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2025, 41(9):
Abstract:
2025, 41(9): 100101
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100101
Abstract:
2025, 41(9): 100108
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100108
Abstract:
由于工业和生活废水的大量排放，地表水水体中的氮污染已成为全球性的环境问题。新兴的电化学降解技术为高效降解含氮废物，如亲电污染物(硝酸盐和亚硝酸盐)和亲核污染物(尿素、氨氮和肼)提供了有前途的解决方案，同时能在电降解过程中实现增值产出。本文对污水中典型的含氮废弃物电降解过程中的升值策略进行了深入研究，重点阐释了提高价值输出效率的方法：(1) 通过构建锌-亲电性污染物电池实现能量与化学品产出；(2) 通过亲核污染物驱动的混合直接燃料电池实现能量输出；(3) 通过亲核性污染物辅助的电解水装置实现节能纯净氢能的生产；(4) 利用锌-亲核性污染物电池进行储能和制氢；(5) 通过C―N耦合反应产生有价值的化学产品。最后，我们对当前面临的挑战和未来前景进行了深入分析，以加深对先进电化学电池的理解，弥合实验试验与实际应用之间的差距。
由于工业和生活废水的大量排放，地表水水体中的氮污染已成为全球性的环境问题。新兴的电化学降解技术为高效降解含氮废物，如亲电污染物(硝酸盐和亚硝酸盐)和亲核污染物(尿素、氨氮和肼)提供了有前途的解决方案，同时能在电降解过程中实现增值产出。本文对污水中典型的含氮废弃物电降解过程中的升值策略进行了深入研究，重点阐释了提高价值输出效率的方法：(1) 通过构建锌-亲电性污染物电池实现能量与化学品产出；(2) 通过亲核污染物驱动的混合直接燃料电池实现能量输出；(3) 通过亲核性污染物辅助的电解水装置实现节能纯净氢能的生产；(4) 利用锌-亲核性污染物电池进行储能和制氢；(5) 通过C―N耦合反应产生有价值的化学产品。最后，我们对当前面临的挑战和未来前景进行了深入分析，以加深对先进电化学电池的理解，弥合实验试验与实际应用之间的差距。
2025, 41(9): 100096
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100096
Abstract:
石墨负极是目前锂离子电池中广泛使用的商品化负极材料，其在接触电解液发生储锂时会因有机电解液的还原分解而形成一层固体电解质界面膜(SEI)。该界面膜对锂离子电池的循环稳定性、快充性能、安全性能等诸多方面有着关键影响。通过在石墨表面构建一层包覆层，减少其与电解液之间的副反应并促进稳定电极界面的形成，可以提高储锂的电化学性能。表面包覆通常通过气相或液相法实现，包覆材料主要包括碳材料、锂离子导体、金属化合物和聚合物材料等体系。本文评述了不同包覆材料和方法对石墨负极性能的提升作用，分析了包覆改性策略影响电池快充性能和循环稳定性的机制，为锂离子电池负极材料的研究和开发提供了材料物理化学基础。
石墨负极是目前锂离子电池中广泛使用的商品化负极材料，其在接触电解液发生储锂时会因有机电解液的还原分解而形成一层固体电解质界面膜(SEI)。该界面膜对锂离子电池的循环稳定性、快充性能、安全性能等诸多方面有着关键影响。通过在石墨表面构建一层包覆层，减少其与电解液之间的副反应并促进稳定电极界面的形成，可以提高储锂的电化学性能。表面包覆通常通过气相或液相法实现，包覆材料主要包括碳材料、锂离子导体、金属化合物和聚合物材料等体系。本文评述了不同包覆材料和方法对石墨负极性能的提升作用，分析了包覆改性策略影响电池快充性能和循环稳定性的机制，为锂离子电池负极材料的研究和开发提供了材料物理化学基础。
2025, 41(9): 100117
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100117
Abstract:
过氧化氢(H2O2)是100种最重要的化学品之一，广泛应用于漂白、消毒和合成化学等行业。最近，它被用作直接燃料电池的燃料。当前的H2O2生产依赖于苛刻的蒽醌氧化法。从环境、可持续性和经济角度来看，光催化H2O2生产是一种更有利的替代方法。该过程需要水和分子氧作为输入，并以阳光为唯一能源。尽管有这些优点，该技术的实际应用仍然具有挑战性。最常见的瓶颈是光催化剂的不足、上坡热力学、缓慢的过程动力学以及竞争性反应和逆向反应。本文讨论了这些局限性，并重点提出了提高效率和选择性的建议观点，旨在为大规模H2O2光生产铺平道路。
过氧化氢(H2O2)是100种最重要的化学品之一，广泛应用于漂白、消毒和合成化学等行业。最近，它被用作直接燃料电池的燃料。当前的H2O2生产依赖于苛刻的蒽醌氧化法。从环境、可持续性和经济角度来看，光催化H2O2生产是一种更有利的替代方法。该过程需要水和分子氧作为输入，并以阳光为唯一能源。尽管有这些优点，该技术的实际应用仍然具有挑战性。最常见的瓶颈是光催化剂的不足、上坡热力学、缓慢的过程动力学以及竞争性反应和逆向反应。本文讨论了这些局限性，并重点提出了提高效率和选择性的建议观点，旨在为大规模H2O2光生产铺平道路。
2025, 41(9): 100118
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100118
Abstract:
随着超快激光技术的不断发展，时间分辨光谱技术已成为研究太阳能转化与利用领域中超快时间尺度下微观光物理机制的重要工具。瞬态吸收光谱(Transient Absorption Spectroscopy, TAS)作为研究光诱导超快电子转移与载流子动力学过程的重要技术，具有揭示光生载流子产生、分离、传输及复合等关键动力学过程的独特优势。本文围绕光-化学能转换和光-电能转换，概述了TAS技术在光催化和太阳能电池两大主要太阳能转化与利用领域的应用。首先，根据光催化(侧重载流子迁移参与表面反应)与太阳能电池(强调载流子界面分离效率)对载流子的不同需求，分别从电子调控、空穴调控和表界面过程三个方面概括了促进载流子迁移利用的设计策略与研究进展。然后，特别关注了原位光谱在光-电-热等复杂应用条件下对能源转换微观过程及性能的影响机制。最后，总结了对太阳能转化与利用领域基础研究的前瞻性发展方向，为太阳能转化材料、反应、器件的理性设计与性能优化提供理论支持。
随着超快激光技术的不断发展，时间分辨光谱技术已成为研究太阳能转化与利用领域中超快时间尺度下微观光物理机制的重要工具。瞬态吸收光谱(Transient Absorption Spectroscopy, TAS)作为研究光诱导超快电子转移与载流子动力学过程的重要技术，具有揭示光生载流子产生、分离、传输及复合等关键动力学过程的独特优势。本文围绕光-化学能转换和光-电能转换，概述了TAS技术在光催化和太阳能电池两大主要太阳能转化与利用领域的应用。首先，根据光催化(侧重载流子迁移参与表面反应)与太阳能电池(强调载流子界面分离效率)对载流子的不同需求，分别从电子调控、空穴调控和表界面过程三个方面概括了促进载流子迁移利用的设计策略与研究进展。然后，特别关注了原位光谱在光-电-热等复杂应用条件下对能源转换微观过程及性能的影响机制。最后，总结了对太阳能转化与利用领域基础研究的前瞻性发展方向，为太阳能转化材料、反应、器件的理性设计与性能优化提供理论支持。
2025, 41(9): 100097
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100097
Abstract:
福岛核事故(FNA)产生的含137Cs放射性废水因其安全处置难题而备受关注。共存Na+离子严重阻碍Cs+的去除，加剧了放射性废水处理成本。近年来，电容去离子(CDI)技术在该领域展现出显著的潜力，但由于缺乏对Cs+具有高选择性的理想电极材料，该技术的实际应用受到了一定限制。本研究开发了一种碳纳米管(CNT)嵌入亚铁氰化锌钾(KZnFC-CNT)的复合材料，通过电化学方法预活化后作为CDI阴极，用于高盐放射性废水中Cs+的选择性电吸附。KZnFC-CNT电极表现出392.75 mg∙g−1的最大电吸附容量和11.21 mg∙g−1∙min−1的最高电吸附速率。在Na+ : Cs+摩尔比为100 : 1时，该电极对Cs+/Na+的选择性系数高达138.2。X射线衍射、电化学分析和理论模拟表明，Cs+的选择性电吸附主要受Cs+与Na+离子交换过程及KZnFC晶格相变的调控。本研究为高盐含铯放射性废水处理提供了有效策略。
