高熵氧化物的设计及其在锂离子电池中的应用研究进展

储能技术的革命性变化对下一代锂离子电池（LIBs）负极材料提出了更高的要求。近年来,一类具有复杂化学计量比的新型材料——高熵氧化物（HEOs）逐渐进入人们的视野并走向繁荣。理想的元素可调节性和吸引人的协同效应使HEOs有望突破传统阳极的综合性能瓶颈,为电化学储能材料的设计和发展提供新的动力。本文分别从化学成分调控和结构设计2个方面结合本课题组近年来的研究及国内外重要文献,综述了HEOs作为LIBs负极材料的研究进展。在化学成分调控方面通过金属杂原子掺杂、非金属杂原子掺杂来提高HEOs的本征活性。在结构设计方面,通过构建一维结构、二维结构、三维结构、空心结构以及复合碳材料来增加HEOs的反应活性位点数量,从而提高储锂性能。最后,对HEOs在LIBs领域的发展进行了展望。     

锂离子电池用钴基氧化物的结构设计及本征活性调控的研究进展

锂离子电池的商业石墨负极材料的容量已经接近理论值,限制了动力电池的发展,开发容量高、稳定性好、循环寿命长和倍率性能优良的新型负极材料显得尤为重要。钴基氧化物材料由于其具有较高的比容量,是锂离子电池的理想负极材料之一。本文分别从结构设计和化学成分调控2个方面,结合本课题组近年来的研究及国内外重要文献综述了钴基氧化物作为锂离子电池负极材料的研究进展。在结构设计方面,通过构建一维结构、二维结构、三维结构、空心结构、碳材料支撑结构以及异质结构来增加钴基氧化物的反应活性位点数量;而在化学成分调控方面则通过引入无定型结构、非金属杂原子掺杂、金属杂原子掺杂、构筑高熵氧化物来提高钴基氧化物的本征活性,从而提高钴基氧化物的锂离子电池性能。最后,对钴基氧化物在锂离子电池领域未来的发展进行了展望。     

S掺杂Fe-NC单原子催化剂氧还原机理研究

杂原子掺杂的Fe-NC催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能.本工作采用密度泛函理论研究了S原子掺杂对Fe-NC单原子催化剂电子结构的调控及促进氧还原反应的作用机理,分析了硫原子掺杂后Fe-NC催化剂的稳定构型,S原子对FeN₄活性位点电子结构的调控,以及氧气的吸附和氧还原反应作用机理.研究结果表明,在FeN₄活性位点周围掺杂少量S原子,可以提高催化剂的稳定性.S原子掺杂提高氧还原性能的机理为：（1）S原子的掺杂降低了催化剂的带隙,提高催化剂导电性,有利于电催化氧还原反应;（2）S原子的掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,有利于氧还原反应;（3）体系中引入四个S原子可以降低氧还原反应的过电位,提高FeN₄位点催化氧还原反应的活性.这项工作可能为基于碳材料的单原子催化剂上杂原子掺杂的调控提供新的思路.     

超四面体硫簇结构调控与电化学发光研究进展

电化学发光(ECL)因其独特的性能特点在生物分析等领域展现出广阔的应用前景,高效ECL试剂的开发则为性能优异的传感器件的发展和临床应用提供了重要工具. 开放骨架超四面体硫簇由于同时具有分子筛的多孔结构和半导体的优异光电性能,在ECL分析中受到了越来越多的关注. 超四面体硫簇的结构组成可以实现原子级别的精确调控,并且其本身还可以作为结构单元来构筑多孔结构半导体材料. 这些特点使通过原子级别的结构组成调节来调控超四面体硫簇的性能成为可能,为发展性能优异的电化学发光材料,拓展其在生化传感、免疫分析和生物成像等方面的应用提供有效工具. 本综述总结了超四面体硫簇的合成、缺陷掺杂、功能调控及ECL生化分析等方面的研究进展,为推进高效ECL新材料的发展和新应用的拓展提供了借鉴.     

