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综述
一体化电极电催化二氧化碳还原研究进展
宋雨珂, 谢文富, 邵明飞
2022, 38(6): 2101028-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202101028
[摘要]  (169) [HTML全文] (169) [PDF 4769KB] (13)
摘要:
电催化二氧化碳还原反应(E-CO2RR)可在温和条件下将CO2转化成高附加值燃料或化学品,近年来受到广泛关注,其在实际反应中涉及到气体扩散和多电子转移等复杂过程,构筑高效、稳定的催化电极是其发展的核心之一。然而,传统涂敷电极制备时,需要将催化剂与粘结剂混合涂覆于集流体表面,此过程会造成活性位点包埋和传质过程受限,致使催化剂活性位利用率下降,同时在反应过程中电极表面容易粉化,造成稳定性下降,难以重复利用。因此,如何调控电极反应界面,提升催化剂活性位的利用率仍面临挑战。将催化剂原位生长于集流体上得到的一体化电极可直接应用于电催化反应,不仅有利于提升活性位利用率以及电荷传输能力,还能有效调控三相界面处的微观反应环境(如pH、反应物及反应中间体的浓度等),从而实现电催化性能强化。本文综述了一体化电极用于E-CO2RR的最新进展,分析了结构和表界面调控对E-CO2RR性能的影响规律,并对该领域仍然存在的挑战和未来一体化E-CO2RR电极的发展进行了评述与展望。
锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展
朱思颖, 李辉阳, 胡忠利, 张桥保, 赵金保, 张力
2022, 38(6): 2103052-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202103052
[摘要]  (143) [HTML全文] (143) [PDF 10901KB] (6)
摘要:
氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g-1)以及合适的脱锂电位(< 0.5 V),且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好,被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而,SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%),易导致材料颗粒粉化、脱落,严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来,人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发,阐述了该材料面临的主要瓶颈问题;继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面,系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略,并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳,最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。
基于微生物作为智能模板的电催化剂制备与应用研究进展
马明军, 冯志超, 张小委, 孙超越, 王海青, 周伟家, 刘宏
2022, 38(6): 2106003-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202106003
[摘要]  (122) [HTML全文] (122) [PDF 6416KB] (3)
摘要:
通过电催化实现可再生能源的存储与转化对于改善能源结构、保护生态环境、实现碳达峰和碳中和的国家战略具有重大意义。而开发低成本、高效的电催化剂成为全世界科学家共同面对的挑战。微生物在自然界中广泛存在,具有结构、组成和代谢丰富的特点,可以成为电催化剂的模板以及碳、磷、硫等非金属元素以及金属元素的来源,而且具有无毒、生产可重复性好、易于规模化等优点,已成为电催化剂制备的新趋势。对此,本文综述了微生物“智能”引导制备电催化剂的发展及在电催化析氢(HER)、电催化析氧(OER)、氧还原反应(ORR)、二氧化碳还原(CO2RR)、锂电池(LBs)等领域的应用现状。希望有助于推动微生物代谢与催化剂微纳结构关系以及与催化反应的构效关系的深入理解,最后针对这类材料的问题挑战及其未来发展方向进行了探讨与展望。
锂离子电池隔膜的功能化改性及表征技术
莫英, 肖逵逵, 吴剑芳, 刘辉, 胡爱平, 高鹏, 刘继磊
2022, 38(6): 2107030-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202107030
[摘要]  (152) [HTML全文] (152) [PDF 6466KB] (8)
摘要:
随着锂离子电池在动力和规模化储能等新能源领域应用的不断拓展,具有特殊功能且满足特定使用需求隔膜的设计准则、制备/改性方法及表征技术亟需系统深入研究。针对锂离子电池高性能和高安全性的要求,研究人员已通过结构设计和表面化学改性等策略优化了隔膜的本征特性,并通过系列表征技术探讨了隔膜的功能化改性对锂离子电池电化学性能的影响。基于以上背景,本文从离子传输、枝晶形核与生长、及安全性能三个方面详细探讨了隔膜对电池性能影响的关键因素及其改性方法,并系统总结了隔膜结构、物化特性、力学性能、热学性能以及电化学性能的表征技术,以期为功能隔膜的合理设计,从而优化锂离子电池性能提供理论和实践指导。同时,本文对隔膜未来的进一步研究和发展提出了展望。
论文
三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极
张威, 梁海琛, 朱科润, 田泳, 刘瑶, 陈佳音, 李伟
2022, 38(6): 2105024-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202105024
[摘要]  (104) [HTML全文] (104) [PDF 5261KB] (2)
摘要:
金属锂具有超高的理论容量(3860 mAh·g-1)和低氧化还原电位(-3.04 V vs.标准氢电极),是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料。然而,循环过程中的体积膨胀、锂枝晶生长和“死锂”等问题严重的限制了其实际应用。合理设计三维骨架调控金属锂的成核行为是抑制锂枝晶生长的有效策略。本文中,我们发展了一种“软硬双模板”的方法合成了兼具大孔和介孔的三维碳-碳化钛(Three-dimensional macro-/mesoporous C-TiC,表示为3DMM-C-TiC)复合材料。多级孔道为金属锂的沉积提供了足够的空间,缓冲充放电中巨大的体积变化。此外,TiC的引入显著增强多孔骨架的导电性,改善锂金属的成核行为,促进金属锂的均匀成核和沉积,抑制锂枝晶生长。3DMM-C-TiC||Li电池测试表明,在循环300圈以后,库伦效率仍保持在98%以上。此外,所得材料与LiFePO4 (LFP)组成的全电池也表现出优异的倍率和循环性能。本工作为无枝晶锂金属负极的设计提供了新的思路。
电压敏感性聚三苯胺修饰隔膜用于锂硫电池过充保护
张楠祥, 魏壮壮, 冯涛, 吴锋, 赵腾, 陈人杰
2022, 38(6): 2107009-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202107009
[摘要]  (121) [HTML全文] (121) [PDF 3294KB] (2)
摘要:
本文以三苯胺为原料,通过化学氧化法制备了具有电压敏感性的聚三苯胺(PTPAn)并将其成功应用到锂硫电池隔膜上。电导率测试结果表明,PTPAn/聚丙烯(PP)隔膜的离子电导率达1.56 mS·cm-1;循环伏安(CV)测试结果表明,PTPAn/PP隔膜在3.5–4.2 V内具有氧化还原峰。在0.1C倍率下,采用PTPAn/PP隔膜和空白PP隔膜的锂硫电池在经200周循环后,放电比容量分别为424.8和407.2 mAh·g-1,库伦效率分别为99.38%和98.59%,倍率测试表明(0.1C、0.2C、0.5C、1C),采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池在不同倍率下放电比容量均高于采用空白PP隔膜的锂硫电池。与此同时,对采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池进行过充实验,在第4周过充时,充电比容量为843.1 mAh·g-1,放电比容量为839.8 mAh·g-1;第10周过充时,充电比容量为690.2 mAh·g-1,放电比容量为669.2 mAh·g-1。第16周过充时,电池的充电比容量为538.7 mAh·g-1,放电比容量为512.9 mAh·g-1。倍率过充测试表明,经过不同倍率过充实验后,采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池仍能正常工作,在1C倍率下过充,电池电压稳定保持在3.9 V,充电比容量为349.8 mAh·g-1,放电比容量为328.7 mAh·g-1