福岛核事故(FNA)产生的含137Cs放射性废水因其安全处置难题而备受关注。共存Na+离子严重阻碍Cs+的去除，加剧了放射性废水处理成本。近年来，电容去离子(CDI)技术在该领域展现出显著的潜力，但由于缺乏对Cs+具有高选择性的理想电极材料，该技术的实际应用受到了一定限制。本研究开发了一种碳纳米管(CNT)嵌入亚铁氰化锌钾(KZnFC-CNT)的复合材料，通过电化学方法预活化后作为CDI阴极，用于高盐放射性废水中Cs+的选择性电吸附。KZnFC-CNT电极表现出392.75 mg∙g−1的最大电吸附容量和11.21 mg∙g−1∙min−1的最高电吸附速率。在Na+ : Cs+摩尔比为100 : 1时，该电极对Cs+/Na+的选择性系数高达138.2。X射线衍射、电化学分析和理论模拟表明，Cs+的选择性电吸附主要受Cs+与Na+离子交换过程及KZnFC晶格相变的调控。本研究为高盐含铯放射性废水处理提供了有效策略。
2025, 41(9): 100098
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100098
Abstract:
近年来，单节钙钛矿太阳电池(PSCs)通过对功能层进行多元优化策略最小化能量损失使器件效率迅速提升，逐渐逼近肖克利-奎伊瑟(S-Q)理论效率极限。作为光管理策略的重要组成部分，减反射涂层(ARC)在降低光学能量损耗实现高效率方面发挥着关键作用。开发出具有多功能的ARC，能够同时提升可见光透过率、抑制紫外光(UV)透射，并且在玻璃基底上具有优异附着性、耐磨性是目前研发的重点。本研究利用贝叶斯优化算法的机器学习方法指导超薄多层二氧化物ARC的结构设计。优化流程包括多层氧化物薄膜的参数化建模、采用传递矩阵法(TMM)的物理模拟，以及抗反射性能评估。经过优化的ARC采用100 nm SiO2-10 nm TiO2-10 nm SiO2 (STS)叠层结构，使导电玻璃基底在400–800 nm范围内的透光率提升了9.2%。该结构应用在PSCs中获得了最高96.94%的外量子效率，使短路电流密度和光电转换效率均提升了4%，紫外光照持续300 h后仍保持有初始效率的81.2%，而标样组的效率降至~69%，表明STS ARC具备有效的紫外光过滤性能。STS ARC经过国际标准测试具有超过9H的硬度和ISO 0级以及ASTM 5B级附着度，满足太阳电池户外应用需求。除光学能量损失外，钙钛矿表面缺陷态富集导致非辐射复合能量损失，同时也是晶格降解的起始位点。因此，本文采用3-脒基吡啶氢碘酸盐(3-PyADI)对界面缺陷进行钝化修饰，协同将PSCs的效率提升至24.44%，未封装的器件在大气环境下放置1000 h后保留初始效率的93%。本研究所提出的增透减反薄膜与钙钛矿界面修饰协同实现器件性能和稳定性的同步提升，为钙钛矿太阳电池的产业化发展探索出具有前景且实用的路径。
近年来，单节钙钛矿太阳电池(PSCs)通过对功能层进行多元优化策略最小化能量损失使器件效率迅速提升，逐渐逼近肖克利-奎伊瑟(S-Q)理论效率极限。作为光管理策略的重要组成部分，减反射涂层(ARC)在降低光学能量损耗实现高效率方面发挥着关键作用。开发出具有多功能的ARC，能够同时提升可见光透过率、抑制紫外光(UV)透射，并且在玻璃基底上具有优异附着性、耐磨性是目前研发的重点。本研究利用贝叶斯优化算法的机器学习方法指导超薄多层二氧化物ARC的结构设计。优化流程包括多层氧化物薄膜的参数化建模、采用传递矩阵法(TMM)的物理模拟，以及抗反射性能评估。经过优化的ARC采用100 nm SiO2-10 nm TiO2-10 nm SiO2 (STS)叠层结构，使导电玻璃基底在400–800 nm范围内的透光率提升了9.2%。该结构应用在PSCs中获得了最高96.94%的外量子效率，使短路电流密度和光电转换效率均提升了4%，紫外光照持续300 h后仍保持有初始效率的81.2%，而标样组的效率降至~69%，表明STS ARC具备有效的紫外光过滤性能。STS ARC经过国际标准测试具有超过9H的硬度和ISO 0级以及ASTM 5B级附着度，满足太阳电池户外应用需求。除光学能量损失外，钙钛矿表面缺陷态富集导致非辐射复合能量损失，同时也是晶格降解的起始位点。因此，本文采用3-脒基吡啶氢碘酸盐(3-PyADI)对界面缺陷进行钝化修饰，协同将PSCs的效率提升至24.44%，未封装的器件在大气环境下放置1000 h后保留初始效率的93%。本研究所提出的增透减反薄膜与钙钛矿界面修饰协同实现器件性能和稳定性的同步提升，为钙钛矿太阳电池的产业化发展探索出具有前景且实用的路径。
