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2025 Volume 41 Issue 5
2025, 41(5): 100041
doi: 10.1016/j.actphy.2024.100041
Abstract:
界面双电层是电催化反应的核心区域。催化剂表面原子、反应物、中间体、产物、溶剂分子和离子等组分，共同构成了复杂的动态反应网络。这种特殊的组成和结构赋予界面双电层以特殊的性质，深刻地影响了电催化反应的路径与结果。本文将以电催化反应中的双电层为主要研究对象，围绕双电层理论模型及其历史沿革、双电层的实验表征方法和双电层对电催化反应的影响这三个方面，以若干电催化反应前沿研究为例，阐述双电层与电催化反应之间的关联，并介绍一些特定情形下电催化双电层研究的研究方法和研究逻辑。
界面双电层是电催化反应的核心区域。催化剂表面原子、反应物、中间体、产物、溶剂分子和离子等组分，共同构成了复杂的动态反应网络。这种特殊的组成和结构赋予界面双电层以特殊的性质，深刻地影响了电催化反应的路径与结果。本文将以电催化反应中的双电层为主要研究对象，围绕双电层理论模型及其历史沿革、双电层的实验表征方法和双电层对电催化反应的影响这三个方面，以若干电催化反应前沿研究为例，阐述双电层与电催化反应之间的关联，并介绍一些特定情形下电催化双电层研究的研究方法和研究逻辑。
2025, 41(5): 100044
doi: 10.1016/j.actphy.2024.100044
Abstract:
氢能是一种来源广泛、灵活高效的二次能源，同时也是一种重要的能源介质。目前，低成本、高密度的储氢技术被认为是制约氢能产业规模化发展的瓶颈。有机液体储氢具有质量储氢密度高、液体储运安全以及易于长距离运输等优势，受到研究者的广泛关注。然而，与发展相对成熟的加氢工艺相比，有机液体氢载体脱氢过程仍存在反应温度高、效率低等难题。解决上述问题的关键在于开发高效的脱氢催化剂。近年来，碳基催化剂因其具有活性组分高分散、碳载体组成结构及表面理化性质可调、导电导热性能优异等特点，在有机液体氢载体脱氢反应中表现出优异的反应性能。本文首先详细分析了以环己烷、甲基环己烷、十氢化萘、十二氢乙基咔唑等为代表的有机液体氢载体脱氢热力学、动力学及常用氢载体的理化性质，总结了活性炭、碳纳米管、碳纤维、还原氧化石墨烯等作为催化剂载体的独特优势，并从碳基催化剂结构特点、催化性能、构效关系及脱氢反应机理等方面进行归纳和分析。在此基础上，提出了有机液体储氢领域面临的主要挑战，展望了碳载体的改性及粉体成型、反应机理以及化工过程强化的研究是该领域未来发展的重要方向。
氢能是一种来源广泛、灵活高效的二次能源，同时也是一种重要的能源介质。目前，低成本、高密度的储氢技术被认为是制约氢能产业规模化发展的瓶颈。有机液体储氢具有质量储氢密度高、液体储运安全以及易于长距离运输等优势，受到研究者的广泛关注。然而，与发展相对成熟的加氢工艺相比，有机液体氢载体脱氢过程仍存在反应温度高、效率低等难题。解决上述问题的关键在于开发高效的脱氢催化剂。近年来，碳基催化剂因其具有活性组分高分散、碳载体组成结构及表面理化性质可调、导电导热性能优异等特点，在有机液体氢载体脱氢反应中表现出优异的反应性能。本文首先详细分析了以环己烷、甲基环己烷、十氢化萘、十二氢乙基咔唑等为代表的有机液体氢载体脱氢热力学、动力学及常用氢载体的理化性质，总结了活性炭、碳纳米管、碳纤维、还原氧化石墨烯等作为催化剂载体的独特优势，并从碳基催化剂结构特点、催化性能、构效关系及脱氢反应机理等方面进行归纳和分析。在此基础上，提出了有机液体储氢领域面临的主要挑战，展望了碳载体的改性及粉体成型、反应机理以及化工过程强化的研究是该领域未来发展的重要方向。