Article
NH2-MIL-125 (Ti) Derived Flower-Like Fine TiO2 Nanoparticles Implanted in N-doped Porous Carbon as an Anode with High Activity and Long Cycle Life for Lithium-Ion Batteries
Yue Yang, Jiawei Zhu, Pengyan Wang, Haimi Liu, Weihao Zeng, Lei Chen, Zhixiang Chen, Shichun Mu
2022, 38(6): 2106002-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202106002
[摘要]  (100) [HTML全文] (100) [PDF 4701KB] (3)
摘要:
Owing to their advantages such as safe operation, high power density, long cycle life, and low self-discharge rate, lithium-ion batteries (LIBs) have attracted attention for applications ranging from portable electronics to electric vehicles (EVs)/hybrid EVs (HEVs). However, the striking exothermic reaction and growth of lithium dendrites during lithiation-delithiation cycles for commercial graphite anodes are hidden safety risks associated with LIBs. Titanium dioxide (TiO2) is considered as an important material for LIBs because of its high safety and excellent cycling stability. In addition, TiO2 anode used in lithium-ion storage system has a relatively high voltage (~1.5 V vs. Li/Li+), and thus, it meets the strict safety standards of commercial LIBs. However, the unsatisfactory conductivity and ion diffusion rate prevent the further application of TiO2 in LIBs. To date, the combination of graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon quantum dots (QDs) and porous carbon with TiO2 has attracted significant research attention. Nevertheless, it is still challenging to introduce a unique nanostructure design by organically compounding TiO2 with N-doped porous carbon matrix. Herein, N-doped porous carbon incorporating fine TiO2 nanoparticles (NPs) with a flower-like structure (denoted as FL-TiO2/NPC) is successfully prepared using flower-like NH2-MIL-125(Ti) as the hard template. The as-prepared Ti-based framework shows a flower-like structure, which is assembled with two-dimensional (2D) corrugated porous nanosheets. On the one hand, the corrugated carbon nanosheets incorporating fine TiO2 particles can offer a magnifying contact area between electrode matrix and electrolyte. On the other hand, the N-doped porous carbon plays a crucial role in improving the conductivity and structural integrity of the whole matrix. Therefore, the as-prepared FL-TiO2/NPC can deliver an excellent reversible lithium storage capacity of 384.2 mAh·g-1 at the current density of 0.5 A·g-1 after 300 cycles and 279.1 mAh·g-1 at 1 A·g-1 after 500 cycles. Furthermore, even when tested at 2 A·g-1, FL-TiO2/NPC can deliver a reversible capacity of 256.5 mAh·g-1 with a coulombic efficiency of 100% after 2000 cycles. The superior electrochemical performance and the structural toughness of LIBs originate from the unique flower-like structure. We believe that the proposed synthesis strategy will provide a new idea for the preparation of metal oxides/N-doped porous carbon composites with high lithium storage performance.
Surface Modification of NiCo2O4 Nanowires using Organic Ligands for Overall Water Splitting
Ke Sun, Yongqing Zhao, Jie Yin, Jing Jin, Hanwen Liu, Pinxian Xi
2022, 38(6): 2107005-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202107005
[摘要]  (111) [HTML全文] (111) [PDF 3438KB] (0)
摘要:
Bifunctional electrocatalysts in alkaline media play an important role in the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER), owing to the considerable influence of water splitting in the green energy sector. Herein, we present surface-modified NiCo2O4 nanowires (NWs) with rich defects as a highly efficient overall water splitting electrocatalyst in alkaline media, where the surface modification is accomplished using organic ligands. X-ray photoelectron spectroscopy reveals that the increase in the Co2+/Co3+ ratio is responsible for the excellent bifunctional electrocatalytic performance of the surface-modified NiCo2O4 NWs. As expected, benefiting