鑽石舞台

電子調製和結構設計具有多通道傳輸的MoSe2用於高性能鈉離子電池

第一作者: 呂成魁, 藺春發, 董慧龍

通訊作者: 耿洪波, 楊駿, 魏懷鑫

由於鈉資源儲量豐富且價格低廉, 鈉離子電池(SIBs)可作為鋰離子電池(LIBs)的有效替代品已成為共識. 基於此, 開發適合鈉存儲的電極材料是鈉離子電池發展的關鍵. 近年來, 二維層狀過渡金屬硫屬化物在能源和環境領域受到廣泛關注. 其中MoSe2, 由於其寬的層間距和較高電導率, 被認為是一種具有潛力的SIBs負極材料. 本文通過靜電紡絲, 硒化及碳化過程, 設計製造了具有多通道電子傳輸路徑的氮摻雜雙碳殼層MoSe2納米材料MoSe2/MCFs@NC). 此結構具有三維連通的導電網絡, 豐富的空隙和足夠的電子傳輸路徑, 有助於適應鈉離子脫嵌帶來的體積膨脹應力, 並加快電荷轉移動力學. 作為鈉離子電池負極材料時, MoSe2/MCFs@NC表現出高的比容量(10 A g−1電流密度下為319 mA h g−1)和優異的循環穩定性(10 A g−1的電流密度下可循環1100圈). 此外, 該材料在與Na3V2(PO4)2O2F正極材料組成的鈉離子全電池中也表現出了卓越的性能. 理論計算進一步驗證了雙碳殼層和MoSe2之間的強相互作用, 對於提升MoSe2/MCFs@NC的鈉離子電池綜合性能具有重要意義. 本研究為製備高性能鈉離子電池電極材料提供了新思路.

Lv, C., Lin, C., Dong, H. et al. Electronic modulation and structure engineered MoSe2 with multichannel paths as an advanced anode for sodium-ion half/full batteries. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2092-0

第一作者: 馬藝媛, 安玉蓉

通訊作者: 袁文玉

二維過渡金屬碳化物(MXenes)對含氧中間產物的吸附能壘高, 使得MXenes對產氧反應(OER)的活性差, 因此阻礙着其在高性能水分解和燃料電池中的應用. 本文發現引入零維石墨烯量子點(GQDs)的MnXn−1O2@GQDs的OER活性具有明顯的pH依賴性, 且其相關性可通過石墨烯量子點來進行調控, 18O同位素標記-飛行時間二次離子質譜分析表明GQDs的引入顯著提升了晶格氧參與OER的程度, 證明了MnXn−1O2 MXenes的晶格氧可以被GQDs激活. 在晶格氧被激活的情況下, MnXn−1O2@GQDs的電催化OER動力學過程則由傳統的吸附演變機制轉變為晶格氧機制. 在10 mA cm−2的基準電流密度下, 所製備的0D/2D Ti3C2O2@GQDs異質結構的過電位被大幅降低至390 mV (純Ti3C2O2高達530 mV). 進一步通過優化厚度和導電基底, 在10 mA cm−2電流密度下的過電位可被降低到250 mV, 塔菲爾斜率被抑制到39 mV dec−1, 該結果優於目前最先進的MXenes基OER催化劑和商用貴金屬催化劑. 本工作將晶格氧機制的應用範圍從鈣鈦礦擴展到MXenes, 也為提升MnXn−1O2的OER活性提供了一種全新策略, 對MXenes的材料設計和電催化機理的深入理解都有積極意義.

Ma, Y., An, Y., Xu, Z. et al. Activating lattice oxygen of two-dimensional MnXn−1O2 MXenes via zero-dimensional graphene quantum dots for water oxidation. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2091-4

第一作者: 何傳生

通訊作者: 黃小青, 李雷剛

構建具有豐富缺陷且缺陷濃度可調的二維(2D)介孔金屬氧化物(氫氧化物)納米材料作為高效電催化劑仍然是一個巨大的挑戰. 本工作開發了一種簡便有效的一鍋溶劑熱路線來合成由晶體相Mo4O11和准非晶相氫氧化鈷組成的介孔Mox-Co-O雜化納米片. 由於短鏈有機胺在高溫下的刻蝕作用, 合成過程中在Mox-Co-O雜化納米片上原位產生了大量的介孔空穴, 增加了材料的電化學比表面積. 此外, Mox-Co-O納米片的尺寸、介孔和晶相/非晶相納米片上缺陷(本工作中的氧空位)的濃度可以通過控制Mo/Co摩爾比調節. 電化學測試表明, 2D介孔Mox-Co-O納米片表現出優異的析氧反應活性, 其中Mo0.2-Co-O納米片表現出最高的催化活性(在1 mol L−1 KOH中10 mA cm−2處的過電位為276 mV). 研究發現, Mo0.2-Co-O納米片具有合適的d帶中心和最高濃度的氧空位, 這是促成其優異催化活性的兩個主要因素. 本工作構建具有豐富缺陷(氧空位)和合適d帶中心的二維金屬氧化物(氫氧化物)的晶相/非晶雜化納米材料的方法, 為設計更高效的催化劑提供了重要啟發.

