Science China Materials最新在线发表文章（2022.07.08-14）

电子调制和结构设计具有多通道传输的MoSe₂用于高性能钠离子电池

第一作者: 吕成魁, 蔺春发, 董慧龙

通讯作者: 耿洪波, 杨骏, 魏怀鑫

由于钠资源储量丰富且价格低廉, 钠离子电池(SIBs)可作为锂离子电池(LIBs)的有效替代品已成为共识. 基于此, 开发适合钠存储的电极材料是钠离子电池发展的关键. 近年来, 二维层状过渡金属硫属化物在能源和环境领域受到广泛关注. 其中MoSe₂, 由于其宽的层间距和较高电导率, 被认为是一种具有潜力的SIBs负极材料. 本文通过静电纺丝, 硒化及碳化过程, 设计制造了具有多通道电子传输路径的氮掺杂双碳壳层MoSe₂纳米材料MoSe₂/MCFs@NC). 此结构具有三维连通的导电网络, 丰富的空隙和足够的电子传输路径, 有助于适应钠离子脱嵌带来的体积膨胀应力, 并加快电荷转移动力学. 作为钠离子电池负极材料时, MoSe₂/MCFs@NC表现出高的比容量(10 A g⁻¹电流密度下为319 mA h g⁻¹)和优异的循环稳定性(10 A g⁻¹的电流密度下可循环1100圈). 此外, 该材料在与Na₃V₂(PO₄)₂O₂F正极材料组成的钠离子全电池中也表现出了卓越的性能. 理论计算进一步验证了双碳壳层和MoSe₂之间的强相互作用, 对于提升MoSe₂/MCFs@NC的钠离子电池综合性能具有重要意义. 本研究为制备高性能钠离子电池电极材料提供了新思路.

Lv, C., Lin, C., Dong, H. et al. Electronic modulation and structure engineered MoSe₂ with multichannel paths as an advanced anode for sodium-ion half/full batteries. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2092-0

零维石墨烯量子点活化二维MXenes的晶格氧参与水氧化反应

第一作者: 马艺媛, 安玉蓉

通讯作者: 袁文玉

二维过渡金属碳化物(MXenes)对含氧中间产物的吸附能垒高, 使得MXenes对产氧反应(OER)的活性差, 因此阻碍着其在高性能水分解和燃料电池中的应用. 本文发现引入零维石墨烯量子点(GQDs)的M_nX_n−1O₂@GQDs的OER活性具有明显的pH依赖性, 且其相关性可通过石墨烯量子点来进行调控, ¹⁸O同位素标记-飞行时间二次离子质谱分析表明GQDs的引入显著提升了晶格氧参与OER的程度, 证明了M_nX_n−1O₂ MXenes的晶格氧可以被GQDs激活. 在晶格氧被激活的情况下, M_nX_n−1O₂@GQDs的电催化OER动力学过程则由传统的吸附演变机制转变为晶格氧机制. 在10 mA cm⁻²的基准电流密度下, 所制备的0D/2D Ti₃C₂O₂@GQDs异质结构的过电位被大幅降低至390 mV (纯Ti₃C₂O₂高达530 mV). 进一步通过优化厚度和导电基底, 在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位可被降低到250 mV, 塔菲尔斜率被抑制到39 mV dec⁻¹, 该结果优于目前最先进的MXenes基OER催化剂和商用贵金属催化剂. 本工作将晶格氧机制的应用范围从钙钛矿扩展到MXenes, 也为提升M_nX_n−1O₂的OER活性提供了一种全新策略, 对MXenes的材料设计和电催化机理的深入理解都有积极意义.

Ma, Y., An, Y., Xu, Z. et al. Activating lattice oxygen of two-dimensional M_nX_n−1O₂ MXenes via zero-dimensional graphene quantum dots for water oxidation. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2091-4

富含缺陷的非晶态与晶态杂化介孔钴钼纳米片高效析氧催化剂

第一作者: 何传生

通讯作者: 黄小青, 李雷刚

构建具有丰富缺陷且缺陷浓度可调的二维(2D)介孔金属氧化物(氢氧化物)纳米材料作为高效电催化剂仍然是一个巨大的挑战. 本工作开发了一种简便有效的一锅溶剂热路线来合成由晶体相Mo₄O₁₁和准非晶相氢氧化钴组成的介孔Mo_x-Co-O杂化纳米片. 由于短链有机胺在高温下的刻蚀作用, 合成过程中在Mo_x-Co-O杂化纳米片上原位产生了大量的介孔空穴, 增加了材料的电化学比表面积. 此外, Mo_x-Co-O纳米片的尺寸、介孔和晶相/非晶相纳米片上缺陷(本工作中的氧空位)的浓度可以通过控制Mo/Co摩尔比调节. 电化学测试表明, 2D介孔Mo_x-Co-O纳米片表现出优异的析氧反应活性, 其中Mo_0.2-Co-O纳米片表现出最高的催化活性(在1 mol L⁻¹ KOH中10 mA cm⁻²处的过电位为276 mV). 研究发现, Mo_0.2-Co-O纳米片具有合适的d带中心和最高浓度的氧空位, 这是促成其优异催化活性的两个主要因素. 本工作构建具有丰富缺陷(氧空位)和合适d带中心的二维金属氧化物(氢氧化物)的晶相/非晶杂化纳米材料的方法, 为设计更高效的催化剂提供了重要启发.