from the organic ligand-dominated surface modification, the optimized NiCo2O4 NWs can display an overpotential of only 83 mV for the HER and 280 mV for the OER, with a current density of 10 mA·cm-2 in 1.0 mol·L-1 KOH solution. More importantly, the NiCo2O4 NWs surface-modified using organic ligands exhibit outstanding performance for overall water splitting, with a voltage of 2.1 V and current density of 100 mA·cm-2, and also maintain their activity for at least 15 h. The present work highlights the importance of increasing the content of Co2+ in the spinel structure of NiCo2O4 NWs for enhancing their performance in overall water splitting.
Perspective
Strategies to Improve the Energy Density of Non-Aqueous Organic Redox Flow Batteries
Guangtao Cong, Yi-Chun Lu
2022, 38(6): 2106008-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202106008
[摘要]  (102) [HTML全文] (102) [PDF 2435KB] (2)
摘要:
Redox flow batteries (RFBs) have been widely recognized as the primary choice for large-scale energy storage due to their high energy efficiency, low cost, and versatile design of decoupled energy storage and power output. However, the broad deployment of RFBs in the power grid has long been plagued by the high cost and low energy density of existing inorganic metal-based electrodes. Redox-active organic molecules (ROMs), on the other hand, have recently been extensively explored as the potentials electrodes in RFBs for their potential low cost, abundant resources, and highly tunable structure. The energy density of RFBs is proportional to the number of electrons transferred per unit reaction, the concentration of active materials, and the cell voltage. Therefore, strategies to improve the energy density of RFBs could be categorized into three classes: (1) expanding the cell voltage; (2) maximizing the practical concentration of active materials; (3) realizing multi-redox process. Benefited by the highly tunable structure and properties of ROMs, the cell voltage of RFBs could be realized by lowering the redox potentials of anolytes or/and increasing the redox potentials of catholytes. To fully exploit the low-potential anolytes and high-potential catholytes, non-aqueous electrolytes with wider electrochemical potential windows (EPWs) are preferred over the aqueous systems. However, the solubility of most ROMs in commonly used non-aqueous electrolytes is very limited. Several effective strategies to improve the practical concentrations of ROMs have been proposed: (1) the solubility of ROMs could be easily tailored by adjusting the intermolecular interactions between ROMs and the interactions between ROMs and electrolytes via molecular engineering; (2) the redox-active eutectic systems remain liquid at or near room temperature, allowing us to reduce or completely remove the inactive solvent used in the conventional electrolyte of RFBs, which leads to an enhanced practical concentration of the redox-active components; (3) the semi-solid suspension achieves a high practical concentration of ROMs by combining the advantages of solid ROMs with high energy density and liquid electrolytes with flowability; (4) the redox-targeting approach breaks the solubility limitation by realizing remote charge exchange between the solid active materials deposited in the tanks and the current collectors of the electrochemical stacks via ROMs dissolved in electrolytes. The first three strategies employ a homogeneous flowing redox-active fluid which suffers from deteriorated physical and electrochemical properties as the practical concentration of ROMs increase, e.g., high viscosity, phase separation, and salt precipitation. The redox-targeting approach uses a hybrid flowing liquid/static solid system, which avoids the aforementioned unfavorable changes in electrolyte properties, however, this design introduces additional chemical reactions between the ROMs and the solid active materials, which may reduce the power output. Another efficient method to improve