2025 Volume 41 Issue 3

第41卷第3期封面和目次
2025, 41(3):
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Abstract:
缺陷态二维超薄材料用于光/电催化CO2还原的基础与展望
Runhua Chen , Qiong Wu , Jingchen Luo , Xiaolong Zu , Shan Zhu , Yongfu Sun
2025, 41(3): 230805  doi: 10.3866/PKU.WHXB202308052
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Abstract:
太阳能、风能等可再生能源驱动的光/电催化还原二氧化碳(CO2)制碳基燃料是一种非常吸引人的资源再生和能源存储策略,这对中国实现碳达峰和碳中和战略具有重要意义。然而,CO2分子极高的热力学稳定性和极强的化学惰性导致CO2还原反应的转化效率和选择性仍然不理想,这严重限制了CO2转化技术的实际应用。得益于超薄的厚度、高比表面积和相对均一的暴露晶面等特性,二维超薄材料具有高活性、高密度以及高均一的催化位点,能够优化关键的热力学和动力学因素,进而有效改善CO2光/电还原性能。需要指出的是,缺陷态二维超薄材料中的富电子催化位点能够更高效地吸附和活化CO2分子,从而有效降低反应势垒,加速CO2还原并提高产物选择性。此外,二维超薄材料的缺陷结构也有助于催化过程中的质子传递和电子转移等行为,从而进一步提高催化剂的反应活性。本文综述了缺陷态二维超薄材料在CO2光/电催化还原方面的最新研究进展,详细介绍了几类常见的缺陷态二维超薄材料的可控制备方法和精细结构表征。结合典型实例,系统总结了表面缺陷结构对二维超薄材料的局域原子结构和电子结构的调制作用,以及对CO2还原性能的影响。最后,展望了缺陷态二维超薄材料在CO2还原领域所面临的挑战与机遇,为今后的研究提供了借鉴和启示。
高性能双金属氧化物负极的理性设计及储锂特性
Xueyu Lin , Ruiqi Wang , Wujie Dong , Fuqiang Huang
2025, 41(3): 231100  doi: 10.3866/PKU.WHXB202311005
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Abstract:
高能量密度、高功率密度的“双高”锂离子电池(LIBs)的实现依赖于创新突破高容量、高倍率及长循环寿命电极材料。插入型负极,以d0过渡金属氧化物为代表,含有强金属-氧键,表现出高循环稳定性和高倍率性能。然而,由于金属离子变价较少,其比容量相对较低。转化-合金型负极,以p区金属氧化物为代表,具备高理论比容量,但嵌锂过程中的相团聚和体积膨胀易导致容量快速衰减和倍率性能不佳。通过引入插入型或转化型功能基元构建双金属氧化物负极,可以优化电极中的电子/离子传导,从而改善循环性能和倍率性能,有望实现负极材料高容量、高倍率及长循环的统一。本文通过对各类金属氧化物中的化学键及电子结构特征进行分析,并提出一种新的图示表达方式,将负极锂离子插脱嵌的电化学反应储能过程表达为态密度(DOS)图示。文章阐述了双金属氧化物负极的多步储锂机制,并结合近期相关研究进展,为发展高容量、高倍率及高稳定的双金属化合物负极提供理论参考和实践依据。
钠离子电池中铁基异质结构负极材料的最新研究进展
Yu Guo , Zhiwei Huang , Yuqing Hu , Junzhe Li , Jie Xu
2025, 41(3): 231101  doi: 10.3866/PKU.WHXB202311015
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Abstract:
由于资源丰富、价格低廉以及较高比容量,铁(Fe)基材料在钠离子电池负极材料中具有广泛应用前景。然而,Fe基负极材料存在电导率低和在充放电过程中发生的较大体积变化等问题,导致其倍率性能和循环稳定性较差,严重限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。构建具有异质结构的Fe基电极材料对提高电导率、增强动力学特性、以及缓解循环过程中由于较大体积变化引起的结构破坏至关重要,从而显著提高Fe基电极材料的综合电化学性能。本文详细综述了具有异质结构的Fe基负极材料在钠离子电池中的研究进展,重点阐述了异质结构Fe基电极材料的合成方法、表征手段和储能机制。同时,对异质结构Fe基氧化物、硫化物、磷化物、硒化物负极材料以及双阴离子Fe基负极材料的储钠特性、改性策略和强化机制等最新研究进展进行归纳。最后,对Fe基异质结构负极材料面临的挑战和发展前景进行总结,以期促进Fe基异质结构钠离子电池负极材料的快速发展和实际应用。
基于低维材料的自供电光电探测器研究进展
Yuhang Zhang , Weiwei Zhao , Hongwei Liu , Junpeng Lü
2025, 41(3): 231000  doi: 10.3866/PKU.WHXB202310004
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Abstract:
自供电光电探测器可在无外部供能时将入射光信号转换为电信号,实现光探测功能。结合低维材料可将自供电光电探测器尺寸缩小至微纳量级,从而进一步实现器件的微型化和集成化。本文介绍了基于自供电技术的低维材料光电探测器的架构及工作原理,总结了当前自供电光电探测器应用进展,讨论了自供电光电探测器未来的发展方向与存在的问题,希望能为新型自供电光电探测器的材料选择和开发提供参考。
荷叶衍生多孔碳的零电荷电位调节实现废水中电化学捕集镉离子
Ping Ye , Lingshuang Qin , Mengyao He , Fangfang Wu , Zengye Chen , Mingxing Liang , Libo Deng
2025, 41(3): 231103  doi: 10.3866/PKU.WHXB202311032
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Abstract:
随着电池、电镀和采矿业的发展,镉(Cd2+)等重金属离子被大量排放,对环境造成严重威胁。由于废水中Cd2+浓度低,传统的去除技术存在动力学慢、二次污染等问题。因此,本文通过微波热解和KOH活化工艺,制备了荷叶衍生碳,开发了基于生物质衍生碳、不对称结构的电容性去离子(CDI)系统。结果表明,获得的纳米片状薄碳(NSTC-3)具有3705.0 m2∙g-1的超高比表面积,在0.5 A∙g-1电流密度下展现了92.5 F∙g-1的比电容(NSTC-3为工作电极,商业活性炭YP-50F为对电极)。分别以YP-50F、NSTC-3为阳极和阴极,在1.2 V电压下,实现了88.6 mgCd·gcathode-1的电吸附容量(Cd2+的初始浓度为100 mg∙L-1),比对称构型(NSTC-3//NSTC-3)的性能提高了36.3%。优异的去除性能和良好的循环稳定性归因于电极表面电荷性质的调控和不对称电极结构的构建,从而最大限度地减少了同离子排斥,调节了电极电势分布。本研究为设计生物炭基电化学水处理工艺提供了新思路。
碳修饰的铜催化剂实现安培级电流电化学还原CO2制C2+产物
Xue Dong , Xiaofu Sun , Shuaiqiang Jia , Shitao Han , Dawei Zhou , Ting Yao , Min Wang , Minghui Fang , Haihong Wu , Buxing Han
2025, 41(3): 240401  doi: 10.3866/PKU.WHXB202404012
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Abstract:
铜基电催化剂在CO2还原反应(CO2RR)中产高附加值产物的潜力巨大,是实现碳负排放的一种很有前景的途径。同时,安培级电流是实现多碳(C2+)产业化的关键。然而,由于复杂的电子传递过程和不可避免的副反应,工业电流密度下的C2+选择性仍然不令人满意。在此,我们开发了一种碳修饰策略来优化局部环境并调节中间产物在Cu活性位点的吸附。结果表明,Cu-Cx催化剂(x为催化剂中C的原子百分数)能有效催化CO2RR生成C2+产物。特别是在流动池中,Cu-C6%在-0.72 V vs. RHE(相对可逆氢电极)条件下,电流密度可达1.25 A∙cm-2, C2H4和C2+产物的法拉第效率(FE)分别可达54.4%和80.2%。原位光谱分析和密度泛函理论(DFT)计算表明,C的存在调节了*CO在Cu表面的吸附,降低了C―C耦合的能垒,从而促进了C2+产物的生成。
