锂金属负极亲锂骨架的研究进展

随着电动汽车和便携式电子产品的快速发展, 人们对于高比能二次电池的需求越来越迫切. 锂金属以其极高的理论比容量和极低的电极电势被视为下一代高比能电池理想负极材料之一. 但是, 锂枝晶的生长及体积膨胀等问题限制了金属锂负极的实际应用. 在金属锂负极中引入三维骨架可以有效抑制锂枝晶生长, 缓解体积膨胀. 其中亲锂骨架可以降低锂的形核能垒, 诱导锂的均匀成核, 更加有效地调控锂沉积行为. 本文结合国内外的研究进展总结了锂金属负极中亲锂骨架的研究成果. 根据亲锂材料的不同对亲锂骨架进行了分类, 总结了各类亲锂骨架在调控锂沉积行为和提高电池性能方面取得的成果, 并对其今后的研究和发展进行了展望.     

非均相氮配位单原子光催化剂和电催化剂（英文）

随着能源危机和环境问题的日益突出,人们对可再生能源的开发和利用越来越关注.其中,通过能源转换技术,如光催化、电催化或光(电)催化析氢反应、析氧反应、固氮反应和二氧化碳还原反应等,将清洁、丰富的太阳能和电能转化为化学能是解决能源和环境问题的有效策略之一.能源转换技术实现实际应用的关键在于催化剂的活性、稳定性、选择性和成本等,然而目前催化反应大多采用生产成本高的贵金属基催化剂.因此,亟需开发高效、低成本的非贵金属基催化剂来替代贵金属催化剂.单原子催化剂由于可最大限度地利用结构可控、位置明确的金属活性位点,在多相催化中得到了广泛应用.近年来人们发现,通过单个金属原子与氮配位构建的氮配位单原子催化剂表现出有趣的物理、光学和电子性质,其在光催化和电催化领域的应用研究发展迅速.尽管已经有了大量的相关文献报道,但目前有关氮配位单原子催化剂活性位点的内在光催化和电催化性能的调节原理和催化机理的研究尚不充分.本文综述了近年氮配位的单原子催化剂的合成方法和检测技术,总结了氮配位的单原子催化剂在光催化和电催化领域(如光催化或电催化水裂解、二氧化碳还原及固氮等)的应用,结合高角度环形暗场扫描透射电子显微镜、原...     

基于三维亲锂材料的高稳定金属锂负极的构筑

金属锂具有超高理论比容量密度(3680 mA·h·g^?1)和低还原电位(?3.04 V vs.SHE),被认为是高能量密度电池负极材料的“圣杯”.然而,由于锂枝晶不可控生长和对电解质高反应性导致的库仑效率低、循环寿命短及内短路等问题严重制约着金属锂负极的实用化进展.在实际的电化学体系中,集流体作为金属锂沉积/脱出的基底,其表面性质对锂负极的循环稳定性起着至关重要的作用.本文从负极、集流体表面成分以及微结构设计两方面系统总结了构建三维亲锂骨架材料的改性策略.利用金属、金属氧化物、杂原子掺杂、聚合物材料及有机框架材料等高亲锂材料对集流体和负极的界面及结构进行针对性调控修饰,可以有效调控金属锂的电沉积,推进金属锂负极在高能量密度电池体系中的实用化进程.     

金属锂负极溶剂化结构调控的研究进展

金属锂负极具有极高的理论比容量和极低的氧化还原电位,被认为是二次电池体系中负极材料的最终选择.但在实际应用过程中,不稳定的电极/电解液界面会造成大量的锂枝晶生长,导致容量损失乃至热失控等安全问题.调控锂离子溶剂化结构,可促进有益的固态电解质界面膜(SEI)成膜组分在电极表面优先分解,进而稳定电极界面并可诱导锂离子均匀沉积,是提升液态和准固态金属锂电池电化学性能的重要手段.本文综合评述了近年来从液态到准固态电解质中锂离子溶剂化结构调控的策略和设计原则,探讨了溶剂化结构改变对电极/电解质界面的影响,并对准固态电解质的研究前景进行了展望.     

