固态电池Nat. Sustain.，韩布兴院士JACS，郑大臧双全Angew等成果速递|顶刊日报20240907
纳米人
2024-09-09
1.Nature Sustainability：固态电池电解质中可再生纤维素生物聚合物的分子工程作为最丰富和可再生的生物聚合物，纤维素在医疗保健、包装、电子和环境修复等一系列领域都有应用，有助于向可持续发展过渡。近日，中国科学院大学曹安民、Li Yutao、乔燕等人应用了一种绿色和可扩展的工艺，将纤维素转化为电解质，其锂（Li）离子电导率为1.09×10−3 S cm−1，转移数为0.81，机械强度为12 MPa。1) 该工艺利用纤维素中丰富的羟基，通过酯化反应被邻苯二甲酸酐取代，形成邻苯二甲酸纤维素（CP）。实验和理论分析相结合表明，引入邻苯二甲酸酯基团不仅对于确保与锂离子的有效多氧相互作用以创建快速离子传输通道至关重要，而且有助于形成分子间氢键，从而获得优异的机械性能。2) CP生物聚合物薄膜甚至与大多数商业阴极材料兼容，固态Li/CP/LiFePO4电池在1000次循环中表现出比具有易燃有机液体电解质的基线锂离子电池更好的性能和良好的稳定性。
Jinyang Li et.al Molecular engineering of renewable cellulose biopolymers for solid-state battery electrolytes Nature Sustainability 2024DOI: 10.1038/s41893-024-01414-7https://doi.org/10.1038/s41893-024-01414-72.韩布兴院士团队JACS：Cu-Bi双金属异质界面CO2和硝酸盐电催化偶联合成尿素CO2和NO3-与电催化偶联合成尿素是一种有前景的路线，这个反应可以减少温室气体排放，减少工业过程中的废物，并储存可再生能源。但是，由于CO2和NO3-偶联反应涉及许多反应物和反应的多个步骤，因此具有较差的产物选择性和催化活性，这限制了电催化合成尿素的应用。有鉴于此，中国科学院化学所韩布兴院士、孙晓甫研究员等首次报道设计异质结构CuBi双金属催化剂用于尿素电合成。1）在H型电解槽实现了较高的（23.5%）尿素法拉第效率，产率为2180.3 μg h-1 mgcat-1，这超过大多数文献报道的电催化剂性能。催化剂具有优异的循环稳定性。实验和密度泛函理论计算表明，引入适量的Bi能够形成丰富的Bi-Cu/O-Bi/Cu2O异质结构的界面，这有利于NO3-、CO2和H2O的活化，改善C-N耦合，促进*HONCON中间体的形成。 2）此外，验证发现有助于HNCONH2的质子化和尿素产物分子脱附，进一步解释了这种CuBi双金属催化剂具有尿素高活性和选择性的原因。Xinning Song, Xiaodong Ma, Tianhui Chen, Liang Xu, Jiaqi Feng, Limin Wu, Shunhan Jia, Libing Zhang, Xingxing Tan, Ruhan Wang, Chunjun Chen, Jun Ma, Qinggong Zhu, Xinchen Kang, Xiaofu Sun*, and Buxing Han*, Urea Synthesis via Coelectrolysis of CO2 and Nitrate over Heterostructured Cu–Bi Catalysts, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c08564https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c085643.郑州大学Angew：界面局部H*富集促进电催化还原硝酸盐 电催化还原硝酸盐（NO3RR）反应过程需要8个电子和9个质子，调节提供活性氢（H*）的过程以及深入理解NO3RR的反应过程对于改善合成氨的产率和法拉第效率非常重要。有鉴于此，郑州大学臧双全教授、蔡金孟副教授等报道合成一系列原子结构明确的Cu卤团簇材料，Cu2X2(BINAP)2 (X=Cl, Br, I)，发现Cu2Cl2(BINAP)2 具有最好的合成氨法拉第效率（94.0 %）和氨产率（373 μmol h-1 cm-1）。1）通过原位表征实验和理论计算，说明卤原子尤其是Cl原子能够显著的影响碱金属-催化剂表面的离子化水分子之间的距离，促进水分子解离，增强局域H*富集用于硝酸盐连续的加氢生成NH3。2）这项研究说明H*在NO3RR反应加氢过程中的重要作用，展示了局域H*富集能够改善NO3RR的法拉第效率。