the energy density of RFBs without affecting the properties of the electrolyte is achieved by realizing the multi-redox process of ROMs, however, the generated high valence state ROMs are highly reactive. Further optimization of the structure of these ROMs is required to improve their lifetime at high valence states. In this perspective, we summarize the general working principle of the RFBs, highlight the recent developments of the ROMs in non-aqueous redox flow batteries (NRFBs), with an emphasis on the strategies to improve the energy density of NRFBs, and discuss the remaining challenges and future directions of the non-aqueous organic redox flow batteries (NORFBs).
Review
Challenges and Opportunities for Seawater Electrolysis: A Mini-Review on Advanced Materials in Chlorine-Involved Electrochemistry
Baihua Cui, Yi Shi, Gen Li, Yanan Chen, Wei Chen, Yida Deng, Wenbin Hu
2022, 38(6): 2106010-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202106010
[摘要]  (93) [HTML全文] (93) [PDF 2854KB] (1)
摘要:
Hydrogen (H2) is an important component in the framework of carbon-neutral energy, and the scalable production of H2 from seawater electrolysis offers a feasible route to address global energy challenges. With abundant seawater reserves, seawater electrolysis, especially when powered by renewable electricity sources, has great prospects. However, chloride ions (Cl-) in seawater can participate in the anodic reaction and accelerate the corrosion of electrode materials during electrolysis. Although the oxygen evolution reaction (OER) is thermodynamically favorable, the chlorine evolution reaction is highly competitive because fewer electrons are involved (2e-). These two problems are compounded by the dearth of corrosion-resistant electrode materials, which hinders the practical applications of seawater electrolysis. Therefore, intensive research efforts have been devoted to optimizing electrode materials using fundamental theories for practical applications. This review summarizes the recent progress in advanced electrode materials with an emphasis on their selectivity and anti-corrosivity. Practical materials with improved selectivity for oxygen generation, such as mixed metal oxides, Ni/Fe/Co-based composites, and manganese oxide (MnOx)-coated heterostructures, are reviewed in detail. Theoretically, alkaline environments (pH > 7.5) are preferred for OER as a constant potential gap (480 mV) exists in the high pH region. Nevertheless, corrosion of both the cathode and anode from ubiquitous Cl- is inevitable. Only a few materials with good corrosion resistance are capable of sustained operation in seawater systems; these include metal titanium and carbon-based materials. The corrosion process is usually accompanied by the formation of a passivated layer on the surface, but the aggressive penetration of Cl- can damage the whole electrode. Therefore, the selective inhibition of Cl- transport in the presence of a robust layer is critical to prevent continuous corrosion. Advances in anti-corrosion engineering, which encompasses inherently anti-corrosive materials, extrinsically protective coating, and in situ generated resistive species, are systematically discussed. Rational design can impart the material with good catalytic activity, stability, and corrosion resistance. Finally, we propose the following opportunities for future research: 1) screening of selective and anti-corrosive materials; 2) mechanism of competitive reactions and corrosion; 3) evaluation of anti-corrosive materials; 4) industrial-scale electrolysis with high current density; 5) optimization of experimental conditions; and 6) development of integrated electrolyzer devices. This review provides insights for the development of strategies aimed at tackling chlorine-related issues in seawater electrolysis.
前言
面向电化学储能与转化的表界面工程
于乐, 黄小青, 张桥保, 张志成
2022, 38(6): 2109020-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202109020
[摘要]  (104) [HTML全文] (104) [PDF 273KB] (2)
摘要:

  

专论
仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料
彭景淞, 程群峰
2022, 38(5): 2005006-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202005006
[摘要]  (209) [HTML全文] (209) [PDF 4717KB] (209)
摘要:
石墨烯具有力学性能高、电导率优异等特点,然而单层石墨烯纳米片在组装成为宏观纳米复合材料的过程中,往往会出现片层团聚、界面作用弱、无规取向等问题,导致宏观石墨烯纳米复合材料性能远低于单片石墨烯。因此,如何将微观石墨烯纳米片层的高性能在宏观纳米复合材料中体现出来,是目前研究的热点和难点。本专论结合目前石墨烯纳米复合材料的研究现状,简要讨论了受天然鲍鱼壳的“砖-泥”结构的启发,仿生构筑高性能石墨烯纳米复合材料的最新研究进展。并对本课题组在仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料领域近年来的工作进行介绍,包括石墨烯纤维、薄膜和块材等多种宏观石墨烯纳米复合材料,系统总结构筑仿鲍鱼壳结构和反鲍鱼壳结构两种策略,在一定程度上解决了石墨烯在组装过程中的科学问题。同时,详细阐述了仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料的增强增韧机制和功能化策略,分析了今后研究工作中可能遇到的问题,并展望了未来的发展趋势。
论文
TiN/HfxZr1-xO2/TiN铁电电容器的原位生长与表征
殷宇豪, 沈阳, 王虎, 陈肖, 邵林, 华文宇, 王娟, 崔义
2022, 38(5): 2006016-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202006016
[摘要]  (204) [HTML全文] (204) [PDF 1361KB] (204)
摘要:
HfO2基铁电电容器,特别是TiN/HfxZr1-xO2/TiN金属-绝缘体-金属电容器,由于其良好的稳定性、高性能和互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容性,在新一代非易失性存储器中有着广阔的应用前景。由于TiN/HfxZr1-xO2/TiN电容器的电性能与HfxZr1-xO2铁电薄膜与TiN电极层界面质量相关,因此控制TiN/HfxZr1-xO2/TiN异质结构的制备和表征至关重要。本文报道了一种三明治结构:HfxZr1-xO2铁电薄膜夹在两个TiN电极之间的新的制备方法,通过超高真空系统互连的原子层沉积(ALD)和磁控溅射设备实现。原位生长和表征结果表明,ZrO2掺杂浓度和快速热退火温度可以调节TiN/HfxZr1-xO2/TiN异质结的铁电性能,并能很好地被互连系统监控。在该体系中,通过在HfO2中掺杂50% (molar fraction, x) ZrO2并且在600 ℃下快速热退火(RTA),获得了21.5 μC·cm-2的高剩余极化率和1.35 V的低矫顽电压。
聚吡咯@二氧化锰/碳纳米管薄膜电极的制备及在高性能锌离子电池中的应用
沈晓帆, 王晓娜, 俞能晟, 杨薇, 周雨融, 石艳红, 王玉莲, 董立忠, 邸江涛, 李清文
2022, 38(5): 2006059-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202006059
[摘要]  (191) [HTML全文] (191) [PDF 1430KB] (191)
摘要:
中性/弱酸性水系锌锰电池因其能量密度高、价格低廉、环境友好等优势受到广泛关注。然而,现有的二氧化锰正极材料存在导电性能差,在充放电过程中易于溶解等问题。这严重影响了电池的倍率性能和循环稳定性,阻碍了中性锌锰电池的应用。为了解决上述问题,本文设计了以碳纳米管(CNT)网络薄膜为导电基底沉积聚吡咯(PPy)包覆二氧化锰(PPy@MnO2/CNT)的多级结构电极。碳纳米管和聚吡咯组装形成高比表面积的三维交联导电网络,为活性材料提供了快速的电子、离子传输通道;聚吡咯包覆纳米级二氧化锰能够有效地抑制二氧化锰的溶解,进而提升电池的倍率特性和循环稳定性。以PPy@MnO2/CNT作为正极材料组装的水系锌锰电池在1 A·g-1的电流密度下,比容量达到210 mAh·g-1,循环1000圈后,电池依然具有较高的容量保持率(85.7%)。本工作的导电聚合物包覆活性物质的策略可为发展高稳定柔性储能器件提供新思路。
气驱油油气混相过程的界面传质特性及其分子机制
俞宏伟, 李实, 李金龙, 朱韶华, 孙成珍
2022, 38(5): 2006061-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202006061