He, C., Hu, X., Wang, J. et al. Defect engineered 2D mesoporous Mo-Co-O nanosheets with crystalline-amorphous composite structure for efficient oxygen evolution. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2098-x

通过A位调控强化双钙钛矿氧还原反应活性及稳定性

第一作者: 朱峰

通讯作者: 陈宇

制约陶瓷基燃料电池钙钛矿阴极的电化学性能的主要因素是其缓慢的氧还原反应(ORR)动力学和较差的稳定性. 这两个性能的好坏在很大程度上取决于钙钛矿基阴极材料的A位元素. 因此, 本工作提出一种双钙钛矿氧化物Ba_0.8Gd_0.8Pr_0.4Co₂O_6−δ (BGPC)的A位元素调控策略, 显著提高BGPC的ORR活性和稳定性. 作为La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_3−δ电解质支撑的单电池阴极材料时, BGPC表现出优异的电化学活性和稳定性. 比如, 在800°C时, 电极的面积比电阻为0.170 Ω cm², 并且电池的峰值功率密度达到1 . 1 8 9 W cm⁻² , 优于目前商业化的(La_0.6Sr_0.4)_0.95Co_0.2Fe_0.8O_3−δ (LS95CF)阴极的性能(峰值功率密度为1.079 W cm⁻²). 此外, 在0.5 A cm⁻²的恒流工作模式下, 使用BGPC作为阴极的单电池稳定性(衰减速率为0.074% h⁻¹) 优于使用LS95CF阴极的单电池(衰减速率为0.13% h⁻¹). 优异的电化学性能和良好的稳定性, 表明钙钛矿材料的A位调控是提高电极电化学活性和稳定性的一种有效策略.

Zhu, F., He, F., Xu, K. et al. Enhancing the oxygen reduction reaction activity and durability of a double-perovskite via an A-site tuning. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2094-2

金属诱导Bi₂WO₆中氧空位的形成以实现高效的光还原CO₂

第一作者: 王莹珲

通讯作者: 黄洪伟

基于半导体的高效太阳能转换光催化是应对日益严重的全球能源和环境危机的理想策略. 然而, 光催化的发展仍然受到可见光利用率低、电荷转移和分离效率低、反应位点不足等问题的限制. 本文采用一步还原法将Au纳米颗粒沉积在Bi₂WO₆表面, 同时诱导Bi₂WO₆表面形成氧空位. 我们发现氧空位浓度随着Au负载的增加而增加. Au纳米颗粒和氧空位改善了材料的光吸收, 并促进了光生载流子的分离和运输. 此外, 氧空位与附近的金属活性位点协同作用, 优化了反应物在催化剂表面的吸附能, 改变了CO₂分子在催化剂表面的吸附形式, 最终在无需牺牲剂的气固体系中实现了高达34.8 μmol g⁻¹ h⁻¹的CO光催化产出速率, 比未改性的Bi₂WO₆高出9.4倍. 这项工作有望进一步加深我们对金属纳米颗粒与氧空位之间的关系及其在光催化中的协同作用的理解.

Wang, Y., Chen, T., Chen, F. et al. Metal-induced oxygen vacancies on Bi₂WO₆ for efficient CO₂ photoreduction. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2093-x

超微孔碳吸附剂实现天然气中丙烷和乙烷的高选择性提取

第一作者: 陈富强, 郭凯晴

通讯作者: 鲍宗必

轻烃混合物分离以及从天然气中提取C₃H₈和C₂H₆对天然气纯化及劣质天然气升级意义重大. 微孔碳吸附剂在轻烃分离中潜力巨大, 然而构筑孔径均一的超微孔从而增强分离选择性仍是巨大挑战. 本文采取无活化剂热解法制备了一系列孔径均一(5.2到5.3 Å)的聚偏二氯乙烯树脂(PVDC)衍生的超微孔碳吸附剂. 与已报道的吸附剂相比, 优选的C-PVDC-800对C₃H₈/CH₄及C₂H₆//CH₄在298 K和1.0 bar下表现出更高的理想吸附溶液理论(IAST)选择性(分别为3387和75), 对C₃H₈/CH₄具有最高的Henry系数选择性(369). 此外, C-PVDC-800在低压下对C₃H₈和C₂H₆具有极高的吸附量. 更重要的是, 该材料对所有气体分子都实现了快速的动力学吸附, 有利于应用于固定床吸附过程. 固定床穿透实验及循环测试进一步证实了该材料从天然气中选择性提取C₃H₈和C₂H₆的优异性能.

Chen, F., Guo, K., Huang, X. et al. Extraction of propane and ethane from natural gas on ultramicroporous carbon adsorbent with record selectivity. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2096-8

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