2025, 41(9): 100099
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100099
Abstract:
太阳能驱动的光热催化CO2与H2O转化是生产可持续燃料和化学品的重要途径。然而，析氢反应(HER)与CO2还原反应(CO2RR)之间的竞争导致产物选择性不理想。贵金属纳米颗粒作为常用助催化剂，可在半导体上形成活性位点，其中金属-半导体界面边缘的特殊活性位点在竞争机制中起关键作用。本研究制备了具有丰富界面边缘位点的Al掺杂SrTiO3负载贵金属催化剂，用于连续光热催化CO2和H2O转化。不同贵金属纳米颗粒上CO2对析氢性能的影响表现出显著差异。通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)和密度泛函理论(DFT)计算研究了关键中间基团的相互作用，发现双齿碳酸盐(b-CO32−)倾向于占据金属-半导体界面边缘位点，竞争性消耗*H吸附位点并改变析氢能垒。通过建立简化几何模型量化颗粒尺寸、活性位点比例与CO2引起的产氢变化之间的关系，验证了b-CO32−的位点阻塞效应在Rh负载催化剂上占主导地位。通过调控Rh纳米颗粒尺寸可优化边缘位点比例，从而实现*H覆盖度与CO2活化之间的平衡，促进CO2RR生成甲烷。本研究通过边缘活性位点调控初步揭示了HER与CO2RR的界面竞争机制，为催化剂的合理设计提供新见解，并为提升CO2转化效率提供潜在策略。
太阳能驱动的光热催化CO2与H2O转化是生产可持续燃料和化学品的重要途径。然而，析氢反应(HER)与CO2还原反应(CO2RR)之间的竞争导致产物选择性不理想。贵金属纳米颗粒作为常用助催化剂，可在半导体上形成活性位点，其中金属-半导体界面边缘的特殊活性位点在竞争机制中起关键作用。本研究制备了具有丰富界面边缘位点的Al掺杂SrTiO3负载贵金属催化剂，用于连续光热催化CO2和H2O转化。不同贵金属纳米颗粒上CO2对析氢性能的影响表现出显著差异。通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)和密度泛函理论(DFT)计算研究了关键中间基团的相互作用，发现双齿碳酸盐(b-CO32−)倾向于占据金属-半导体界面边缘位点，竞争性消耗*H吸附位点并改变析氢能垒。通过建立简化几何模型量化颗粒尺寸、活性位点比例与CO2引起的产氢变化之间的关系，验证了b-CO32−的位点阻塞效应在Rh负载催化剂上占主导地位。通过调控Rh纳米颗粒尺寸可优化边缘位点比例，从而实现*H覆盖度与CO2活化之间的平衡，促进CO2RR生成甲烷。本研究通过边缘活性位点调控初步揭示了HER与CO2RR的界面竞争机制，为催化剂的合理设计提供新见解，并为提升CO2转化效率提供潜在策略。
2025, 41(9): 100100
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100100
Abstract:
乙醇脱氢是乙醇催化转化过程中的关键基元步骤，铜(Cu)基合金催化剂是该反应最具前景的候选材料。然而，由于合金催化剂在反应条件下固有的结构复杂性和动态演变特性，阐明合金组分与主体金属间协同效应的内在机制仍具挑战性。本研究设计了结构明确的单原子钯(Pd)修饰Cu-MFI催化剂用于乙醇脱氢制乙醛和氢气。通过球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜(AC-HAADF-STEM)、X射线吸收光谱(XAS)、X射线光电子能谱(XPS)等系统表征结合密度泛函理论(DFT)计算表明，Pd原子被均匀分散在Cu催化剂表面并被Cu原子隔离，该单原子位点配位数为9–10、带−0.36e电荷。在乙醇脱氢反应中，新生成的Pdδ−和Cuδ+位点协同作用降低了乙醇中C—H键断裂的活化能垒，同时增强了氢吸附和H—H键耦合能力，使得Pd/Cu-MFI催化剂获得更高的乙醇转化率和乙醛产率。