[摘要]  (170) [HTML全文] (170) [PDF 2648KB] (170)
摘要:
油气混相过程的界面传质特性对气驱提高原油采收率技术非常重要。本文针对吉林某油田的实际油组分,采用分子动力学模拟研究了气驱油过程,分析了不同气体和驱替压力下油气两相的状态变化以及界面特性,获得不同驱替气体的最小混相压力(MMP)。结果表明,随着驱替气体压力的升高,气相的密度逐渐增大,油相膨胀密度降低,气相与油相的混合程度增强,油气两相界面厚度增加,界面张力随之减小。同时发现,驱替相中二氧化碳浓度越高,在同等气体压力下,油气界面更厚,油气混合程度更高。纯CO2驱油得到的MMP远远小于纯N2驱油,当这两种气体摩尔比为1 : 1混合时MMP介于两种纯气体之间,说明要达到同样的驱油效果二氧化碳需要的压力更小。最后,本文从分子微观作用力角度解释了驱替气体不同时影响油气混相程度的机制,通过分子平均作用势曲线发现油相分子对CO2的吸引力要大于N2分子,因此CO2分子更容易与油相混合,驱替效果更明显。
纳米孔缺陷导致单层黑磷电荷局域极大抑制非辐射电子-空穴复合的时域模拟
卢浩然, 魏雅清, 龙闰
2022, 38(5): 2006064-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202006064
[摘要]  (185) [HTML全文] (185) [PDF 2250KB] (185)
摘要:
通常认为缺陷加速黑磷的非辐射电子-空穴复合,阻碍器件性能的持续提高。实验打破了这一认识。采用含时密度泛函理论结合非绝热分子动力学,我们发现P-P伸缩振动驱动非辐射电子-空穴复合,使纳米孔修饰的单层黑磷的激发态寿命比完美体系延长了约5.5倍。这主要归因于三个因素。一,纳米孔结构不但没有在禁带中引入深能级缺陷,而且由于价带顶下移使带隙增加了0.22 eV。二,除了带隙增加,纳米孔减小了电子和空穴波函数重叠,并抑制了原子核热运动,从而使非绝热耦合降低至完美体系的约1/2。三,退相干时间比完美体系延长了1.5倍。前两个因素战胜了第三个因素,使纳米孔结构激发态寿命延长至2.74 ns,而其在完美体系中约为480 ps。我们的研究表明可以制造合理数量和形貌的缺陷,如纳米孔,降低黑磷非辐射电子-空穴复合,提高光电器件效率。这一研究对于理解和调控黑磷和其它二维材料的激发态性质有重要意义。
高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化
吴锋, 李晴, 陈来, 王紫润, 陈刚, 包丽颖, 卢赟, 陈实, 苏岳锋
2022, 38(5): 2007017-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202007017
[摘要]  (224) [HTML全文] (224) [PDF 2448KB] (224)
摘要:
高镍三元正极材料LiNixMnyCo1-x-yO2 (x > 0.8)因其高能量密度而备受瞩目。在高镍三元正极材料中,Co不但有助于增强层状正极材料结构稳定性,而且能够提高正极材料导电性能,因此被认为是一种非常重要的元素。但是由于目前全球范围内钴矿资源紧缺,在一定程度上限制了含钴正极材料在新能源电动汽车领域的发展应用。基于此,本文将不同的过渡金属离子掺杂到高镍层状材料中形成无钴化正极材料,并进行高镍正极材料无钴化的可行性分析。通过实验对比发现,资源存储量丰富并且价格低廉的Zr在一定程度上可以取代Co元素,得到的正极材料LiNi0.85Mn0.1Zr0.05O2表现出良好的电化学性能,在0.2C倍率以及2.75–4.3 V的截止电压范围内,其放电比容量为179.9 mAh·g-1,80周容量保持率为96.52%。
紫外光辐照下CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池失效机制
卢岳, 葛杨, 隋曼龄
2022, 38(5): 2007088-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202007088
[摘要]  (216) [HTML全文] (216) [PDF 5002KB] (216)
摘要:
随着光伏产业的不断发展,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研发成为科学与工业界广泛关注的焦点。到目前为止,其光电转换效率已经提高到了25.2%,成为替代硅基太阳能电池的核心方案之一。然而,钙钛矿太阳能电池的稳定性较差,容易受到环境中氧气、水分、温度甚至光照的影响,这严重制约了其大规模推广与应用。大量科学研究表明,如何避免紫外辐照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能衰减,对于提高钙钛矿太阳能电池的光照稳定性至关重要。然而到目前为止,仍然没有系统的工作来对紫外辐照下钙钛矿太阳能电池性能以及微结构演化过程进行详细的表征与分析。本文中,我们利用聚焦离子束-扫描电子显微分析(FIB-SEM)以及球差校正透射电子显微分析(TEM)等技术,全面地研究了紫外辐照过程中有机无机杂化钙钛矿太阳能电池性能变化规律以及电池微结构演化特征。实验结果表明,紫外辐照过程中太阳能电池内部会形成0.5–0.6 V的内建电场,钙钛矿中的I-离子在电场的驱动下向金属Au电极和空穴传输层2, 2’, 7, 7’-四[N, N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)一侧迁移;随后,空穴传输层与金电极的界面处,碘离子与光生空穴一起与金电极发生反应,将金属态Au氧化成离子态Au+。而Au+离子则在内建电场的驱动下反向迁移穿过钙钛矿MAPbI3层,直接被SnO2和MAPbI3界面处的电子还原形成金属Au纳米团簇。除此之外,紫外辐照过程中钙钛矿太阳能电池性能降低的同时,往往伴随着Spiro-OMeTAD与钙钛矿界面处物质迁移、钙钛矿薄膜内晶界展宽以及Au纳米颗粒周围MAPbI3物相分解等现象。以上各种因素的协同作用,共同导致了紫外光照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换性能(PCE)、开路电压(Voc)以及短路电流(Jsc)等性能参数的急剧下降。
一维碳纳米管/二维二硫化钼混合维度异质结的原位制备及其电荷转移性能
邹菁云, 高冰, 张小品, 唐磊, 冯思敏, 金赫华, 刘碧录, 成会明
2022, 38(5): 2008037-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202008037
[摘要]  (183) [HTML全文] (183) [PDF 4330KB] (183)
摘要:
一维(1D)材料与二维(2D)材料的结合可形成独特的混合维度异质结,其在继承2D/2D范德瓦尔斯异质结的独特物性之外,还具有丰富的堆叠构型,为进一步调控异质结的结构及性能提供了新的可操控自由度。p型1D单壁碳纳米管(SWCNT)与n型2D二硫化钼(MoS2)的结合,为调控异质结的能带结构及器件性能提供了丰富的选择。本文直接在高密度、手性窄分布的SWCNT定向阵列及无序薄膜表面原位生长MoS2,制备出高质量1D SWCNT/2D MoS2混合维度异质结。深入分析形核点的表面形貌与结构,提出了“吸附-扩散-吸附”生长机制,用于解释混合维度异质结的生长。利用拉曼光谱分析,证实SWCNT与MoS2间存在显著的电荷转移作用,载流子可在界面处快速传输,为后续基于此类1D/2D异质结的新型电子及光电器件的设计与制备提供了新思路。
综述
电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展
熊岳城, 于飞, 马杰
2022, 38(5): 2006037-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202006037
[摘要]  (199) [HTML全文] (199) [PDF 3045KB] (199)
摘要:
电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na+的去除与Cl-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。
VOCs分子的半导体型传感器识别检测研究进展
刘弘禹, 孟钢, 邓赞红, 李蒙, 常鋆青, 代甜甜, 方晓东
2022, 38(5): 2008018-0  doi: 10.3866/PKU.WHXB202008018
[摘要]  (160) [HTML全文] (160) [PDF 4149KB] (160)
摘要:
具有体积小、功耗低、灵敏度高、硅工艺兼容性好等优点的金属氧化物半导体(MOS)气体传感器现已广泛地应用于军事、科研和国民经济的各个领域。然而MOS传感器的低选择性阻碍了其在物联网(IoT)时代的应用前景。为此,本文综述了解决MOS传感器选择性的研究进展,主要介绍了敏感材料性能提升、电子鼻和热调制三种改善MOS传感器选择性的技术方法,阐述了三种方法目前所存在的问题及其未来的发展趋势。同时,本文还对比介绍了机器嗅觉领域主流的主成分分析(PCA)、线性判别分析(LDA)和神经网络(NN)模式识别/机器学习算法。最后,本综述展望了具有数据降维、特征提取和鲁棒性识别分类性能的卷积神经网络(CNN)深度学习算法在气体识别领域的应用前景。基于敏感材料性能的提升、多种调制手段与阵列技术的结合以及人工智能(AI)领域深度学习算法的最新进展,将会极大地增强非选择性MOS传感器的挥发性有机化合物(VOCs)分子识别能力。