异原子配位结构碳基单原子电催化剂结构与性能相关性的研究进展

单原子催化剂是一类以相互孤立的单个金属原子作为催化活性中心的、 具有高原子经济性及高活性的负载型催化剂, 被广泛应用于能源电催化领域. 近年来, 通过使用两种或两种以上原子与活性中心金属原子配位, 构建具有异原子配位结构的单原子材料, 展现了优异的电催化性能. 研究发现, 这种不对称的配位结构有效调控了中心金属原子的电子结构, 优化了催化反应的吸附和脱附能量, 提高了电催化的性能. 本文综合评述了具有异原子配位结构碳基单原子电催化剂的合成策略、 表征技术与方法, 以及在前沿能源电催化应用中的催化剂性能与结构之间的构效关系, 并展望了异原子配位结构碳基单原子电催化剂的研究前景.     

亲锂的三维二硫化锡@碳纤维布用于稳定的锂金属负极

金属锂由于其高的比容量,低的电极电势和轻质等特点被认为是下一代高能量密度锂金属二次电池负极材料的最佳选择。然而,充放电循环中不均匀的锂沉积会导致严重的体积变化和大量的锂枝晶形成,从而影响了电池的库伦效率甚至会带来严重的安全隐患。为此,本文设计了一种亲锂的三维二硫化锡@碳纤维布复合基底材料,并作为集流体将其应用于金属锂电池上。一者,高比表面积的三维碳纤维骨架可以适应充放电过程中的体积变化并且有效地降低局部电流密度,从而确保锂的均匀沉积。二者,表面修饰的SnS2层在锂沉积过程中可以形成Li-Sn合金界面层,诱导锂的沉积并降低过电势。最终,实验结果表明:使用所制备的复合集流体与金属锂搭配组成的半电池可以在5 mA·cm^-2的高电流密度下以>98%的库伦效率稳定循环100周以上。此外,在承载10 mAh·cm^-2的金属锂后,复合的锂负极无论是在对称电池还是与磷酸铁锂组装成的实际电池中,均可以在高的电流密度下实现稳定的循环。我们相信这一复合的集流体构建策略对于设计安全稳定的锂金属电池或器件具有重要意义。     

N/C稳定的单原子Co催化剂

单原子催化剂(SAC)是多相催化领域一个新兴的研究热点,是指催化剂中活性组分完全以孤立的单个原子的形式存在,并通过与载体作用或与第二种金属形成合金得以稳定.相比于纳米/亚纳米催化剂,单原子催化剂具有诸多优势:(1)活性组分达到最大程度分散(100％),可有效提高金属(特别是贵金属)原子利用率;(2)活性位点的组成和结构单一,可避免因活性组分组成和结构不均匀导致的副反应,从而显著提高目标产物的选择性;(3)单原子催化剂兼具高活性、高选择性和可循环使用的优点,有望成为连接均相催化与非均相催化的桥梁.因此,单原子催化剂为在原子尺度上理解催化机理和构效关系提供了一个很好的平台.2011年,中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队首次合成了单原子铂催化剂Pt1/FeOx.该催化剂通过共沉淀法制备,在CO氧化以及PROX反应中展示出优异的催化性能,其TOF值为相应的纳米催化剂3倍之高,在此基础上,该团队随后发展了一系列贵金属单原子催化剂,例如Ir/FeOx,Pd/ZnO,Au/CeO2和Ag-Pd/SiO2.这些催化剂在水气变换反应、乙炔选择性加氢反应、芳香硝基化合物选择加氢等反应中表现出了优异的催化活性及选择性.尤其是在3-硝基苯乙烯选择性加氢反应中,单原子催化剂Pt1/FeOx的TOF值高达1500 h-1,是文献报道最优催化剂的20倍;产物3-氨基苯乙烯的选择性高达99％.在单原子催化剂概念提出的短短几年,它已经成为目前多相催化领域的研究热点,并且发展出许多新的单原子催化剂制备方法.然而,由于单个原子具有较高的表面能,因此目前制备的单原子催化剂负载量往往较低(＜0.5 wt％).另一方面,目前单原子催化剂的研究对象主要为贵金属,而非贵金属单原子催化剂却鲜有报道.近日,张涛团队在非贵金属单原子催化剂领域取得新的进展.他们成功制备出了负载量高达3.6 wt％的Co-N-C单原子催化剂,并结合密度泛函理论(DFT)和X-射线吸收精细结构(XAFS)技术首次解析出Co-N-C催化位点的精确结构.Co(Fe)-N-C是一类在电催化领域受到广泛关注的材料,在氧还原反应,析氢反应以及CO2电还原反应中均有良好的催化性能,被认为是一种最有希望取代商业Pt/C电极的非贵金属催化剂.然而,由于其组成较为复杂,人们对其活性中心的认识存在诸多争议.Co(Fe)-N-C催化剂通常采用高温焙烧法制备,即将金属前驱体,含N,C配体以及碳载体在600-9000℃高温下焙烧,这往往导致催化剂中同时含有不同尺寸的Co(0),CoOx以及CoM,也含有常规表征手段难以发现的Co(Fe)单原子.张涛团队利用Mg(OH)2作为牺牲载体,制备出了完全单原子分散的Co-N-C催化剂(图1(a)).作者通过原子分辨的高角环形暗场-扫描透射电镜(HAADF-STEM),XAFS和DFT计算,首次证明Co-N-C催化活性中心的结构为CON4C8-1-20z.在这种模型中,Co中心在径向方向与4个N配位,轴向有2个弱吸附的氧气分子吸附在Co原子上(图1(b)).与之前报道的贵金属催化剂显著不同的是,在Co-N-C单原子催化剂中,Co含量高达3.6 ％.值得称道的是,这种Co-N-C单原子催化剂在芳硝基化合物选择加氢制备偶氮化合物的反应中的催化活性和选择性可媲美贵金属催化剂.使用Co-N-C催化剂,在温和条件下即可实现从芳香硝基化合物一锅法绿色合成偶氮化合物,并且该催化剂具有优异的底物普适性,即使底物含有-C=C,-I,-Br等基团时,也可高效生成相应的偶氮苯.这项工作的另外一个意义在于获得了非常均一的Co-N-C活性位组成和结构,这为利用多种表征手段精确解析结构提供了一个很好的切入点.某种意义上讲,之前文献中报道的含有多种Co物种的Co-N-C催化剂,其活性中心的认定需要重新审视.事实上,Co的配合物作为分子催化剂已经广泛应用于均相催化中;而这项工作中的Co单原子通过与N,C配位而稳定,活性中心类似于均相催化剂中的Co配合物,但却形成了真正的多相催化剂.因此我们可以预测,许多过渡金属均相催化剂有可能通过该工作中的单原子制备策略转化为多相催化剂,从而使单原子催化剂真正成为均相催化和多相催化的桥梁.     

