喬世璋教授，現任澳大利亞阿德萊德大學化工與材料學院奈米技術首席教授，能源與催化材料中心主任，主要從事新能源技術奈米材料領域的研究，包括電池、電催化、光催化等。發表學術論文超過430篇，引用超過57000次，H-index 123。

今天，我們盤點一下喬世璋教授課題組在2020年取得的重要研究成果。

1. 電催化

1. ACS Catalysis：電還原N2制氨的孤立硼位點

探索高活性的電催化劑對於透過電化學方法生產氨是必不可少的。本文采用密度泛函理論計算，研究了金屬硼化物模型體系二元金屬硼化物的電化學氮還原反應（eNRR）活性。為了闡明其機理，首先對鉬硼化物（Mo2B，α-MoB，MoB2）進行了模擬，結果表明晶體結構對N2的吸附有很大的影響，從而影響其電催化活性。

本文的電子結構研究表明，硼p-軌道與二氮π*-軌道的雜化以及p-π*軌道上的布居數決定了N2的吸附強度。因此，Mo2B的孤立硼位點（Pz軌道填充較少）有利於N2的活化，削弱N2的三鍵。這種孤立的硼位概念成功地推廣到其他金屬硼化物M2B（M代表Ti，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Ta，W）。Mo2B、Fe2B和Co2B被發現是最有希望的低限制電位的候選材料，因為在適當的Pz填充下反應中間產物具有適當的吸附強度。這項工作為設計具有應用前景的eNRR電催化劑提供了思路。

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https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04103

2. Advanced Materials綜述：利用陽離子交換反應設計電催化劑的原子和電子結構的最新進展

近幾十年來，由於奈米級電催化劑的合理設計，電催化技術取得了巨大的進展。進一步的發展需要在原子水平上設計電催化劑，這是一個巨大的挑戰。其中，陽離子交換策略是透過表面刻面、雜原子摻雜、缺陷形成和應變調製來微調電催化劑原子結構的有力工具。從而有效地提高了吸附/解吸中間體的電子結構。因此，陽離子交換策略極大地提高了電催化劑的內在活性和表觀活性，在設計新的能量轉換裝置方面顯示出巨大的潛力，例如水分解裝置和金屬-空氣電池。認為陽離子交換為新一代電催化劑的合理設計提供了新的見解和機遇。

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https://doi.org/10.1002/adma.202001866

3. Angewandte Chemie International Edition：乙氧基中間體穩定化後CO2電化學還原為乙烷

由於通常對甲烷、乙烯和乙醇具有較高的選擇性，因此很少觀察到二氧化碳電化學轉化為乙烷的現象。而關於其反應機理的實驗證據很少，因此在很大程度上仍然是未知的。現在，透過將電化學、原位X射線吸收精細結構和原位拉曼技術相結合，對碘衍生銅（ID-Cu）和氧化物衍生銅（OD-Cu）系統進行了研究，以進一步瞭解CO2轉化為乙烷的機理。由於表面有微量碘和帶正電荷的銅，因此與OD-Cu相比，ID-Cu的乙烷生成更為有利，具有更高的選擇性和更快的動力學。首次在實驗中發現，乙烷的生成與乙烯和乙醇的生成路徑相同，且後期乙氧基中間體的穩定性較好，可以指導乙醇與乙烷的反應。

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https://doi.org/10.1002/ange.202004846

4. Small Structures：單原子銅催化劑上高選擇性雙電子電催化CO2還原

銅基催化劑的高選擇性催化還原技術面臨重大挑戰。本文開發了一種氮摻雜石墨烯基（Cu–N4–NG）Cu單原子催化劑，用於高選擇性電催化還原CO2製備CO。透過同步加速器的表徵，確定了Cu–N4–NG的單原子結構和配位環境。與傳統的塊體銅催化劑相比，在−1.0 V的中等外加電位下，Cu–N4–NG對CO的法拉第效率為80.6%，與可逆氫電極（RHE）相比。動力學實驗表明：