2025, 41(5): 100039
doi: 10.1016/j.actphy.2024.100039
Abstract:
光催化一氧化氮(NO)转化技术具有高效、经济、环保的特点，可以使用g-C3N4去除NO。通过微观结构调控在g-C3N4表面引入新的吸附位点可以改变g-C3N4与气体分子之间的构效关系，从而提高光催化NO转化活性并抑制NO2的产生。然而，很少有综述文章关注g-C3N4基材料微观结构变化对NO和O2的吸附和活化的微观影响。这对NO转化领域的材料设计工作以及从根本上提高NO转化活性和选择性的策略具有重要指导意义。因此，我们的工作系统地总结了通过微观结构调控引入吸附和活化位点的策略，并强调了这些位点在光催化NO转化过程中的作用。目的是阐明吸附和活化位点对吸附行为的影响以及这些位点与反应路径之间的相关性。最后，介绍了提高g-C3N4在光催化NO转化领域的吸附和活化水平的发展趋势和未来前景，以期为g-C3N4基光催化材料的开发和实际应用提供重要参考。
光催化一氧化氮(NO)转化技术具有高效、经济、环保的特点，可以使用g-C3N4去除NO。通过微观结构调控在g-C3N4表面引入新的吸附位点可以改变g-C3N4与气体分子之间的构效关系，从而提高光催化NO转化活性并抑制NO2的产生。然而，很少有综述文章关注g-C3N4基材料微观结构变化对NO和O2的吸附和活化的微观影响。这对NO转化领域的材料设计工作以及从根本上提高NO转化活性和选择性的策略具有重要指导意义。因此，我们的工作系统地总结了通过微观结构调控引入吸附和活化位点的策略，并强调了这些位点在光催化NO转化过程中的作用。目的是阐明吸附和活化位点对吸附行为的影响以及这些位点与反应路径之间的相关性。最后，介绍了提高g-C3N4在光催化NO转化领域的吸附和活化水平的发展趋势和未来前景，以期为g-C3N4基光催化材料的开发和实际应用提供重要参考。
2025, 41(5): 100049
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100049
Abstract:
甲醇水蒸气重整(methanol steam reforming, MSR)反应是实现甲醇在线制氢的重要途径，在清洁能源应用中具有重要作用。MSR反应中的催化性能直接影响氢气产量和副产物组成，其中Cu基和Pt基催化剂被广泛研究。其催化机制主要涉及甲醇和水分子中C―H和O―H键的断裂。Cu基催化剂的活性依赖于Cu0和Cu+位点的比例及协同作用，Pt基催化剂则通过Pt0、Ptδ+或Pt2+活性位点与氧空位的相互作用发挥作用。然而，活性金属与载体之间的电子转移及相互作用机制仍存争议，影响金属价态、吸附位点及反应路径选择，特别是在甲醇脱氢生成中间产物(如甲醛、甲酸和甲酸甲酯)的反应路径上，尚未形成统一认识。本文总结了Cu0与Cu+的单位点与协同位点机制，探讨了Pt基催化剂的直接路径与协同路径，分析In2O3等对Pt位点调控及氧空位生成的促进作用。通过催化性能评估与机理研究，提出了优化催化剂活性和稳定性的策略。本综述不仅深化了对MSR反应机理的理解，还为高效催化剂的设计提供了理论基础和研究方向。
