发布日期：2022-03-26 15:50    点击次数：154

陈忠伟教授， 本科毕业于南京工业大学硅酸盐工程专业，1999年进入华东理工大学化学工程专业攻读研究生；2002年进入美国加州大学河滨分校攻读化学工程博士；2007年成为美国洛斯阿拉莫斯国家实验室访问学者；2008年加入滑铁卢大学。现任加拿大滑铁卢大学化学工程系教授，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，加拿大工程院和皇家科学院双院院士。陈忠伟院士团队常年致力于开发用于清洁和可持续能源技术的高性能纳米材料，研究兴趣包括燃料电池，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，陈院士已在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Journal of 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五百余篇。目前为止，文章已引用次数达31586余次, H-index 指数为88。
作为国际上知名的能源专家，陈忠伟院士团队的工作受到很多科研人员的关注。2020年，陈忠伟院士团队的研究重心依旧集中在储能电池和能源催化领域，共发表Nature Energy (1), Nature communication (2), Advanced Energy Materials (5), Angew (4), Advanced Materials (2), Advanced Functional Materials (3), Chemical Society Reviews (3), Chemical Reviews (1), Matter (2), Nano Energy (7)……等SCI论文60余篇。下面，小编简单梳理了陈忠伟院士课题组2020年在锌空气电池、锂硫电池、锂离子和钠离子电池以及能源电催化等领域的重要成果，供大家学习参考。主要分为：Part 1. Li-S 电池Part 2 Zn-air 电池Part 3 能源电催化Part 4 Li-ion/Na-ion/Li-metal 电池Part 5评论和综述文章Part 6 其他Part 1. Li-S 电池1. Adv. Energy Mater.: 金属氧化物基导电网络设计助力高性能长寿命锂硫电池锂硫（Li–S）电池的商业化进程一直受到以下因素制约：1）硫的室温绝缘性；2）硫在充放电过程中发生的体积变化；以及3）硫的反应中间产物在电解液中的大量溶解等。这些问题使得锂硫电池的循环稳定性和倍率性能无法满足实用化需求。因此，合理设计硫正极结构以抑制多硫化锂穿梭效应并加快其转化动力学，对锂硫电池的实际应用至关重要。鉴于此，滑铁卢大学陈忠伟院士联合河北工业大学张永光副教授，华南师范大学王新副教授报道了一种三维连续且富含氧缺陷的有序多孔Nb2O5-x/CNTs作为锂硫电池正极硫载体，有效抑制了多硫化锂的穿梭效应，并实现了快速的氧还原反应动力学。文章亮点：1. 为了克服Nb2O5导电性不足的缺陷，研究人员在合成过程中引入碳纳米管作为导电网络，实现了高Nb2O5载量和高导电性。此外，三维连续的Nb2O5结构为离子、电子传输提供了快速通道，能够实现快速的物质转移，Nb2O5骨架上富含的微孔、介孔也为氧还原反应的发生提供了丰富的活性位点。2. 同时，由于碳的还原性，碳纳米管的引入还提升了Nb2O5的氧缺陷含量。理论计算和实验结果表明，氧缺陷的引入不仅显著提高了Nb2O5对多硫化物的吸附能力，还有效催化硫氧化还原反应的发生，实现快速的反应动力学。3. 基于上述优势，使用Nb2O5-x/CNTs硫正极组装得到的锂硫电池表现出优异的循环稳定性（1C，500圈， 847 mAh g−1），高倍率性能（5C，741 mAh g−1）。甚至在6 mg cm−2的高载硫量条件下，也能保持6.07 mAh cm−2的面容量。
参考文献：Wang, J., Li, G., Luo, D., Zhang, Y., Zhao, Y., Zhou, G., Shui, L., Wang, X., Chen, Z., Engineering the Conductive Network of Metal Oxide‐Based Sulfur Cathode toward Efficient and Longevous Lithium–Sulfur Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002076.https://doi.org/10.1002/aenm.2020020762. Adv. Energy Mater.: 钒在氮化钛晶格骨架中的固溶用于锂硫电池中多硫化物的合理调控锂硫电池的实际应用受到硫物种固有的低电子/离子电导率及其多电子的固液转化带来的缓慢动力学等因素的严重制约。此外，由于多硫化锂的“穿梭效应”，导致电池库仑效率低和循环性能差等问题。为了优化硫正极的结构，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授和华南师范大学王新副教授提出利用钛钒氮固溶体（TVN）制备无粘结剂和集流体的三维自支撑硫载体，以改善锂硫电池的性能。钛钒氮固溶体的独特结构可将含硫活性成分有效地限制于正极区域，从而抑制穿梭效应并提高锂硫电池的整体电化学性能：在高硫负载（6 mg cm-2）的条件下依然表现出良好的循环性能和倍率性能。文章要点：1）研究人员利用静电纺丝技术制备了无粘结剂和集流体的三维自支撑TVN，其中三维网络具有较大的中空结构可以有效缓解硫/硫化锂相互转化过程中的体积变化；一维纳米结构具有较高的比表面积可以增加与含硫活性成分的接触，提高其利用率。2）研究发现，V在TiN晶格骨架中的固溶可以微妙地调整Ti和V的配位结构和电子结构龙虎斗技巧，大幅度提高其对硫物种的化学亲和力。因此龙虎斗技巧，TVN表现出高的多硫化物的吸附能力，并在一定程度上促进了硫转化的反应动力学。3）结果表明，使用TVN组装的锂硫电池具有出色的电化学性能：经过400次循环后，容量保持率高达97.7%；在6.0 mg cm-2的高硫负载下，可以保持超过6.11 mAh cm-2的面容量。