乙醇脱氢是乙醇催化转化过程中的关键基元步骤，铜(Cu)基合金催化剂是该反应最具前景的候选材料。然而，由于合金催化剂在反应条件下固有的结构复杂性和动态演变特性，阐明合金组分与主体金属间协同效应的内在机制仍具挑战性。本研究设计了结构明确的单原子钯(Pd)修饰Cu-MFI催化剂用于乙醇脱氢制乙醛和氢气。通过球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜(AC-HAADF-STEM)、X射线吸收光谱(XAS)、X射线光电子能谱(XPS)等系统表征结合密度泛函理论(DFT)计算表明，Pd原子被均匀分散在Cu催化剂表面并被Cu原子隔离，该单原子位点配位数为9–10、带−0.36e电荷。在乙醇脱氢反应中，新生成的Pdδ−和Cuδ+位点协同作用降低了乙醇中C—H键断裂的活化能垒，同时增强了氢吸附和H—H键耦合能力，使得Pd/Cu-MFI催化剂获得更高的乙醇转化率和乙醛产率。
2025, 41(9): 100104
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100104
Abstract:
随着新能源产业的快速发展，废旧电池的利用引起了研究者的关注。开发以电池回收材料作为光催化剂的过氧化氢光合系统是一项重大挑战。本研究采用超声自组装技术，将电池材料磷酸铁锂(LFPO)纳米颗粒与石墨相氮化碳(CN)纳米片复合，构建了用于生产H2O2的无机/有机S型光催化剂。通过X射线光电子能谱(XPS)和开尔文探针力显微镜(KPFM)的原位分析表明，LFPO与CN之间的相互作用促进了内建电场(IEF)的形成，进而产生独特的S型电荷转移机制。结合电子自旋共振光谱、自由基捕获实验和原位漫反射红外傅里叶变换光谱，确定了H2O2生成的三种途径。得益于增强的载流子分离、强氧化还原能力和多通道H2O2形成机制，最优复合材料在模拟太阳光照射下表现出3.22 mol∙g−1∙h−1的优异H2O2产率。该研究通过从废电池材料中设计S型异质结，为研究可持续的H2O2光合作用途径提供了一种潜在的方法。
随着新能源产业的快速发展，废旧电池的利用引起了研究者的关注。开发以电池回收材料作为光催化剂的过氧化氢光合系统是一项重大挑战。本研究采用超声自组装技术，将电池材料磷酸铁锂(LFPO)纳米颗粒与石墨相氮化碳(CN)纳米片复合，构建了用于生产H2O2的无机/有机S型光催化剂。通过X射线光电子能谱(XPS)和开尔文探针力显微镜(KPFM)的原位分析表明，LFPO与CN之间的相互作用促进了内建电场(IEF)的形成，进而产生独特的S型电荷转移机制。结合电子自旋共振光谱、自由基捕获实验和原位漫反射红外傅里叶变换光谱，确定了H2O2生成的三种途径。得益于增强的载流子分离、强氧化还原能力和多通道H2O2形成机制，最优复合材料在模拟太阳光照射下表现出3.22 mol∙g−1∙h−1的优异H2O2产率。该研究通过从废电池材料中设计S型异质结，为研究可持续的H2O2光合作用途径提供了一种潜在的方法。
2025, 41(9): 100105
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100105
Abstract:
采用一步水热法合成了g-C3N4/Bi2WO6(MCN/BWO)异质结光催化剂，用于降解左氧氟沙星(LEV)。在模拟太阳光照射下，摩尔比为1 : 1的MCN/BWO对LEV的降解率达到98.14%，这归因于MCN和BWO之间形成了S型异质结。原位XPS分析和表面功函数测量证实了电子转移路径遵循S型异质结机制。MCN/BWO体系中S型异质结产生的内建电场(IEF)促进了光生电子(e−)从BWO的导带(CB)直接转移到MCN的价带(VB)。这一过程实现了光生电子-空穴对(e−-h+)的有效分离，h⁺在BWO的VB上积累，e−在MCN的CB上积累。自由基捕获实验表明，超氧自由基(·O₂−)和h⁺是主要的活性物种。除了表现出优异的光催化性能外，该催化剂在连续三个循环中保持了良好的稳定性。为了阐明降解机制，采用液相色谱-质谱(LC-MS)和定量构效关系(QSAR)分析来鉴定降解途径、中间产物和潜在毒性。本研究为废水处理应用提供了理论基础。