硬碳作为钠离子电池负极材料的研究进展

硬碳由于具有来源广泛、制备简单、稳定性好等优势而成为钠离子电池负极材料的理想选择之一。从硬碳的来源、合成方法、孔结构和杂原子掺杂等4个方面对硬碳负极材料在近5年的发展进行了概述。     

富锂正极材料结构设计和表面调控的研究进展

富锂正极材料因具有较高的理论能量密度,被视为极具发展潜能的新一代正极材料,但该材料在循环过程中容量和电压衰减显著,导致其实际商业应用受阻.本文综合评述了通过结构设计和表面调控提高富锂正极材料储锂性能的研究进展,介绍了富锂正极材料的充放电工作机制,及导致其比容量和电压衰减的原因,讨论了近年来通过新型结构设计(如构筑蛋黄-蛋壳中空结构、中空多壳层结构等)和表面调控(如尺寸控制、暴露晶面控制、表面尖晶石化、表面包覆、表面掺杂等）策略,抑制富锂正极材料表面氧析出和晶型转变并稳定材料结构,从而抑制电压和比容量衰减,有效提高电池的循环寿命和库伦效率的相关研究成果,最后,提出了通过结构设计和表面调控提高富锂正极材料电化学性能面临的挑战,并对未来发展方向进行了展望.     

金属有机框架衍生的阳离子调控金属硫化物增强析氧反应活性（英文）

析氧反应(OER)在电化学能源存储与转化技术(例如,电解水与金属-空气电池)中扮演着至关重要的角色.OER涉及四个电子的连续转移,动力学较为缓慢,因此需要较高的过电位来驱动反应进行,这严重限制了其在电化学储能和转换系统中的应用.IrO₂和RuO₂等贵金属基催化剂资源稀缺、价格高昂,因此,开发高活性、高稳定性及低成本的OER电催化剂显得尤为重要,并且极具挑战.杂原子掺杂是一种有效提升过渡金属化合物OER电催化剂活性的策略,但是当前对其本征活性位点的识别及活性提升机制的研究仍然不足.本文提出了一种阳离子掺杂策略,通过引入金属阳离子调控多金属组分的电子结构,优化OER中间体吸附能,进而提升OER活性.通过简单的一步热解硫化钴镍双金属有机框架材料前驱体,成功制备了Ni掺杂CoS/氮掺杂介孔碳(Ni-CoS/NC)复合结构电催化剂;并采用循环伏安法研究了其电化学行为与OER性能,结合谱学研究结果与密度泛函理论(DFT)计算,从原子层面揭示了OER条件下真实活性位点及掺杂型电催化剂的活性提升机制.电化学研究结果表明,所制备Ni-CoS/NC催化剂在1.0...     

通过低熵合金实现铂金属d轨道的调控

研究表明对催化剂中活性位电子结构的精准调控是实现精准催化最有效的手段之一,常见的方法包括调控晶格应力、电荷转移等。在掺杂材料体系中,人们已经运用原子晕效应等理论来解释异原子活性位几何、电子结构的改变给基底材料所带来的物理、化学性质的改变,进而实现对催化等性能的调控。本文中我们以低熵合金为研究对象,通过第一性原理计算提出了原子轨道调控的新途径来尝试实现对催化的精准调控,即通过改变Pt原子的d轨道来实现对催化性能的调控。我们分别模拟了Pt和Pt-Fe合金在不同的吸附位点下对O2分子的吸附过程。我们发现Fe原子的掺入在削弱表面Pt原子对O2分子吸附的情况下却没有影响其解离。通过投影态密度（PDOS）分析得到Pt-Fe合金中Fe-3d和Pt-5d轨道有较强的杂化,从而导致了Pt的d轨道发生偏移的同时产生了自旋极化现象。部分Pt的电子态移动到费米能级之上与O2-π*产生交叠,进而导致了Pt-Fe合金中的Pt-5d与O2-π*的杂化程度明显高于纯Pt体系。我们的理论研究表明,通过这种低熵合金的手段能够调节Pt的d轨道,从而促进对O2分子的催化效果。该研究可以预见轨道调控将为精准催化提供更加有效的手段。未来相信这些研究将对更高效、清洁的催化剂设计提供崭新的思路。     

低维无机功能材料的氢化调控研究

低维无机功能材料电学行为的调控主要依赖于本征异质原子掺杂，但是该方法在性质调控的同时，由于异质原子的嵌入常导致原有晶体结构对称性发生改变，产生变形扭曲甚至破坏．目前，基于清晰结构调控无机材料功能性依然是极具挑战性的难题．氢作为一种小半径轻原子，对低维无机功能材料的修饰或嵌入为调控无极功能材料物性带来了新思路，特别是通过氢的嵌入可以在结构不发生大变化的前提下调制材料载流子浓度并提升导电率，这已逐渐成为低维无机材料电学行为调控的重要途径．本文概述了近年来发展的系列氢化调控方法，以及通过对电子结构调制实现对电学行为的调控，并基于此广泛应用于能源领域、电子器件及催化等方面．     

