加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

陈忠伟院士课题组一直致力于低成本纳米材料开发与产业化，如燃料电池、高能硅基锂离子电池、锂硫电池、金属空气电池以及超级电容器等，其研究领域包括非贵金属催化剂、碳纳米管、石墨烯、金属纳米管、纳米线以及复合膜等，不少技术都被公认为是目前世界上最尖端的技术。陈忠伟院士的多项技术已实现产业化，其团队开发的石墨烯硅基锂电池技术和锌空液流储能技术，一经推出便获得业内人士高度关注和认可，甚至认为这些技术的商业化转化将为世界储能技术领域带来里程碑式的改变，2019年9月10日，陈忠伟教授当选为加拿大皇家科学院院士，成为加拿大最年轻的两院院士！（44岁！陈忠伟成为加拿大最年轻的两院院士！）。

下面，我们简要介绍陈忠伟教授课题组2019年在锌空气电池、锂硫电池、锂离子和钠离子电池以及燃料电池阴极催化剂等方面的重要成果，供大家学习交流。

Zn-air电池

1、多维有序双功能空气电极助力高能量柔性锌空气电池

柔性锌空气电池因为具有高理论能量密度（1218 Wh kg^-1），低成本和高安全性而受到研究人员的广泛关注。然而，柔性锌空气电池的性能一直受限于其空气阴极氧气还原/氧气析出双功能电催化剂，尤其是在大电流和高弯曲角度下的稳定性。目前，制备柔性锌-空电池空气电极的典型策略是在杂原子掺杂碳材料上直接生长电催化剂，如过渡金属氧化物，硫化物及磷化物等。然而，该方法制备的电催化剂通常为无序状态且紧密堆积，导致催化剂内部阻塞，阻碍了活性位点参与催化氧反应。其次，先进的柔性空气电极中催化位点的本征催化活性仍不足以提供理想的性能。尽管增加催化剂负载量可以改善电池性能，但同时会增加电荷阻抗，阻碍氧气的渗透并导致活性物质的分离。最后，由于不可避免的碳载体腐蚀和过渡金属基纳米粒子的聚集，杂化催化剂难以长时间维持其高度分散状态。甚至，在大电流下循环或在极端形状变形下进行测试时，这种缺陷可能会进一步加剧。

为解决上述问题，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授团队设计了一种新型的，由1D碳纳米管和钴纳米颗粒修饰的2D碳纳米山脊组装的有序多维阵列结构（MPZ-CC@CNT），并将其用作高能量密度柔性锌空气电池的空气正极催化剂。MPZ-CC@CNT电极具有开放和非紧密堆积的纳米结构，在多维组分之间的共价耦合实现了最佳的活性位点利用率和良好的稳定性，从而在准固态柔性锌空气电池中表现出优异的电催化动力学特性和长循环稳定性。将其直接用作锌空气电池的自支撑空气催化正极时，MPZ-CC@CNT电极在50 mA cm⁻²的电流密度下，可稳定循环1800圈（600 h），每圈的循环衰减率仅仅只有0.006 mV，能量密度高达946Wh kg⁻¹。该工作不仅为新型柔性空气电极的整体设计提供了新思路，有效提高了锌空气电池的能量转化效率，还可扩展到其他金属空气电池体系，并且有望应用于柔性和可穿戴电子设备上。

参考文献：

Multidimensional Ordered Bifunctional Air Electrode Enables FlashReactants Shuttling for High-Energy Flexible Zn-Air Batteries. Adv. EnergyMater. 2019, DOI: 10.1002/aenm.201900911