Su-Jun Zheng, Xiao-Yu Dong, Hong Chen, Ren-Wu Huang, Jinmeng Cai, Shuang-Quan Zang, Unveiling Ionized Interfacial Water‐Induced Localized H* Enrichment for Electrocatalytic Nitrate Reduction, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202413033https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.2024130334.Angew：Ga-过渡金属金属间化合物电催化还原硝酸盐 Ga具有非常低的熔点，因此式独特的金属溶剂，能够合成金属间化合物。由于过渡金属与Ga形成的金属间化合物形成焓为负值，因此含Ga的金属间化合物非常稳定。由于金属间化合物的晶体结构可调控，因此能够调节活性位点的结构用于特定催化反应的需求。有鉴于此，北京科技大学鲁启鹏教授、山东大学王安良教授、香港科技大学韵勤柏教授等报道普适性合成金属间化合物的方法，能够合成 Co-Ga, Ni-Ga, Pt-Ga, Pd-Ga, Rh-Ga等过渡金属-Ga金属间化合物。1）CoGa金属间化合物具有规则的体心立方（bcc）结构，能够均匀的分散在氮掺杂石墨烯氧化物载体上，在NO3RR电催化反应中表现优异性能，能够组成Zn-NO3-电池实现优异的充电。2）通过原位测试研究何理论计算，发现Co的电子密集环境增强*NO3中间体的吸附，而且阻碍生成氢气的副反应，改善NO3RR反应的催化活性和选择性。 Huaifang Zhang, Chaoqun Ma, Yi-Chi Wang, Xiaojuan Zhu, Kaiyu Qu, Xiao Ma, Caihong He, Sumei Han, Ai-Hua Liu, Qi Wang, Wenbin Cao, Wei Lin, Jing Xia, Lijie Zhu, Lin Gu, Qinbai Yun, An-Liang Wang, Qipeng Lu, Transition Metal-Gallium Intermetallic Compounds with Tailored Active Site Configurations for Electrochemical Ammonia Synthesis, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202409515https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024095155.Nature Commun：电化学转化环己醇/环己酮制备己二酸 通过KA oil（环己酮和环己醇的混合物）原料电化学合成己二酸（adipic acid）能够替代传统反应条件苛刻的反应路线，但是如何将这种反应实现工业化受到电流密度低以及竞争性OER反应的局限。有鉴于此，清华大学段昊泓副教授、四川大学李敬博士等报道使用V修饰到Ni的层状氢氧化物载体上，实现了在比较宽的电化学窗口（1.5-1.9 V）维持高法拉第效率（>80 %）和电流密度用于制备己二酸。1）实验和理论计算结果说明V修饰的双重作用，包括促进催化剂的重构，增强环己酮的吸附。作者搭建了膜组电解槽验证电催化反应，结果在工业级电流密度（300 mA cm-2）实现了较高的法拉第效率（82 %）和较高的产率（1536 μmol cm-2 h-1），而且稳定电催化的时间达到>50 h。2）这项研究发展了一种性能优异的电化学合成己二酸的电催化剂，具有高产量和工业化前景。Liu, X., Zhu, YQ., Li, J. et al. Electrosynthesis of adipic acid with high faradaic efficiency within a wide potential window. Nat Commun 15, 7685 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-51951-0https://www.nature.com/articles/s41467-024-51951-06.Nature Commun：通过自然阳光和风驱动的可扩展吸湿凝胶增强连续大气水收集基于吸附的大气水收集 (SAWH) 技术因其在未来水资源和能源平台中的潜力而备受关注。然而，现有的SAWH系统在材料和组件级别的吸附动力学较慢，导致水生产效率低下。 有鉴于此，上海交通大学Chengjie Xiang和Ruzhu Wang团队开发了一种具有快速吸附-脱附动力学的吸湿性多孔凝胶 (HIPG)，其高可扩展性和强粘附性使其适用于高效的连续大气水收集装置。该研究设计了一个由太阳能和风能协同驱动的SAWH装置，通过协同的热和质传递增强实现了持续的水生产。该装置在室内实验中展现了出色的工作性能，并且在户外条件下通过太阳能集中实现了日均3.5-8.9 L/m²的水收集量，且无需额外的能源消耗。研究为离网和干旱地区提供了高效的水资源解决方案。1) 研究展示了一种具有高吸附和脱附动力学的吸湿性多孔凝胶 (HIPG)，该材料具有较强的可扩展性和粘附性，可实现高效的连续大气水收集。
