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王中林、任志锋、Parice Simon等顶级专家报道最新研究成果,新能源材料专题出版

作者: Research编辑部

时间: 2020-06-22 09:36

2020年第1期,Research编委西安电子科技大学教授杨如森组织出版了新能源材料专题,该专题聚集了王中林、任志锋、Patrice Simon等这一领域十余名顶级专家的最新研究成果,探讨了新能源材料的未来发展。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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01/Contact Electrification by Quantum-Mechanical Tunneling
基于量子-机械隧穿的接触起电研究

通讯作者:Morten Willatzen mortenwillatzen@binn.cas.cn;王中林
本文提出了一种通过无损量子力学隧穿在两个固体之间进行电荷转移的简单模型。该模型适用于金属和电介质固体之间的电子传输和接触带电。基于一维有效质量哈密顿,分析计算了电子通过势垒从一个固体到另一个固体的隧穿传输系数。电子的传输速率(电流)利用Tsu-Esaki方程计算,并考虑到两种固体的不同费米函数。研究表明,相对于两个固体导带边缘和真空间隙的厚度,隧穿动力学对真空势非常敏感。当真空间隙变化一个数量级,例如从1Å到10Å时,与摩擦电相关的隧穿和接触带电的相关时间常数可能会变化几个数量级。利用隧穿动力学解释了不同材料表面电子之间的库仑排斥。

02/Recent Advances in Self-Supported Layered Double Hydroxides for Oxygen Evolution Reaction
用于析氧反应的自支撑层状双氢氧化物最新进展

通讯作者:任志锋 zren@uh.edu
以清洁、可持续能源为驱动的电化学水分解法制氢是一种高效、环保的能源转换技术。水分解涉及氢气析出反应(HER)和氧气析出反应(OER),其中OER是限制性因素,在过去几年中引起了广泛的研究兴趣。传统的贵金属基OER电催化剂如IrO2和RuO2等存在成本较高和适用性有限的限制。开发具有高催化活性和长期耐久性的创新型非贵金属电催化剂替代现有的OER电催化剂,以促进OER工艺发展仍然是一个重大的挑战。自支撑分层双氢氧化物(LDHs)具有独特的分层结构和高电催化活性,已成为最有前途的电催化剂类型之一。本篇综述总结了自支撑LDHs的最新进展,着重介绍了这类催化剂的电化学催化性能,详细讨论了其合成方法、结构和组成参数等因素对优化OER性能的影响。还讨论了自支撑LDHs发展所面临的其他挑战,并就其通过水分解在工业制氢中的潜力进行了展望。

03/Ultrafast Synthesis of Calcium Vanadate for Superior Aqueous Calcium-Ion Battery
用于优质水性钙离子电池的钒酸钙的超快合成方法

通讯作者:Patrice Simon  simon@chimie.ups-tlse.fr
近年来,多价水合钙离子电池(CIBs)作为锂离子电池的可能替代物引起广泛关注。然而,传统的钙离子储能材料要么速率容量有限、循环寿命差要么比容量不足。为了解决传统钙离子储能材料的这些不足,本文通过对大层间距离材料的研究,不但提高了比容量而且为钙离子提供了一维结构通道,实现了离子的快速、可逆插入/出过程。
本文通过熔盐法合成得到产率高、速度快、成本低的一维金属氧化物MV3O8(M=Li,K)、CaV2O6和CaV6O16-7H2O(CVO)。以一维CVO作为电极材料,对于Ca离子的插入/出,获得了高容量205 mA h g-1、长循环寿命(3.0 C下循环200次后容量保持率>97%)、高倍率性能(12 C下117 mA h g-1)。本工作标志着熔盐法合成纳米材料的发展向前迈进了一步,为未来钙离子电池的发展铺平道路。

04/Piezoelectric Peptide and Metabolite Materials
压电肽和可新陈代谢材料研究进展

通讯作者:Ehud Gazit ehudg@post.tau.ac.il;杨如森rsyang@xidian.edu.cn
压电材料在许多物理和电子器件中具有举足轻重的作用。尽管许多压电陶瓷的压电性能好,但是它们在生物体系中的相容性差,这极大地阻碍着它们在生物医学上的应用。压电肽和可新陈代谢材料受益于它们固有的生物相容性、可降解特性和易于生物功能化的特点,是生物和医学应用的有前途候选人。在此,我们全面地介绍了压电肽和可新陈代谢材料的研究进展,深入解析了其纳米和微米结构的自组装和共自组装的机理,全面地讨论了其自组装过程对他们压电性能的影响。压电肽和可新陈代谢生物材料不仅压电性能显著,还展示出独特的导电性能、光学性能和物理性能等,使其可应用于纳米发电机、传感器和光波导器件。

