鑽石舞台

前 言

1.陸俊/吳天品Nature：應變延緩相干鈣鈦礦相，助力高穩定性富鎳陰極！

由於鋰離子的嵌入和脫出，在插層層狀氧化物中晶格應變無法避免。這主要是因為氧化還原物質離子半徑的變化和氧的庫侖排斥。前者有助於過渡金屬-氧八面體（TMO）的收縮，進而減少整個充電過程中的晶格參數a(b)。靜電相互作用的後一種變化（O-O和O-Li-O）可以明顯改變材料的c間距。這種變化在c間距迅速塌陷的高壓區域非常明顯。因此，這些各向異性晶格位移共同產生晶格應變的積聚，以及所導致不可逆的相變，被廣泛認為是層狀氧化物衰減的原因。

近年來，科學家們已經嘗試了許多策略，並使用包括元素摻雜，微結構工程和單晶開發來限制由晶格變化引起的結構退化。然而，由於層狀氧化物中各向異性晶格參數的必然變化，這些方法無法解決晶格位移所帶來的結構不穩定。考慮到這一點，找到一種有效的方法來調節晶格應變對於實現高結構穩定性至關重要。

鑑於此，浙江大學陸俊教授和吳天品教授在Nature上發表了題為「Strain-retardant coherent perovskite phase stabilized Ni-rich cathode」的最新研究成果。

本文要點：

1. 作者使用一種包含穩定物理結構和與層狀結構氧化物良好晶格匹配的La4[LiTM]O8（LLMO, TM = Ni, Co, Mn）相，實現應變延緩作用。

2. 首先，穩定的鈣鈦礦結構將層狀結構與岩鹽結構融為一體，並與層狀結構正極非常匹配，從而很好的適應應變延緩策略。其次，LLMO和層狀氧化物之間晶格參數的相似性確保了相干生長的可能性。最後，LLMO可以通過使用層狀氧化物的優化合成方法來實現，消除了進一步處理引起的額外結構複雜性。

3. 基於以上原理，作者成功地將應變延緩相引入最先進的高鎳層狀材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM）中，該材料在所有循環中都表現出明顯抑制的晶格應變積聚，並通過電子、局部原子結構到顆粒和電極水平的表徵得到了證明。

4. 這種材料大大降低了層狀氧化物中的晶格應變，從而在高截止電壓下也具有良好的循環性。

5. 這種方法拓寬了晶格工程用於釋放鋰（脫）插層應變的前景，並為開發具有長耐久性的高能量密度陰極鋪平了道路。

Wang, L., Liu, T., Wu, T. et al. Strain-retardant coherent perovskite phase stabilized Ni-rich cathode. Nature 611, 61–67 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05238-3.

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2.Nature Nanotechnology：高效單片鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的納米光學設計！

單片雙端鈣鈦礦疊層太陽能電池（PSTSCs）已經實現了超過31%的功率轉換效率（PCEs），從而克服了傳統的晶體-硅單結太陽能電池的物理極限。如此高的PCEs是通過不斷改進PSTSCs的光學和電子性能來實現的。這些改進包括切換電池極性以增強頂接觸傳輸，並對不同層進行微調，以提高光學性能。此外，科學界也討論了通過優化接觸層，利用添加劑和調整鈣鈦礦組合物或沉積物的方案。

對於硅太陽能電池，通常使用氫氧化鉀刻蝕的尺寸為幾微米的隨機金字塔絨面進行光管理。然而，如果不與溶液加工的鈣鈦礦吸光層進一步適配，它們是不兼容的。總的來說，鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池提供了克服傳統硅太陽能電池的功率轉換效率極限的可能性。為了提高光學性能，人們提出了多種絨面疊層器件，但在絨面結構晶片上優化薄膜生長仍然具有挑戰性。