单原子配位结构及与载体相互作用的调控用于二氧化碳电催化还原

电催化二氧化碳还原(ECR) 制备高值化学品被认为是在碳中和背景下实现可再生能源存储及降低CO₂浓度的一种有效策略。为了实现此目标,催化剂的开发与设计是ECR研究的关键。单原子催化剂(SACs) 因其独特的电子结构、明确的配位环境和极高的原子利用率,近年来在ECR领域引起了广泛关注。通过调节SACs的中心金属元素种类和局部配位结构,可有效调节SACs对CO₂和其还原中间体的吸附强度和催化活性。本文总结了SACs在ECR领域所取得的最新研究进展,重点讨论了SACs的配位结构及其与载体之间的相互作用对催化活性的影响以及相关调控策略,最后,提出了SACs应用于ECR所面临的机遇与挑战。     

单原子配位结构及与载体相互作用的调控用于二氧化碳电催化还原

The combustion of fossil fuels increases atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentrations, leading to adverse impacts on the planetary radiation balance and, consequently, on the climate. Fossil fuel utilization has contributed to a marked rise in global temperatures, now at least 1.2 ℃ above 'pre-industrial' levels. To meet the 2015 Paris Agreement target of 1.5 ℃ above pre-industrial levels, considerable efforts are required to efficiently capture and utilize CO₂. Among the different strategies developed for converting CO₂, electrochemical CO₂ reduction (ECR) to valuable chemicals using renewable energy is expected to revolutionize the manufacture of sustainable "green" chemicals, thereby achieving a closed anthropogenic carbon cycle. However, CO₂ is a thermodynamically stable and kinetically inert molecule that requires high electrical energy to bend the linear O＝C＝O bond by attacking the C atom. To facilitate the ECR with good energy efficiency, it is essential to lower the reaction overpotential as well as maintain a high current density and desirable product selectivity; therefore, the design and development of advanced electrocatalysts are crucial. A plethora of heterogeneous and homogeneous materials has been explored in the ECR. Among these materials, single-atom catalysts (SACs) have been the focus of most extensive research in the context of ECR. A SAC with isolated metal atoms dispersed on a supporting host exhibits a unique electronic structure, well-defined coordination environment, and an extremely high atom utilization maximum; thus, SACs have emerged as promising materials over the last two decades. Single-atom catalysis has covered the periodic table from d-block and ds-block metals to p-block metals. The types of support materials for SACs, ranging from metal oxides to tailored carbon materials, have also expanded. The adsorption strength and catalytic activity of SACs can be effectively tuned by modulating the central metal and local coordination structure of the SACs. In this article, we discuss the progress made to date in the field of single-atom catalysis for promoting ECR. We provide a comprehensive review of state-of-the-art SACs for the ECR in terms of product distribution, selectivity, partial current density, and performance stability. Special attention is paid to the modification of SACs to improve the ECR efficiency. This includes tailoring the coordination of the heteroatom, constructing bimetallic sites, engineering the morphologies and surface defects of supports, and regulating surface functional groups. The correlation of the coordination structure of SACs and metal-support interactions with ECR performance is analyzed. Finally, development opportunities and challenges for the application of SACs in the ECR, especially to form multi-carbon products, are presented.     

