顶刊速递 | 1篇Nature，3篇Nature子刊！最新能源成果一篇搞定！
The following article is from Nano Res Energy Author Nano Res Energy
前 言
众所周知，目前报道的最先进的高镍层状氧化物（LiNixCoyMn1-x-yO2, x > 0.5）作为锂离子电池正极材料时，可以将能量密度和功率密度提升到更高的水平。然而，由插层化学产生的各向异性，以及所导致的晶格应变/应力，通常会引起晶体结构疲劳。开发零应变插层材料，有助于实现其优越的电化学性能。不幸的是，当使用合成和晶体化学来保持无缺陷和相纯度时，高镍层状氧化物的应变调控具有挑战性。此外，当电池在高电压（4.5 V以上）下工作时，这种不稳定和电化学衰减会进一步放大，这限制了其能量的进一步提高。即使经过科学界的大量努力，直接缓解晶格应变持续积累的本征应变方法仍然是一个充满挑战性的难题。
鉴于此，本文总结了浙江大学陆俊/吴天品教授、中国科学技术大学陈维教授、香港城市大学曾志远教授、麻省理工学院李巨教授、中国科学技术大学梁海伟教授、中国科学院过程工程研究所杨军研究员以及德国柏林亥姆霍兹材料与能源中心有限公司Christiane Becker/Steve Albrecht教授等课题组在电催化、锂离子电池、太阳能电池、原位透射电镜方面的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。
1. 陆俊/吴天品Nature：应变延缓相干钙钛矿相，助力高稳定性富镍阴极！
由于锂离子的嵌入和脱出，在插层层状氧化物中晶格应变无法避免。这主要是因为氧化还原物质离子半径的变化和氧的库仑排斥。前者有助于过渡金属-氧八面体（TMO）的收缩，进而减少整个充电过程中的晶格参数a(b)。静电相互作用的后一种变化（O-O和O-Li-O）可以明显改变材料的c间距。这种变化在c间距迅速塌陷的高压区域非常明显。因此，这些各向异性晶格位移共同产生晶格应变的积聚，以及所导致不可逆的相变，被广泛认为是层状氧化物衰减的原因。
近年来，科学家们已经尝试了许多策略，并使用包括元素掺杂，微结构工程和单晶开发来限制由晶格变化引起的结构退化。然而，由于层状氧化物中各向异性晶格参数的必然变化，这些方法无法解决晶格位移所带来的结构不稳定。考虑到这一点，找到一种有效的方法来调节晶格应变对于实现高结构稳定性至关重要。
鉴于此，浙江大学陆俊教授和吴天品教授在Nature上发表了题为“Strain-retardant coherent perovskite phase stabilized Ni-rich cathode”的最新研究成果。
本文要点：
1. 作者使用一种包含稳定物理结构和与层状结构氧化物良好晶格匹配的La4[LiTM]O8 （LLMO, TM = Ni, Co, Mn）相，实现应变延缓作用。
2. 首先，稳定的钙钛矿结构将层状结构与岩盐结构融为一体，并与层状结构正极非常匹配，从而很好的适应应变延缓策略。其次，LLMO和层状氧化物之间晶格参数的相似性确保了相干生长的可能性。最后，LLMO可以通过使用层状氧化物的优化合成方法来实现，消除了进一步处理引起的额外结构复杂性。
3. 基于以上原理，作者成功地将应变延缓相引入最先进的高镍层状材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 （NCM）中，该材料在所有循环中都表现出明显抑制的晶格应变积聚，并通过电子、局部原子结构到颗粒和电极水平的表征得到了证明。
4. 这种材料大大降低了层状氧化物中的晶格应变，从而在高截止电压下也具有良好的循环性。
5. 这种方法拓宽了晶格工程用于释放锂（脱）插层应变的前景，并为开发具有长耐久性的高能量密度阴极铺平了道路。
Wang, L., Liu, T., Wu, T. et al. Strain-retardant coherent perovskite phase stabilized Ni-rich cathode. Nature 611, 61–67 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05238-3.