05/Emerging Devices Based on Two-Dimensional Monolayer Materials for Energy Harvesting
基于二维单层材料的新兴能量收集装置

通讯作者:吴文卓 wenzhuowu@purdue.edu
原子厚度的二维(2-D)材料因其优异的电学、光电、机械和热学性能引起了人们的极大兴趣,这使得它们在电子设备、传感器和能源系统中具有较强的应用前景。将环境中浪费的能量转化为电能有望解决人们对新兴能源的需求,尤其是在便携式和可穿戴设备领域。二维材料的多变特性及其原子层厚度的主体为环境能量的转换创造了多种可能性。本综述重点介绍了基于单层二维材料的新兴能量收集装置的最新进展,如光伏、热电、压电、摩擦电和水力发电装置以及收集渗透压和Wi-Fi无线能量的研究进展。还讨论了有关单层异质结构和混合器件的代表性成果。最后,对基于二维单层材料的能量收集设备在自供电电子和可穿戴技术发展中的挑战和机遇进行了讨论。

06/Advanced Thin Film Cathodes for Lithium Ion Batteries
用于锂离子电池的新型薄膜阴极材料

通讯作者:王海燕 hwang00@purdue.edu
无粘结剂薄膜阴极已成为新型高性能锂离子电池的重要基础,可应用于全固态电池、便携式电子产品和柔性电子产品等轻型设备。然而,这些薄膜电极通常需要进行改性以提高电化学性能。本综述总结了目前对薄膜阴极的2种改性方法,即:单相纳米结构设计和多相纳米复合设计。还重点介绍了不同改性方法的最新代表性进展。此外,本综述还讨论了有关薄膜阴极目前遇到的挑战、未来研究方向和未来发展需求,以满足新型便携式和个人电子产品的储能需求。

07/Concentration-Dependent Solar Thermochemical CO2/H2O Splitting Performance by Vanadia–Ceria Multiphase Metal Oxide Systems Vanadia–Ceria多相金属氧化物系统的浓度依赖性太阳能热化学CO2 / H2O分解性能研究

通讯作者:Adrian Lowe; adrian.lowe@anu.edu.au and Wojciech Lipiński; wojciech.lipinski@anu.edu.au
通过CO2和H2O分解的热化学氧化还原循环以及甲烷部分氧化反应,研究了钒-铈多相体系中V和Ce浓度(在0~100%范围内变化)对合成气生产的影响。制备的氧载体的氧化通过单独的和连续的CO2和H2O分解反应进行。混合金属氧化物的结构和化学分析揭示了Ce和V相互作用及影响其晶相和氧化还原特性的重要信息。纯CeO2和纯V2O5分别具有最低和最高的氧交换能力和合成气产生能力。混合氧化物体系提供了一个平衡:它们的氧交换能力是纯CeO2的5倍并降低了甲烷的裂解程度。在CeO2中加入25%的V时,CeO2和CeVO4达到最佳混合状态,并可增强CO2和H2O的分解。在较高的V浓度下,环状碳化物的形成和氧化使合成气产率高于纯CeO2的产量。

08/All-Day Thermogalvanic Cells for Environmental Thermal Energy Harvesting
用于环境热能采集的全天候温差原电池

通讯作者:周军 jun.zhou@hust.edu.cn
将巨大的、无处不在的低等级热能通过温差原电池直接转化为电能,是一种很有前途的能量收集策略。环境热能是最丰富且可再生的低等级热能热源之一,但环境中的温度波动频率低、幅度小,环境热能全天候发电仍面临严峻的挑战。这项工作报道了一种由聚吡咯(PPy)宽带吸收器/辐射器、热电原电池和蓄热材料(Cu foam/PEG1000)组成的串联装置,该装置集成了加热、冷却和回收热能的多种功能。热电原电池可以在白天和夜间连续利用环境热能,最大输出功率分别高达0.6 W m-2和53 mW m-2。通过一个大型原型模块的户外演示,该设计为利用环境热能进行全天发电提供了一种可行且有前景的方法。

09/Chemically Binding Scaffolded Anodes with 3D Graphene Architectures Realizing Fast and Stable Lithium Storage
利用3D石墨烯架构和支架阳极进行化学键结合,实现快速和稳定的锂存储

