期刊,中国科学：材料科学（英文） 2024年卷11期_国家学术搜索

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中国科学：材料科学（英文）

中国科学：材料科学（英文）/EISCI

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氧空位锚定铂单原子增强氢溢流促进逆水煤气变换反应

康鑫刘健聪谢颖王东旭...

3579-3588页

查看更多>>摘要：构建单原子催化剂(SACs)和载体氧空位(Ov)的协同催化对于提高CO2加氢催化效率至关重要,但同时也面临着诸多挑战.在本研究中,我们开发了一种胺分子辅助原位锚定策略,通过控制胺分子与铂(Pt)物种和TiO2-x之间的相互作用,成功实现Pt单原子在TiO2-x上的有效分散与稳定.直接证据表明,Pt SACs嵌入Ov中形成Ptδ+-Ov-Ti3+结构,并展现出强金属-载体相互作用,这不仅抑制了高温还原过程中Pt SACs的烧结,还增强了氢溢流过程,促进了更多Ov位点的形成.在逆水煤气变换(RWGS)反应中,增加的Ov位点数量可以促进CO2的吸附,而Pt SACs则有效提升了氢的活化和溢流.二者的协同作用显著提高了材料的催化性能,是其在330℃下具有高达9289 h-1的转化频率(TOF)和超过200小时的高稳定性,超越了TiO2-x上负载Pt团簇和纳米颗粒催化剂.本工作为可控制备具有单原子和Ov的协同催化剂开辟了一条新的途径.

关键词：

Pt single atomsoxygen vacanciesTiO2reverse water-gas shift reactionhydrogen spillover

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万方数据

非金属三维共价有机框架在高效氧还原中的应用:一种新颖的方法

韦闪跃吴晓伟朱书飞王之杨...

3589-3595页

查看更多>>摘要：共价有机框架材料因其结构多样性和可调节的功能而在电催化系统中获得了显著的应用.此外,三维(3D)共价有机框架(COFs)展现出多级孔隙结构,暴露出众多活性位点,这有助于推进氧气还原反应(ORR)的进程.然而,3D COFs在ORR方面的进展受到了限制,这些限制包括有限的拓扑结构、缺乏具有所需反应性和对称性的构建单元,以及确定晶体结构的困难.在本研究中,我们利用一种8连接性的构建单元,成功构建了两种等网状的3D COF材料,这些材料在无需添加任何金属或导电支撑材料,也无需热解过程的情况下,展现出了对2电子氧气还原反应异常高的催化活性.两种3D COF的电化学活性表面积(ECSAs)分别为17.19和12.18 mF/cm2,显著高于其他框架材料所报告的数据.

关键词：

electrocatalysisoxygen reduction reactionmetal-freecovalent organic framework

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中空球形组装体强化Cu0/Cu+界面促进CO2电催化还原为C2+产物

黎雨史皓峻李聪聪刘忠梁...

3596-3601页

查看更多>>摘要：在铜基催化剂表面构建Cu0/Cu+界面有利于电催化CO2还原(CO2RR)为多碳(C2+)产物.然而,在高电流密度下,Cu+物种很容易被还原成金属Cu.因此,深入理解并合理设计和构建Cu基催化剂表面Cu0/Cu+界面对提高C2+产物选择性具有重要的意义.基于此,我们提出了一种可控的"纳米粒子组装"策略,以获得由大量Cu2O纳米粒子组成的中空球形组装体(HSA-Cu2O).HSA-Cu2O催化剂显著提高了C2+产物的选择性,其法拉第效率(FE)达到了79.2％±0.7％,C2+产物的部分电流密度为317.1 mA cm-2.在CO2RR过程中,HSA-Cu2O催化剂发生了原位电化学重构,实现了高密度的Cu0/Cu+活性界面位点的构建.俄歇电子能谱、原位拉曼和结构演变过程研究证实,Cu0/Cu+界面与中空球限域结构的结合促进了*CO中间体的富集,从而促进了*CO二聚化,提高了CO2RR中C2+产物的选择性.

关键词：

Cu0/Cu+interfacehollow spherical assembliesconfinement effectC-C coupling

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铜基团簇上原子级精确的局部环境调控促进CO2到CH4的电催化还原

史丽吴涵博徐文迪付伟...

