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解說頭版文章

品味智慧之光

縱使攬勝四方

我自封面大賞

——編語

鋰離子電池

解說頭版文章！Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（9月第3期）

韓國高麗大學(xué)Jinhan Cho課題組、韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院Yongmin Ko博士、美國佐治亞理工Seung Woo教授及合作者報道了一種纖維狀鋰離子電池正極材料。該材料的制備過程借助了表面官能團(tuán)的相互作用。作者們首先將表面帶氨基和羧基的碳納米管層層堆疊在纖維素基底上。氨基與羧基間的氫鍵作用將碳納米管互相緊密集合。隨后將表面帶油酸酰胺基團(tuán)的LiFePO₄顆粒（粒徑約35 nm）與碳納米管層接觸，通過油酸酰胺基團(tuán)與氨基的交換讓LiFePO₄均勻附著在碳納米管層上。利用化學(xué)鍵的固定方式避免了使用不導(dǎo)電交聯(lián)劑，且電極活性物質(zhì)載量可通過增加沉積次數(shù)予以提高，對傳質(zhì)效率影響小。

所制得的纖維狀電極在0.1 C電流密度下的質(zhì)量比容量和面積比容量分別達(dá)到196 mAh/g和8.3 mAh/cm²。此外，電極柔性好，通過折疊可進(jìn)一步增加單位面積的活性物質(zhì)質(zhì)量，從而提高電池的面積比容量。

封面展示了纖維電極的結(jié)構(gòu)與化學(xué)特征。放大單根纖維展示了黑色碳納米管層和附著在碳納米管上的黃色LiFePO₄納米球。近處放大圖則顯示了碳納米管之間的氫鍵作用和碳納米管與LiFePO₄納米球間共價鍵作用。這些化學(xué)鍵是保障電極材料在彎折時不致脫落的關(guān)鍵。

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二氧化碳還原

解說頭版文章！Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（9月第3期）

深圳大學(xué)楊健、王進(jìn)課題組聯(lián)合華東理工大學(xué)段學(xué)志課題組等報道了一種調(diào)控銅催化劑CO₂還原性能的策略。作者們利用金納米顆粒為種子，合成了直徑約100 nm的銅催化劑顆粒。其核心要素是改變聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的含量以調(diào)控所得銅催化劑的價態(tài)：若PVP充足，則形成零價金屬銅；若PVP不足，則所得金屬銅表面會有+1價Cu，對應(yīng)Cu₂O氧化層。

催化性能表征顯示，金屬銅還原CO₂為CH₄的法拉第效率為70%，還原電流密度超過200 mA/cm²。而帶有Cu₂O表面的銅催化劑可將CO₂還原為C₂H₄、C₂H₅OH、CH₃COOH、C₃H₇OH等多碳產(chǎn)物，總法拉第效率超過80%。密度泛函理論計算表明金屬銅與Cu₂O同時存在有助于C—C耦合，生成多碳產(chǎn)物。

封面下方太極兩儀分別對應(yīng)了表面布滿PVP的金屬銅催化劑和表面含Cu₂O的銅催化劑。從上方的產(chǎn)物可看出，無Cu₂O則還原產(chǎn)物僅CH₄，而含Cu₂O則生成了二碳及以上的產(chǎn)物。畫面整體顯示在水中，可能對應(yīng)了催化CO₂還原測試的水溶液環(huán)境。

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產(chǎn)氫催化劑

解說頭版文章！Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（9月第3期）

澳大利亞新南威爾士大學(xué)Jamie J. Kruzic課題組聯(lián)合香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）孫李剛博士等報道了一種高效產(chǎn)氫催化劑。該催化劑具有高熵、玻璃態(tài)特點(diǎn)，通過化學(xué)去合金化Pd₂₀Pt₂₀Cu₂₀Ni₂₀P₂₀納米帶（硝酸浸泡）制得。去合金化過程部分溶解了Cu和Ni，從而在納米帶表面產(chǎn)生了密布的納米孔，形成納米海綿結(jié)構(gòu)。此外，納米孔的生成暴露出Pd、Pt等活性位點(diǎn)，提升了催化劑的性能。

該催化劑在堿性和酸性條件下均表現(xiàn)不俗。1.0 M KOH水溶液中獲得10 mA/cm²電流密度的過電位為32 mV。這一數(shù)值在0.5 M H₂SO₄水溶液中為62 mV。理論計算表明催化劑的化學(xué)成分和崎嶇表面利于質(zhì)子的吸附與脫附。

通過太陽能電池板供電的高熵合金納米帶催化劑正將周圍的水分子在表面轉(zhuǎn)化為氫氣分子。產(chǎn)生的氫氣則被輸送至右側(cè)氫氣罐中儲存起來，作為能源使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池、催化劑和氫氣罐共同描繪出未來利用新能源生產(chǎn)氫氣燃料的藍(lán)圖。

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氧還原催化劑

解說頭版文章！Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（9月第3期）

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）胡凱龍、邱華軍課題組聯(lián)合日本筑波大學(xué)Yoshikazu Ito教授等報道了一種新型碳基氧還原電催化劑。該催化劑利用多孔Mn₂O₃顆粒模板，經(jīng)聚苯胺包覆、高溫炭化、酸溶模板步驟，得到了多孔（孔徑~35 nm）、氮摻雜（7.20 atom%）的碳催化劑。聚苯胺包覆層不僅是碳的前驅(qū)體，還能穩(wěn)定模板在高溫下的結(jié)構(gòu)，防止模板孔結(jié)構(gòu)的坍塌。由于催化劑中孔道互相連通，有利于反應(yīng)物O₂在催化劑中快速擴(kuò)散，從而保障催化的優(yōu)異效果。

所得催化劑可被用于柔性鋁-空電池。使用本工作制備的催化劑電池的最大功率密度達(dá)到130.5 mW/cm²，高于使用傳統(tǒng)Pt/C催化劑電池的106.2 mW/cm²。

封面?zhèn)戎卣故敬呋瘎┑闹苽溥^程。被聚苯胺包裹的Mn₂O₃模板正經(jīng)歷著高溫煅燒。此步將聚苯胺轉(zhuǎn)變?yōu)榈獡诫s碳，再經(jīng)酸溶后形成多孔碳網(wǎng)絡(luò)。近處放大鏡所示為多孔碳骨架的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

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