鑑於此，德國柏林亥姆霍茲材料與能源中心有限公司Christiane Becker教授和 Steve Albrecht教授在Nature Nanotechnology聯合發表了題為「Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells」的最新研究成果。

本文要點：

1. 作者展示了具有周期性納米紋理的鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池。在不影響溶液加工鈣鈦礦層的材料質量的情況下，這些納米紋理具有各種優勢。

2. 作者發現，與平面串聯相比，反射損耗有所減少，新器件對偏離最佳層厚度的敏感度較低。

3. 納米紋理還可以將製造良率從50%大幅提高到95%。

4. 此外，由於鈣鈦礦頂電池的光電特性增強，開路電壓提高了15 mV。

5. 先進的光學背反射器帶有介電緩衝層，可減少近紅外波長下的寄生吸收。因此，作者證明了29.80 %的認證功率轉換效率。

Tockhorn, P., Sutter, J., Cruz, A. et al. Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01228-8.

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直將二氧化碳從空氣/廢氣中捕獲並利用可再生能源將其轉化為高附加值產品，是緩解地球生態環境問題和能源危機的有效方案。因此，通過電催化二氧化碳還原反應（CO2RR）生產多碳（C2+）產物和化工原料，近年來成為了研究熱點。

目前，銅基電催化劑已被證明是唯一可通過CO2RR有效製備C2+產物的催化劑。然而，通過銅基催化劑製備C2+產物的CO2RR的選擇性仍然受限於其較高的過電位、緩慢的反應動力學和較低的選擇性。近年來，多種新型銅基催化劑的設計和製備得到了快速發展。為促進CO2RR技術的產業化，對其研究進展和設計策略進行總結和展望是非常必要的。

鑑於此，中國科學技術大學、Nano Research Energy青年編委陳維教授發表了題為「Electrochemical CO2reduction to C2+products using Cu-based electrocatalysts: A review」的最新研究綜述。

本文要點：

1. 作者首先討論了銅基催化劑設計的各種前沿策略，包括表界面工程、通過合金化調整銅帶隙、聚合物複合的銅基催化劑等。

2. 隨後，作者總結了電解液和pH值對催化劑性能的影響，進而深入了解銅基催化劑失活/降解機制。

3. 此外，作者還總結了銅基催化劑在CO2RR反應中的原位光譜學和理論計算研究進展，以使讀者充分理解銅基催化劑的反應機制、結構轉化/降解機制和晶面損失對催化劑活性的影響。

4. 最後，作者從四個角度（包括發展單原子催化劑、利用表界面工程調控、開發銅基金屬有機框架材料和製備銅-聚合物複合催化劑）指明了開發先進Cu基催化劑的方向，為解決開發銅基催化劑存在的挑戰以及未來發展方向提供了新視角。

T. Ahmad, S. Liu, M. Sajid, et al. Electrochemical CO2Reduction to C2+Products Using Cu-Based Electrocatalysts: A Review. Nano Research Energy. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120021.

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4.曾志遠/李巨Nature Protocols：原位透射電子顯微鏡中的液體池製備！

原位液相透射電子顯微鏡（In-situ liquid cell TEM）技術為原位研究液相過程提供了新的可能，可用於研究溶液中晶體的成核與生長，能源材料中的電化學反應，活體細胞的生命活動等。

該技術中的關鍵部件，即液體池，或稱為液體芯片（liquid cell），是實現對液體樣品在亞納米尺度的原位觀察和記錄的基礎。

用於原位TEM的液體芯片通常包括常規的芯片（一般用於觀察化學反應，如晶體的成核與生長）以及電化學芯片（主要用於觀察電化學過程）。電化學芯片製備起來難度更大，因為通常需要將電極和電解液封裝在芯片裡，並且與外部電源連接。因此，製造這樣的電化學芯片是學術與工業界的共同追求。

鑑於此，香港城市大學曾志遠教授和麻省理工學院李巨教授在Nature Protocols上合作發表了題為「Fabrication of liquid cell for in situ transmission electron microscopy of electrochemical processes」的最新研究成果。