甲醇水蒸气重整(methanol steam reforming, MSR)反应是实现甲醇在线制氢的重要途径，在清洁能源应用中具有重要作用。MSR反应中的催化性能直接影响氢气产量和副产物组成，其中Cu基和Pt基催化剂被广泛研究。其催化机制主要涉及甲醇和水分子中C―H和O―H键的断裂。Cu基催化剂的活性依赖于Cu0和Cu+位点的比例及协同作用，Pt基催化剂则通过Pt0、Ptδ+或Pt2+活性位点与氧空位的相互作用发挥作用。然而，活性金属与载体之间的电子转移及相互作用机制仍存争议，影响金属价态、吸附位点及反应路径选择，特别是在甲醇脱氢生成中间产物(如甲醛、甲酸和甲酸甲酯)的反应路径上，尚未形成统一认识。本文总结了Cu0与Cu+的单位点与协同位点机制，探讨了Pt基催化剂的直接路径与协同路径，分析In2O3等对Pt位点调控及氧空位生成的促进作用。通过催化性能评估与机理研究，提出了优化催化剂活性和稳定性的策略。本综述不仅深化了对MSR反应机理的理解，还为高效催化剂的设计提供了理论基础和研究方向。
2025, 41(5): 100040
doi: 10.1016/j.actphy.2024.100040
Abstract:
热电池作为一种一次贮备电池，具有高比能、高功率密度等优势，然而开发高比容量与高热稳定性的新型正极材料以适应新时期的热电池需求仍然存在巨大的挑战。Wadsley-Roth晶体剪切结构的铌钨氧化物作为锂离子电池负极材料表现出优异的倍率和循环循环性，其中Nb12WO33因内部具有独特的3D隧道，可以为Li+提供快速的脱嵌通道，因而具有优异的储锂性能。鉴于其具有较好的热稳定性及电化学稳定性，本文首次提出将Nb12WO33作为热电池正极材料，并在室温下使用电化学阻抗谱(EIS)来探究材料内部电子电导率阻抗变化规律。研究发现Nb12WO33电极电化学阻抗谱测试的Nyquist图显示在工作平台电位范围内，高、中频区出现了三个圆弧的独特现象，这主要归属于电子在Nb12WO33电极内部的传导，而与电子电导相关的电阻呈现先增大后降低的规律。采用该材料构筑的热电池单体电池在500 °C、500 mA∙g-1的电流密度(截止电压1.5 V)下放电，其具有436.8 mAh∙g-1的高比容量，脉冲放电的平均极化内阻为0.52 Ω。因此，Nb12WO33作为高比容量、高热稳定性热电池的正极材料非常具有潜力，本研究为其他铌钨氧化物作为热电池正极材料的研究开辟了新道路。
热电池作为一种一次贮备电池，具有高比能、高功率密度等优势，然而开发高比容量与高热稳定性的新型正极材料以适应新时期的热电池需求仍然存在巨大的挑战。Wadsley-Roth晶体剪切结构的铌钨氧化物作为锂离子电池负极材料表现出优异的倍率和循环循环性，其中Nb12WO33因内部具有独特的3D隧道，可以为Li+提供快速的脱嵌通道，因而具有优异的储锂性能。鉴于其具有较好的热稳定性及电化学稳定性，本文首次提出将Nb12WO33作为热电池正极材料，并在室温下使用电化学阻抗谱(EIS)来探究材料内部电子电导率阻抗变化规律。研究发现Nb12WO33电极电化学阻抗谱测试的Nyquist图显示在工作平台电位范围内，高、中频区出现了三个圆弧的独特现象，这主要归属于电子在Nb12WO33电极内部的传导，而与电子电导相关的电阻呈现先增大后降低的规律。采用该材料构筑的热电池单体电池在500 °C、500 mA∙g-1的电流密度(截止电压1.5 V)下放电，其具有436.8 mAh∙g-1的高比容量，脉冲放电的平均极化内阻为0.52 Ω。因此，Nb12WO33作为高比容量、高热稳定性热电池的正极材料非常具有潜力，本研究为其他铌钨氧化物作为热电池正极材料的研究开辟了新道路。
2025, 41(5): 100050
