象。有鉴于此，中科院上海硅酸盐研究所黄富强、刘建军、赵伟等报道设计了一种新型金属态的异质结催化剂，Ni3N@2M-MoS2，展示了优异的大电流电催化分解水性能。1）Ni3N@2M-MoS2电催化剂通过异质结界面提供了两种相互分离的催化活性位点，能够缓解具有立体位阻效应的羟基、H2O的竞争性吸附。通过动力学上对羟基/H2O吸附解耦，同时通过Ni3N@2M-MoS2催化剂的金属性提供的高导电性，实现了在较高的电流密度在Ni3N位点制氢、在金属异质结界面制氧。2）金属性的异质结构对于提高催化剂的稳定性，活化催化剂的催化活性起到关键作用，通过Ni3N与2M-MoS2中的Mo-Mo化学键之间电荷转移，能够有效的调控Ni/N原子在Fermi能级附近的电子结构，因此促进全分解水。3）Ni3N@2M-MoS2催化剂组装构建的电催化分解水电解槽实现了非常低的全电池电压（1.644 V@1000 mA cm-2），在300 h后电催化分解水性能仍保持没有明显衰减，其性能远比市售的Pt/C||RuO2性能更好（2.41 V@1000 mA cm-2, 100 h, 58.2 %）。Tong Wu, et al, Engineering Metallic Heterostructure Based on Ni3N and 2M-MoS2 for Alkaline Water Electrolysis with Industry-Compatible Current Density and Stability, Adv. Mater. 2021, 2108505DOI: 10.1002/adma.202108505https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108505
7. AM: 具有最小光学和能量损失的单片全钙钛矿串联太阳能电池
基于钙钛矿的多结太阳能电池是一种具有潜在成本效益的技术，可以帮助超越单结设备的效率限制。然而，混合卤化物宽带隙钙钛矿和铅锡窄带隙钙钛矿由于形成体陷阱和界面复合中心而受到非辐射复合的影响，这限制了子电池的开路电压，从而限制了集成串联电池的开路电压。此外，多结太阳能电池中复杂的光学堆栈会导致入射光的寄生吸收和反射引起的损耗，这会加剧子电池之间的电流不匹配，从而限制串联的短路电流密度。埃因霍芬理工大学René A. J. Janssen等人提出了一种集成的全钙钛矿串联太阳能电池。1）该电池使用表面钝化策略来减少钙钛矿-富勒烯界面处的非辐射复合，从而产生高开路电压。2）通过使用光学良性透明电极和电荷传输层，窄带隙子电池中的吸收得到改善，从而改善了子电池之间的电流匹配。总的来说，3）基于这些策略，研究人员开发光电转换效率超过23%的单片串联太阳能电池。Datta, K., et al, Monolithic All-Perovskite Tandem Solar Cells with Minimized Optical and Energetic Losses. Adv. Mater..DOI：10.1002/adma.202110053https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202110053
8. AM：具有特殊循环诱导容量增强的金属-有机骨架玻璃负极助力锂离子电池
金属有机骨架（MOFs）具有化学可调、孔结构可调、反应位点丰富等特点，有望成为下一代锂离子电池（LIBs）的高能负极材料。然而，晶态MOFs的孔结构在锂离子的插入和提取过程中容易崩塌，因此其电化学性能受到很大的限制。近日，齐鲁工业大学（山东省科学院）Yanfei Zhang，奥尔堡大学Yuanzheng Yue， 奥胡斯大学Dorthe Bomholdt Ravnsbæk报道了以Co-ZIF-62为基础，研制了一种用于LIBs的用MOF玻璃负极，即Co[Im1.75bIm0.25]。1）与晶体和非晶态材料相比，这种新型负极材料具有更大的容量、更好的倍率性能和更高的循环稳定性，尽管这些材料具有相同的化学成分，但表现出不同寻常的储锂性能。2）独特的性能归因于其开放的网络结构，特点是在各个尺度上都具有高度的无序性和较高的能态。当电流密度为2 A g−1时，经1000次循环后，比容量提高了2倍，最高可达306 mA h g−1。3）研究人员通过光谱测量、对分布函数分析和密度泛函理论计算，揭示了这一突出性能的原因。具体而言，Li+离子在ZIF网络结构中的插入和提取破坏了Co-N配位键，从而产生了Li+离子扩散和存储的额外通道。这些发现表明，MOF玻璃是开发下一代高性能锂离子电池负极的理想材料。Chengwei Gao, et al, Metal-organic framework glass anode with an exceptional cycling-induced capacity enhancement for lithium-ion batteries, Adv. Mater. 2021DOI：10.1002/adma.202110048https://doi.org/10.1002/adma.202110048
9. Nano Letters：一种光生载流子独特交叉传输的自组装卟啉纳米叶助力光催化制氢
模拟自然光合作用的具有有序堆积纳米结构的自组装卟啉的制备激发了人们对优化能量转换效率的大量努力。然而，在分子水平上阐明有序堆积结构如何促进光催化仍然是一个巨大的挑战。基于此，河南大学Rui Zhu，Feng Bai报道了采用一种简便的乳化剂辅助自组装方法合成了具有多层超分子结构的新型PdTCPP纳米叶。与原始PdTCPP粉末相比，组装后的纳米叶具有优异的光催化产氢性能和可见光下的稳定性。1）通过双催化剂和KPFM的选择性光沉积，研究人员确定了光生电子和空穴分别优先转移到边缘和表面。2）理论计算结果表明，卟啉分子的长程有序共轭结构和偶极形成的电势差形成了很强的内建电场，导致了光生载流子在纳米叶中独特的交叉输运。3）阐明光生电子和空穴在卟啉组件中的定向传输对于理解和设计高效的超分子光催化剂以有效转换和储存太阳能来说具有重要意义。Ronghui Cao, et al, Self-Assembled Porphyrin Nanoleaves with Unique Crossed Transportation of Photogenerated Carriers to Enhance Photocatalytic Hydrogen Production, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03550https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03550