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2. Nature Nanotechnology：高效单片钙钛矿-硅串联太阳能电池的纳米光学设计！
单片双端钙钛矿叠层太阳能电池（PSTSCs）已经实现了超过31%的功率转换效率（PCEs），从而克服了传统的晶体-硅单结太阳能电池的物理极限。如此高的PCEs是通过不断改进PSTSCs的光学和电子性能来实现的。这些改进包括切换电池极性以增强顶接触传输，并对不同层进行微调，以提高光学性能。此外，科学界也讨论了通过优化接触层，利用添加剂和调整钙钛矿组合物或沉积物的方案。
对于硅太阳能电池，通常使用氢氧化钾刻蚀的尺寸为几微米的随机金字塔绒面进行光管理。然而，如果不与溶液加工的钙钛矿吸光层进一步适配，它们是不兼容的。总的来说，钙钛矿-硅串联太阳能电池提供了克服传统硅太阳能电池的功率转换效率极限的可能性。为了提高光学性能，人们提出了多种绒面叠层器件，但在绒面结构晶片上优化薄膜生长仍然具有挑战性。
鉴于此，德国柏林亥姆霍兹材料与能源中心有限公司Christiane Becker教授和 Steve Albrecht教授在Nature Nanotechnology联合发表了题为“Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells”的最新研究成果。
本文要点：
1. 作者展示了具有周期性纳米纹理的钙钛矿-硅串联太阳能电池。在不影响溶液加工钙钛矿层的材料质量的情况下，这些纳米纹理具有各种优势。
2. 作者发现，与平面串联相比，反射损耗有所减少，新器件对偏离最佳层厚度的敏感度较低。
3. 纳米纹理还可以将制造良率从50%大幅提高到95%。
4. 此外，由于钙钛矿顶电池的光电特性增强，开路电压提高了 15 mV。
5. 先进的光学背反射器带有介电缓冲层，可减少近红外波长下的寄生吸收。因此，作者证明了29.80 %的认证功率转换效率。
Tockhorn, P., Sutter, J., Cruz, A. et al. Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01228-8.
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3. 陈维 Nano Research Energy：CO2RR生成C2+产物的Cu基电催化剂研究进展综述！
直将二氧化碳从空气/废气中捕获并利用可再生能源将其转化为高附加值产品，是缓解地球生态环境问题和能源危机的有效方案。因此，通过电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）生产多碳（C2+）产物和化工原料，近年来成为了研究热点。
目前，铜基电催化剂已被证明是唯一可通过CO2RR有效制备C2+产物的催化剂。然而，通过铜基催化剂制备C2+产物的CO2RR的选择性仍然受限于其较高的过电位、缓慢的反应动力学和较低的选择性。近年来，多种新型铜基催化剂的设计和制备得到了快速发展。为促进CO2RR技术的产业化，对其研究进展和设计策略进行总结和展望是非常必要的。
鉴于此，中国科学技术大学、Nano Research Energy青年编委陈维教授发表了题为“Electrochemical CO2 reduction to C2+ products using Cu-based electrocatalysts: A review”的最新研究综述。
本文要点：
1. 作者首先讨论了铜基催化剂设计的各种前沿策略，包括表界面工程、通过合金化调整铜带隙、聚合物复合的铜基催化剂等。
2. 随后，作者总结了电解液和pH值对催化剂性能的影响，进而深入了解铜基催化剂失活/降解机制。
3. 此外，作者还总结了铜基催化剂在CO2RR反应中的原位光谱学和理论计算研究进展，以使读者充分理解铜基催化剂的反应机制、结构转化/降解机制和晶面损失对催化剂活性的影响。
4. 最后，作者从四个角度（包括发展单原子催化剂、利用表界面工程调控、开发铜基金属有机框架材料和制备铜-聚合物复合催化剂）指明了开发先进Cu基催化剂的方向，为解决开发铜基催化剂存在的挑战以及未来发展方向提供了新视角。
T. Ahmad, S. Liu, M. Sajid, et al. Electrochemical CO2 Reduction to C2+ Products Using Cu-Based Electrocatalysts: A Review. Nano Research Energy. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120021.
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4. 曾志远/李巨Nature Protocols：原位透射电子显微镜中的液体池制备！
原位液相透射电子显微镜（In-situ liquid cell TEM）技术为原位研究液相过程提供了新的可能，可用于研究溶液中晶体的成核与生长，能源材料中的电化学反应，活体细胞的生命活动等。
该技术中的关键部件，即液体池，或称为液体芯片（liquid cell），是实现对液体样品在亚纳米尺度的原位观察和记录的基础。
用于原位TEM的液体芯片通常包括常规的芯片（一般用于观察化学反应，如晶体的成核与生长）以及电化学芯片（主要用于观察电化学过程）。电化学芯片制备起来难度更大，因为通常需要将电极和电解液封装在芯片里，并且与外部电源连接。因此，制造这样的电化学芯片是学术与工业界的共同追求。
鉴于此，香港城市大学曾志远教授和麻省理工学院李巨教授在Nature Protocols上合作发表了题为“Fabrication of liquid cell for in situ transmission electron microscopy of electrochemical processes”的最新研究成果。
本文要点：
1. 作者首先介绍了制备原位液相TEM核心部件-电化学液体芯片（electrochemical liquid cell）的技术，并且展示了原位电化学反应的实例。
2. 所制备的电化学液体芯片可用于TEM原位观察多种液相反应，如锂金属枝晶的生长，固体电解质界面膜（SEI）的形成， 电化学合金化和去合金化，锂化反应等。
3. 此外，此制造方案也为开发TEM以外的其他原位液体池（例如，X-ray absorption spectroscopy液体池，X-ray diffraction液体池等）提供了启发和指导。
Yang, R., Mei, L., Fan, Y. et al. Fabrication of liquid cell for in situ transmission electron microscopy of electrochemical processes. Nat Protoc (2022). https://doi.org/10.1038/s41596-022-00762-y.