采用一步水热法合成了g-C3N4/Bi2WO6(MCN/BWO)异质结光催化剂，用于降解左氧氟沙星(LEV)。在模拟太阳光照射下，摩尔比为1 : 1的MCN/BWO对LEV的降解率达到98.14%，这归因于MCN和BWO之间形成了S型异质结。原位XPS分析和表面功函数测量证实了电子转移路径遵循S型异质结机制。MCN/BWO体系中S型异质结产生的内建电场(IEF)促进了光生电子(e−)从BWO的导带(CB)直接转移到MCN的价带(VB)。这一过程实现了光生电子-空穴对(e−-h+)的有效分离，h⁺在BWO的VB上积累，e−在MCN的CB上积累。自由基捕获实验表明，超氧自由基(·O₂−)和h⁺是主要的活性物种。除了表现出优异的光催化性能外，该催化剂在连续三个循环中保持了良好的稳定性。为了阐明降解机制，采用液相色谱-质谱(LC-MS)和定量构效关系(QSAR)分析来鉴定降解途径、中间产物和潜在毒性。本研究为废水处理应用提供了理论基础。
2025, 41(9): 100106
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100106
Abstract:
水系锌离子电池因其高安全性、环境友好性和低成本等优势，被视为一种富有前景的新型储能器件。然而，不可控的锌枝晶生长以及有害的副反应严重限制了水系锌电池的电化学性能。在众多改善策略中，电解液添加剂因其成本低廉和操作简便的优势，相较于人工界面涂层和电极结构设计更具应用潜力。本研究采用一种新型零维纳米材料——硫掺杂的碳点，作为电解液添加剂，通过多种表征手段对其结构和性质进行了系统分析，并组装成电池以评估这种碳点对电池性能的影响。实验结果表明，碳点通过其表面磺酸基团诱导锌电极表面择优形成稳定的(002)晶面，并重构水合Zn2+的溶剂化壳层，显著提升了电池的循环稳定性。在碳点添加剂的作用下，对称电池在10 mA∙cm−2的高电流密度下实现了近2000 h的稳定循环，Zn||NH4V4O10和Zn||MnO2全电池也表现出优异的电化学性能和显著提升的循环稳定性。本研究为开发高性能水系锌离子电池提供了新的思路和理论依据。
水系锌离子电池因其高安全性、环境友好性和低成本等优势，被视为一种富有前景的新型储能器件。然而，不可控的锌枝晶生长以及有害的副反应严重限制了水系锌电池的电化学性能。在众多改善策略中，电解液添加剂因其成本低廉和操作简便的优势，相较于人工界面涂层和电极结构设计更具应用潜力。本研究采用一种新型零维纳米材料——硫掺杂的碳点，作为电解液添加剂，通过多种表征手段对其结构和性质进行了系统分析，并组装成电池以评估这种碳点对电池性能的影响。实验结果表明，碳点通过其表面磺酸基团诱导锌电极表面择优形成稳定的(002)晶面，并重构水合Zn2+的溶剂化壳层，显著提升了电池的循环稳定性。在碳点添加剂的作用下，对称电池在10 mA∙cm−2的高电流密度下实现了近2000 h的稳定循环，Zn||NH4V4O10和Zn||MnO2全电池也表现出优异的电化学性能和显著提升的循环稳定性。本研究为开发高性能水系锌离子电池提供了新的思路和理论依据。
2025, 41(9): 100107
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100107
Abstract:
范德华异质结因其优异的电荷分离能力和在调节电子特性方面的显著灵活性而展现出卓越优势。本研究探讨了二维/二维(2D/2D) g-C3N4@BN范德华异质结在光催化合成过氧化氢(H2O2)中的潜在应用。基于该异质结，我们深入研究了三重态激子与单线态氧之间的能量转移过程，强调了催化剂结构对电荷分离和三重态电子稳定生成的重要性。通过构建电荷转移路径，异质结内的内置电场有效驱动了电荷载流子的定向迁移，显著延长了其寿命。我们采用了两种修饰策略来调控催化剂的激发态电子特性，包括调整层间排列以增强电荷传输能力，以及卤素修饰以提高材料的光响应性。实验验证表明，与CN相比，代表性的氯化-CN@BN有效抑制了激子复合，将激发态载流子的寿命延长了3.52倍。此外，H2O2的光催化产率提高了2.73倍。本研究为开发新型光催化剂提供了理论基础，并启发了从氧气直接合成H2O2的催化剂设计。
范德华异质结因其优异的电荷分离能力和在调节电子特性方面的显著灵活性而展现出卓越优势。本研究探讨了二维/二维(2D/2D) g-C3N4@BN范德华异质结在光催化合成过氧化氢(H2O2)中的潜在应用。基于该异质结，我们深入研究了三重态激子与单线态氧之间的能量转移过程，强调了催化剂结构对电荷分离和三重态电子稳定生成的重要性。通过构建电荷转移路径，异质结内的内置电场有效驱动了电荷载流子的定向迁移，显著延长了其寿命。我们采用了两种修饰策略来调控催化剂的激发态电子特性，包括调整层间排列以增强电荷传输能力，以及卤素修饰以提高材料的光响应性。实验验证表明，与CN相比，代表性的氯化-CN@BN有效抑制了激子复合，将激发态载流子的寿命延长了3.52倍。此外，H2O2的光催化产率提高了2.73倍。本研究为开发新型光催化剂提供了理论基础，并启发了从氧气直接合成H2O2的催化剂设计。