石墨烯厚膜热扩散系数与微观结构的关系
Tianqi Bai , Kun Huang , Fachen Liu , Ruochen Shi , Wencai Ren , Songfeng Pei , Peng Gao , Zhongfan Liu
2025, 41(3): 240402  doi: 10.3866/PKU.WHXB202404024
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Abstract:
电子元件集成度的快速提升对器件热管理提出了更高的要求。石墨烯凭借其出色的导热性能成为备受关注的材料之一。目前制备高热导率石墨烯厚膜的主流方法是将氧化石墨烯组装成膜再还原,尽管前人的研究取得了突出成效,但截止目前仍未能完全理解石墨烯膜内部缺陷结构对热导率的具体影响机制,这将限制热导率的进一步提升,达到或超过1500 W·m-1·K-1。在氧化石墨烯膜的热还原过程中,不可避免地会形成一些孔洞结构,通过降低整体密度的方式降低热导率。热扩散系数作为决定热导率大小的另一因素,孔洞对其影响因素却尚未被研究过。在这里,我们定义了包含孔洞的石墨烯膜材料特有的本征热扩散系数,并通过多种电子显微学方法、热扩散系数的测试和有限元模拟,详细研究了石墨烯厚膜的本征热扩散系数与微观结构之间的关联。我们旨在阐明孔洞对热扩散系数以及热导率的影响方式和作用机制。研究结果揭示了不同尺寸和数量的孔洞对热扩散系数的影响,发现密集小孔洞结构可使热扩散系数降低39.4%,而同等面积的单一大孔洞结构对热扩散系数的降低仅约16.1%。通过三维重构获得的统计结论也与计算结果完全匹配。其内在机制是密集小孔洞结构的存在对原有传热路径的破坏更为严重,而单一大孔洞结构的这一作用则相对较弱,只是降低了整体密度从而降低热导率。此外,研究发现面外结晶性对热扩散系数有显著影响,进一步增进了对影响热扩散系数的微观机理的认识。通过阐明这些机制,我们的研究加深了对石墨烯厚膜微观结构与热学性能关联的理解,为生产超高热导率的石墨烯厚膜提供了重要信息,也为下一代电子器件热管理解决方案提供了有效策略。
MOF模板法合成氮掺杂碳材料用于增强电化学钠离子储存和去除
Zhuo Wang , Xue Bai , Kexin Zhang , Hongzhi Wang , Jiabao Dong , Yuan Gao , Bin Zhao
2025, 41(3): 240500  doi: 10.3866/PKU.WHXB202405002
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Abstract:
电极材料在电容去离子技术中起到决定性作用,影响着盐离子的去除和电荷储存能力。本文通过碳化MOF-5和三聚氰胺的混合物,成功制备了氮掺杂的分级多孔碳,其中三聚氰胺起着氮源和造孔剂的双重作用。通过优化碳化温度,得到的MOF-5衍生纳米多孔碳(NPC-800),其不但保持着MOF-5原始的立方体形貌、还具有大的比表面积、高氮含量和良好的润湿性。NPC-800电极在0.2 A·g-1电流密度下具有91.8 mAh·g-1的高比容量。在5 A·g-1的电流密度下循环50000次,容量保持率为100%,展现出超长的循环稳定性。在500 mg·L-1的NaCl溶液,施加恒压1.2 V,NPC-800电极具有高的脱盐容量24.17 mg·g-1,快的脱盐速度2.8 mg·g-1·min-1和较稳定的再生循环能力。因此,以金属有机框架为模板合成氮掺杂的碳材料,能够有效增强钠离子的电化学储存和去除能力,有望成为电容去离子电极材料的最佳选择。
氰基修饰的苝二酰亚胺衍生物作为膜厚不敏感型阴极界面材料用于高效有机太阳能电池
Yikai Wang , Xiaolin Jiang , Haoming Song , Nan Wei , Yifan Wang , Xinjun Xu , Cuihong Li , Hao Lu , Yahui Liu , Zhishan Bo
2025, 41(3): 240600  doi: 10.3866/PKU.WHXB202406007