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201900911

2. Adv. Energy Mater.: 电子调控FexNi-FeOy-N 掺杂碳三相界面结构助力锌空气电池

氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）在金属-空气电池空气阴极中扮演至关重要的角色，直接决定电池性能的好坏。然而，催化剂表面的ORR和OER反应动力学过程十分缓慢，需要高效、稳定电催化剂来降低反应过电势，从而实现化学能和电能的快速、高效转换。通常，非均相电催化反应的活性在很大程度上取决于催化剂的表面/界面性质，这不仅决定了对中间体的吸附强度，而且还影响了电荷和传质行为。据报道，由于激活惰性表面碳的电子渗透效应，对碳/金属界面的调控可以显着改善电催化剂的内在活性。鉴于此，对多相催化剂界面结构的合理调节被认为是提高固有电催化活性的一种很有效的方法。例如，金属/金属氧化物和氧化物/氧化物异质结构，由于在界面上发生强烈的电子相互作用而调节了中间体和催化剂之间的结合强度，从而大大提高了其ORR / OER催化性能。尽管这方面已经取得了长足的进步，但仍然存在以下几个问题：i）金属氧化物导电性差，完全阻碍了其固有活性的释放；ii）单一催化剂同时实现良好的ORR和OER性能仍然很困难，这可能是由于难以平衡不同反应方向的吸附-解吸动力学所致；iii）需要很好地保持界面组件之间的紧密接触，以确保结构和催化稳定性；iv）缺乏洞察力和有效的策略，无法在原子水平上实现精确和可控的界面规定。因此，对界面结构进行原子级可控的调控，以提高其固有活性，电子电导率和催化稳定性，以及对潜在机理的深入了解具有极其重要的意义。

近日，滑铁卢大学陈忠伟教授课题组和温州大学王舜教授课题组开发了一种新颖的电子调控策略，以精确控制FeXNi合金-Fe氧化物-氮掺杂的石墨碳（FexNi-FeOy-NC）三相界面结构，以实现良好的电子导电率，位点密度和界面电子相互作用。该工作通过简单的Ni掺杂调节Fe的氧化度，从而在催化剂暴露的表面区域形成可调节的FeOy活性表面层，从而平衡电导率和暴露的位点密度，以保证内在活性的充分表达并提高活性位点的利用率。此外，界面发生的电子相互作用可以协同促进内在活动。所制备的Fe₂Ni@NC催化剂ORR的半波电位为0.89 V，电流密度为10 mA cm^-2时OER的过电位仅为0.308V，其性能超过了商业化的Pt/C+ Ir/C贵金属催化剂和大多数已报道的非贵金属催化剂。锌空气电池测试结果显示，在充放电过程中可实现0.742V的低压差，且500次循环后的活性衰减可忽略不计，这表明它在实际的锌空气电池中具有广阔的应用前景。此外，这个工作给我们提供了一种新颖的思路来调控异质结材料的界面结构，对设计双功能异质结催化剂具有重要的借鉴意义。

参考文献：

A Triphasic Bifunctional Oxygen Electrocatalyst with Tunable andSynergetic Interfacial Structure for Rechargeable Zn-Air Batteries. Adv. EnergyMater. 2019, 1903003. DOI:10.1002/aenm.201903003