通讯作者:余桂华 ghyu@austin.utexas.edu
三维(3D)石墨烯已经成为用于与电化学活性材料杂交以提高性能的理想平台。然而,对于锂存储而言,当前的阳极“访客”通常以纳米颗粒的形式物理附着在石墨烯主体上,往往与石墨烯主体分离并聚集成大的堆积物,在反复循环后导致相当大的容量衰减。在此,我们开发了一种简便的双网络水凝胶化方法,用于将阳极支架与3D石墨烯结构进行化学结合。以锡基合金阳极为例,由互穿氰基桥接配位聚合物水凝胶和氧化石墨烯水凝胶组成的双网络水凝胶直接转化为物理缠绕、化学结合的锡镍合金支架和石墨烯结构(Sn - Ni/G)双骨架。该独特的双框架结构,以惊人的结构稳定性和电荷传输能力,使Sn−Ni/G阳极表现出长循环寿命 (200个循环周期为701 h G−1(0.1 G−1))和高速率性能(497 h G−1(1 G−1)和390 (2 G−1))。这项工作利用3D石墨烯结构为化学键结合支架的低成本电极和电催化剂材料提供了全新的视角,促进能量存储和转化。

10/Buckled MEMS Beams for Energy Harvesting from Low Frequency Vibrations
可进行低频振动能量收集的屈曲MEMS梁研究

通讯作者:Sang-Gook Kim sangkim@mit.edu
基于梁式结构谐振的振动能量采集器只有在梁式谐振的工作频率窗口与可用振动源相匹配时才能有效工作。但是随着结构变小,共振频率会变得很高,以往研究中未发现共振MEMS结构可以在低频率、低振幅、不可预测的环境振动下工作。因此,本研究开发了双稳态屈曲梁能量收集器,首次在MEMS规模内将工作频率窗口降低到100Hz以下。这种设计不依赖于MEMS结构的共振,而依赖于在输入能量超过能量阈值时,低频率下利用横梁的大振动进行工作。这一工作设计、制造并测试了一种全功能的压电式MEMS能量采集器。建立了机电总括参数模型,分析了非线性动力学,指导了基于非线性振荡器的能量采集器的设计。通过沿制造步骤对沉积过程的渐进式残余应力控制,实现了残余应力诱导的多层梁结构。释放器件的表面轮廓显示出200的双稳态降压,这与设计的降压量非常匹配。动态测试表明,该能量采集器在0.5g输入时,在70Hz下以50%的带宽工作,这种工作条件是以往MEMS振动能量采集器难以达到的。

11/A General Method for the Synthesis of Hybrid Nanostructures Using MoSe2 Nanosheet-Assembled Nanospheres as Templates
基于MoSe2 纳米片自组装球模板的杂化纳米结构的通用合成方法

通讯作者:张华 hua.zhang@cityu.edu.hk
以MoSe2纳米片组装的纳米球为模板合成混合纳米结构的通用方法成本低、地球储量丰富的层状过渡金属二硫化物(TMDs)、磷化物可作为产氢反应(HER)的电催化剂。将这些过渡金属化合物掺入形成杂化纳米结构,产生协同效应,有望进一步提高其HER的催化活性。本文报道了合成基于MoSe2的系列杂化纳米结构的一种通用方法,包括MoSe2-Ni2P、MoSe2-Co2P、MoSe2-Ni、MoSe2-Co和MoSe2-NiS,即通过胶体合成法,在预合成的MoSe2纳米片组装纳米球上分别生长Ni2P、Co2P、Ni、Co和NiS纳米结构。作为概念性应用验证,将所合成的杂化纳米结构用作HER的电催化剂,在酸性介质中具有高活性和稳定性。其中,MoSe2-Co2P复合体的HER活性最高,在10 mA cm-2时的过电位为167 mV。

12/Fabric-Based Triboelectric Nanogenerators
基于织物的摩擦电纳米发电机

通讯作者:秦勇 yqin@lzu.edu.cn;杨如森 rsyang@xidian.edu.cn
在过去的几十年中,可穿戴和便携式电子设备的发展非常迅速,但在实际应用过程中,电源的持续性制约了相关设备的发展。可穿戴式电源,尤其是可穿戴式能量收集设备,为应对这一挑战提供了一些有前景的解决方案。在各种可穿戴式能量收集器中,高性能的基于织物的摩擦电纳米发电机(TENG)尤其重要。本文介绍了TENG的基本原理及其四种基本工作模式,探讨了讨论基于织物的TENG的材料合成、结构设计和制备,提出一些需要解决的影响发展的问题。材料合成、结构设计与器件制备,并提出一些需要解决的影响摩擦电发电机进一步发展的问题。

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