参考文献：Shang, C., Li, G., Wei, B., Wang, J., Gao, R., Tian, Y., Chen, Q., Zhang, Y., Shui, L., Zhou, G., Hu, Y., Chen, Z., Wang, X., Dissolving Vanadium into Titanium Nitride Lattice Framework for Rational Polysulfide Regulation in Li–S Batteries. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003020. https://doi.org/10.1002/aenm.2020030203. Adv. Mater.: 基于锂热还原反应制备的硫化锂/过渡金属正极材料硫化锂（Li2S）阴极的发展一直受到其固有缺陷的严重制约，包括高活化电位、差的倍率性能以及长时间循环过程中容量的快速衰减。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士联合美国俄勒冈州立大学纪秀磊教授与阿贡国家实验室陆俊研究员团队通过锂热还原反应合成了一系列Li2S /过渡金属(TM)纳米复合材料，系统考察了TMs对Li2S电化学行为的影响。文章亮点：1）通过在管式炉中650℃加热5h，Li粉与金属硫化物前体（如Ni2S3、FeS、CuS、CoS2、MnS、ZnS、MoS2、WS2和TiS2）反应合成了一系列Li2S/TM复合材料，且TMs均匀地分布在Li2S基底中。2) 与原始的Li2S相比，掺入W、Mo或Ti不仅大大提高了Li2S复合材料的电子和离子电导率，而且由于形成了TM-S键，有效抑制了多硫化物的溶解。特别是，Li2S / W和Li2S / Mo表现出创纪录的固相锂离子导体离子电导率：分别为5.44×10-2和3.62×10-2 S m-1。3）与Li2S/W、Li2S/Mo、Li2S/Ti不同，在Li2S基体中引入Co、Mn、Zn使得可逆的Li2S电化学路径不可逆。也就是说，Li2S只会氧化成多硫化物，而不会氧化成单质S，在最终产物中发现相应的金属硫化物。因此，Li2S/Co、Li2S/Mn和Li2S/Zn可以作为预锂化剂，而不是活性电极材料。这个发现对制备新型高性能Li2S基正极材料具有重大的指导意义。
参考文献：Xing, Z., Tan, G., Yuan, Y., Wang, B., Ma, L., Xie, J., Li, Z., Wu, T., Ren, Y., Shahbazian‐Yassar, R., Lu, J., Ji, X., Chen, Z., Consolidating Lithiothermic‐Ready Transition Metals for Li2S‐Based Cathodes. Adv. Mater. 2020, 32, 2002403. https://doi.org/10.1002/adma.2020024034. JACS：两性离子屏障实现多硫化物的合理调控以提高Li-S电池耐久性在Li-S电池中，合理调控多硫化物的行为对改善电池的稳定性至关重要，且仍然是一大挑战。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授和华南师范大学王新副教授开发出一种独特的聚合物两性离子（PZI），用于Li-S电池中的合理多硫化物调节。文章要点：1）通过简便且可高度加工的共聚反应，将咪唑鎓阳离子和磺酸根阴离子共价束缚在烷基和烷氧基基体中，从而使得PZI基底上集亲硫和亲锂基团于一身；2）研究人员通过实验和计算表征揭示了PZI和LiPS之间的相互作用化学：多硫化物阴离子用作固定在咪唑环上的电子供体，而Li +优先与聚合物骨架中的磺酸盐末端相互作用，因此有助于增强LiPS的离解，促进Li +传导和限制多硫化物的扩散。当作为中间层实施时，这些相互作用可以原位形成聚硫化物浓缩的屏蔽层阻碍聚硫化物渗透的同时，允许锂离子的快速转移。3）基于以上优势，使用PZI中间层的Li-S电池具有出色的循环性能：在1000次循环后，每圈循环的最小容量衰减率仅为0.012%，在5 C下能够提高约718.4 mAh g–1的容量。甚至，在高硫负载和电解质受限的情况下，经过300次循环，其面积容量仍然能够保持5.3 mAh cm–2。
参考文献：Li, G.; Lu, F.; Dou, X.; Wang, X.; Luo, D.; Sun, H.; Yu, A.; Chen, Z. Polysulfide Regulation by the Zwitterionic Barrier toward Durable Lithium–Sulfur Batteries。 Journal of the American Chemical Society, 2020, DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.9b133035. Angew chemie: MXene/CNT分级多孔空心微球电催化剂用于高效多硫化锂转化锂硫电池因其理论能量密度高、成本低而受到广泛关注。然而，在高硫负载条件下，多硫化物的穿梭导致催化转化效率缓慢致使电池的容量快速衰减，严重阻碍了其实际应用。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授和华南师范大学王新副教授通过一种利用应力工程诱导拉伸应变调控电催化剂表面催化活性的策略，制备出具有3D大孔的MXene/CNT复合多孔微球作为加速氧化还原反应的锂硫电催化剂，以实现快速、持久的Li-S电池性能。文章亮点：1）通过喷雾干燥法使得MXene表面充分接触氧气形成均匀氧化层，氧化层导致的内应力会引起晶格畸变，使得Ti-Ti键拉伸而增大MXene的晶格间距。同时，拉伸效应使Ti原子的d带中心向费米能级方向上移，从而增强了Ti原子对多硫化锂的吸附能力，并提升催化转化效率。2）多孔微球可以提供丰富的活性位点和3D大孔结构，用于强的硫固定。此外，相互连接的骨架则构建了具有显著结构稳定性的坚固结构，不仅有利于电荷转移以实现快速的氧化还原反应，还抑制了材料的重新堆积和结构退化，大大提高了材料的耐用性。3）归因于上述的特性，Li-S电池在0.2 C下具有出色的初始容量1451 mAh g-1，甚至在8 C的高倍率下具有出色的倍率性能，出色的循环稳定性以及每循环约0.08%的低容量衰减率。