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100050
Abstract:
最近，电子自旋极化作为抑制光生电荷快速复合的一种策略受到了广泛的关注。然而，自旋极化调控主要关注于单个光催化材料，光生电荷分离的效率依然有待进一步提高。于此，本文构建了ZnFe1.2Co0.8O4(ZFCO)/BiVO4(BVO)异质结，通过S型异质结和自旋极化作用协同促进光生电荷分离，在外部磁场下进一步促进了光催化去除有机物污染物的性能。实验结果表明，在光照下，ZB-1.5 (ZFCO : BVO = 3 : 2)表现出最佳性能，四环素(TC)降解的反应速率常数(k)为0.0146 min-1。在光照和磁场条件下，ZB-1.5的TC降解反应速率常数(k)为0.0175 min-1，其光催化性能得到了进一步提升。研究表明这是由于电子自旋极化和S型电荷分离机制协同促进了光生电荷分离。DFT计算表明，ZFCO在费米能级附近出现了明显的自旋极化现象。光致发光光谱(PL)表明，S型异质结提高了电荷分离效率。此外，评估了可能的降解路径和毒性，表明成功实现了脱毒。这项工作为利用S型异质结开发具有高效光生电荷分离的光催化剂提供了一种研究思路。
最近，电子自旋极化作为抑制光生电荷快速复合的一种策略受到了广泛的关注。然而，自旋极化调控主要关注于单个光催化材料，光生电荷分离的效率依然有待进一步提高。于此，本文构建了ZnFe1.2Co0.8O4(ZFCO)/BiVO4(BVO)异质结，通过S型异质结和自旋极化作用协同促进光生电荷分离，在外部磁场下进一步促进了光催化去除有机物污染物的性能。实验结果表明，在光照下，ZB-1.5 (ZFCO : BVO = 3 : 2)表现出最佳性能，四环素(TC)降解的反应速率常数(k)为0.0146 min-1。在光照和磁场条件下，ZB-1.5的TC降解反应速率常数(k)为0.0175 min-1，其光催化性能得到了进一步提升。研究表明这是由于电子自旋极化和S型电荷分离机制协同促进了光生电荷分离。DFT计算表明，ZFCO在费米能级附近出现了明显的自旋极化现象。光致发光光谱(PL)表明，S型异质结提高了电荷分离效率。此外，评估了可能的降解路径和毒性，表明成功实现了脱毒。这项工作为利用S型异质结开发具有高效光生电荷分离的光催化剂提供了一种研究思路。
2025, 41(5): 100042
doi: 10.1016/j.actphy.2024.100042
Abstract:
金属卤化物钙钛矿由于其多维度的晶体结构和优良的荧光成像/示踪及光电转换性质，使其成为一种非常具有前瞻性的光电增效治疗肿瘤材料。然而，传统卤化物钙钛矿纳米晶的水稳定性问题，限制了其应用于生物成像和光电增效肿瘤治疗的药物递送纳米系统研究。本文将甲氨蝶呤-壳聚糖-叶酸(MTX-CS-FA)成功与钙钛矿纳米晶体CsSn0.5Pb0.5Br3 (PeNCs)铆钉连接，制备出了可以在水中稳定228 d且发绿光的PeNCs@MTX-CS-FA纳米载药体系。在可见光照射下，新型PeNCs@MTX-CS-FA纳米载药体系增效抗肿瘤治疗原理：钙钛矿纳米晶体产生电子和活性氧(ROS)；钙钛矿光生空穴耗竭过表达的谷胱甘肽(GSH)；甲氨蝶呤(MTX)抑制二氢叶酸还原酶(DHFR)活性，导致肿瘤细胞的脂质过氧化，上述三点共同作用抑制肿瘤细胞的增殖、促进肿瘤细胞凋亡。在动物体内实验中，采用小鼠移植肿瘤模型，累积用药量达2.4 mg PeNCs@MTX-CS-FA纳米载药系统时，肿瘤体积减少了约63.68%和肿瘤重量下降了约63.26%。通过生物安全性评估实验证实，在治疗剂量下，小鼠肝、肾等器官功能正常，说明纳米体系具有良好的生物安全性，并且研究发现钙钛矿纳米颗粒经小鼠肠道排出，小鼠粪便呈现出与原始钙钛矿晶体相同的绿色荧光，金属卤化物钙钛矿纳米载药体系在生物成像和光电催化化疗方面呈现优异的增效抗肿瘤治疗效果。