3602-3608页

查看更多>>摘要：在原子尺度上开发低成本、高性能催化剂已成为可再生清洁能源技术大规模应用的一个关键问题.本文中基于密度泛函理论计算,我们系统研究了过渡金属(Fe、Co和Ni)局部掺杂Cu13/55团簇形成的单/多原子合金对电化学CO2还原反应活性和选择性的影响.研究发现多原子合金团簇的催化性能远超Cu(211)表面,尤其是Co666构型表现出卓越的性能,速决步自由能垒仅为0.33 eV.此外,我们的研究显示合金团簇的催化性能主要由配位数为6(CN=6)的掺杂金属比例决定.这一比例主要影响关键中间体(HCOO*和H2COO*)的吸附强度.结合Bader电荷分析和自由能计算,我们提出了新的CO2还原机理,即吸附的CO2的C位点不断被氢化并最终还原为CH4.这项研究为团簇结构催化CO2转化为CH4提供了理论基础.

关键词：

electrocatalytic CO2 reductionnanoclustercatalyst modulationfirst-principles calculations

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利用同步辐射SAXS/XRD/XAFS联用技术原位跟踪CO2辅助自组装铋基光催化剂等温等压合成过程

刘云鹏赵顺征钟佳君刘江龙...

3609-3621页

查看更多>>摘要：催化剂的合成路径决定其形态、种类和性能,原位监测催化剂形成过程极具吸引力,且充满挑战.本文利用新开发的同步辐射SAXS/XRD/XAFS联用技术,原位监测了CO2辅助下(BiO)2CO3(BOC)光催化剂的等温等压合成过程,同步获取了其原子近邻结构、晶体结构和纳米尺度粒径随反应时间的演化.研究结果揭示铋基前驱体溶液中,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和CO2均形成均匀分布的纳米尺寸散射体,并呈现出一定程度上的短程有序结构;所形成的BOC光催化剂经历了初始Bi(OH)3沉淀、早期形成KBiO2分子、中间非晶态(BiO)4CO3(OH)2纳米粒子、到最终结晶纳米片自组装花状BOC颗粒的演化过程.本文还进一步采用不同合成途径分别制备了花状BOC颗粒、Bi/BOC复合材料和Bi纳米球,花状BOC颗粒呈现出最优的RhB光催化降解性能,清除剂实验和理论计算揭示了BOC的光催化机制.这项工作对其他催化剂的路径依赖合成具有参考价值.

关键词：

SAXS/XRD/XAFS combined technique(BiO)2CO3in-situ trackingformation processphotodegradation

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全气候长寿命钠离子电池用多孔Na4Fe3(PO4)2-(P2O7)/C复合材料

石小燕郝志强朱文庆周洵竹...

3622-3628页

查看更多>>摘要：Na4Fe3(PO4)2(P2O7)(NFPP)具有成本低、晶体结构稳定等优点被认为是极具潜力钠离子电池正极材料.然而,其低的本征电导率,致使电化学性能较差.在本工作中,我们采用简便的自组装策略合成了具有多孔结构的NFPP/C复合材料(p-NFPP).其发达的孔隙结构可在充放电过程中有效减少离子扩散路径,加速电解液浸润,,并适应体积膨胀.此外,原位X射线衍射表明p-NFPP具有优异的结构稳定性.因此,p-NFPP展现出高的可逆容量(104.8 mAh g-1)、良好的倍率性能(10 A g-1时为75.0 mAh g-1)和出色的循环稳定性(2000次循环后仍能保持85.1 mAh g-1的可逆容量).更重要的是,p-NFPP可在55至-10℃的宽温度范围内稳定工作.这项工作证明形态工程是提高电极材料全气候钠存储性能的有力策略.

关键词：

sodium-ion batteriescathode materialsporous structureall-climateselectrochemical performance

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万方数据

通过掺杂铜稳定钠离子电池中无相变P2-型无Co/Ni正极中的氧氧化还原反应

张海霞吴林蓉王皓睿武东政...

3629-3636页

查看更多>>摘要：含氧氧化还原反应过程的P2-型层状氧化物正极由于具有高容量在钠离子电池中受到广泛关注.然而,由于这些材料在高电压下发生不可逆的氧氧化还原反应和相变过程,通常电化学性能较差,因而阻碍了它们的大规模应用.本研究揭示了通过掺杂铜使无Co/Ni的Na0.75-Li0.25-2/3xCuxMn0.75-1/3xO2循环稳定性和速率性能显著提高的机理.非原位XPS显示,掺入Cu可减少循环过程中引发Jahn-Teller效应的Mn3+的量.此外,Cu周围氧的电子富集可以减轻氧的不可逆氧化,从而抑制因O-O之间静电排斥的快速减弱而产生的相变.同时,原位XRD结果证实,Na0.75Li0.19Cu0.09Mn0.72O2在充放电过程中保持了P2相结构,从而实现了 1.9％的近零应变特性.因此,优化后的正极在0.1 C时的可逆容量高达194.9 mAh g-1,在5 C时循环100次后的容量保持率高达88.6％.与商用硬碳负极配对的全电池可提供240 Wh kg-1的能量密度.我们的研究为设计低成本、高能量密度的新型钠离子电池插层正极材料提供了思路.