原文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.201903003

3. ACS Nano: “瓶中船”纳米结构设计实现高效稳定的双功能催化剂助力超长持久的锌空气电池

空气阴极中双功能氧电催化剂的耐久性差，是限制金属空气电池广泛应用的主要瓶颈之一。近年来，非贵金属-碳复合材料普遍被广泛报道为极具潜力的高性能锌空气电池的电极材料，其合成策略主要包括金属沉积在碳基载体上或者原位沉积在碳涂层上。然而，前一种方法无法有效地固定金属纳米颗粒，并无法控制它们在合成甚至催化反应过程中的生长，可能会导致纳米颗粒的损失或聚集，从而降低其电催化性能和耐久性。虽然后一种方法可以为金属基颗粒形成一个碳包裹的立体密闭空间，但是其通常缺乏较高且均匀的孔隙度，不利于传质；并且，碳涂层的厚度很难保证均匀且一致，不能有效控制催化剂颗粒尺寸以及结构的变化，所以催化剂的活性和稳定性受到限制。此外，对碳基载体进行杂原子掺杂修饰，不仅能够调控电子结构，改善电子的传输能力，形成的碳缺陷还可以增强氧气吸附能力并提高氧电催化活性。因此，合理的结构设计与缺陷工程相结合对提高双功能电催化剂活性和稳定性至关重要。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授团队设计了一种新颖的“瓶中船”纳米结构，使二硫化钴（CoS2）纳米颗粒原位限域生长在含有缺陷的碳孔中，每一个碳孔形成一个纳米反应器为氧电催化反应（ORR 和 OER）提供有效的立体空间。该结构设计具有以下优势：1）由于碳孔的空间限域作用，CoS2 的成核及生长被控制，不仅抑制纳米颗粒过度生长从而提供一个高的活性比表面积和暴露更多的催化位点，而且有效地阻止纳米颗粒在催化反应过程中发生团聚。2）相互连接且贯通的多孔碳骨架形成了一个 3D 导电纳米反应器，为电子转移和物质传输提供快速通道，加速催化反应动力学。3）硫掺杂所形成富含缺陷的界面和 C-S 化学键合的协同作用，有助于增强催化活性并加强对 CoS2 纳米颗粒的固定。使用这种催化剂所制备的可充锌空气电池，在 25mA cm^-2 高电流密度下充放电循环可长达 340 小时，且每圈充放电循环的电压仅损失0.039 mV。更重要的是，在3500 圈 CV 循环后，CoS2/SKJ 的催化活性没有明显的衰减，其稳定性远胜过贵金属催化剂。

参考文献：

“Ship in a Bottle” Design of Highly Efficient BifunctionalElectrocatalysts for Long-Lasting Rechargeable Zn–Air Batteries, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.9b02315

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02315

Li-S电池

4.Energy Environ. Sci.：管/块串联纳米复合正极材料用于高负载和低电解液用量锂硫电池

作为极具潜力的下一代高能量密度电池体系，锂硫电池的研究和开发吸引了大家的广泛关注，并已经取得了极大的进展。然而，锂硫电池的实际化实用仍面临着一系列的阻碍：（i）聚合物粘合剂的使用会阻碍电极内的电荷转移，同时在电化学反应过程中随着活性物质的溶解会导致导电接触点的损失以及电极结构的坍塌;（ii）液态构型中的硫电化学强烈依赖于电极表面上固态和液态硫物种之间的相变，这需要足够的电极/电解质界面以进行充分的硫氧化还原反应;（iii）中间多硫化物在电解质中的溶解和穿梭行为会导致严重的硫损失和阳极副反应产生。此外，Li-S电池系统的能量密度取决于电极和电解质之间的协同作用。 硫含量不足和电解质的过量使用均会严重损害系统水平的能量密度，并且很难满足实际应用的需求。因此，设计具备良好导电性的自支撑电极，结合合理的孔结构和界面结构设计，实现硫的高负载和电解质的低用量，是在系统水平上提高锂硫电池能量密度和循环寿命的有效途经。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授和华中科技大学王得丽教授团队，结合静电纺丝和化学气相沉积技术，构筑了具有三维多孔道网络结构的自支撑“管/块”复合薄膜。该复合物薄膜中PAN转化的碳纤维骨架为电极提供了连续的导电网络，ZIF-67衍生的多孔碳立方丰富了整个电极的多孔结构，为活性物质提供有效的物理束缚，并为硫的转化反应提供大量的活性界面；同时，N和Co的杂原子掺杂可以为多硫化物提供有效的化学吸附，进一步减少活性物质损失并抑制穿梭效应。此外，碳骨架上通过化学气相沉积生长的N掺杂CNTs，进一步丰富和增强了连续的网络结构，实现电子离子的快速传输，并提供额外的吸附作用和增强了电极的机械稳定性。这些优势使得复合薄膜具备良好的电导率和优异的固硫作用，能够实现13.5mg cm^-2的高硫载量和E/S=3的低电解液用量（E/S：电解液/硫载量，mL/g）。同时，该复合薄膜电极表现出优异的循环稳定性，在1C的倍率下可稳定循环2000次，每圈的容量损失率仅为0.016%，体系能量密度高达348.8Whkg^-1。

参考文献：

Stringed “tube on cube” nanohybrids as compact cathode matrix forhigh-loading and lean-electrolyte lithium–sulfur batteries. Energy Environ.Sci., 2018 , 11, 2372-2381. DOI: 10.1039/C8EE01377B.