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5. 杨军 Nano Research Energy：CuPt合金中的W轻掺杂，助力高性能直接甲醇燃料电池！
直接甲醇燃料电池(DMFC)是将甲醇氧化反应的化学能直接转化为电能的一种发电装置，主要由阴极、阳极、质子交换膜及双极板等组成，其结构简单、方便灵活，工作时间只取决于燃料携带量而不受限于电池的额定容量，近年来倍受产业界青睐。
DMFC在发电过程中，无需经过卡诺循环，具有能量转化效率高，低排放和无噪音等优点，另外还具有常温使用、燃料携带补给方便、体积和重量比能量密度高等优势，特别适合作为小型可移动及便携式电源，在国防、能源和通讯等领域有着潜在的广阔应用前景。
目前制约DMFC商业化的一个主要障碍是其阳极甲醇氧化反应的缓慢动力学，这一问题在低温工时尤其突出。此外，甲醇氧化过程中产生类一氧化碳物种（CO-like species）容易强烈吸附在Pt基催化剂的表面，造成催化剂中毒失活。
鉴于此，中国科学院过程工程研究所杨军研究员在Nano Research Energy上发表了题为“Light doping of tungsten into copper-platinum nanoalloys for boosting their electrocatalytic performance in methanol oxidation”的最新研究成果。
本文要点：
1. 作者团队基于双功能催化机制与晶格压缩应变效应，通过在CuPt合金体系中掺杂少量W的方式，降低Pt活性组分的d-带中心，减弱类一氧化碳物种在其表面的化学吸附，极大地提升了其室温下催化甲醇氧化的性能。
2. 作者表明，少量的W不仅能够降低Pt的d-带中心，弱化CO的吸附，还能够通过一种“溢氢效应（hydrogen spillover effect）”净化Pt催化位点，进一步提升其催化稳定性。
3. 在Cu/W/Pt的摩尔比达到21/4/755时，CuWPt三元合金纳米颗粒对甲醇氧化的比活性和质量活性可分别达到2.5 mA cm-2和2.11 A mg-1，并且具有出色的稳定性。该性能远远超过它们的CuPt二元合金对照样品、商业Pt/C催化剂和近些年报道的Pt基合金材料。
4. 以CuWPt三元合金为阳极催化剂的DMFC电池的开路电压和功率密度分别达到0.6 V和24.3 mW cm-2，远超以商业Pt/C为阳极催化剂的对照电池。
5. 该研究展示了附加添加物提升贵金属电催化性能的潜力，为合成高效贵金属基电催化剂提供了一种新的策略。
D. Liu, Q. Zeng, C. Hu, et al. Light doping of tungsten into copper-platinum nanoalloys for boosting their electrocatalytic performance in methanol oxidation. Nano Research Energy. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120017.
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6. 梁海伟Nature Communications：碳负载铂金属间化合物催化剂的小分子辅助合成！
金属间化合物（IMCs）作为一种特殊的合金材料，具有异金属键合、明确的化学计量和长程原子有序的晶体结构，在化学转化、有机合成、气体净化和能量转换等多个领域引起了持续的研究兴趣。
其中，碳负载的Pt-M（M是廉价金属，通常是3d过渡金属）IMCs是氧还原反应（ORR）中最有前途的低铂电催化剂之一。但大多数Pt-IMCs催化剂的合成通常需要高温热退火工艺以促进原子有序，这不可避免地导致金属烧结，并且使得生产具有高比表面积和质量基活性的纳米级IMCs催化剂具有挑战性。
因此，对于制备小型Pt-IMCs纳米颗粒催化剂的研究，目前仍需要开发一种更有效的方法，以打破铂金属间催化剂的小粒径（高电化学活性表面积）和高有序度之间的平衡关系，以进一步提高催化性能。
鉴于此，中国科学技术大学梁海伟教授在Nature Communications上发表了题为“Small molecule-assisted synthesis of carbon supported platinum intermetallic fuel cell catalysts”的最新研究成果。
本文要点：
1. 在这项研究中，作者开发出一种小分子辅助浸渍方法，成功实现一系列铂基金属间化合物的普适性合成。
2. 作者表明，含杂原子(即O, N或S)的分子添加剂可以在浸渍过程中与铂配位，并在高温煅烧过程中转化为杂原子掺杂石墨烯层，显著抑制合金烧结并确保小尺寸金属间催化剂的形成。
3. 在H2-O2燃料电池中，PtCo金属间化合物在0.9 V时表现出高达1.08 A mgPt–1的质量活性，在H2-空气燃料电池中的额定功率为1.17 W cm–2。
Song, TW., Xu, C., Sheng, ZT. et al. Small molecule-assisted synthesis of carbon supported platinum intermetallic fuel cell catalysts. Nat Commun 13, 6521 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-34037-7.
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Nano Research Energy是Nano Research姊妹刊 (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; 官方网站:
https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)，
于2022年3月由清华大学创办，香港城市大学支春义教授和清华大学曲良体教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文，已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2023年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。
投稿请联系：
NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.