编委会

发布时间:


《物理化学学报》第4届编委会

(按拼音排序)

名誉主编

唐有祺

北京大学

顾问编委

包信和

中国科学院大连化学物理研究所

段雪

北京化工大学

付贤智

福州大学

侯建国

中国科学技术大学

黄维

南京工业大学

LIEBER Charles M.

Harvard University

田中群

厦门大学

万立骏

中国科学院化学研究所

吴云东

北京大学

谢晓亮

Harvard University, 北京大学

杨伟涛

 Duke University

姚建年

中国科学院化学研究所

赵新生

北京大学

主编

刘忠范

北京大学

副主编

韩布兴

中国科学院化学研究所

刘鸣华

国家纳米科学中心

申文杰

中国科学院大连化学物理研究所

吴凯

北京大学

杨金龙

中国科学技术大学

庄林

武汉大学

迟力峰

苏州大学

编委

曹勇

复旦大学

陈经广

University of Delaware

陈军

南开大学

崔屹

Stanford University

邓风

中国科学院武汉物理与数学研究所

邓友全

中国科学院兰州化学物理研究所

樊卫斌

中国科学院山西煤炭化学研究所

房喻

陕西师范大学

付红兵

中国科学院化学研究所

傅强

中国科学院大连化学物理研究所

高毅勤

北京大学

郭林

北京航空航天大学

郝京诚

山东大学

侯文华

南京大学

金荣超

Carnegie Mellon University

来鲁华

北京大学

李朝军

McGill University

李隽

清华大学

李象远

四川大学

梁万珍

厦门大学

刘海超

北京大学

刘洪来

华东理工大学

刘述斌

University of North Carolina

刘义

武汉大学

刘志敏

中国科学院化学研究所

罗小民

中国科学院上海药物研究所

马晶

南京大学

孟庆波

中国科学院物理研究所

邵翔

中国科学技术大学

孙俊奇

吉林大学

谭蔚泓

湖南大学

唐智勇

国家纳米科学中心

王键吉

河南师范大学

王鹏

中国科学院长春应用化学研究所

王心晨

福州大学

王永锋

北京大学

魏子栋

重庆大学

翁羽翔

中国科学院物理研究所

吴鹏

华东师范大学

夏永姚

复旦大学

许国勤

National University of Singapore

杨俊林

国家自然科学基金委员会

余家国

武汉理工大学

尉志武

清华大学

占肖卫

北京大学

张东辉

中国科学院大连化学物理研究所

张浩力

兰州大学

张锦

北京大学

章俊良

上海交通大学

周永贵

中国科学院大连化学物理研究所

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发布时间: 2018-05-02


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发布日期:2009-06-24 浏览: