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1. Advanced Materials: 碳納米管和石墨烯在鋰離子和鋰硫電池中的調(diào)控作用

 

圖1. a )鋰電池示意圖。b )鋰電池所涉及的能級的說明

 

隨著社會對高能量密度電池需求的不斷增長，為便攜式電子設(shè)備供電，以及推進(jìn)車輛電氣化和電網(wǎng)儲能，已經(jīng)將鋰電池技術(shù)推向了極其重要的位置。碳納米管( CNTs )和石墨烯( graphene )具有許多吸引人的特性，為改善鋰離子( Li - ion )和鋰硫( Li - S )電池的性能，人們進(jìn)行了深入研究。然而，人們對它們在鋰離子電池和鋰電池中的實(shí)際作用缺乏普遍和客觀的了解。人們認(rèn)識到，CNTs和石墨烯不是合適的活性鋰存儲材料，而是更像一種調(diào)節(jié)劑：它們不與鋰離子和電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而是用于調(diào)節(jié)特定電活性材料的鋰存儲行為，并增加鋰電池的應(yīng)用范圍。中科院金屬研究所的李峰研究員和成會明院士（共同通訊）等人就本文首先討論了鋰電池的評價(jià)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，從基本電化學(xué)反應(yīng)到電極結(jié)構(gòu)和整體電池設(shè)計(jì)，綜合考慮了碳納米管和石墨烯在鋰離子電池和Li - S電池中的調(diào)控作用。最后，展望了碳納米管和石墨烯如何進(jìn)一步促進(jìn)鋰電池的發(fā)展。

 

文獻(xiàn)鏈接：The Regulating Role of Carbon Nanotubes and Graphene in Lithium–Ion and Lithium–Sulfur Batteries(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201800863)

 

2. Advanced Materials: 金屬有機(jī)骨架衍生材料:能量轉(zhuǎn)換與儲存的進(jìn)展與展望

圖2. 通過金屬離子和配體反應(yīng)形成MOF，并通過后處理轉(zhuǎn)化為多孔納米或微結(jié)構(gòu)的示意圖

 

探索高效耐用的新材料是可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換和儲存系統(tǒng)領(lǐng)域的主要要求。在過去三十年中，科研人員已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)來提高催化劑體系的效率，控制顆粒的組成、結(jié)構(gòu)、表面積、孔徑以及形態(tài)。在這方面，金屬有機(jī)骨架( MOF )衍生的催化劑作為具有可調(diào)性質(zhì)和活性的能量轉(zhuǎn)換和存儲的最佳材料而出現(xiàn)。近年來，金屬氧化物、硫族化物、磷化物、氮化物、碳化物、合金、碳材料或它們的復(fù)合物等若干納米或微結(jié)構(gòu)被探索用于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換，如析氧、析氫、氧還原或電池材料。從實(shí)際應(yīng)用來看，人們對高效儲能系統(tǒng)的興趣也越來越大。盡管對MOF和MOF衍生材料的合成和應(yīng)用有多種綜述，但它們在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和存儲中的應(yīng)用是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，并且是近年來發(fā)展起來的。韓國漢陽大學(xué)的Ungyu Paik（通訊作者）等人在本文中著重介紹了MOF材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對其固有性能的控制，用以提高電化學(xué)性能。

 

文獻(xiàn)鏈接：Metal Organic Framework Derived Materials: Progress and Prospects for the Energy Conversion and Storage(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705146)

 

3.Advanced Energy Materials: 利用碳酸鹽效應(yīng)和Z - Scheme反應(yīng)光催化分解太陽能制氫

圖3. a )粉末光催化劑和b )光陽極系統(tǒng)中水分解成H₂和O₂的反應(yīng)機(jī)理

 

開發(fā)太陽能轉(zhuǎn)換和儲存的創(chuàng)新技術(shù)，對解決全球變暖問題和建立可持續(xù)社會具有重要意義。利用半導(dǎo)體粉末的光催化分解水反應(yīng)作為一種有前途的直接而且簡單的太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)，已經(jīng)得到了廣泛的研究。然而，化學(xué)計(jì)量比( H₂/O₂ = 2 )的H₂和O₂氣體的逸出由于各種問題而非常困難，例如不利的反向反應(yīng)和不匹配的帶勢。兩個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)拓寬了可用的光催化劑的種類，即:碳酸鹽陰離子效應(yīng)和使用氧化還原介質(zhì)的Z - scheme光催化反應(yīng)。研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳酸氫根陰離子通過優(yōu)先的過氧化物形成和隨后分解成O₂而充當(dāng)氧化還原催化劑。由于使用氧化還原介質(zhì)的Z - scheme反應(yīng)減輕了帶勢失配，因此它廣泛適用于各種可見光光催化劑。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的Kazuhiro Sayama （通訊作者）等人在本文中主要綜述了利用碳酸根陰離子效應(yīng)和Z - scheme反應(yīng)制備太陽能氫的光催化分解水的研究進(jìn)展。此外，還綜述了光催化-電解混合體系(一種先進(jìn)的Z - scheme反應(yīng)概念)在實(shí)際和經(jīng)濟(jì)制氫方面的最新進(jìn)展。

 

文獻(xiàn)鏈接：Photocatalytic Water Splitting for Solar Hydrogen Production Using the Carbonate Effect and the Z-Scheme Reaction(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201801294)

 

4. Advanced Functional Materials: 用于柔性和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的新型電子器件

圖4. ILLO的原理和剝離機(jī)理

 

從可穿戴的衣服到內(nèi)臟，可以連接到各種表面的新興種類的柔性電子系統(tǒng)推動(dòng)了通信 (例如，物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))和臨床研究的顯著進(jìn)步，改變了今天的個(gè)人計(jì)算模式。“塑料上的系統(tǒng)”領(lǐng)域正處于向超認(rèn)知社會創(chuàng)新突破的邊緣，它與當(dāng)前備受關(guān)注的神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用相融合，可以提供個(gè)性化反饋治療和自主駕駛等智能服務(wù)。韓國先進(jìn)科學(xué)研究所的Keon Jae Lee（通訊作者）等人從器件結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝和潛在的研究領(lǐng)域著筆，綜述了柔性和神經(jīng)形態(tài)技術(shù)領(lǐng)域的代表性進(jìn)展和前言。

 

文獻(xiàn)鏈接：Novel Electronics for Flexible and Neuromorphic Computing(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201801690)

 

5. Advanced Energy Materials: 可充電鈉離子電池先進(jìn)電極材料的探索

 

圖5.  層狀材料Na_0.8Ni_0.4Ti_0.6O₂中鎳和鈦的兩個(gè)氧化還原對的對稱SIB設(shè)計(jì)示意圖

 

隨著鋰離子電池(LIB)市場的快速增長，人們對有限的鋰資源產(chǎn)生了擔(dān)憂，可充電鈉離子電池(SIBs)由于鈉的大量存在而在電能存儲領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。與成熟的商業(yè)LIBs相比，SIB系統(tǒng)的所有組件，如電極、電解質(zhì)、粘合劑和隔膜，在達(dá)到實(shí)際工業(yè)應(yīng)用水平之前需要進(jìn)一步探索。借鑒LIB研究成果，SIB電極材料正得到廣泛研究，近年來取得了巨大進(jìn)展。南京大學(xué)的郭少華和周豪慎（共同通訊）等人綜述了SIBs電極材料的研究進(jìn)展。提出并系統(tǒng)地研究了各種用于SIBs的新型電極材料，包括具有層狀或隧道結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和有機(jī)分子。展示了幾種具有中等能量密度和超長循環(huán)性能的有希望的材料。開發(fā)適當(dāng)?shù)膿诫s和/或表面處理方法可以有效地促進(jìn)電化學(xué)性能。文章還概述了在實(shí)際應(yīng)用中開發(fā)令人滿意的SIB電極材料的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

 

文獻(xiàn)鏈接：Exploration of Advanced Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800212)

 

6. Chemical Society Reviews: 二維層狀過渡金屬二硫族化物中缺陷和摻雜物的原子結(jié)構(gòu)

圖6.二維MoS₂球棍模型

 

層狀過渡金屬二硫族化物(TMDs)提供了單層2D系統(tǒng)，其具有超出石墨烯單層所能實(shí)現(xiàn)的不同性質(zhì)。TMDs的性質(zhì)受到原子結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重影響，特別是結(jié)晶度的不完善，表現(xiàn)為空位缺陷、晶界、裂紋、雜質(zhì)摻雜劑、波紋和邊緣終端。牛津大學(xué)的Jamie H. Warner（通訊作者）等人通過本文總結(jié)了一些最深入研究的2D TMDs的詳細(xì)結(jié)構(gòu)形式，例如MoS₂, WSe₂, MoTe₂, WTe₂, NbSe₂, PtSe₂，還將涵蓋MXenes。同時(shí)該綜述將利用最新的球差校正透射電子顯微鏡(包括環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(ADF - STEM)和電子能量損失光譜(EELS) ）所獲得的結(jié)果，展示如何實(shí)現(xiàn)元素辨別，以深入理解結(jié)構(gòu)。綜述還將涉及單原子取代摻雜劑如Cr、V和Mn的影響，以及用于理解局部鍵合構(gòu)型的電子能量損失譜。預(yù)計(jì)這一綜述將提供2D TMDs的原子水平理解，與化學(xué)氣相沉積合成、有意摻雜、撕裂、位錯(cuò)、應(yīng)變、多晶化和限制納米帶所產(chǎn)生的缺陷有關(guān)。

 

文獻(xiàn)鏈接：Atomic structure of defects and dopants in 2D layered transition metal dichalcogenides(Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C8CS00236C)

 

7. Accounts of Chemical Research: 電化學(xué)沉積:模板合成納米多孔金屬結(jié)構(gòu)的先進(jìn)方法

圖7. 采用軟硬模板法電沉積制備納米多孔金屬基材料

 

昆士蘭大學(xué)的Jeonghun Kim和Yusuke Yamauchi（共同通訊）等人近日綜述了通過使用硬模板(即多孔二氧化硅、聚合物和二氧化硅膠體的3D模板)和軟模板(即溶致液晶、聚合物膠束)的電化學(xué)沉積方法設(shè)計(jì)的納米多孔金屬領(lǐng)域取得的顯著進(jìn)展。此外，作者指出它是如何精確控制晶體生長的，并描述這些新材料的獨(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)。到目前為止，作者團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)道了通過電化學(xué)沉積在各種條件下合成多種納米多孔金屬和合金的成果(例如Cu、Ru、Rh、Pd、Pt、Au及其相應(yīng)的合金)，同時(shí)研究了它們的各種潛在應(yīng)用。通過選擇合適的表面活性劑或嵌段共聚物，可以容易地控制通道結(jié)構(gòu)、組成和納米孔的取向。最終產(chǎn)物的固有性質(zhì)，例如骨架結(jié)晶度、催化活性和抗氧化性，取決于組成和孔結(jié)構(gòu)，這又需要合適的電化學(xué)條件。這一敘述分為三個(gè)主要部分: ( I )使用硬模板和軟模板的電化學(xué)沉積的歷史，( ii )納米多孔材料制備所涉及的重要機(jī)制的描述，以及( iii )結(jié)論和未來展望。作者相信，這一綜述將促進(jìn)對使用電化學(xué)沉積方法合成納米多孔金屬的更深入理解，從而使控制納米多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)化其性能的新路徑朝著有希望的應(yīng)用方向發(fā)展，例如催化、能量存儲、傳感器等。

 

文獻(xiàn)鏈接：Electrochemical Deposition: An Advanced Approach for Templated Synthesis of Nanoporous Metal Architectures(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00119)