金属卤化物钙钛矿由于其多维度的晶体结构和优良的荧光成像/示踪及光电转换性质，使其成为一种非常具有前瞻性的光电增效治疗肿瘤材料。然而，传统卤化物钙钛矿纳米晶的水稳定性问题，限制了其应用于生物成像和光电增效肿瘤治疗的药物递送纳米系统研究。本文将甲氨蝶呤-壳聚糖-叶酸(MTX-CS-FA)成功与钙钛矿纳米晶体CsSn0.5Pb0.5Br3 (PeNCs)铆钉连接，制备出了可以在水中稳定228 d且发绿光的PeNCs@MTX-CS-FA纳米载药体系。在可见光照射下，新型PeNCs@MTX-CS-FA纳米载药体系增效抗肿瘤治疗原理：钙钛矿纳米晶体产生电子和活性氧(ROS)；钙钛矿光生空穴耗竭过表达的谷胱甘肽(GSH)；甲氨蝶呤(MTX)抑制二氢叶酸还原酶(DHFR)活性，导致肿瘤细胞的脂质过氧化，上述三点共同作用抑制肿瘤细胞的增殖、促进肿瘤细胞凋亡。在动物体内实验中，采用小鼠移植肿瘤模型，累积用药量达2.4 mg PeNCs@MTX-CS-FA纳米载药系统时，肿瘤体积减少了约63.68%和肿瘤重量下降了约63.26%。通过生物安全性评估实验证实，在治疗剂量下，小鼠肝、肾等器官功能正常，说明纳米体系具有良好的生物安全性，并且研究发现钙钛矿纳米颗粒经小鼠肠道排出，小鼠粪便呈现出与原始钙钛矿晶体相同的绿色荧光，金属卤化物钙钛矿纳米载药体系在生物成像和光电催化化疗方面呈现优异的增效抗肿瘤治疗效果。
2025, 41(5): 100045
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100045
Abstract:
高导热石墨烯膜是近年来备受关注的高功率电子器件用散热材料。导热系数作为一项评价其基础性能的重要参数，实现其精确测量对于理解材料基础物性、优化制备工艺以及实际工程应用都具有重要意义。然而，现有的商业化导热测试设备，囿于测试原理、样品尺寸等因素，难以同时实现高效、准确、可靠的测量。开发操作简便、测试快捷、精度优异、可跨尺度的测量方案仍是一个重要挑战。本文提出基于稳态电热法的石墨烯膜导热系数的精确可靠测量方法，结合实验测试与仿真模拟，基于原理分析、测试优化、数据处理等三个方面，显著提升导热测量的精度与效率。测量结果的准确性受到热损校正、样品尺寸、系统设计以及数据处理等四方面因素影响。实验结果表明，热辐射和热对流引起的热损失会影响样品的温度分布和测量结果，可通过控制样品尺寸和温升来控制。对实验数据进行筛选和预处理也可以有效提高测量精度。通过实验与仿真结合，我们提出了可行的操作指南与标准化的测试方案。通过优化，该方法测量误差低于3.0%，不确定性降至0.5%，响应时间达毫秒级。本工作为准确评估材料导热性能提供有益指导，也为导热材料的热管理工程应用提供技术支撑。