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Abstract:
开发膜厚不敏感型阴极界面材料是当前有机太阳能电池(OSCs)研究的重点和难点之一。在本研究中,我们设计并合成了一种低成本的氰基修饰的苝二酰亚胺衍生物PDINBrCN作为阴极界面层材料,PDINBrCN表现出良好的加工性和调节电极功函数的能力,当用作D18:L8-BO器件中的阴极界面层时,PDINBrCN在10 nm的膜厚度下实现了18.83%的光电转换效率(PCE),即使当膜厚度增加到50 nm时,器件仍然保持17.90%的PCE。因此,PDINBrCN有望成为一种高效、低成本的阴极界面层材料。
前驱体机械压实制备高密度活性炭及其致密电容储能性能
Qiqi Li , Su Zhang , Yuting Jiang , Linna Zhu , Nannan Guo , Jing Zhang , Yutong Li , Tong Wei , Zhuangjun Fan
2025, 41(3): 240600  doi: 10.3866/PKU.WHXB202406009
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Abstract:
大比表面积活性炭的密度普遍较低、体积储能性能不佳,难以满足超级电容器的小型化发展需求。针对此,本工作提出在活化前对炭前驱体进行机械压实以提高活性炭密度的普适性方法,并研究了机械压实对由外而内活化(炭粉/KOH混合物)和均匀离子活化(热解含钾盐类)所制备活性炭的比表面积、孔结构和电容储能性能的影响规律。结果表明,对前驱体进行机械压实能够提高活化反应效率、活性炭密度和体积电容储能性能。随着机械压力升高,由外而内活化所得活性炭的比表面积和孔隙率先升高后降低,原因在于机械压实能够消除颗粒间的空隙以增加前驱体与活化剂之间的接触,进而显著提高了活化效率。对于均匀离子活化,活性炭的比表面积和孔隙率呈现先降低后升高的趋势,这可能是由于致密前驱体抑制了热解过程中产生的活性气体分子(H2O、CO2等)快速散逸,使之继续参与活化反应,提高了活化刻蚀效率。本工作为大比表面积和高密度活性炭的设计制备提供了简单思路。
NbSe2纳米片优化钙钛矿太阳能电池的埋底界面
Pengyu Dong , Yue Jiang , Zhengchi Yang , Licheng Liu , Gu Li , Xinyang Wen , Zhen Wang , Xinbo Shi , Guofu Zhou , Jun-Ming Liu , Jinwei Gao
2025, 41(3): 240702  doi: 10.3866/PKU.WHXB202407025
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Abstract:
有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)因其优异的光伏性能和低成本制造工艺成为下一代太阳能电池的有利候选者。其中,氧化锡(SnO2)具有优异电荷迁移率和电子提取效率,广泛用作钙钛矿太阳电池的电子传输层(ETL),相应的n-i-p型单结钙钛矿器件已获得高达26.21%的认证效率。SnO2层作为钙钛矿薄膜生长的基底,对钙钛矿埋底界面的形成和薄膜的结晶质量起着决定性作用。然而,由于SnO2和钙钛矿的热膨胀系数存在差异,在后续的退火过程不可避免地会在钙钛矿薄膜中产生残余应力导致晶格畸变,这严重影响了电池的光电性能和稳定性。针对残余应力释放问题,研究人员将不同的聚合物和小分子作为缓冲层应用于SnO2/钙钛矿界面,并取得了一些进展。而与这些绝缘材料相比,二维(2D)纳米片具有高载流子迁移率、宽带隙和优异光吸收性能等特性,是很有前景的界面材料。尤其,2D NbSe2纳米片具有溶液可加工性、高固有电导率以及干净光滑表面(即没有悬空键)等优点。因此,本工作在SnO2/钙钛矿界面引入2D NbSe2纳米片以释放钙钛矿薄膜中的残余拉伸应变,并构建更匹配的能级排列结构。最终,我们制备出了高质量的钙钛矿薄膜,并将钙钛矿太阳能电池效率从21.81%提高到24.05%。另外,文本的未封装电池在大气条件下老化1000 h后,仍保持了91%的初始效率。
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