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01377b#!divAbstract

5. Nat. Commun.：利用Li3PS4有效激活Li2S正极

Li2S不仅可以提供锂离子源，还可以减轻硫电极的体积膨胀问题，被认为是极具潜力的锂硫或硫基锂离子电池正极材料。然而，由于其晶体内的强离子键和形成溶剂化多硫化物的高成核势垒，Li2S正极在首次充电过程中呈现出非常高的初始活化势垒（> 4.2 V vs.Li⁺/Li），这使得电池的比容量低和电解质分解，从而导致循环稳定性差。为解决这个问题，研究人员通常采用以下两种策略：1）精心设计纳米尺寸的Li2S复合材料；2）在电解质中添加预溶剂化的氧化还原介体。尽管这两种策略都显著降低了电池的过电势并实现整体性能的提高，但它们也具有明显的缺点。比如，Li2S复合材料通常需要高温合成；加入电解质中的可溶性氧化还原介质将导致严重的内部穿梭；如果电池在组装后没有立即充电，使用预溶剂化的氧化还原介体可能会降低有效性。应对这些挑战的理想解决方案是，使用最初处于休眠状态的氧化还原介体，该介体在电解质湿润过程中保持非活性，在低质量比时有效，与电解质分离，从而不受电解质体积的影响，并且仅在首次充电时才激活已启动。

鉴于此，滑铁卢大学陈忠伟教授与河南师范大学白正宇教授以及阿贡国家实验室陆俊教授合作，作者利用固态Li3PS4（硫代磷酸锂（LPS））用作氧化还原介体发生器，LPS的氧化分解作为一种电化学“开启”用于活化商用Li2S，降低其首次充电过电位。重要的是，无需球磨或高能处理，通过简单的手工制作含有LPS的Li2S，其充电过电位显著降低。EIS和XANES测试表明在充电开始时LPS分解消失，随后形成硫的高电阻材料。这表明LPS产生的氧化还原介体在Li2S首次充电过程中具有催化作用，即LPS最初脱锂产生了可溶性氧化还原活性产物，活化Li2S。

参考文献：

Electrochemically primed functional redox mediator generator fromthe decomposition of solid state electrolyte, Nat. Commun., 2019, DOI:10.1038/s41467-019-09638-4

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09638-4

6. Adv. Energy Mater.: 缺陷和形貌调控策略协同增强锂硫电池性能

目前，锂-硫(Li-S)电池的大规模商业化应用一直受到其中间体多硫化锂(LPS)的溶解和穿梭行为以及循环过程中体积膨胀效应等棘手问题的限制。由于具有较高的电化学稳定性以及较强的LPS吸附效果，Co3O4被认为是极具潜力的硫固定剂，吸引了人们的广泛关注。然而，Co3O4颗粒相对较差的电子和离子传导性能以及较低的催化活性极大地阻碍了其进一步应用。缺陷工程和形态设计被认为是改善上述问题的有效策略。离子缺陷能够调控电子结构，使其具有良好的物理和电化学性能，从而影响电子和离子传输的能级以及可修饰性。此外形成的缺陷具有很强的LPS吸附能力并提高催化活性。同时，形貌调控可通过缩短LPS扩散途径以及提供良好的离子/电子传导能力对硫的氧化还原动力学行为产生重要影响。尽管缺陷工程已成功应用于其他化学领域，但将其用于改善硫电化学的动力学过程和硫吸附能力的研究寥寥无几。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授团队提出了一种缺陷工程和形貌调控的协同策略，设计并合成了高度无序的尖晶石镍钴氧化物双壳微球(NCO-HS)。该NCO-HS由高度缺陷的尖晶石NiCo2O4-x组成，在八面体位上具有丰富的氧空位。原位引入的镍离子掺杂和丰富的氧缺陷使NCO-HS的电子导电性大大提高，并改变了与LPS的化学相互作用，从而实现了出色的固硫效果。此外，高度多孔的双壳结构缩短了离子转移距离，使硫分布均匀，提供了丰富的活性界面并缓冲了体积变化。当将其用作硫宿主材料时，这些优势可实现高硫利用率，快速反应动力学和强固硫限制，从而赋予其出色的电池性能，800次循环后仍然具有良好的稳定性，每次循环的容量损失率只有0.045%，并且在高硫负载量下仍具有6.3 mAh cm^-2的面积容量。