高导热石墨烯膜是近年来备受关注的高功率电子器件用散热材料。导热系数作为一项评价其基础性能的重要参数，实现其精确测量对于理解材料基础物性、优化制备工艺以及实际工程应用都具有重要意义。然而，现有的商业化导热测试设备，囿于测试原理、样品尺寸等因素，难以同时实现高效、准确、可靠的测量。开发操作简便、测试快捷、精度优异、可跨尺度的测量方案仍是一个重要挑战。本文提出基于稳态电热法的石墨烯膜导热系数的精确可靠测量方法，结合实验测试与仿真模拟，基于原理分析、测试优化、数据处理等三个方面，显著提升导热测量的精度与效率。测量结果的准确性受到热损校正、样品尺寸、系统设计以及数据处理等四方面因素影响。实验结果表明，热辐射和热对流引起的热损失会影响样品的温度分布和测量结果，可通过控制样品尺寸和温升来控制。对实验数据进行筛选和预处理也可以有效提高测量精度。通过实验与仿真结合，我们提出了可行的操作指南与标准化的测试方案。通过优化，该方法测量误差低于3.0%，不确定性降至0.5%，响应时间达毫秒级。本工作为准确评估材料导热性能提供有益指导，也为导热材料的热管理工程应用提供技术支撑。
2025, 41(5): 100046
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100046
Abstract:
面对由病原微生物感染引发疾病所带来的紧迫挑战，开发新型且高效的抗菌策略已成为当务之急。尽管光动力治疗在抗菌治疗领域已得到广泛应用，但在精确调控光敏剂结构以实现高效光动力性能方面仍存在一定的挑战。本文中，我们将铂单原子(SAs)锚定在二维(2D) Al-TCPP金属-有机框架(Pt/Al-TCPP)纳米片上，并将其用作光敏剂增强活性氧(ROS)的产生，实现高效的光动力抗菌治疗。通过将Pt SAs锚定到2D Al-TCPP纳米片上，我们不仅改善了Pt SAs的分散性和稳定性，还利用了MOF晶体多孔结构与Pt SAs之间的协同作用，优化了光子功能和光捕获能力。这种结构增强了Pt SAs与卟啉连接体之间的桥接单元，促进了光照下的高效电荷转移和分离，从而增强ROS的产生。同时，除了Pt SAs的固有光动力性能之外，它的存在还能增加氧气的吸附、加速电子转移、促进电荷分离，从而提高其光动力产生ROS的效率。因此，与Al-TCPP相比，Pt/Al-TCPP光敏剂在660 nm激光照射下显示出更高的ROS生成效率。体外和体内实验均表明，在激光照射下，较低剂量的Pt/Al-TCPP纳米片能够在较短时间内有效杀灭细菌并促进伤口愈合。本研究结果为抗菌策略的开发提供了新视角，并展示了Pt/Al-TCPP纳米片作为高效伤口愈合治疗剂的潜力。
面对由病原微生物感染引发疾病所带来的紧迫挑战，开发新型且高效的抗菌策略已成为当务之急。尽管光动力治疗在抗菌治疗领域已得到广泛应用，但在精确调控光敏剂结构以实现高效光动力性能方面仍存在一定的挑战。本文中，我们将铂单原子(SAs)锚定在二维(2D) Al-TCPP金属-有机框架(Pt/Al-TCPP)纳米片上，并将其用作光敏剂增强活性氧(ROS)的产生，实现高效的光动力抗菌治疗。通过将Pt SAs锚定到2D Al-TCPP纳米片上，我们不仅改善了Pt SAs的分散性和稳定性，还利用了MOF晶体多孔结构与Pt SAs之间的协同作用，优化了光子功能和光捕获能力。这种结构增强了Pt SAs与卟啉连接体之间的桥接单元，促进了光照下的高效电荷转移和分离，从而增强ROS的产生。同时，除了Pt SAs的固有光动力性能之外，它的存在还能增加氧气的吸附、加速电子转移、促进电荷分离，从而提高其光动力产生ROS的效率。因此，与Al-TCPP相比，Pt/Al-TCPP光敏剂在660 nm激光照射下显示出更高的ROS生成效率。体外和体内实验均表明，在激光照射下，较低剂量的Pt/Al-TCPP纳米片能够在较短时间内有效杀灭细菌并促进伤口愈合。本研究结果为抗菌策略的开发提供了新视角，并展示了Pt/Al-TCPP纳米片作为高效伤口愈合治疗剂的潜力。