1）Cu–N4部分有利於CO2活化步驟；

2）部分錨定石墨烯有利於水解離，為CO2還原提供質子。

此外，密度泛函理論（DFT）計算表明，與競爭的析氫反應（HER）相比，Cu–N4–NG上CO2還原的熱力學阻礙較小，這是由於它們的極限電位差。因此，Cu-N4-NG催化劑的CO選擇性最高，這是由於其動力學和熱力學更為有利。

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https://doi.org/10.1002/sstr.202000058

5. Chemistry – A European Journal綜述：用3d-金屬（Oxy）（Hydr）氧化物破壞鹼性水的穩定性，以改善析氫

鹼性水電解能夠使用非貴金屬基催化劑，因此在大規模生產可再生氫燃料方面具有很大的前景，特別是當由太陽能和風能等可再生能源驅動時。然而，鹼性析氫反應（HER）的水吸附和解離動力學緩慢，降低了其能量轉換效率。最近的研究成果證明，3d金屬氧化物（oxy）（hydr）可以加速這兩個動力學過程，從而從實驗和理論的角度提高各種HER電催化劑的活性。此外，最近發現了其催化劑與3d-金屬（氧）（hydr）氧化物之間強耦合的積極作用。本文簡要介紹了近年來的研究進展，包括實驗和理論。文中還對這一快速發展領域的挑戰和前景作了評述。

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https://doi.org/10.1002/chem.202002503

6. Advanced Energy Materials：原位破碎鉍奈米粒子用於電催化氮還原

電化學氮還原反應（NRR）是能源密集型Haber-Bosch氨合成工藝的一種有前途的替代方法。在可能的電催化劑中，鉍基材料由於其電子結構和析氫活性差而表現出獨特的NRR特性。然而，由於在反應電位下結構和化學性質的變化，活性中心和反應機理的識別仍然很困難。本文采用原位拉曼光譜，輔以電子顯微鏡，研究了雙物種在NRR過程中的結構和化學轉變。奈米棒狀鉍基金屬-有機骨架被原位還原，並在外加電位下碎裂成緊密接觸的BiO奈米顆粒。破碎的BiO奈米顆粒在中性和酸性電解液中均表現出優異的NRR效能，與可逆氫電極相比，在−0.7 V下，氨產率為3.25±0.08µg cm−2 h−1，在0.10 M Na2SO4中−0.6 V下的法拉第效率為12.11±0.84%。線上微分電化學質譜法檢測了NRR過程中NH3和N2H2的生成，提示了透過兩步還原和分解的可能途徑。這項工作強調了在NRR條件下監測和最佳化電催化劑的電子結構和幾何結構的重要性。

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https://doi.org/10.1002/aenm.202001289

7. Advanced Energy Materials：可調吡咯氮碳電化學過氧化氫生成選擇性的研究

透過雙電子反應途徑將O2電化學還原為H2O2提供了一種替代現有蒽醌工藝的可能性，從而實現可持續的分散式HO生產。在這裡，本文開發了一種富氮的多層石墨烯（N-FLG），具有可調的氮結構，用於電化學生成過氧化氫。實驗觀察到吡咯烷含量與過氧化氫選擇性呈正相關。吡咯-N的關鍵作用是透過可變的中間吸附剖面以及X射線吸附近邊緣結構譜上吡咯-N峰的負位移來闡明的。由於最佳化的N摻雜結構和獨特的多孔結構，製備的N-FLG電催化劑對電化學合成H2O2具有很高的選擇性和優異的長期穩定性。為了在陽極和陰極上獲得高價值的產品和最佳化的能源效率，組裝了一個實用的裝置，將電化學過氧化氫生成和糠醛氧化相結合，同時使陰極處的過氧化氫（9.66 mol h−1 gcat−1）和陽極處的2‐糠酸（2.076 mol m−2 h−1）在小電池電壓為1.8V。