多孔聚合物在锂金属负极保护中的研究进展

锂金属负极具有极高的理论比容量和最低的还原电位,因此锂金属电池被认为是最具潜力的高比能储能器件之一.然而,充放电过程中不受控制的枝晶生长、不稳定的界面反应与巨大的体积变化导致锂金属负极库伦效率低与循环稳定性差,同时枝晶刺穿隔膜也会带来安全隐患,这些问题极大地制约着锂金属电池的实际应用.多孔聚合物由于比表面积大、密度低、...     

Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes

Lithium (Li) metal is the most promising electrode for next-generation rechargeable batteries. However, the challenges induced by Li dendrites on a working Li metal anode hinder the practical applications of Li metal batteries. Herein, nitrogen (N) doped graphene was adopted as the Li plating matrix to regulate Li metal nucleation and suppress dendrite growth. The N-containing functional groups, such as pyridinic and pyrrolic nitrogen in the N-doped graphene, are lithiophilic, which guide the metallic Li nucleation causing the metal to distribute uniformly on the anode surface. As a result, the N-doped graphene modified Li metal anode exhibits a dendrite-free morphology during repeated Li plating and demonstrates a high Coulombic efficiency of 98 % for near 200 cycles.     

Advances in Artificial Layers for Stable Lithium Metal Anodes

Lithium (Li) metal is considered as the most promising anode material for rechargeable high-energy batteries. Nevertheless, the practical implement of Li anodes is significantly hindered by the growth of Li dendrites, which can cause severe safety issues. To inhibit the formation of Li dendrites, coating an artificial layer on the Li metal anode has been shown to be a facile and effective approach. This review mainly focuses on recent advances in artificial layers for stable Li metal anodes. It summarizes the progress in this area and discusses the different types of artificial layers according to their mechanisms for Li dendrite inhibition, including regulation of uniform deposition of Li metal and suppression of Li dendrite growth. By doing this, it is hoped that this contribution will provide instructional guidance for the future design of new artificial layers.     

锂金属电池中的复合负极

锂金属具有理论比容量高、电位低等优点,被认为是电极中的“圣杯”。然而,锂金属负极在循环过程当中存在着不可控的枝晶生长、体积膨胀等问题,严重地阻碍了锂金属电池的商业化进程。本综述首先概述了锂枝晶的形成机理,然后对由小及大,自内而外,总结了近年来三种不同层次的锂金属电池复合负极:锂金属负极内部结构的复合、锂金属电池内部结构的复合以及锂金属电池内部环境与外界操作条件的复合。最后,本综述对未来多层次锂金属电池复合负极的前景做出了展望。     

Magnetohydrodynamic Interface-Rearranged Lithium Ions Distribution for Uniform Lithium Deposition and Stable Lithium Metal Anode

Uneven lithium (Li) electrodeposition hinders the wide application of high-energy-density Li metal batteries (LMBs). Current efforts mainly focus on the side-reaction suppression between Li and electrolyte, neglecting the determinant factor of mass transport in affecting Li deposition. Herein, guided Li⁺ mass transport under the action of a local electric field near magnetic nanoparticles or structures at the Li metal interface, known as the magnetohydrodynamic (MHD) effect, are proposed to promote uniform Li deposition. The modified Li⁺ trajectories are revealed by COMSOL Multiphysics simulations, and verified by the compact and disc-like Li depositions on a model Fe₃O₄ substrate. Furthermore, a patterned mesh with the magnetic Fe−Cr₂O₃ core-shell skeleton is used as a facile and efficient protective structure for Li metal anodes, enabling Li metal batteries to achieve a Coulombic efficiency of 99.5 % over 300 cycles at a high cathode loading of 5.0 mAh cm⁻². The Li protection strategy based on the MHD interface design might open a new opportunity to develop high-energy-density LMBs.     

