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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

催化機(jī)理

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）Marc-Georg Willinger博士課題組及福州大學(xué)黃興教授展示了工況透射電鏡（operando TEM）表征催化機(jī)理的強(qiáng)大實(shí)力。研究者們以金屬銅催化氫氧生成水這一氫燃料電池的反應(yīng)為例，通過工況透射電鏡觀察了原子尺度上，銅催化劑在催化過程中的變化。他們發(fā)現(xiàn)在450-650 °C之間，部分金屬銅會轉(zhuǎn)變?yōu)镃u₂O，進(jìn)而再轉(zhuǎn)為Cu，進(jìn)行著Cu?Cu₂O的振蕩氧化還原反應(yīng)。該過程同時伴隨催化劑顆粒形變、融合或分裂。而相同的催化反應(yīng)在更高溫度下，僅銅最表面的一層會轉(zhuǎn)變?yōu)镃u₂O。作者們認(rèn)為差異來源于反應(yīng)組分的化學(xué)勢不同。

工況透射電鏡技術(shù)可拓展至金屬催化劑參與的其他催化反應(yīng)（如甲醇氧化），為今后闡明催化劑工作機(jī)理提供有力的表征手段。但此技術(shù)的應(yīng)用前提是催化劑需要具有良好的結(jié)晶性。

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金屬銅催化劑顆粒在催化氫氧生成水的過程時會發(fā)生Cu?Cu₂O的振蕩氧化還原反應(yīng)過程。封面以Cu/Cu₂O小球騎車?yán)@圈表演形象展示了這一發(fā)現(xiàn)。該機(jī)理的發(fā)現(xiàn)有賴于文章報道的工況透射電鏡技術(shù)。

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鋰金屬電池

美國韋恩州立大學(xué)（Wayne State University）Leela Mohana Reddy Arava教授課題組聯(lián)合德國耶拿·弗里德里?！は沾髮W(xué)（Friedrich-Schiller-Universit?t Jena）Andrey Turchanin教授課題組報道了一種用于鋰金屬電池的隔膜材料。這種材料以商用Celgard隔膜為基底，將生長在金箔上的碳膜轉(zhuǎn)移附著在Celgard兩側(cè)而成。碳膜的前驅(qū)體為三聯(lián)苯硫醇（TPT）單分子層，經(jīng)電子束照射交聯(lián)苯環(huán)，形成具有亞納米孔的單分子膜。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種單分子碳膜覆蓋的Celgard隔膜能有效阻遏碳酸酯類電解液中鋰金屬枝晶的生長，提升鋰金屬電池的壽命與安全性（Li || LiFePO₄電池穩(wěn)定運(yùn)行300次充放電）。計算模擬表明亞納米孔碳膜使Li⁺更均勻地向鋰金屬表面遷移、沉積，從而避免枝晶產(chǎn)生。

封面展示了兩種鋰金屬電池中的鋰枝晶生長情況。遠(yuǎn)處的電池采用傳統(tǒng)Celgard多孔隔膜，結(jié)果右側(cè)鋰金屬表面長出尖銳枝晶，戳破隔膜與正極接觸，發(fā)生短路（燈泡滅）。近處的電池使用亞納米孔碳膜修飾Celgard隔膜，右側(cè)鋰金屬電極形貌平整，電池正常工作（燈泡亮）。

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鋁金屬-硫族單質(zhì)電池

北京工業(yè)大學(xué)尉海軍教授課題組展望了鋁金屬-硫族單質(zhì)電池的發(fā)展。文章涉及Al-S、Al-Se和Al-Te電池。這三類電池都具有能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，但壽命不長且難以實(shí)現(xiàn)快充。

本展望收錄了近年來電池研究人員基于電極材料、電解液、電池隔膜三方面報道的性能改善策略，并就三種電池中涉及的電化學(xué)過程進(jìn)行了總結(jié)。末尾作者們提出了推動鋁-硫族單質(zhì)電池發(fā)展的研究方向：

畫面正中的透明電池內(nèi)部可見鋁金屬負(fù)極和S、Se、Te正極。三種正極構(gòu)成一株植物幼苗的葉子，象征鋁-硫族單質(zhì)電池正顯示出蓬勃生機(jī)。背景中電池組連接輸電網(wǎng)和太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)，表明電池的應(yīng)用場景。碧草藍(lán)天代表清潔能源的大背景。

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鋰金屬電池

韓國高麗大學(xué)（Korea University）Young Soo Yun教授、韓國科學(xué)技術(shù)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）Seon Joon Kim博士及合作者研究了鋰金屬在Ti₃C₂T_x MXene上的沉積行為。表面富含氧和氟原子的Ti₃C₂T_x具有親鋰性，且其在DOL/DME（等體積混合）電解液中形成的SEI能顯著降低鋰金屬初始沉積顆粒的表面能及成核勢壘。

金屬鋰在Ti₃C₂T_x表面沉積過程無明顯枝晶形成。沉積初期形成直徑約10-20 nm的小顆粒，隨后小顆粒逐漸長大、融合，最終均勻覆蓋整片Ti₃C₂T_x。該結(jié)果說明Ti₃C₂T_x是一種優(yōu)秀的金屬鋰載體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以0.1 A/g電流密度充放電1000次后，電極電容量無明顯變化（充放電容量：1.0 mAh/cm²），充放電庫倫效率高于99.0%。

一片電池電極上灑滿了金色小球。細(xì)看可見金色小球下方是表面有顆顆隆起的金屬基底，應(yīng)為已有鋰金屬成核的MXene。畫面左下方放大展示了Ti₃C₂T_x的結(jié)構(gòu)示意圖。

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