揭示硫掺杂的碳材料在水电氧化过程中活性苯醌基团及惰性硫残留物的形成（英文）

杂原子掺杂的碳材料具有成本低、导电性高、耐酸碱性强等优点,被直接或作为载体材料广泛应用于各类电催化反应.由于杂原子和碳原子之间的电负性差异很大,人们通常将杂原子掺杂的碳材料析氧(OER)活性提高的原因归于杂原子诱导的碳原子上电荷的重新分布.然而,硫(2.58)与碳(2.55)的电负性几乎相同,说明硫掺杂不会导致碳上显著的电荷重新分布.因此,硫掺杂碳材料的活性来源可能与其他元素掺杂的碳材料不同.目前,部分研究表明,硫掺杂是通过改变碳基体的自旋密度而非电荷密度来优化反应活性.还有一些研究将活性的增强归因于硫掺杂的碳材料中存在的硫杂环结构.然而,上述结论都是基于硫掺杂碳材料本身可以在电催化中保持稳定这一前提下提出的,材料本身电催化过程中可能发生的结构和组分转变,尤其是在强氧化OER条件下发生的转变被忽略了.硫杂环是一种具有还原性的硫物种,在强氧化的OER条件下应当同样发生氧化.因此,硫掺杂的碳材料及其作为金属材料的载体在催化OER时的活性起源和催化机制仍然不明确.本文研究了硫掺杂的石墨薄片(S-GP)在碱性OER过程中的活化以及相应的结构演化过程.连续的电化学线性扫描结果表明, S-GP可以...     

Advanced Carbon Materials for Non-aqueous Potassium Ion Battery Anodes

Owing to the abundant reserves and low cost, potassium ion batteries(PIBs), as potential alternatives to lithium ion batteries(LIBs) in the field of grid-level electrical energy storage systems, have triggered extensive research interest recently. Taking into consideration of the cost, environmental benignity and sustainability, carbon-based materials are supposed to be a promising choice for PIB anodes. In this perspective, we summarize the carbon-based materials with various microstructures toward PIBs and try to offer comprehensive understanding the underlying mechanism of potassium(K) ion storage. In addition, several strategies including heteroatom doping, morphology engineering, defect engineering, interlayer engineering, and composition engineering are proposed to rationally design the nanostructures of the advanced carbon-based PIB anodes. Finally, we conclude the current challenges and provide our perspectives on the development of high-performance carbon materials for PIB anodes.     

Post-modified Strategies of Graphdiyne for Electrochemical Applications

The new carbon material graphdiyne (GDY) has been verified to have a great application prospect in electrochemical field. In order to study its properties and expand its scope of application, various experiments including structural control tests are imposed on GDY. Among them, as one of the most commonly used methods to modify the structure, heteroatom doping is favored for its advantages in synthesis methods and the control of mechanical, electrical and even magnetic properties of carbon materials. According to the published studies, the top-down methods of doping heteroatoms for GDY only need cheap raw materials, simple synthetic route and strong controllability, which is conducive to rapid performance breakthroughs in electrochemical applications. This review selects the typical cases in the development of that post-modification method from the application of GDY in the electrochemical field. Here, based on the existed reports, the commonly used non-metal elements (such as nitrogen, sulfur) and metal elements (such as iron) have been introduced to post-modify GDY. Then, a detailed analysis is made for corresponding electrochemical applications, such as energy storage and electrocatalysis. Finally, the challenges and prospects of post-modified GDY in synthesis and electrochemical applications are proposed. This review provides us a useful guidance for the development of high-quality GDY suitable for electrochemical applications.     

Multiple Active Sites of Carbon for High‐Rate Surface‐Capacitive Sodium‐Ion Storage

Although sodium ion batteries (SIBs) possess many beneficial features, their rate performance, cycling stability, and safety need improvement for commercial applications. Based on the mechanisms of the sodium ions storage in carbon materials, herein we present a multiple active sites decorated amorphous carbon (MAC) with rich structural defects and heteroatom doping as an anode material for SIBs. The full utilization of fast bonding–debonding processes between the active sites and sodium ions could bring a capacitive strategy to achieve superior sodium storage properties. Consequently, after materials characterization and electrochemical evaluation, the as‐prepared electrode could deliver high rate and long‐life performance. This active‐site‐related design could be extended to other types of electrode materials, thereby contributing to future practical SIB applications.     

Interface Heteroatom‐doping: Emerging Solutions to Silicon‐based Anodes

Silicon‐based composites have been recognized as a promising anode material for high‐energy lithium‐ion batteries (LIBs). However, the intrinsically low conductivity and the huge volume expansion during lithiation/delithiation progresses impede its further practical applications. In the past decades, numerous efforts have been made for surface and interface modification of Si‐based anodes. Among these, doping of active materials with heteroatoms is one promising method to endow silicon many unmatched electrochemical properties. In this review, we focus on the effects of heteroatom doping on the interfacial properties of Si‐based anodes, and some typical strategies for the interface doping are highlighted. We aim to give some reference for interfacial doping of Si‐based anodes in LIBs.     