人工界面层在金属锂负极中的应用

金属锂具有极高的比容量(3860 mAh·g^?1)和最低的电化学反应电位(相对标准氢电位为?3.040 V),被认为是高能量密度二次电池最具潜力的负极材料。然而金属锂负极界面稳定性差、不可控的枝晶生长、沉积/剥离过程中巨大的体积变化等严重阻碍了金属锂负极的商业化应用。在金属锂表面构建一层物理化学性质稳定的人工界面保护层被认为是解决金属锂负极界面不稳定和枝晶生长,缓解体积膨胀带来的界面波动等一系列问题的有效手段。本综述依据界面传导性质,从离子导通而电子绝缘的人工固态电解质界面(SEI)层、离子/电子混合传导界面、纳米界面钝化层三个部分对人工界面保护层进行了归纳总结。分析了人工界面保护层的物质结构与性能之间的构效关系,探讨了如何提高人工界面保护层的物理化学稳定性、界面离子输运、界面强度与柔韧性、界面兼容性等。最后,指出用于金属锂负极的人工界面保护层目前面临的主要挑战,并对其未来的发展进行了展望。     

Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite‐Free Lithium Metal Anodes

Lithium (Li) metal is the most promising electrode for next‐generation rechargeable batteries. However, the challenges induced by Li dendrites on a working Li metal anode hinder the practical applications of Li metal batteries. Herein, nitrogen (N) doped graphene was adopted as the Li plating matrix to regulate Li metal nucleation and suppress dendrite growth. The N‐containing functional groups, such as pyridinic and pyrrolic nitrogen in the N‐doped graphene, are lithiophilic, which guide the metallic Li nucleation causing the metal to distribute uniformly on the anode surface. As a result, the N‐doped graphene modified Li metal anode exhibits a dendrite‐free morphology during repeated Li plating and demonstrates a high Coulombic efficiency of 98 % for near 200 cycles.     

一种有助于稳定锂金属循环的富氟化位点框架结构

锂金属是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料,然而它的应用仍然受制于较差的循环稳定性。近期,二维氟化界面被广泛用于改善锂金属负极的成核机制、沉积形貌和循环稳定性。本工作通过将体积缩小化的氟化石墨颗粒与锂离子传导网络结合,获得了一种富氟化位点的三维框架结构。实验结果证明此类三维氟化结构可显著提升锂金属负极在不同电流密度和容量下的循环稳定性,且优于二维氟化界面结构。通过本工作的研究,证明了相较于单纯的二维氟化界面,三维锂离子传导网络和富氟化位点的合理结合可以成为一种改进的界面结构用于锂金属负极保护,为高能量密度锂金属电池的负极保护提供了新的设计思路。     

锂金属电池用三维半互穿网络聚合物电解质的制备

锂金属电池作为下一代高比能量电池技术受到人们越来越广泛的关注。然而由锂枝晶生长引发的安全问题是锂金属电池商业化面临的最大挑战之一。具有高锂离子迁移数和离子电导率的聚合物电解质是抑制锂枝晶生长的重要策略之一。本文将季戊四醇四丙烯酸酯和自由基引发剂AIBN添加至商业化电解液中,采用具有单离子传导功能的多孔聚合物电解质为锂金属电池的电解质隔膜,通过在电池内部发生热诱导原位聚合制备三维半互穿网络单离子传导聚合物电解质,达到提高电解质隔膜离子电导率和机械拉伸性能,以及有效抑制锂枝晶生长的目的。通过该策略的实施,成功获得了室温离子电导率0.53 mS·cm^-1和锂离子迁移数0.65的良好结果。应用于锂金属电池,证明该电解质能够有效抑制锂枝晶的生长和倍率性能的提高,为锂金属电池的开发提供了良好的解决路径。