2) 设计了一个太阳能和风能驱动的SAWH装置，该装置在实验中展现了25.7%的热效率，并在户外条件下无需外部能量的情况下实现了日均3.5-8.9 L/m²的水收集性能。 参考文献
Yang, X., Chen, Z., Xiang, C. et al. Enhanced continuous atmospheric water harvesting with scalable hygroscopic gel driven by natural sunlight and wind. Nat Commun 15, 7678 (2024). 10.1038/s41467-024-52137-4
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52137-47.清华大学Nature Commun：从经济和环境角度比较锂电池回收处理方法 废旧电动汽车的回收和再利用为废品的回收处理提供一种符合可持续发展的路线，但是该过程面临着一些与决策有关的挑战。有鉴于此，清华大学周光敏副教授、吴秋伟副教授、张璇副教授等基于回收过程的生命周期的评估方法，提出了改善废旧电池处理经济性和环保性的方法，并且在许多回收再利用场景中得以应用，包括能源存储系统、通讯基站、低速车辆等。1）分别对湿法冶金（hydrometallurgical）、火法冶金（pyrometallurgical）、直接回收三个方式评价回收产生的价值，发现在优化的路径，磷酸铁锂（LFP）电池的回收效益改善58 %，排放减少了18 %。锂镍锰钴氧化物（NMC）的回收效益提高19 %，污染和排放减少了18 %。2）虽然NMC电池具有更高的回收效益，但是LFP电池能够在回收之前进行再利用的方式改善长期效益。这项研究给出了能够评价体系，有助于指导退役电动汽车电池的回收处理方式。Ma, R., Tao, S., Sun, X. et al. Pathway decisions for reuse and recycling of retired lithium-ion batteries considering economic and environmental functions. Nat Commun 15, 7641 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-52030-0https://www.nature.com/articles/s41467-024-52030-08.厦门大学Chem. Soc. Rev.：尖端增强拉曼光谱对材料和界面的纳米级化学表征材料及其界面是催化、储能和转化等众多领域发展的核心。在这种情况下，尖端增强拉曼光谱（TERS）将扫描探针显微镜与等离子体增强拉曼光谱相结合，是一种强大的技术，可以同时以纳米空间分辨率获得目标样品的形态信息和化学指纹。它是材料和界面纳米级化学表征的理想工具，将它们的结构与化学性能联系起来。近日，厦门大学任斌、王翔等人对尖端增强拉曼光谱对材料和界面的纳米级化学表征进行了综述研究。 1) 作者首先简要介绍了材料和界面的纳米级表征，然后详细讨论了TERS的最新理论理解和技术改进，包括增强的起源、TERS仪器、TERS提示和TERS中算法的应用。随后，作者列出了成功进行TERS测量需要解决的关键实验问题。2) 接下来，作者将重点介绍TERS在各种材料研究中的最新进展，特别是新型低维材料，以及TERS在研究不同界面（包括固气界面和固液界面）方面的进展。最后，作者对TERS在材料和界面研究方面的未来发展进行了展望。
Yi-Fan Bao et.al Nanoscale chemical characterization of materials and interfaces by tip-enhanced Raman spectroscopy Chem. Soc. Rev. 2024https://doi.org/10.1039/D4CS00588K