参考文献：Wang, X., Luo, D., Wang, J., Sun, Z., Cui, G., Chen, Y., Wang, T., Zheng, L., Zhao, Y., Shui, L., Zhou, G., Kempa, K., Zhang, Y. and Chen, Z. (2021), Strain Engineering of a MXene/CNT Hierarchical Porous Hollow Microsphere Electrocatalyst for a High‐Efficiency Lithium Polysulfide Conversion Process. Angew. Chem. Int. Ed.. https://doi.org/10.1002/anie.2020114936. Matter: 新型钽基电催化剂助力高倍率、长循环锂硫电池多硫化物的滞留和催化转化是目前锂硫电池最严峻的挑战之一。因此，开发新型高性能Li-S电池催化剂材料至关重要。有鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士团队通过将超细Ta2O5-x纳米团簇植入碳纳米球的微孔内，首次探索了非晶态氧缺陷型Ta2O5-x作为Li-S电池的电催化剂。文章亮点：1）提出了一种“瓶中船”的结构策略，创建出3D导电纳米反应器，这不仅保证了高的表面体积比，而且还提供了丰富的多硫化物保留和催化活性位点。此外，该策略还可以防止在合成和催化过程中纳米团簇的聚结，有可能解决纳米催化剂稳定性的长期问题。2）结构上来看，相互连接的多孔导电网络促进电解质的渗透和电荷转移，从而导致整个框架中离子和电子快速运动；火龙果状结构可促进硫的均质化，在循环过程中缓冲其体积膨胀。3）由于纳米孔的限域作用，Ta2O5-x纳米种子的成核过程能够实现结晶度调节，不仅改变了Ta-O键的长度，还增加了Ta2O5-x和LPS之间的结合能（BE）。 同时，Ta2O5纳米簇中的氧缺陷调控了局部配位环境和电子带结构，从而显着提高其固有电导率并充当催化中心以加速LPS转化。4）异位X射线吸收光谱（XAS）和理论计算表明，孔引导的非晶结构和氧缺陷大大提高了LPS保留和电催化特性。基于a-Ta2O5-x / MCN的硫电极具有出色的倍率性能和循环性能：超过1000个循环的长期稳定循环能力，每圈循环容量衰减率仅为0.029%。甚至，在5.6 mg cm-2的高硫负载和3.6 mL g-1的稀电解质的条件下，电池的单位面积容量可以保持在5 mAh cm-2。
参考文献：Zhang, Z.; Luo, D.; Li, G.; Gao, R.; Li, M.; Li, S.; Zhao, L.; Dou, H.; Wen, G.; Sy, S.; Hu, Y.; Li, J.; Yu, A.; Chen, Z Tantalum-Based Electrocatalyst for Polysulfide Catalysis and Retention for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries, Matter, 2020, 3, 1-15, DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt实际上，陈忠伟院士团队2020年在锂硫电池领域取得了诸多的研究进展，由于篇幅有限，在这仅仅介绍以上6篇相关的研究成果。其他相关工作列举如下，感兴趣的同学可以自行关注：1. HierarchicalDefective Fe3-xC@C Hollow Microsphere Enables Fast and Long‐Lasting Lithium–Sulfur Batteries. AdvancedFunctional Materials 2020, 30, 2001165 DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.2020011652. HierarchicalMicro-nanoclusters of Bimetallic Layered Hydroxide Polyhedrons as AdvancedSulfur Reservoir for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries, AdvancedScience, 20203. Revealingthe Rapid Electrocatalytic Behavior of Ultrafine Amorphous Defective Nb2O5-xNanocluster toward Superior Li−S Performance, ACS Nano 2020, 14, 4849-4860,DOI: 10.1021/acsnano.0c00799.4. DecipheringInterpenetrated Interface of Transition Metal Oxides/Phosphates from Atomiclevel for Reliable Li/S Electrocatalytic Behaviour, Nano Energy, 2020, 105602,DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.1056025.Insights into Multiphase Reactions during Self-Discharge of Li-S Batteries,Chemistry of Materials 2020, 32, 11, 4518–4526 DOI:https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c002356.Combined Ordered Macro‐Mesoporous Architecture Design andSurface Engineering Strategy for High‐PerformanceSulfur Immobilizer in Lithium–Sulfur Batteries, Small,2020, 2001089, DOI: https://doi.org/10.1002/smll.2020010897.Fast production of zinc–hexamethylenetetramine complex microflowers as anadvanced sulfur reservoir for high-performance lithium-sulfur batteries Journalof Material Chemistry A 2020,8, 5062-5069 DOI: https://doi.org/10.1039/C9TA12573F8.Three-dimensionally