参考文献：

Synergistic Engineering of Defects and Architecture in Binary MetalChalcogenide toward Fast and Reliable Lithium–Sulfur Batteries (Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201900228)

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201900228

7. Adv. Mater.: 低带隙硒化锑半导体改性隔膜助力高性能锂硫电池

隔膜改性已经发展为一种抑制多硫化物穿梭，提高锂硫电池性能的有效策略。通过对隔膜进行改性，将中间产物多硫化锂尽可能地限制在硫正极一侧，减少其与锂负极的直接接触，能够抑制穿梭效应。目前，隔膜改性研究主要集中于在隔膜表面均匀涂覆一层高电导率的多孔碳材料、纳米金属氧化物/硫化物及其复合材料，通过对多硫化锂的物理和化学双重吸附，达到抑制多硫化锂穿梭效应的目的。虽然该策略在稳定锂硫电池中的硫电化学和提高硫利用率等方面取得长足的进步，但多硫化锂的转化仍然受到其固有的缓慢动力学和氧化物/硫化物电导率低的限制。有效的解决方案是，通过引入具有催化活性和缺陷设计的材料，可以加速多硫化锂的氧化还原反应速率，有效地缩短中间产物多硫化锂的存在时间，避免严重的容量衰减，从而提高电化学性能。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士、河北工业大学张永光副教授、李敬德副教授共同开发了一种分层复合材料，还原氧化石墨烯包裹富含缺陷的Sb2Se3-x纳米棒组装的微球Sb2Se3-x/rGO，并首次将其引入到锂硫电池中。作者采用喷雾干燥工艺构建了具有稳健完整性和长距离电荷转移路径的分层结构，而随后的化学还原和快速热冲击将大量的硒空位（VSe）引入到Sb2Se3-x/rGO复合物中。一系列工程和计算结果证明，缺陷工程不仅提高了Sb2Se3-x的导电性，而且还增强了其对LiPSs的化学吸附。此外，这种缺陷设计还显着促进了LiPSs转化反应，从而实现了集导电，吸附和催化三位一体的防止多硫化物穿梭的屏障，以及快速而持久的硫电化学。Sb2Se3-x/rGO改性隔膜组装的锂硫电池表现出优异的倍率性能（8.0 C），良好的循环稳定性（衰减容量率仅为0.027%每圈），并且在高硫负载量（8.1 mg cm^-2）下仍具有7.46 mAh cm^-2的面积容量。

参考文献：

Low-Bandgap Se-Deficient Antimony Selenide as a MultifunctionalPolysulfide Barrier toward High-Performance Lithium-Sulfur Batteries, Adv.Mater., 2019, 1904876. DOI: 10.1002/adma.201904876

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904876

8. Nano Energy: 垂直生长的多功能碳纳米纤维触须助力高性能锂硫电池

锂硫电池的进一步发展一直受到多硫化物的溶解和迁移（即“穿梭效应”），充放电时体积变化大等问题的制约。杂原子(如N，S，P)掺杂碳材料及其与极性金属氧化物/硫化物的复合材料被证实可用于化学捕集多硫化物（LiPS）。同时，碳材料很容易设计孔隙结构用于物理上束缚和限制多硫化物的穿梭。此外，极性的金属元素具有优异的吸附和电催化性能，有效的阻止多硫化物的扩散同时快速的催化其转化。虽然这种物理和化学吸附多硫化物的组合显示出了稳定的硫电化学并提高锂硫电池的能量效率，但是建立符合该概念的高效LiPS隔离层仍然具有挑战性，需要在材料层面进行合理的设计。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士与河北工业大学张永光副教授、李敬德副教授合作开发了一种精心设计的层间结构，分层纤维导电网络和多个吸附/催化位点的多硫化物屏障碳纤维材料。其中，碳纳米纤维(CNF)触须垂直生长在自支撑的碳纤维(CF)基体上，从而确保了短程和长程导电，并有效暴露硫的氧化还原反应活性中心。同时，ZIF-67的热解使夹层具有丰富的N掺杂、“M(Co，Ni)-N-C”异质结构和超细双金属颗粒，它们被分割为多个吸附和电催化位点，有效地吸附和催化多硫化物的转化。归功于这些优势，该分层设计构建了一个捕获并重新利用多硫化物的物理与化学屏障，从而显著提高了电池的电化学性能。所制备的电池表现出优异的电化学性能，1000次循环后容量保持率高达82.4%，而且在高硫负载下的面积容量仍然有7.04 mAh cm^-2。

参考文献：

Vertically rootingmultifunctional tentacles on carbon scaffoldas efficient polysulfide barriertoward superior lithium-sulfur batteries, Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.103905

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285519306123  

Li-ions和Na-ions电池

9.Nat. Commun.: 锂离子电池转化型电极材料的相转变

目前，锂离子电池技术主要是通过使用插层型电极材料实现，如石墨阳极和含锂过渡金属氧化物阴极。这些材料的储锂能力取决于其化学性质和晶体结构，这大大限制了这些化合物的能量密度。与插层型材料相比，使用转化型电极材料（如金属氧化物，硫化物和氟化物等）的电池表现出更高的能量存储密度，因为转化反应可以与更多的锂离子缔合，从而大大提高容量。然而，转化型电极材料的整体性能仍无法与嵌入型电极媲美。这普遍被认为是转化型化合物在循环过程中不可避免的体积膨胀，导致活性材料与集流体之间接触破坏或者固态电解质中间相界面破裂造成的。但是有报告指出，上述的容量损失也与倍率有关，在较低的电流密度下容量损失较轻，这说明前面提到的容量衰减机制不能完全解释转化型化合物长期稳定性差的原因。另外，从结构上看，转化型电极的晶体结构在初始循环中经历了完全的分解和重排，而且在随后的锂化/去锂化期间电极材料的结构演变经历了与初始反应不同的途径。也就是说，目前报道的从初始放电/充电推断出的结构性理解也不能直接解释转化型材料的循环性能。长循环下，不同的局部环境如应变、缺陷和其他微观因素等可能会导致电化学性能发生变化。迄今为止，转化型化合物中容量衰减的的机理仍不清楚。

为探究上述问题，加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授、布鲁克海文实验室的苏东研究员以及阿贡国家实验室的Zhou Hua教授合作利用同步辐射X射线吸收光谱和原位透射显微镜等技术对铁氧化物在整个1-100次循环过程中的结构变化进行了详细的研究。研究发现，与目前的理解不同，容量损失不是由于接触和机械故障，而是由于Li₂O钝化层在循环过程中不断累加。在100个循环之后，在电极材料上没有观察到氧化还原反应，因为钝化层阻碍了电子向活性电极材料的扩散路径。累积的内部钝化相和表面层的过度循环对电子输运形成了一个速率限制扩散屏障，这才是导致容量退化和倍率性能下降的原因。该工作直接将性能与循环电极材料的微观相演变联系起来，并为设计应用的转换型电极材料提供了见解。

参考文献：

Phase evolution of conversion-type electrode for lithium ionbatteries. Nat Commun. 10, 2224 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-09931-2

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09931-2

10. Energy Storage Materials:  聚酰亚胺封装设计助力高性能钠离子电池P2型层状阴极

层状过渡金属氧化物被广泛认为是有希望实用化的钠离子电池阴极材料，根据钠离子在过渡金属层间的占据位点以及氧层排列方式不同，按晶体结构主要分为两类：钠离子占据三棱柱位点的P2型和钠离子占据八面体位点的O3型。与O3型层状材料相比，P2型层状正极具有更好的结构稳定性和循环可逆性。这是由于P2结构中Na和O形成棱柱型（prismatic）配位，这种配位方式比O3结构中的Na-O6八面体配位具有更大的Na离子通道，更低的离子迁移势垒，有利于Na离子的反复脱嵌。同时，P2型阴极材料在充放电过程中一般不会发生相变，只存在晶胞的微小收缩和膨胀，其结构中的氧层不会发生滑移，所以其结构稳定性更好。然而，由于复杂的相变反应和充电/放电过程中活性物质的溶解，P2型阴极面临着容量迅速衰减和倍率性能差等问题，这严重限制了它们的实际应用。特别是在高截止电压超过4.3V时，P2型层状阴极会发生剧烈的体积变化，大大影响其循环稳定性能。因此，开发和设计一种在高电压下稳定P2型层状阴极材料的策略对制备高能量密度的钠离子电池具有重要的意义。

加拿大滑铁卢大学的陈忠伟院士和河南师范大学的杨林教授团队，匠心独运地在P2型层状Na2/3（Mn0.54Ni0.13Co0.13）O2（NNMC）阴极表面设计了一种新颖的离子导电聚合物电解质保护层，即用聚酰亚胺（PI）封装NNMC的策略。PI的封装设计不仅可以增加阴极的稳定性，而且可以在活性材料上形成连续的离子导电涂层。与氧化铝涂层修饰的层状阴极相比，PI封装的NNMC阴极表现出更优异的循环和倍率性能。在5C的倍率下，循环500次的容量保留率高达70%。这主要归功于PI封装后Mn的价态由Mn⁴⁺转变为Mn³⁺），大大有利于极化子的迁移，从而提高其倍率性能。此外，PI涂层也有效缓解了NNMC与酸性电解质之间的界面放热反应。结果表明，PI离子导电性保护层在促进和稳定高压阴极上的氧化还原反应中起着至关重要的作用。该设计方案对制造用于电动车辆的大规模电池组具有重要的指导意义。

参考文献：

An ion conductive polyimide encapsulation: New insight andsignificant performance enhancement of sodium based P2 layered cathodes. EnergyStorage Materials 22 (2019) 168–178. DOI: 10.1016/j.ensm.2019.07.010

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719308700

阴极氧气还原催化剂

11.Adv. Energy Mater.: 边缘缺陷调控FeN4活性位点提升燃料电池Fe-N-C催化剂活性

以可再生氢为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种洁净高效、安全环保的新型能源技术，在便携电源、小型移动电源、车载电源等领域具有巨大的应用潜力。然而，PEMFC阴极的氧还原反应十分缓慢，需要使用贵金属铂作为催化剂，其高昂的成本限制了燃料电池的大规模应用。寻求廉价、高效、稳定的非铂催化剂已成为燃料电池研究的热点之一。近年来，过渡金属-氮-碳（M-N-C）材料被广泛认为是最有希望替代铂催化剂的候选材料，其碳基质中与相应的N配位的金属原子（称为MNx部分）可以作为ORR的催化中心。尽管人们在M-N-C 催化剂的研究取得了长足的进步，但通过精确设计MNx位点来开发高活性的M-N-C催化剂仍然具有很大的挑战性。此外，高温热解过程会导致大量的活性或惰性金属基团（例如金属铁，碳化铁，铁氧化物和硫化物）团聚，甚至导致MNx部分失活。因此，使用合理的设计策略增加MNx位点的比例，并提高其固有催化活性对于提高催化效率至关重要。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士、河南师范大学白正宇副教授团队、美国布鲁克海文国家实验室苏东研究员联合报道了一种新颖的利用边缘缺陷操控活性位点来提高ORR活性的策略。通过简单的氯化铵盐辅助方法，对FeN4位点进行缺陷工程设计，在类似石墨烯的多孔支架中生成高比例的FeN4位点。该方法不仅能有效增加催化剂中FeN4活性位点的数量，同时还能提升它们的本征活性和利用率，从而达到提高氧还原催化性能的目的。理论计算表明，具有相邻孔缺陷的FeN4部分比无缺陷的结构更具活性。此外，该方法制备的Fe-N-C催化剂还富含大量孔隙结构，能大力减少空气在阴极的传质阻力，可使PEMFC具有更高的功率密度。在实际的氢-空气质子交换膜燃料电池中使用时，其功率密度可高达0.43 W cm^-2，是迄今为止已报道的最高性能之一。 这项工作为通过边缘操纵FeN4位点提高ORR活性提供了新途径。

参考文献：

Tailoring FeN4 sites with Edge Enrichment for BoostedOxygen Reduction Performance in Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Adv. EnergyMater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201803737

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201803737

12. Angew. Chem. Int. Ed.：单原子Ir-N-C催化剂高效催化氧还原

开发低成本高活性、稳定的氧还原（ORR）电催化剂一直是能源领域研究的热点和难点。近年来，由于具有最大的金属利用率，确定的活性位点和可调控的电子结构，单原子催化剂（SACs）表现出更优异的催化活性和选择性。目前，金属-氮-碳（M-N-C）结构的单原子催化剂被广泛研究用作ORR催化剂并取得了重大的进展，但是其性能仍然难与商业Pt/C催化剂性能相媲美。更重要的是，到目前为止对这类型催化剂的催化机制的研究现阶段还不够深入，不利于进一步理性设计，调控其催化性能。因此，开发新型的M-N-C单原子催化剂，深入研究构效关系和作用机制，对推动燃料电池的发展以及指导高效催化剂的设计具有重大的意义。

鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士课题组联合温州大学王舜教授课题组与美国布鲁克海文国家实验室苏东博士课题组、美国阿贡国家实验室吴天品博士课题组合作，基于理论计算指导，设计并制备了一种均匀分散的单原子Ir-N-C（命名为Ir-SAC）高效氧还原催化剂。HAADF-STEM和XAFS表征验证了了Ir的单原子分散，与四个N原子及1个O原子结合配位形成稳定的Ir-N4-O结构。电化学测试表明，Ir-SAC在酸性条件下表现出十分优异的催化活性和稳定性，其半波电位高达0.864 V，循环5000圈后活性几乎没有衰减。值得注意的是，该催化剂的质量活性高达12.2 A mg^-1，转化频率（TOF）也达到了 24.3 e^- site^-1 s^-1，远高于文献报道的其他单原子催化剂以及商业Pt/C催化剂。DFT计算结果表明，Ir-N4的特定结构改变了Ir的电子结构，使得ORR中间物种在Ir的吸附能适中，从而使其具有最优的催化性能。该研究不仅提供了一种新型高效的ORR催化剂，同时也揭示了配位环境-电子结构-催化活性之间的内在联系，对其他电催化催化剂的合成制备与机理探讨具有重要的指导意义。

参考文献：

A Single-Atom Iridium Heterogeneous Catalyst in Oxygen Reduction Reaction.Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201905241.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201905241

除此以外，陈忠伟教授团队2019年在CO2捕集、电催化、膜分离、锂离子和钠离子电池层状电极材料等领域取得了一系列成果，由于内容较多，在此不一一列举，感兴趣的读者可前往陈忠伟院士课题组网站学习。

课题组主页：

http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/index.html

陈忠伟院士简介

陈忠伟，加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)化学工程系教授，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席，加拿大最年轻的两院院士。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队，常年致力于燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，锂硅电池，液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来已在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Journalof the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition,Advanced Materials, Energy & Environmental Science, ACS Nano等国际顶级期刊发表论文270余篇。目前为止，文章已引用次数达20000余次, H-index 指数为73，并担任ACS Applied & Material Interfaces副主编。

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来源：高分子科学前沿

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