本文要點：

1. 作者首先介紹了製備原位液相TEM核心部件-電化學液體芯片（electrochemical liquid cell）的技術，並且展示了原位電化學反應的實例。

2. 所製備的電化學液體芯片可用於TEM原位觀察多種液相反應，如鋰金屬枝晶的生長，固體電解質界面膜（SEI）的形成， 電化學合金化和去合金化，鋰化反應等。

3. 此外，此製造方案也為開發TEM以外的其他原位液體池（例如，X-ray absorption spectroscopy液體池，X-ray diffraction液體池等）提供了啟發和指導。

Yang, R., Mei, L., Fan, Y. et al. Fabrication of liquid cell for in situ transmission electron microscopy of electrochemical processes. Nat Protoc (2022). https://doi.org/10.1038/s41596-022-00762-y.

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5.楊軍 Nano Research Energy：CuPt合金中的W輕摻雜，助力高性能直接甲醇燃料電池！

直接甲醇燃料電池(DMFC)是將甲醇氧化反應的化學能直接轉化為電能的一種發電裝置，主要由陰極、陽極、質子交換膜及雙極板等組成，其結構簡單、方便靈活，工作時間只取決於燃料攜帶量而不受限於電池的額定容量，近年來倍受產業界青睞。

DMFC在發電過程中，無需經過卡諾循環，具有能量轉化效率高，低排放和無噪音等優點，另外還具有常溫使用、燃料攜帶補給方便、體積和重量比能量密度高等優勢，特別適合作為小型可移動及便攜式電源，在國防、能源和通訊等領域有着潛在的廣闊應用前景。

目前制約DMFC商業化的一個主要障礙是其陽極甲醇氧化反應的緩慢動力學，這一問題在低溫工時尤其突出。此外，甲醇氧化過程中產生類一氧化碳物種（CO-like species）容易強烈吸附在Pt基催化劑的表面，造成催化劑中毒失活。

鑑於此，中國科學院過程工程研究所楊軍研究員在Nano Research Energy上發表了題為「Light doping of tungsten into copper-platinum nanoalloys for boosting their electrocatalytic performance in methanol oxidation」的最新研究成果。

本文要點：

1. 作者團隊基於雙功能催化機制與晶格壓縮應變效應，通過在CuPt合金體系中摻雜少量W的方式，降低Pt活性組分的d-帶中心，減弱類一氧化碳物種在其表面的化學吸附，極大地提升了其室溫下催化甲醇氧化的性能。

2. 作者表明，少量的W不僅能夠降低Pt的d-帶中心，弱化CO的吸附，還能夠通過一種「溢氫效應（hydrogen spillover effect）」淨化Pt催化位點，進一步提升其催化穩定性。

3. 在Cu/W/Pt的摩爾比達到21/4/755時，CuWPt三元合金納米顆粒對甲醇氧化的比活性和質量活性可分別達到2.5 mA cm-2和2.11 A mg-1，並且具有出色的穩定性。該性能遠遠超過它們的CuPt二元合金對照樣品、商業Pt/C催化劑和近些年報道的Pt基合金材料。

4. 以CuWPt三元合金為陽極催化劑的DMFC電池的開路電壓和功率密度分別達到0.6 V和24.3 mW cm-2，遠超以商業Pt/C為陽極催化劑的對照電池。

5. 該研究展示了附加添加物提升貴金屬電催化性能的潛力，為合成高效貴金屬基電催化劑提供了一種新的策略。

D. Liu, Q. Zeng, C. Hu, et al. Light doping of tungsten into copper-platinum nanoalloys for boosting their electrocatalytic performance in methanol oxidation. Nano Research Energy. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120017.

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6.梁海偉Nature Communications：碳負載鉑金屬間化合物催化劑的小分子輔助合成！

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