ordered macro-microporous metal organic frameworks withstrong sulfur immobilization and catalyzation for high-performancelithium-sulfur batteries Nano Energy 2020, 72, 104685, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.1046859. "Softon Rigid" Nanohybrid As Self-Supporting Multifunctional CathodeElectrocatalyst For High-Performance Lithium-Polysulfide Batteries, NanoEnergy, 2020, 105293, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105293Part 2 Zn-air 电池
7. Nat. Commun.: 动态催化剂用于二次锌-空气电池相较于传统的锂离子电池，可充电Zn-air电池具有更高的理论能量密度，更长的循环寿命，更好的安全性以及更低廉的价格，被认为是下一代有前景的电化学能源储存技术之一。目前，可充电Zn-air电池的主要挑战在于缺乏合适的双功能电催化剂，以满足其在性能和成本上的商用需求，所以发展新型催化剂仍是目前锌-空气电池研究的核心。近日，滑铁卢大学陈忠伟院士和华南师范大学王新副教授开发了一种具有分级结构的钴、铁复合氮化物作为锌-空气电池的双功能电催化剂，首次提出‘动态电催化剂’概念，并揭示了其充放电过程中的电化学行为和结构演变过程。文章亮点：1）首先，研究人员通过在传统三维空间的基础上增加时间坐标作为第四轴，从而建立电池运行后的动态图像。作为此概念的证明，研究人员选取双金属氮化物(Co,Fe)3N作为金属基材料的典型代表。实验和理论计算表明，金属氮化物具有高导电性的金属性质。2）通过进一步结合氮掺杂碳薄涂层、双金属和形貌优势，该双金属氮化物电催化剂能够提供133 mW cm−1的功率密度，且在30 mA cm-2电流密度下放电-充电电压间隙仅为1.08 V。3）更重要的是，双金属氮化物电催化剂无氧体相可提供一个理想的平台来记录含氧壳在循环过程中的界面形成。通过在宏观和微观尺度上收集时变信息，成功揭示出锌-空气电池的实际运行状态下，催化剂体相生成六方羟基氧化物壳层，随后形成shell-bulk结构。此后，作者观察到表面的Co在电流驱动下具有价态波动，而表面和体相区域的Fe则保持相对惰性。结果表明，锌空气电池的功率密度增加到234 mW cm-2，在30 mA cm-2时的电压间隙缩小至0.85 V，并且可持续稳定运行超过300h。
参考文献：Deng, YP., Jiang, Y., Liang, R. et al. Dynamic electrocatalyst with current-driven oxyhydroxide shell for rechargeable zinc-air battery. Nat Commun 11, 1952 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15853-18. Nat. Commun.: 同步构建金属节点的分层孔隙度和d-轨道状态提高ZIF固有的催化活性原始的锌基金属有机框架（ZIF）应用于锌空电池空气阴极，一直受到其固有活性和材料的质子和电荷传递的严重制约。而且，由于其电子状态和结构孔隙度的调节存在一定的困难，因此很少有探索原始的ZIF用于锌空电池。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士团队提出了一种竞争性的协调策略，来调节ZIF金属节点的电子状态，以提高其固有活性，用于高性能的可充电锌空电池。文章亮点：1）通过低温溶剂热反应，在镍泡沫上生长了原始锌基ZIFs阵列，随后对原始ZIF阵列进行了不同时间长度的阳离子（Co2+）置换处理，从而合成了具有分层孔洞和配体空位的异金属纳米阵列，包括BHZ-12、BHZ-24、BHZ-48和BHZ-96。2）研究表明，ZIFs在镍泡沫上的直接生长及其分层孔隙度确保了快速的电荷和质量传递。而且，该策略能够调节配位体配位和在金属位点产生未占据的3d轨道，从而减轻氧电催化的能量屏障。3）在所有样品中，BHZ-48表现出最佳电催化性能。此时，活性位点的轨道构型既受与配体空位的近距离相互作用的影响，也受Co-Zn组合的远距离相互作用的影响。将BHZ-48用作可充电ZABs的空气电极时，在15 mA cm−2的条件下，充放电电压间隙为0.8 V，可稳定循环1250 h以上。
参考文献：Jiang, Y.; Deng, Y.; Liang, R.; Fu, J.; Gao, R.; Luo, D.; Bai, Z.; Hu, Y.; Yu, A. and Chen, Z. d-Orbital steered active sites through ligand editing on heterometal imidazole frameworks for rechargeable zinc-air battery, Nature Communication, 2020, 11, 5858, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-19709-69. Adv. Mater.: 石墨纳米片负载FeN4边缘位点用于高性能锌-空气电池碳基底负载的边缘单原子FeN4位点被认为比平面上的位点具有更活跃的氧电催化活性；然而，传统的高温热解工艺很难在原子尺度上精确地控制活性位点的位置。在理论预测的启发下，滑铁卢大学陈忠伟院士联合日本电气通信大学赵晓、长春应用化学研究所Ying Wang和Jianbing Zhu等人开发出一种简便且具有可扩展潜力自牺牲模板法，以获得整合在高度石墨化纳米片结构中的边缘富集的FeN4位点。文章亮点：1）原位形成的Fe团簇可以催化石墨碳的生长，并诱导多孔结构的形成，有利于质量/电子的传递，从而促进了反应动力学。最重要的是，有利于FeN4的在边缘处的优先锚定。2）归功于以上特性，所制备的催化剂(Fe/N-G-SAC)在氧还原反应和析氧反应中表现出前所未有的催化活性和稳定性。其中ORR的半波电位为0.89 V vs.RHE，OER在10 mA cm-2的电流密度时的过电势为0.37 V。3）此外，Fe/N-G-SAC正极在可充电锌空气电池中表现出优异的性能：具有低至0.78 V的充放电电压间隙和超过240次的长循环性能，远优于贵金属催化剂。