2025, 41(9): 100109
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100109
Abstract:
碳点(CDs)因其优异的生物相容性和可调的光学特性，已成为近红外(NIR)介导的肿瘤治疗中极具前景的光热剂。然而，如何精确控制其组装行为以增强NIR吸收和光热转换效率仍不明确。在这项工作中，我们提出了一种因电子供体/受体复合而超组装的碳点(S-d/a-CDs)，通过将供电子碳点(d-CDs)与吸电子碳点(a-CDs)整合构建而成。这种复合的超碳点显著增强了S-d/a-CDs的NIR吸收能力。在740 nm激光照射下，S-d/a-CDs实现了65.8%的显著光热转换效率(PTCE)。S-d/a-CDs通过静脉注射表现出可忽略的细胞毒性和有效的肿瘤积累能力，能够在NIR激光照射后完全消除肿瘤。据我们所知，本研究首次利用两种CDs的协同组装进行光物理特性工程，为开发先进的NIR触发光热材料建立了开创性的范式。
碳点(CDs)因其优异的生物相容性和可调的光学特性，已成为近红外(NIR)介导的肿瘤治疗中极具前景的光热剂。然而，如何精确控制其组装行为以增强NIR吸收和光热转换效率仍不明确。在这项工作中，我们提出了一种因电子供体/受体复合而超组装的碳点(S-d/a-CDs)，通过将供电子碳点(d-CDs)与吸电子碳点(a-CDs)整合构建而成。这种复合的超碳点显著增强了S-d/a-CDs的NIR吸收能力。在740 nm激光照射下，S-d/a-CDs实现了65.8%的显著光热转换效率(PTCE)。S-d/a-CDs通过静脉注射表现出可忽略的细胞毒性和有效的肿瘤积累能力，能够在NIR激光照射后完全消除肿瘤。据我们所知，本研究首次利用两种CDs的协同组装进行光物理特性工程，为开发先进的NIR触发光热材料建立了开创性的范式。
2025, 41(9): 100111
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100111
Abstract:
理解过渡金属催化剂上碱性析氢反应(HER)的活性决定因素对于利用可再生能源进行水电解至关重要。然而，这一问题仍然存在重大挑战。尽管已有研究提出羟基吸附会影响碱性HER性能，但其具体的作用机制和定量关系仍不明确。在此，我们利用密度泛函理论(DFT)计算系统地研究了十种过渡金属表面上的碱性HER过程，揭示了羟基吸附在路径选择和调控反应能垒中的关键作用。然而，仅凭羟基吸附能无法完全解释某些催化剂(尤其是Pt)的异常活性。为了解决这一问题，我们引入了一个多参数耦合描述符(ECS)，该描述符整合了电子占据情况(E)、羟基吸附构型(C)和催化剂表面晶体学特征(S)，从而实现对碱性氢析出催化活性的定性评估。该描述符成功解释了过渡金属催化剂表面的活性趋势，并与包括单原子合金(SAA)催化剂在内的超过10种实验数据对比中表现出良好的关联性，表明其普适性和应用于更广泛的催化体系的潜力。我们的研究突破传统单参数描述符的局限性，构建了一种基于羟基关键物种的碱性氢析出反应活性描述符，并为推动高性能碱性HER催化剂的开发提供了基础框架。
理解过渡金属催化剂上碱性析氢反应(HER)的活性决定因素对于利用可再生能源进行水电解至关重要。然而，这一问题仍然存在重大挑战。尽管已有研究提出羟基吸附会影响碱性HER性能，但其具体的作用机制和定量关系仍不明确。在此，我们利用密度泛函理论(DFT)计算系统地研究了十种过渡金属表面上的碱性HER过程，揭示了羟基吸附在路径选择和调控反应能垒中的关键作用。然而，仅凭羟基吸附能无法完全解释某些催化剂(尤其是Pt)的异常活性。为了解决这一问题，我们引入了一个多参数耦合描述符(ECS)，该描述符整合了电子占据情况(E)、羟基吸附构型(C)和催化剂表面晶体学特征(S)，从而实现对碱性氢析出催化活性的定性评估。该描述符成功解释了过渡金属催化剂表面的活性趋势，并与包括单原子合金(SAA)催化剂在内的超过10种实验数据对比中表现出良好的关联性，表明其普适性和应用于更广泛的催化体系的潜力。我们的研究突破传统单参数描述符的局限性，构建了一种基于羟基关键物种的碱性氢析出反应活性描述符，并为推动高性能碱性HER催化剂的开发提供了基础框架。
