电化学能源材料结构设计和性能调控

随着能源资源日益短缺和环境加速恶化，开发可再生能源，建立清洁、高效的新能源结构，是人类社会可持续发展面临的共同挑战。在未来新能源结构和社会发展中，电化学能源技术是可再生能源开发利用的基础，是新能源汽车产业发展的核心技术，是国防安全、太空和深海探测的有力保障，是下一代通信、人工智能、大数据等高新技术发展的重要支撑。

无论是燃料电池还是二次电池的性能都极大地取决于电极材料的性能，而电极材料的结构则是决定其性能的关键因素。燃料电池中的反应发生在催化剂表界面，而二次电池的反应不仅在电极表界面进行，还涉及电极材料的体相传输。因此，从原子、分子层次设计燃料电池催化剂和二次电池电极材料的结构，并发展有效的策略和方法实现结构控制合成，从而大幅度提升其性能一直是关键的科学问题和基础研究的前沿。基于此，厦门大学孙世刚院士团队最新力作《电化学能源材料结构设计和性能调控》融合电化学能源材料的基础理论、最新研究进展和发展前沿，结合作者长期的科学研究实践和知识积累，从表面原子排列结构、表面传输通道结构和纳米结构等层次阐述电化学能源材料的结构与性能的构效关系，并通过典型的研究实例论述电化学能源材料的结构设计和性能调控。

基于对电化学能源材料结构与性能的构效规律的理解，本书概述了模型催化剂的基础，包括表面结晶学基础和金属单晶模型催化剂的制备及其在固|液界面电化学条件下的表征；以铂金属单晶模型电催化剂为例，系统论述了多种液体燃料分子在催化剂表面解离吸附和氧化反应动力学，以及多种直接液体燃料电池中阳极和阴极催化剂的表面结构效应；结合燃料电池、二次电池等电化学能源体系的发展，系统阐述了高指数晶面/高表面能纳米催化剂的控制合成、性能表征和应用，燃料电池非贵金属氧还原催化剂的活性位结构、性能与稳定性，锂离子电池正极和负极材料的结构与性能调控等方面的基础、研究进展和发展方向。

《电化学能源材料结构设计和性能调控》围绕燃料电池催化剂和锂电池电极材料的结构设计和性能调控，分为以下三个部分进行系统阐述。

第一部分：金属单晶模型催化剂及其构效规律

图 甲酸在不同电极上氧化的第1、第2(3)和第10周CV曲线(0.1 mol/L HCOOH + 0.5 mol/L H2 SO4溶液，电位扫描速率 50 mV/s) 

(a)Pt(210)，(b)Pt(310)，(c)Pt(610)，(d)Pt(110)，(e)Pt(100)，(f)阶梯晶面上由(100)平台和(110)台阶原子组成的椅式六角形电催化活性位结构模型

第二部分：燃料电池催化剂结构设计和性能调控

图  (a)从 THH-Pt 到 TPH-Pt 的形状转变 [57] ；(b)具有晶面连续可调的 Pd 纳米粒子的 SEM和 TEM 图像；(c)甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇和乙二醇电氧化的峰电流密度与台阶原子密度的关系；(d)乙醇在不同粒径的 THH-Pd、本体 Pd(310)及商业 Pd 黑催化剂上氧化的计时电流曲线；(e)乙醇电氧化过程中 THH-Pd 的 CO 中毒过程图解

第三部分：锂离子电池电极材料的结构设计和性能调控

图  LiFePO4晶体的：(a)结构示意图；(b)(010)晶面原子排列；(c)(001)晶面原子排列；(d)(100)晶面原子排列；(e)基础晶面的 Miller 指数；(f)沿 ac 面的生长模型 

图 以乙二醇(EG)和油酸(OA)为溶剂，采用溶剂热法制备的不同 LiFePO4/C 的(a)TEM和 SAED 图及(b)电化学放电倍率性能比较

图   (010)晶面包络的 LiFePO4 纳米片(S1)材料的(a)SEM 和(b)TEM 图；(100)晶面包络的 LiFePO4纳米片(S2)材料的(c)SEM 和(d)TEM 图；(e)S1 和 S2 材料不同放电倍率下的放电量和库仑效率比较；(f)LiFePO4 /C 纳米颗粒、纳米棒和纳米片材料电化学性能比较；(g)不同纳米结构 LiFePO 4 材料的电化学循环性能比较

全书以第 1 章引论开始，介绍电化学能源在现代能源体系中的地位、挑战及其材料本身的特征和调控，并在全书最后，第 9 章，给出结论和展望。

《电化学能源材料结构设计和性能调控 》所论述的电化学能源材料的结构特点可以归纳为：

1.  燃料电池催化剂。电催化反应发生在电催化剂表面和固 | 液 | 气三相界面，反应物和产物均为气体或液体。对于阳极氧化反应，氢气氧化机理相对简单、动力学很快，但有机小分子液体燃料氧化机理比较复杂、动力学相对较慢。催化剂的表界面过程和反应为速率决定步骤，反应速率与催化剂的表面结构(化学结构、原子排列结构，电子结构，纳米结构)密切相关。相对而言，阴极氧气还原的动力学十分缓慢，催化剂的表面结构和氧气的传输效率共同影响氧还原反应的速率，在催化剂设计，特别是非贵金属催化剂制备中不仅要提升催化反应位的活性，同时还需要考虑反应物( O2)和产物( H2O )的传输通道。

2.  锂离子电池电极材料。无论是正极还是负极电极材料，其共同的需求是能够可逆地存储更多的锂(金属)离子。显然，这与材料的组成和结构直接关联。在电能存储和释放循环中，电极材料不仅需要保持结构稳定，还需要能够快速、可逆地吸收和释放锂离子，这一特性取决于离子的传输通道，特别是材料表面的锂离子传输活性位点的密度。

作者简介

作者简介

孙世刚，1954年生。中国科学院院士，国际电化学会会士，英国皇家化学会会士。厦门大学化学化工学院教授，固体表面物理化学国家重点实验室学术委员会主任，中国化学会副理事长。长期从事电催化、谱学电化学和能源电化学研究。获中国化学会电化学委员会首届“中国电化学贡献奖”、中国光学学会和中国化学会“中国光谱成就奖”、国际车用锂电池协会“终身成就奖”、国际电化学会“布赖恩·康韦（Brian Conway）”奖章、国家自然科学奖二等奖等多项奖励和荣誉。担任国际电化学会（ISE）会刊Electrochimica Acta，《化学学报》、《化学教育》等学术期刊副主编，中国电化学委员会会刊《电化学》主编。

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《电化学能源材料结构设计和性能调控》

孙世刚 等 著

北京：科学出版社，2021.2

(能源化学与材料丛书/包信和总主编)

“十三五”国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-067242-1

责任编辑：李明楠 

内容简介

本书根据作者长期的科学研究实践，融合相关基础理论、最新研究进展和发展前沿，从表面原子排列结构、传输通道结构和纳米结构等层次阐述电化学能源材料的结构与性能的构效关系，并通过典型的电催化反应（氢气和 C1、C2 有机小分子氧化，氧气、二氧化碳和氮气还原）和电化学能源器件（质子交换膜燃料电池、二次电池）中的研究实例论述电催化剂和电极材料等电化学能源材料的结构设计和性能调控。

本书适合从事电催化、电化学、催化化学、表界面科学、化学工程和能源、材料、纳米技术等交叉学科领域的科技工作者，以及相关领域学习的研究生和高年级本科生参考。

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（本文编辑：王芳）

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