10. Nano Letters：非质子锂−氧电池中的溶液介导氧还原反应中间体的直接原位光谱证据
对反应过程的基本了解对于预测和提高电化学器件的性能至关重要。氧还原反应（ORR）作为非质子型锂-氧（ Li−O2）电池的中心反应，面临着放电产物Li2O2负极钝化导致的“猝死”现象。可溶性催化剂(如还原介体)可促进溶液介导的ORR。然而，迄今为止，还没有直接的分子证据，其与Li−O2电池性能的联系仍然是假设的。基于此，中科院大连化物所Zhangquan Peng报道了利用原位表面增强拉曼散射（SERS）、密度泛函理论（DFT）计算和DEM方法，对非质子Li−O2电池模型Au-AQ电极上AQ催化溶液介导ORR的机理进行了探讨。1）研究发现，AQ首先与Li+相互作用，在OCV处形成Li+[AQ]对。当ORR开始时，Li+[AQ]对优先还原形成LiAQ配合物，然后与O2结合生成LiAQO2中间体。最后，LiAQO2再生AQ并释放LiO2(可能是速率决定步骤)，通过在主体电解质中的歧化形成Li2O2(溶胶)。2）对这些机理的研究有望优化和开发更高效的可溶性ORR催化剂，用于多功能下一代Li−O2电池。此外，将还原介体固定在电极表面的概念也可以用来揭示其他溶液介导的机理，如Li−O2电池中TEMPO介导的析氧反应。Zhiwei Zhao, et al, Direct In Situ Spectroscopic Evidence for Solution-Mediated Oxygen Reduction Reaction Intermediates in Aprotic Lithium−Oxygen Batteries, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04445https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04445
11. Nano Letters：金属硒化物催化剂上的选择性氧还原用于电化学合成过氧化氢
硒基纳米合金作为一类新兴的金属硫属化物，具有可调的晶体结构、成分分布和电子结构，在可再生能源的转化和利用方面引起了人们极大的兴趣。近日，韩国西江大学Seoin Back，上海交通大学Kun Jiang报道了用激光烧蚀法制备的一系列纳米M−Se催化剂（M=Cu，Ni，Co），并考察了它们在碱性介质中用于选择性氧还原反应（ORR）生成H2O2的电催化性能。1）一方面，Se对邻近金属中心的物理隔离效应使O*的吸附构型从空心位转移到隔离位，从而削弱了其结合强度，从而提高了H2O2产物的选择性。另一方面，Cu−Se纳米合金微调的电子结构在所有筛选材料中产生了最有利的OOH*结合强度，从而大大加速了O2转化为H2O2的动力学。即使在1400次电位循环之后，也能在宽电位窗口内获得超过90%的出色H2O2选择性。这项工作有望为其他电催化反应提供有效的催化设计原则。Qinglin Yuan, et al, Electrochemical Hydrogen Peroxide Synthesis from Selective Oxygen Reduction over Metal Selenide Catalysts, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04420https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04420
12. Nano Letters：离子/电子混合导电双相界面增强固态电荷转移
全固态锂−硫电池（ASSLSB）具有高能量密度和良好的安全性能，是一种很有前途的后锂离子电池技术候选储能技术。然而，硫的固有绝缘性要求其电化学反应需要与离子导体和电子导体进行三相接触，从而减少了活性表面的数量，降低了电荷转移效率。近日，新加坡科技研究局Xuesong Yin，新加坡国立大学Guangyuan Wesley Zheng报道了引入了离子/电子混合导电双相界面，有利于硫的固态电化学反应。1）采用离子/电子混合导电的LLTO/C纳米纤维构建双相界面，赋予硫颗粒更高的固态电荷转移效率。从而获得了具有高硫利用率（69%）和优异的倍率性能（1.0 C时为500 mAh/g）的高性能ASSLSB。在较低的工作温度（50 °C）和较高的硫含量（50%）下，可以获得良好的电池性能。此外，由于LLTO对PS的化学吸附作用，抑制了自放电，因此获得了优异的循环稳定性（0.2 C下，循环100次后的容量为850 mAh/g），库仑效率（CE）为98%。2）所开发的具有堆叠式双极结构的全固态Li−S电池样机显示出优异的电化学性能和巨大的应用潜力。Liu Wang, et al, Mixed Ionically/Electronically Conductive Double-Phase Interface Enhanced Solid-State Charge Transfer for a High-Performance All-Solid-State Li−S Battery, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04228https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04228