关键词：

sodium-ion batteriesCo/Ni-freeCu dopingoxygen redox reactionphase transition

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氮硫共掺杂纳米片组装而成的多孔碳微球作为锂/钠离子电池负极材料

陈昱天由杰赵晓冉李劢...

3637-3647页

查看更多>>摘要：碳基负极材料具有成本低、来源广、电导率高、形态易控制等特点,被广泛应用于各种电池储能系统中.然而,目前市售的作为锂/钠离子电池活性材料的负极材料普遍存在体积变化大、倍率性能差的问题.为此,我们根据希夫碱反应原理,通过简单的水热、碳化和刻蚀工艺,合成了由二维纳米片组装而成的N、S共掺杂多孔碳微球(N、S-PCS).N、S-PCS结构是通过从碳骨架中去除Fe7S8纳米颗粒,形成掺杂N、S的多孔微球.因此,通过杂原子掺杂和表面工程,碳材料的微观形貌特征、孔隙结构和导电性能得到了有效优化.正如预期的那样,制备的N、S-PCS电极在锂离子电池和钠离子电池中都表现出优异的电化学性能.对于锂离子电池,在0.1和20 A g-1的条件下,其可逆容量分别达到1045和237 mAh g-1;对于钠离子电池,它显示出良好的循环稳定性,在1 A g-1的条件下循环500次后,容量为157 mAh g-1.实验和理论计算结果证实,N、S共掺杂策略有助于提高负极材料结构稳定性、缩短离子扩散路径和促进反应动力学,从而实现其优异的电化学性能.这项工作对金属离子电池非金属掺杂功能化多孔碳结构的实际应用具有指导意义.

关键词：

porous carbon microsphereselement dopinglithium-ion batteriessodium-ion batterieselectrochemical performance

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合金反应诱导的半共格界面调控钠金属成核和生长实现少量负极钠金属电池的长期循环

马培张耀扬李文斌罗钧...

3648-3657页

查看更多>>摘要：钠金属电池因其能量密度高、资源丰富等优势被认为是一种极具前景的电化学储能技术,然而在高面容量下实现电池持续运行是阻碍该系统应用的关键科学问题.本文通过工业电镀策略在商业化的铝箔集流体表面精心设计了二维锡/钠锡合金涂层.与目前广泛报道的Sn与Na原位形成Na15Sn4合金不同,设计的Na9Sn4合金界面与钠具有更低的晶格失配率(20.84％),进而形成半共格界面,从而减缓钠金属沉积过程中的晶格应力,并诱导钠在高面容量下致密沉积.此外,Sn与阴离子的吸附作用使得更多的PF6-优先参与界面溶剂化结构,从而促进形成薄(10 nm)的富含NaF等无机物的固态电解质界面,增强钠离子的传输,进一步有助于钠金属的均匀沉积,提高钠金属沉积/剥离循环的可逆性和稳定性.因此,衬底在5 mA h cm-2的高面容量下,表现出高达99.7％的平均库仑效率.在60 mA g-1下,全电池展现出600周的循环稳定性,每圈循环衰减率低至0.0018％.

关键词：

sodium-metal batteriessemi-coherent interfaceso-lid-electrolyte interfaceareal capacitycycle life

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多功能离子液体用于延长钙钛矿光伏前驱体溶液的有效期

徐亚洲徐凯琴肖书琴邢直...

3658-3665页

查看更多>>摘要：目前,钙钛矿太阳能电池的发展非常迅速,但其稳定性差的问题仍有待解决.稳定的前驱体溶液对于大规模制备高质量的钙钛矿薄膜至关重要.本文通过使用多功能离子液体1-n-丁基-3-甲基咪唑啉,二-n-丁基磷酸盐(BMIMBP)作为抗老化添加剂,成功地开发了一种提高前驱体溶液的长期稳定性和电池性能的策略.BP-可以通过多种化学键抑制I-和FA+的反应性,从而提高前驱体溶液的稳定性.此外,带有胺基的BMIM+可以在内部形成二维钙钛矿,增强了器件的稳定性.本文为稳定钙钛矿太阳电池的商业化应用提供了一类行之有效的方法.

关键词：

perovskite solar cellsstabilityprecursor solutionanti-agingcrystallization

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