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https://doi.org/10.1002/aenm.202000789

8. Angewandte Chemie International Edition：配位調諧選擇性：高負載鉬單原子催化劑上的雙電子氧還原

單原子催化劑（SACs）在電催化方面具有巨大的潛力。透過調整金屬原子、相鄰配位摻雜和金屬負載，可以合理地最佳化其效能。然而，由於有限的綜合方法和對結構-效能關係的理解不足，這樣做仍然是一個巨大的挑戰。本文報道了一種具有獨特的O，S配位，金屬負載量大於10 wt %的新型Mo-SAC。透過高角度環形暗場掃描電鏡和擴充套件X射線吸收精細結構鑑定了隔離和區域性環境。SACs透過2 e−途徑催化氧還原反應（ORR），在0.10 m KOH下具有95%以上的高H2O2選擇性。透過電化學實驗和理論計算，揭示了鉬單原子和配位結構的關鍵作用。

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https://doi.org/10.1002/ange.202003842

9. Angewandte Chemie International Edition：磷空位能將電催化析氫提高兩個數量級

空位工程是控制電催化劑電子結構以提高其效能的一種有效策略，但很少有人關注磷空位（Pv）。本文介紹了金屬磷化物中Pv的生成及其在鹼性電催化析氫反應中的作用。Pv改性催化劑要求最小起始電位為0 mV vs.RHE，小的過電位為27.7 mV，以達到10mA cm−2的幾何電流密度，Tafel斜率為30.88 mV dec-1，甚至超過Pt/C基準（32.7mV@10mA cm−2和30.90 mV  dec-1）。這種催化劑在長達504小時的時間內也表現出很好的穩定性，沒有任何衰變。實驗分析和密度泛函理論計算表明，Pv可以削弱Ni 3d和P 2p軌道的雜化，增加Pv附近Ni和P原子的電子密度，促進H*脫附過程，使其具有突出的活性和簡便的動力學。

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https://doi.org/10.1002/ange.201914967

10. Advanced Materials：尖晶石釩酸鈷氧化物Co2VO4的合理設計

電化學能源裝置，如燃料電池和金屬-空氣電池，可將化學能直接轉化為電能，而不會對環境產生不利影響。這些可再生能源技術中使用的昂貴貴金屬的有吸引力的替代品是富含地球的過渡金屬氧化物。然而，它們往往受到催化和導電能力的限制。本文報道了一種尖晶石氧化物，即Co2VO4，它透過將金屬釩原子鏈與電活性鈷離子結合以進行高階氧還原反應（ORR），這是燃料電池、金屬-空氣電池等的關鍵過程。實驗和類比電子能量損失譜分析表明，Co2+陽離子位於八面體位置以一個eg電子（t2g6eg1）的低自旋態為例，這有利於ORR能量學。實際電導率的測量證實，與基準鈷氧化物相比，Co2VO4有幾個數量級的增加。

因此，採用新的尖晶石-釩酸鈷氧化物作為ORR催化劑的鋅-空氣電池表現出優異的效能，以及380 mW cm−2的創紀錄的高放電峰值功率密度。最重要的是，這比最先進的Pt/C基裝置更優越，是組裝有金屬、金屬氧化物和碳催化劑的鋅空氣電池中最好的。這些發現為高活性和高導電性氧化物材料提供了一種新的設計策略，用於廣泛的電催化應用，包括ORR、析氧和析氫反應。

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https://doi.org/10.1002/adma.201907168

11. Chemical Communications：石墨烯包覆鎳銅雙金屬奈米顆粒催化劑用於CO2電化學還原制CO

在NiCu0.25雙金屬奈米粒子催化劑上實現了高選擇性CO2電還原制CO（法拉第效率90%）。結合同步輻射X射線吸收和原位拉曼光譜研究，本文發現由於3d電子的重新分佈，NiCux中Cu含量與CO選擇性呈負相關。