He, C., Hu, X., Wang, J. et al. Defect engineered 2D mesoporous Mo-Co-O nanosheets with crystalline-amorphous composite structure for efficient oxygen evolution. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2098-x

第一作者: 朱峰

通訊作者: 陳宇

制約陶瓷基燃料電池鈣鈦礦陰極的電化學性能的主要因素是其緩慢的氧還原反應(ORR)動力學和較差的穩定性. 這兩個性能的好壞在很大程度上取決於鈣鈦礦基陰極材料的A位元素. 因此, 本工作提出一種雙鈣鈦礦氧化物Ba0.8Gd0.8Pr0.4Co2O6−δ (BGPC)的A位元素調控策略, 顯著提高BGPC的ORR活性和穩定性. 作為La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3−δ電解質支撐的單電池陰極材料時, BGPC表現出優異的電化學活性和穩定性. 比如, 在800°C時, 電極的面積比電阻為0.170 Ω cm2, 並且電池的峰值功率密度達到1 . 1 8 9 W cm−2 , 優於目前商業化的(La0.6Sr0.4)0.95Co0.2Fe0.8O3−δ (LS95CF)陰極的性能(峰值功率密度為1.079 W cm−2). 此外, 在0.5 A cm−2的恆流工作模式下, 使用BGPC作為陰極的單電池穩定性(衰減速率為0.074% h−1) 優於使用LS95CF陰極的單電池(衰減速率為0.13% h−1). 優異的電化學性能和良好的穩定性, 表明鈣鈦礦材料的A位調控是提高電極電化學活性和穩定性的一種有效策略.

Zhu, F., He, F., Xu, K. et al. Enhancing the oxygen reduction reaction activity and durability of a double-perovskite via an A-site tuning. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2094-2

第一作者: 王瑩琿

通訊作者: 黃洪偉

基於半導體的高效太陽能轉換光催化是應對日益嚴重的全球能源和環境危機的理想策略. 然而, 光催化的發展仍然受到可見光利用率低、電荷轉移和分離效率低、反應位點不足等問題的限制. 本文採用一步還原法將Au納米顆粒沉積在Bi2WO6表面, 同時誘導Bi2WO6表面形成氧空位. 我們發現氧空位濃度隨着Au負載的增加而增加. Au納米顆粒和氧空位改善了材料的光吸收, 並促進了光生載流子的分離和運輸. 此外, 氧空位與附近的金屬活性位點協同作用, 優化了反應物在催化劑表面的吸附能, 改變了CO2分子在催化劑表面的吸附形式, 最終在無需犧牲劑的氣固體系中實現了高達34.8 μmol g−1 h−1的CO光催化產出速率, 比未改性的Bi2WO6高出9.4倍. 這項工作有望進一步加深我們對金屬納米顆粒與氧空位之間的關係及其在光催化中的協同作用的理解.

Wang, Y., Chen, T., Chen, F. et al. Metal-induced oxygen vacancies on Bi2WO6 for efficient CO2 photoreduction. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2093-x

第一作者: 陳富強, 郭凱晴

通訊作者: 鮑宗必

輕烴混合物分離以及從天然氣中提取C3H8和C2H6對天然氣純化及劣質天然氣升級意義重大. 微孔碳吸附劑在輕烴分離中潛力巨大, 然而構築孔徑均一的超微孔從而增強分離選擇性仍是巨大挑戰. 本文採取無活化劑熱解法製備了一系列孔徑均一(5.2到5.3 Å)的聚偏二氯乙烯樹脂(PVDC)衍生的超微孔碳吸附劑. 與已報道的吸附劑相比, 優選的C-PVDC-800對C3H8/CH4及C2H6//CH4在298 K和1.0 bar下表現出更高的理想吸附溶液理論(IAST)選擇性(分別為3387和75), 對C3H8/CH4具有最高的Henry係數選擇性(369). 此外, C-PVDC-800在低壓下對C3H8和C2H6具有極高的吸附量. 更重要的是, 該材料對所有氣體分子都實現了快速的動力學吸附, 有利於應用於固定床吸附過程. 固定床穿透實驗及循環測試進一步證實了該材料從天然氣中選擇性提取C3H8和C2H6的優異性能.

Chen, F., Guo, K., Huang, X. et al. Extraction of propane and ethane from natural gas on ultramicroporous carbon adsorbent with record selectivity. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2096-8