2025, 41(9): 100116
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100116
Abstract:
S型异质结光催化剂因同时具有优异的光生载流子分离效率和较强的氧化还原能力，而被广泛应用于光催化二氧化碳(CO2)还原制高价值化学品(如甲烷)中。碳量子点(Carbon dots，CDs)材料具有能带结构和吸光范围可调的独特优势，可与常用半导体材料(如氧化钛，TiO 2)形成有效S型异质结光催化剂。然而，碳量子点能带结构和表面吸附性质在调控CDs/TiO2的异质结构型、载流子分离和传输动力学、以及CO2活化和还原产物选择性中的重要作用仍缺乏深入研究。本文通过改变CDs的碳源，包括低阶煤沥青(C-GQDs，1.75 nm)、葡萄糖(G-CQDs，1.84 nm)、丙酮(CQDs-X，1.82 nm)和炭黑(GQDs-A，1.92 nm)，构建了四种CDs/TiO2异质结光催化剂，并将其用于光催化CO2甲烷化反应。研究发现，CDs/TiO2异质结类型、光生电荷载流子的转移路径、迁移和分离效率、CO2的吸附和活化能力以及还原产物的选择性与CDs的能带结构和表面吸附性质密切相关。CDs的引入显著增强了TiO2光利用的能力，其中，以低价煤沥青为碳源构建的C-GQDs/TiO2 S型异质结具有最高的CH4生成速率，达到32.7 μmol·g−1·h−1，是单一TiO2的6.3倍，并且显著高于其它三种异质结，分别是GQDs-A/TiO2、CQDs-X/TiO2和G-CQDs/TiO2的3.8、2.7和2.3倍。该催化剂还具有72.6%的高电子基CH4选择性和98.1%的烃类产物选择性(CH4，C2H6，C2H4和C3H8)。相反地，其它三种碳源CDs(GQDs-A、CQDs-X和G-CQDs)的引入导致CH4选择性大幅下降(均小于40.0%)。原位XPS和程序升温脱附实验结果表明，C-GQDs/TiO2高的甲烷生成速率和选择性可归因于其独特的S型异质结结构、较高的还原电势和匹配的CO2和H2O吸附活化能力。这项研究为CDs/TiO2光催化剂在S型异质结电子传递途径的驱动下将CO2高效光还原为CH4提供了独特的见解。
S型异质结光催化剂因同时具有优异的光生载流子分离效率和较强的氧化还原能力，而被广泛应用于光催化二氧化碳(CO2)还原制高价值化学品(如甲烷)中。碳量子点(Carbon dots，CDs)材料具有能带结构和吸光范围可调的独特优势，可与常用半导体材料(如氧化钛，TiO 2)形成有效S型异质结光催化剂。然而，碳量子点能带结构和表面吸附性质在调控CDs/TiO2的异质结构型、载流子分离和传输动力学、以及CO2活化和还原产物选择性中的重要作用仍缺乏深入研究。本文通过改变CDs的碳源，包括低阶煤沥青(C-GQDs，1.75 nm)、葡萄糖(G-CQDs，1.84 nm)、丙酮(CQDs-X，1.82 nm)和炭黑(GQDs-A，1.92 nm)，构建了四种CDs/TiO2异质结光催化剂，并将其用于光催化CO2甲烷化反应。研究发现，CDs/TiO2异质结类型、光生电荷载流子的转移路径、迁移和分离效率、CO2的吸附和活化能力以及还原产物的选择性与CDs的能带结构和表面吸附性质密切相关。CDs的引入显著增强了TiO2光利用的能力，其中，以低价煤沥青为碳源构建的C-GQDs/TiO2 S型异质结具有最高的CH4生成速率，达到32.7 μmol·g−1·h−1，是单一TiO2的6.3倍，并且显著高于其它三种异质结，分别是GQDs-A/TiO2、CQDs-X/TiO2和G-CQDs/TiO2的3.8、2.7和2.3倍。该催化剂还具有72.6%的高电子基CH4选择性和98.1%的烃类产物选择性(CH4，C2H6，C2H4和C3H8)。相反地，其它三种碳源CDs(GQDs-A、CQDs-X和G-CQDs)的引入导致CH4选择性大幅下降(均小于40.0%)。原位XPS和程序升温脱附实验结果表明，C-GQDs/TiO2高的甲烷生成速率和选择性可归因于其独特的S型异质结结构、较高的还原电势和匹配的CO2和H2O吸附活化能力。这项研究为CDs/TiO2光催化剂在S型异质结电子传递途径的驱动下将CO2高效光还原为CH4提供了独特的见解。