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https://doi.org/10.1039/D0CC04779A

12. Chem：熔鹽催化合成二維層狀過渡金屬氮化物高效析氫

快速合成二維層狀過渡金屬氮化物（TMNs）對超導、電磁干擾遮蔽和能源相關應用等未來技術的發展具有重要意義。然而，具有天然二維層狀結構的TMN的製備在熱力學上是困難的，嚴格的合成限制限制了這類重要功能材料的開發。在這裡，本文利用鹼熔鹽作為催化劑，在大氣壓下，實現了一系列二維層狀TMN（如MoN1.2、WN1.5和Mo0.7W0.3N1.2）的簡單和大規模（超過十克）合成。實驗結果表明，熔鹽可以降低二維層狀TMN的形成能量，保證了液態氣的合成，並形成了TMN鹽TMN的超結構。所製備的二維層狀TMN在析氫反應中表現出優異的效能，顯示了2D層狀TMN在能源相關應用及其它領域的巨大潛力。

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https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.037

13. Nano Energy：銅基合金催化劑上CO2電化學還原的選擇性路線圖

由於電化學CO2還原反應（CRR）反應網路複雜，開發高選擇性的電催化劑是一個重大的挑戰。本文研究了一系列銅基單原子合金(米@銅)對多個活性中心進行建模，透過評估各種吸附構型和能量學來研究它們的選擇性趨勢。二次金屬的氫（H）和氧（O）親和力米@銅模型催化劑是確定CRR選擇性的有效描述符。觀察到的產物分組為銅基合金催化劑的CRR選擇性趨勢提供了有效的理論解釋。它還提供了對廣泛的銅基雙金屬材料的CRR產品選擇性的進一步的機械洞察力。基於催化劑特性的選擇性趨勢為高選擇性CRR電催化劑的設計提供了合理的策略。

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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104601

14. Materials Today綜述：鹼性條件下析氫電催化劑的設計策略（頂刊綜述：手把手教你設計鹼性HER電催化劑！）

鹼性電催化析氫反應是水電解技術中主要的能量轉換過程之一。高活性、高成本效益的催化劑不僅具有工業價值，而且在研究陰極電極上發生的所有電催化反應方面具有重要意義。然而，到目前為止，鹼性HER的反應機理仍存在爭議，這使得催化劑的設計在很大程度上是一個試錯過程。為了解決這個問題，本文在現有反應機理知識的基礎上，透過強調原子級材料工程與反應基本原理之間的聯絡，提出了設計鹼性HER催化劑的策略。特別是，本文致力於改善材料的固有電子結構，以實現催化劑和反應中間產物之間所需的相互作用。透過展示一些理論和實驗設計策略的成功例項，本文旨在為鹼性條件下的催化劑設計提供直接的指導。

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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.12.003

15. Angewandte Chemie International Edition：電荷積累和自旋極化在活性炭基催化劑電催化氮還原中的關鍵作用

具有成本效益的碳基催化劑在催化電化學N2還原反應（NRR）方面具有廣闊的應用前景。然而，碳基催化劑對NRR的活性來源尚不清楚，對碳基NRR電催化劑的合理設計也缺乏規律性和規律性。在理論計算和實驗觀察相結合的基礎上，系統地評價了硫根/氧基元素（O，S，Se，Te）摻雜碳材料作為潛在的NRR催化劑。雜原子摻雜引起的電荷積累促進了氮在碳原子上的吸附，自旋極化促進了第一次質子化形成*NNH的電位決定步驟。摻Te和Se的C催化劑表現出較高的本徵NRR活性，優於大多數金屬基催化劑。建立碳基材料電子結構與NRR效能之間的相關性，為碳基材料NRR的應用鋪平了道路。

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https://doi.org/10.1002/ange.201915001