参考文献：Xiao, M.; Xing, Z.; Jin, Z.; Liu, C.; Ge, J.; Zhu, J.; Wang, Y.; Zhao, X. and Chen, Z. Preferentially Engineering FeN4 Edge Sites onto Graphitic Nanosheets for Highly Active and Durable Oxygen Electrocatalysis in Rechargeable Zn–Air Batteries, Advanced Materials, 2020, 2004900, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.20200490010. Adv. Funct. Mater.: 原子级Fe-N4活性位嵌入的分级多孔碳纳米棒催化剂用于锌-空气电池作为氧还原反应中铂基电催化剂最有前途的候选者，金属氮掺杂碳（M-N-C）材料吸引力研究人员的广泛关注。尤其是Fe-N-C材料，被誉为各种M-N-C材料中最具有潜力的材料。然而，即使是目前最先进的Fe-N-C材料与Pt/C进行比较，仍然存在相当大的活性差距。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士、哈尔滨工业大学王振波教授和赵磊等人通过在Fe-MIL-88B衍生的1D Fe2O3纳米棒表面原位聚合吡咯，制备了具有层级微/介孔结构的1D铁/氮掺杂碳纳米棒（Fe/N-CNR）。文章亮点：1）研究结果表明， Fe2O3纳米棒不仅部分溶解生成Fe3+引发聚合，而且在聚合过程中作为模板形成1D结构。此外，吡咯涂覆的Fe2O3纳米棒结构防止多孔结构坍塌，并保护铁在碳化过程中不聚集，从而产生原子级Fe-N4物种。2）所获得的Fe/N-CNRs表现出优异的氧还原反应ORR活性 (E1/2 = 0.90V)和出色的长期循环稳定性，超越Pt/C。所组装的锌-空气电池显示出前所未有的催化性能，包括出色的峰值功率密度(181.8mW cm−2)、比容量(998.67 W h kg−1)和超过100小时的长期耐久性。3）该研究不仅提供了一种非常有前途的ORR催化剂，而且为设计用于能量转换和储存应用的1D多孔材料提供了一条新的途径。
参考文献：Gong, X. F., Zhu, J. B., Li, J. Z., Gao, R., Zhou, Q. Y., Zhang, Z., Dou, H. Z., Zhao, L., Sui, X. L., Cai, J. J., Zhang, Y. L., Liu, B., Hu, Y. F., Yu, A. P., Sun, S.‐H., Wang, Z. B., Chen, Z. W., Self‐Templated Hierarchically Porous Carbon Nanorods Embedded with Atomic Fe‐N4 Active Sites as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts in Zn‐Air Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020, 2008085. https://doi.org/10.1002/adfm.202008085
限于篇幅，现列举陈忠伟院士关于锌-空气电池的其他工作如下：1. Template-guided synthesis of Co nanoparticles embedded in hollow nitrogen doped carbon tubes as a highly efficient catalyst for rechargeable Zn-air batteries Nano Energy 2020, 71, 104592 DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.1045922. Deep-Breathing Honeycomb-like Co-Nx-C Nanopolyhedron Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zn-Air Batteries, iScience, 2020, 23, 101404, DOI: 10.1016/j.isci.2020.1014043. Trimurti Heterostructured Hybrid with Intimate CoO/CoxP Interface as Robust Bifunctional Air Electrode for Rechargeable Zn-air Batteries. Journal of Material Chemistry A 2020Part 3 能源电催化11. Angew Chemie: 具有高效和稳定性CO2还原的三元Sn-Ti-O电催化剂如何在电化学CO2转化中同时提高能效和材料稳定性，仍然是一项尚未解决的挑战。有鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士和河南师范大学白正宇副教授报道了用钛(Ti)修饰Sn并构建三维有序介孔(3DOM)结构，成功地制备了Sn-Ti-O三元电催化剂，以克服现有CO2RR结构的局限性。文章亮点：1）在一系列三元Sn-Ti-O电催化剂中，3D有序介孔（3DOM）Sn0.3Ti0.7O2实现了活性位点暴露与结构稳定性之间的平衡，在200µ小时内展示了高达71.5%的半电池EE。同时，在低至430 mV的超电势下，CO的法拉第效率为94.5%。2）DFT和X射线吸收精细结构分析揭示了Sn-Ti-O系统中的电子密度重构： Sn轨道带中心的下移和Ti的电荷耗尽共同促进了所需的中间体COOH *的解离吸附，从而形成了CO。3）进一步研究发现，Ti原子的存在可以稳定SnOx中的晶格氧原子并保持3DOM结构，从而延长了催化剂寿命。此外，坚固的3DOM结构导致局部环境具有较高的碱度，不仅抑制了氢释放反应（HER），而且进一步阻碍了甲酸的形成。4）实验表明，装饰性Ti原子和较高的局部碱性环境可降低CO2活化电势并扩大电势窗口，可以在较长的时间段内以高阴极能量效率（EEca）有效地将CO2转化为CO。
参考文献：Wen, G.; Ren, B.; Park, M.; Yang, J.; Dou, H.; Zhang, Z.; Deng, Y.; Bai, Z.; Yang, L.; Gostick, J.; Botton, G.; Hu, Y. and Chen, Z. Ternary Sn‐Ti‐O Electrocatalyst Boosts the Stability and Energy Efficiency of CO2 Reduction. Angewandte Chemie, International Edition 2020, 59, 2-10 DOI: https://doi.org/10.1002/anie.20200414912. Nano Energy: 用于高效HER的拉伸应变磷化钌催化剂开发经济、高效、耐用的电催化剂对于析氢反应(HER)和水电解器的发展具有重要意义。虽然磷化钌(RuP)被认为是一个非常有潜力的催化剂材料之一，但与主流Pt/C电催化剂相比，仍然有相当大的活性差异。从分子尺度上对RuP进行结构调控是一种可能的解决方案。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士团队首次开发了一种简单的阴离子取代策略，以获得对RuP催化剂有利的应变调节，从而增强HER活性。研究发现，晶格应变使Ru位点的d轨道能级上移，不仅促进了氢吸附和水的解离，还加速了HER动力学，增强了HER活性。本文要点：1）研究人员在RuP纳米颗粒上施加拉伸应变，以调节Ru位点的电子结构，进而优化金属位点上的氢吸附-解吸行为。因此，应变的RuP纳米颗粒显示出优于原始RuP对应物和Pt/C基准催化剂的优异的HER催化活性。2）所制备的N–RuP/NPC催化剂性能优于大多数已报道的Pt-free催化剂: 在酸性和碱性条件下， 该催化剂在30 mV过电势下的TOF可达1.56 H2 s-1和0.72 H2 s-1，创历史新高！3）同时，在100 mA cm-2的大电流密度下，N–RuP/NPC催化剂表现出比Pt/C更低的过电位（58.9 mV vs. 73.1 mV）。此外，这种原子级调节还抑制了催化剂的电化学重构，从而保证了超过10000次循环的优异耐久性。
参考文献：Tensile-Strained Ruthenium Phosphide By Anion Substitution For Highly Active And Durable Hydrogen Evolution, Nano Energy, 2020, 77, 105212, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105212拓展阅读：1. Manipulating Au−CeO2 Interfacial Structure Toward Ultrahigh Mass Activity and Selectivity for CO2 Reduction, Chemsuschem, 2020, 13, DOI: https://doi.org/10.1002/cssc.2020021332. Space-confined catalyst design toward ultrafine Pt nanoparticles with enhanced oxygen reduction activity and durability, Journal of Power Sources, 2020, 473, 228607, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.2286073. Evidence for interfacial geometric interactions at metal–support interfaces and their influence on the electroactivity and stability of Pt nanoparticles, Journal of Material Chemistry A 2020, 8, 1368-1377, DOI: https://doi.org/10.1039/C9TA12456J4. NbOx nano-nail with a Pt head embedded in carbon as a highly active and durable oxygen reduction catalyst. Nano Energy, 2020, 69, 104455 DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104455Part 4 Li-ion/Na-ion/Li-metal 电池13. Adv. Sci.: 氮掺杂碳包覆Cu3Ge/Ge异质结结构助力高效、超稳定的钠离子存储由于具有较高的理论容量，单质锗（Ge）被认为是非常有前景的钠离子电池阳极材料之一。然而，Ge基材料在储钠过程中电化学反应动力学缓慢，储钠性能并不理想。为最大化Ge基材料的储钠电化学行为，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士和华南师范大学王新教授通过“内外兼施”的手段合成了具有“豆荚”结构的氮掺杂碳包覆Cu3Ge/Ge异质结结构，以有效提高Ge基材料的储钠反应动力学。文章亮点：1）Cu3Ge /Ge@N‐C的豆荚状结构暴露出许多活性表面，从而缩短了离子传输路径，而碳壳的均匀封装改善了电子传输，从而增强了反应动力学。理论计算表明，Cu3Ge/Ge异质结构可提供良好的电子传导，降低Na+扩散势垒，从而进一步促进Ge合金化反应，并提高其钠存储能力，使其接近理论值。2）此外，氮掺杂碳均匀地封装在Cu3Ge/Ge异质结构材料上可有效缓解其体积膨胀并防止其分解，从而进一步确保其在循环时的结构完整性。3）归因于这些独特的优势，所制备的Cu3Ge/Ge@N-C电极表现出极其出色的放电容量，出色的倍率能力和更长的循环寿命（4000次循环后，在4.0 A g-1下为178 mAh g-1）。
参考文献：Shang, C.; Hu, L.; Luo, D.; Kempa, K.; Zhou, G.; Shui, L.; Wang, X. and Chen, Z. Promoting Ge Alloying Reaction via Heterostructure Engineering for High Efficient and Ultra-stable Sodium-ion Storage, Advanced Science, 2020, 2002358, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202002358其他工作拓展阅读：1. A fundamental understanding of the Fe/Ti doping induced structure formation process to realize controlled synthesis of layer-tunnel Na0.6MnO2 cathode. Nano Energy 2020, 70, 104539. DOI: https:// http://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104539.2. Two-dimensional NiO@CN nanosheets composite as a superior low-temperature anode material for advanced lithium-/sodium-ion batteries, ChemElectroChem, 20203. Chemo-Mechanical Modeling of Stress Evolution in All-Solid-State Lithium-Ion Batteries Using Synchrotron Transmission X-ray Microscopy Tomography, Journal of Power Sources, 20204. Regulating the Li+-Solvation Structure of Ester Electrolyte for High-Energy-Density Lithium Metal Batteries, Small, 2020, DOI: 10.1002/smll.2020046885. High Voltage Stability and Characterization of P2-Na0.66Mn1-yMgyO2 Cathode for Sodium-Ion Batteries, ChemElectroChem 2020, DOI: https://doi.org/10.1002/celc.2020004146. Na2CoPO4F as a pseudocapacitive anode for high-performance and ultrastable hybrid sodium-ion capacitors. Electrochimica Acta 2020, 342, 136024, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201910251Part 5 评论及综述文章14. Nature Energy: 水平衡（评论文章）近年来，开发碱性交换膜（AEMs）和AEM燃料电池（AEMFCs）吸引了研究人员的广泛关注，并取得了长足的进展。与质子交换膜燃料电池相比，在AEMFCs运行期间，负极产生的水比正极消耗的水多；这种固有的水不平衡会导致阳极浸水和/或阴极干涸，严重限制电流和功率密度。为了避免电极浸没/干涸，AEMs必须具有高透水性。高的水渗透性可导致水化的高水（即水分子结合到AEMs）中，这有利于氢氧根离子的传导。然而，过量的吸水也会发生，这不仅会导致过多的游离水和潜在的离子通道淹水和AEMs膨胀的危险，而且还会降低离子传导和膜的稳定性。因此，平衡离子电导率和吸水率之间的平衡是很重要的。鉴于此，Paul A.Kohl及其同事报告了一种基于光交联降冰片烯的四嵌段共聚物AEMs，它能够平衡水在电池中的传输，从而在0.15 V和80°C的纯氧条件下产生3.5 W cm-2的极高功率密度和9.7 A cm-2的电流密度。加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士受邀在Nature Energy发表题为“Water balancing”的评论文章。文中称水平衡是碱交换膜燃料电池运行中的一个重要方面。轻交联的降冰片烯聚合物膜被证实能够促进最佳的水传输，从而产生了超高功率和电流密度的燃料电池。陈忠伟院士指出，虽然水传输的有效性得到了很好的证明，但需要进一步加深对燃料电池水动力学的机械细节的透彻理解，以有助于未来的AEMs设计。
参考文献：Chen, Z. Water balancing. Nature Energy, 2020, 5, 12–13, DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-019-0530-z15. Chem. Soc. Rev.: 开发用于未来的高能锂金属电池高安全锂金属负极：策略与前景锂金属负极的发展是实现未来高比能锂金属电池的关键。然而，从实验室到商业应用还有很长的路要走。在锂沉积/溶解期间锂枝晶和“死”锂仍然是主要的挑战，前者可引起安全隐患，后者将导致低的库伦效率，这两个主要的问题极大地阻碍了锂金属负极在锂金属电池中的实际应用。有赖于界面科学、纳米技术路线和表征方法的进步，锂金属负极目前迎来了一场蓬勃的技术发展。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士、美国阿贡国家实验室Khalil Amine博士和河南师范大学白正宇教授合作在国际顶级综述期刊Chemical Society Reviews上发表综述文章，总结了最近发展高安全锂金属负极的一系列新兴策略和表征技术，重点介绍了在界面化学调控、优化电解液组分、理性设计锂金属“宿主”、优化“固态电解质”和其它发展高安全锂金属负极策略方面所取得的最新研究进展。同时，还重点介绍了几种定性(或定量)研究锂金属负极化学和结构演变的前沿表征技术，如冷冻电镜、同步X射线断层成像技术等等。相信随着锂金属负极的快速发展，它在未来高比能锂金属电池中的实际应用值得期待。
参考文献：High Safety Li-Metal Anode for Future High-Energy Li-Metal Batteries: Strategies and Perspective, Chem. Soc. Rev., 2020,49, 5407-5445. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/CS/C9CS00636B#!divAbstrac其他综述：1. Ni‐Rich/Co‐Poor Layered Cathode for Automotive Li‐Ion Batteries: Promises and Challenges Advanced Energy Materials 2020, 1903864. DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.2019038642. The Current State of Aqueous Zn-based Rechargeable Batteries ACS Energy Letters 2020, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c005023. New Concepts in Electrolytes. Chemical Reviews, 2020, DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b005314. Microporous framework membranes for precise molecule/ion separations, Chemical Society Review, 2020, https://doi.org/10.1039/D0CS00552E5. A review of composite solid-state electrolytes for lithium batteries: fundamentals, key materials and advanced structures, Chemical Society Reviews, 2020, 473, 228607, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.2286076. Relating Catalysis between Fuel Cell and Metal-Air Batteries. Matter, 2020, 2,32-49 DOI: http://doi.org/10.1016/j.matt.2019.10.0077. Graphene Quantum Dots-Based Advanced Electrode Materials: Design, Synthesis and Their Applications in Electrochemical Energy Storage and Electrocatalysis, Advanced Energy Materials, 2020, Accepted.8. Recent Progress on Flexible Zn-Air Batteries, Energy Storage Materials, 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.09.0089. Reviving Zinc-air Batteries with high-density metal particles on carbon, Science Bulletin, 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.05.025Part 6 其他【超级电容器】Advanced Electrode Materials Comprising of Structure‐Engineered Quantum Dots for High‐Performance Asymmetric Micro‐Supercapacitors Advanced Energy Materials, 2020, 1903724, 1-10, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.201903724【膜分离】Analogous mixed matrix membranes with self‐assembled interface pathways, Angewandte Chemie International Edition, 2020, 11, 5858, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-19709-6【Cu-Al电池】Engineering Solvation Complex–Membrane Interaction to Suppress Cation Crossover In 3 V Cu‐Al Battery, Small, 2020, DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202003438【Zn-I液流电池】Decoupled low-cost ammonium-based electrolyte design for highly stable zinc–iodine redox flow batteries, Energy Storage Materials, 2020, 32, 465-476, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.06.031【燃料电池传感器】A Novel Design of High-Temperature Polymer Electrolyte Membrane Acetone Fuel Cell Sensor, Sensors and Actuators B: Chemical, 2020, In Press, DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.129006【电容去离子】Faradaic Electrodes Open a New Era for Capacitive Deionization, Advanced Science, 2020, 2002213, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202002213课题组主页：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/index.html
来源：高分子科学前沿
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