电化学储能研究22年回顾

本文回顾了22年来作者的电化学储能研究活动,共分三个部分. 第一部分叙述高比能量、高比功率储能器件研究,包括锂硫电池研究（硫复合正极材料、锂硫电池制作、锂硼合金作为锂硫电池负极、硫-锂离子电池新体系）、超级电容器研究（超级活性炭、以酚醛树脂为原料制备电容炭、碳纳米管阵列中寄生准电容储能材料、氧化镍干凝胶准电容储能材料、归纳出电容炭材料的性能要求、电容器研制、确定“第四类”超级电容器）、锂离子电池研究（锂离子电池与可再生燃料电池的对决、双变价元素正极材料、磷酸钴锂正极材料、高功率锂离子电池的制作）. 第二部分叙述规模储能电池研究,包括液流电池新体系研究（蓄电与电化学合成的双功能液流电池、全金属化合物单液流电池、有机化合物正极的单液流电池）、致力于振兴铅酸电池（推广铅蓄电池新技术、铅炭电池的研究、铅酸电池新型板栅的研究）,储能电池（站）的经济效益计算方法. 第三部分叙述电动汽车发展路线研究,包括氢能燃料电池电动汽车、纯电动汽车与混合动力汽车、对我国电动汽车发展路线的建议、力争电动汽车补贴的合理化、坚守电动汽车“节能减排”宗旨、提出“发电直驱电动车”. 最后的结束语谈了三点感悟.     

Sulfur-/Nitrogen-Rich Albumen Derived “Self-Doping” Graphene for Sodium-Ion Storage

The development of sodium-ion batteries (SIBs) is hindered by the rapid reduction in reversible capacity of carbon-based anode materials. Outside-in doping of carbon-based anodes has been extensively explored. Nickel and NiS₂ particles embedded in nitrogen and sulfur codoped porous graphene can significantly improve the electrochemical performance. Herein a built-in heteroatom “self-doping” of albumen-derived graphene for sodium storage is reported. The built-in sulfur and nitrogen in albumen act as the doping source during the carbonization of proteins. The sulfur-rich proteins in albumen can also guide the doping and nucleation of nickel sulfide nanoparticles. Additionally, the porous architecture of the carbonized proteins is achieved through removable KCl/NaCl salts (medium) under high-temperature melting conditions. During the carbonization process, nitrogen can also reduce the carbonization temperature of thermally stable carbon materials. In this work, the NS-graphene delivered a specific capacity of 108.3 mAh g⁻¹ after 800 cycles under a constant current density of 500 mA g⁻¹. In contrast, the Ni/NiS₂/NS-graphene maintained a specific capacity of 134.4 mAh g⁻¹; thus the presence of Ni/NiS₂ particles improved the electrochemical performance of the whole composite.     

纳米材料在超级电容器领域的有效设计与可控合成

伴随着电化学储能器件在便携式电子产品、混合动力电动汽车及大型工业规模的电力和能源管理中的应用,设计合成出结构新颖、性能优越的先进纳米电极材料显得至关重要.作为电化学储能器件中的重要一员,超级电容器以其功率密度高、循环寿命长等特点越来越受到人们的广泛关注,而电极材料的组成及结构是其性能高低的决定性因素.本文结合本科研团队近几年来的研究工作,综述了有关超级电容器纳米电极材料的设计与可控合成及其前沿研究进展.     

Halide‐Based Materials and Chemistry for Rechargeable Batteries

Rechargeable batteries are considered one of the most effective energy storage technologies to bridge the production and consumption of renewable energy. The further development of rechargeable batteries with characteristics such as high energy density, low cost, safety, and a long cycle life is required to meet the ever‐increasing energy‐storage demands. This Review highlights the progress achieved with halide‐based materials in rechargeable batteries, including the use of halide electrodes, bulk and/or surface halogen‐doping of electrodes, electrolyte design, and additives that enable fast ion shuttling and stable electrode/electrolyte interfaces, as well as realization of new battery chemistry. Battery chemistry based on monovalent cation, multivalent cation, anion, and dual‐ion transfer is covered. This Review aims to promote the understanding of halide‐based materials to stimulate further research and development in the area of high‐performance rechargeable batteries. It also offers a perspective on the exploration of new materials and systems for electrochemical energy storage.