16. Advanced Materials：拓撲轉化多邊形中孔三元層狀雙氫氧化物在配位金屬中心下暴露加速水分解

層狀雙氫氧化物（LDHs）被認為是一種高效的析氧電催化劑，但由於水在鹼性介質中的解離動力學緩慢，其析氫反應活性較低。在此，為了同時加強HER和OER動力學，採用金屬-有機骨架（MOF）介導的拓撲學轉化策略，在泡沫鎳上製備多孔三元CoFeNi LDH，暴露出具有原子邊緣臺階和晶格缺陷的多邊形中孔。最佳化後的催化劑只需要1.49V的外電壓，就可以提供10mA cm−2的水電解電流密度，並且具有優異的電解穩定性，遠遠超過基準的Pt/C | | RuO2。

更重要的是，利用先進的光譜和密度函數理論（DFT）的理解進行的機理研究解開了，同時欠配位金屬中心之間的協同效應降低了水離解的能量屏障，鐵摻雜可以進一步調節Co和Ni的d帶態密度（DOS），有利於中間產物的結合，從而提高其固有的HER活性。拉曼研究顯示，在HER過程中，LDH的結構變化微不足道，而對於OER，在存在晶格缺陷和欠配位金屬中心的情況下，活性中心可以迅速轉變為氫氧化物。

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https://doi.org/10.1002/adma.202006784

2. 光催化

1. ACS Materials Letters：邊緣活性ReS2超薄奈米片高效光-氫轉換的原子級研究

開發高活性、高可靠性的太陽能氫（H2）光催化劑，需要對光催化劑的原子級結構/組分-效能關係進行全面深入的瞭解。在這一貢獻中，本文首次開發了一種新的簡單的技術來製備具有大量原子級邊緣位的ReS2超薄奈米片（uns）。結合密度泛函理論（DFT）計算的原子分辨掃描透射電子顯微鏡預測，這些原子級邊緣位置可以有效地促進H2的演化。因此，合成的ReS2 UNS與三種最廣泛開發的光催化劑（即TiO2、CdS）耦合，以顯著提高光催化產氫。特別是，經TiO2修飾的ReS2 UNS表現出顯著改善的光催化產氫速率1037μmol h–1 g–1，是裸TiO2的129.6倍。

此外，透過基於DFT的計算和最新的表徵（例如基於同步輻射的X射線吸收近邊緣結構和瞬態表面光電壓/光致發光光譜）對TiO2/ReS2複合材料進行了研究。結果表明，ReS2UNS原子級邊緣活性中心豐富，極大地促進了H2的演化，同時其相對完整的基面將電子迅速轉移到邊緣活性中心。此外，ReS2與TiO2之間顯著的電子耦合顯著加速了光誘導電子空穴對的離解/遷移。本文的工作不僅為ReS2 UNSs在光催化領域的邊緣活性位點的研究提供了原子水平的見解，而且為二維太陽能轉化材料上原子級活性中心的工程化開闢了新的途徑。

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https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00205

2. Science Advances：鎘鋅硫化鋅量子點中鎳原子分散製備高效能可見光催化制氫

單原子位的催化劑可以高度調節多相催化劑的活性、穩定性和反應性。因此，對相關機制的原子論理解對於同時提高內稟活性、位密度、電子輸運和穩定性至關重要。在這裡，本文報告了原子分散鎳（Ni）在鋅藍鎘-硫化鋅量子點（ZCS QDs）中提供了一種在陽光下分解水的高效和持久的光催化效能。分散在ZCS量子點中的微調Ni原子表現出18.87mmol h−1 g−1的超高光催化產氫活性。這可能是由於合適的能帶結構、內建電場和最佳化的表面氫吸附熱力學，實現了單價Ni（I）的高活性位和表面異質結以加強載流子分離。這項工作展示了量子點的物理化學性質在高效光催化制氫中的協同調節。

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https://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaaz8447

3. Small Methods綜述：光催化劑用於制氫和生產增值化學品（你的光催化水分解只能產氫？太浪費了！）

利用可再生太陽能將水轉化為清潔的氫燃料，有可能用於解決全球能源和環境問題。然而，傳統的光催化分解制氫效率低，穩定性差。因此，新增空穴清除劑來提高光激發電子-空穴對的分離效率，並透過消耗強氧化光激發空穴來提高穩定性。這種方法的缺點是增加了成本和產生廢物。最近，研究人員報告了大量可用的空穴清除劑的使用，包括生物質、生物質衍生中間產物、塑膠廢料和一系列用於氫氣生成的醇類，再加上使用半導體光催化劑生產增值化學品。

因此，對這些光催化劑的性質、效能和作用機理進行全面的綜述，並對這一新興領域的最新進展、挑戰和機遇進行批判性的回顧是非常及時的。本文介紹了利用空穴清除劑進行選擇性氧化、C-H活化和C-C耦合以及非選擇性氧化的光催化劑析氫反應機理；2）介紹了計算選擇性氧化轉化率/選擇性的方程式；3）總結和批判性地比較了近年來的研究進展報道的光催化劑，特別強調物理化學特性和效能之間的相關性，以及光催化機理；4）評估當前的進展和挑戰。

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https://doi.org/10.1002/smtd.202000063

4. Advanced Energy Materials綜述：半導體光催化CO2還原的原子級反應位點

光催化CO2還原是產生可再生能源的有效手段。它包括氧化還原反應、二氧化碳的還原和水的氧化，這些都導致了太陽能燃料的生產。因此，人們做出了重大的研究努力，以開發價格低廉且實際可持續的半導體光催化劑。對半導體表面原子級活性中心的探索有助於加深對二氧化碳光還原機理的理解。這可用於高效光催化劑的設計和合成。本文將原子級反應位點分為四類：空位、單原子、表面官能團和受挫Lewis對（FLPs）。這些不同的光催化反應位點對反應物、中間體和產物具有不同的親和力。這改變了二氧化碳還原的途徑，並顯著影響了催化活性和選擇性。因此，從原子水平的角度設計光催化劑可以最大限度地提高原子利用效率，並實現高選擇性。展望了在深入理解的基礎上製備高效光催化劑的前景。

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https://doi.org/10.1002/aenm.201903879

3. 電池

1. J. Am. Chem. Soc.：貧電解質鋰金屬陽極的原位光譜設計原理

實際的鋰（Li）金屬電池極為追求稀電解液條件。以往對鋰金屬陽極的研究，一般來說，在電解液過量的情況下表現出良好的穩定性。然而，在相對低電解液條件下有針對性地設計Li載體的研究還很少。在此，本文發現電解液消耗嚴重影響鋰金屬陽極的迴圈穩定性。本文以碳為典型的例子，創新性地採用了原位同步輻射X射線衍射、原位拉曼光譜和理論計算，以更好地理解鋰的成核/沉積過程。

本文還展示了原位電化學阻抗譜分析鋰/電解質介面波動的有用性，以及核磁共振資料來量化電解液消耗量。本文發現鋰的形核/沉積不均勻和表面積衍生的固體電解質介面（SEI）層開裂都會導致電解液的大量消耗。在此基礎上，本文提出了一種解決鋰電池電解液損耗的設計原則，即必須同時控制Li結構的不均勻生長和SEI層的開裂。作為概念證明，本文證明了3D低表面積缺陷石墨烯（L-DG）對控制Li成核/沉積和穩定SEI層的有用性，有助於實現高度可逆的Li電鍍/剝離。因此，這種鋰主機可以在低電解液負載（10μL）的情況下實現穩定的迴圈（例如，1.0 mAh cm–2）。本文論證了在貧電解液條件下設計鋰金屬陽極的必要性，使鋰金屬電池更接近實際應用。

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https://doi.org/10.1021/jacs.9b11774

2. Angewandte Chemie International Edition：透過光譜和計算模擬揭示介孔鉍中鎂的儲存機理

本文以介孔鉍奈米片為模型，研究了鎂離子電池（MIBs）中Mg/Bi體系的電荷儲存機理。利用同步加速器操作X射線衍射、近邊緣X射線吸收精細結構和拉曼光譜的系統研究，本文證明了可逆的兩步合金化反應機理↔鎂鉍↔Mg3Bi2。計算模擬方法揭示了MgBi中間產物的形成並證實了其高電子導電性。這種中間產物作為顯著體積膨脹（204 %）的緩衝液，並起到調節鎂儲存動力學的作用。介孔鉍奈米片作為研究鎂電荷儲存機理的理想材料，能夠有效地減緩體積膨脹，在無鋰電解液中具有顯著的電化學效能。這些發現將有助於對MIBs的力學理解和材料設計。

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https://doi.org/10.1002/ange.202009528

3. Advanced Materials：原子工程催化高功率高能量密度混合水電池MnO2電解動力學

鹼性鋅錳、鋅鎳鈷、鋅空氣電池、近中性鋅離子電池、混合離子電池等鋅水電池由於其成本低、安全性高的特點，在世界範圍內引起了廣泛的關注和研究成果。然而，鋅基二次電池的實際應用受到能量和功率密度的限制，輸出平臺電壓不足和動力學遲滯是相互影響的。在此，本文構建了一種新型的高倍率高壓鋅錳混合水電池（HAB），其電化學穩定性視窗可擴充套件到3.4V以上，價格實惠。作為概念的證明，在HAB中透過簡單地向電解液中引入Ni2+來證明催化MnO2/Mn2+電解動力學。採用了多種技術，包括原位同步輻射X射線粉末衍射、X射線原位吸收精細結構和電子能量損失譜，揭示了可逆電荷儲存機制和提高速率能力的來源。密度泛函理論（DFT）的計算揭示了強負電性Ni後，活性電子態增強，電荷離域。透過對反應路徑的模擬，證實了鎳摻雜物周圍活性氧位的電荷轉移增強了催化電解動力學。這些發現極大地推動了水電池向實際低成本應用邁進了一步。

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https://doi.org/10.1002/adma.202001894

4. Science Advances綜述：先進水系電池路線圖：從材料設計到應用（頂刊綜述：喬世璋教授邀您玩“水”，這個課題最新最強攻略在此！）

關於有機介質電池的安全問題是公眾反對其廣泛使用的主要論據。水系電池（ABs）以水為基礎，對環境無害，具有高功率密度和耐誤操作能力，是一種安全、經濟、可擴充套件的儲能方式。近5年來，ABs的研究興趣和成果在全球範圍內激增。然而，由於其輸出電壓有限，能量密度不足，使得其大規模應用受到困擾。本文提出了AB基礎研究的挑戰，重點是先進材料的設計和整個器件的實際應用。建立了不同AB系統中挑戰的潛在相互作用。對ABs的最新進展進行了批判性評價，以解決關鍵問題，特別強調先進材料與新興電化學之間的聯絡。最後，本文提供了一個路線圖，從材料設計到下一代可靠ABs的商業化結束。

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https://advances.sciencemag.org/content/6/21/eaba4098

5. Advanced Materials：高穩定鈉硫電池用多硫化物的電子態限制

在硫陰極中限制多硫化物是消除金屬硫電池“穿梭效應”的關鍵，是實現大規模、可持續儲能的一種有前景的解決方案。然而，對於多硫化物限制的機理探索和深入理解仍然有限。因此，實現高穩定性的金屬硫電池是一個關鍵的挑戰。本文基於二維金屬有機骨架（2D-MOF），提出了一種實現多硫化物有效約束的新機制。同步輻射X射線衍射、電化學測量和理論計算的結合表明，2D-MOF中Ni中心的動態電子態使多硫化物與MOF在放電/充電過程中的相互作用能夠被調節，使多硫化物具有較強的吸附和快速轉化動力學。所合成的室溫鈉硫電池是迄今為止報道的最穩定的電池之一，因此，新的機制為高效能金屬硫電池的開發開闢了一條有前途的道路。

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https://doi.org/10.1002/adma.201907557

6. Matter綜述：從實驗和理論上揭示了鋰鈉硫電池二維材料的研究進展（喬世璋教授綜述：硫電材料幾許，總是二維稱雄？）

金屬硫電池具有能量密度高、成本低等優點，是下一代電池的實用前景。但由於長週期放電容量和穩定性不理想，目前發展受到阻礙。實驗和理論相結合可以深入研究硫氧化還原和金屬剝離鍍的電化學行為與電極材料結構效能之間的關係。對於金屬硫電池，二維（2D）奈米材料是一個合適的模型，用於連線和測試實驗結果與理論預測，並探索結構-效能關係。本文從實驗和理論相結合的角度，探討了二維奈米材料在不同反應階段的硫氧化還原轉化，並對影響二維奈米材料如人工固體電解質介面（SEI）和載體材料保護Li和Na金屬陽極的關鍵因素進行了評述。最後重點討論了開發高效能金屬硫電池的研究方向。

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https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.12.020

7. Journal of Materials Chemistry A：最佳化離子輸運的鈉離子電池用氫化雙殼鈦酸鈉立方塊

鈦酸鈉作為一種典型的層狀電極材料，在鈉離子電池中表現出較高的能量密度，但離子輸運動力學較差。因此，最佳化大離子在這種層狀結構材料中的遷移對鈉離子電池具有重要意義。在此，本文合理地構建了具有氫化誘導氧空位的雙殼層結構的鈦酸鹽，以從結構和原子上調節鈉離子的傳輸通道。作為電池的陽極，製備的樣品比沒有氧空位的樣品具有更好的速率效能。這為最佳化離子輸運動力學提供了一條有效途徑。

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https://doi.org/10.1039/D0TA00967A

8. Journal of Energy Chemistry：影響鋅空氣電池效能的試驗因素

鋅-空氣電池為未來大規模儲能提供了巨大的潛力。本文評估了主要影響鋅空氣電池測量功率密度的測試因素。透過擬合鋅空氣電池的極化曲線，揭示了測試引數（電極間距、電解液濃度、氧通量）和催化劑墨水的製備對鋅空氣電池的活化、歐姆和濃度極化的影響。最後，對非貴金屬電催化劑在鋅-空氣電池中的應用前景提出了建議。

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https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.09.008

9. Energy & Environmental Science綜述：鹼金屬離子電池用過渡金屬二氯代物：原子水平上的工程策略

近幾十年來，鹼金屬離子電池（AMIBs）陽極材料的製備與開發一直是國內外研究的熱點。然而，在轉化反應過程中，其電化學效能仍受到結構聚集和斷裂的嚴重影響。為了解決這些問題，人們已經充分研究和評述了製造分層和混合奈米結構的各種方法，並對材料和電極進行了最佳化。在調諧TMD基材料方面，人們在原子水平上對其本徵結構進行了廣泛的最佳化，包括表面缺陷、層間距擴充套件、相位控制、合金化和雜原子摻雜。

然而，在AMIBs的設計策略和方法中，對其內部結構和電化學機制的操作還沒有得到充分的總結。本綜述透過結合計算和實驗方法，對AMIBs在原子水平上設計TMDs的最新進展進行了適時和批判性的評估。強調了這些策略與電化學效能之間的相關性。同時也概述了該研究領域面臨的挑戰和機遇。本文期望這篇綜述將有助於全面瞭解TMDs的電荷儲存機制，並指出內在結構工程對提高TMDs儲能效能的重要性。

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https://doi.org/10.1039/C9EE03549D