Joule高被引文章大匯總:綜述、電池、電催化、超級電容器

期刊簡介

Joule為Cell旗下能源旗艦新刊，自2017年9月年創刊以來在能源領域便被冠以「神刊」稱號，2019年9月份新晉SCI，預測2020年第一個IF將會在27.5~30之間。其官網介紹的期刊主題涵蓋了能源研究的各個方面，從基礎實驗室研究到能源轉換和存儲，再到全球範圍內的有效分析。其研究領域包括但不限於：電池與超級電容器、生物燃料與生物技術、碳捕集與存儲、能源獲取，安全性和行為分析、能源政策與經濟學、燃料電池等整個能源領域內的前沿研究成果。目前Joule的主編為Philip Earis（擁有14年編輯從業經驗，PCCP前主編，曾先後創辦Energy & Environmental Science（EES）、Nanoscale等國際頂級期刊，對中國十分看重）。期刊網址為：https://www.cell.com/joule/home.

Joule主編Philip Earis

高被引論文集錦

自2017年Joule上線以來至今共有674篇文章被SCIE資料庫收錄，產生了130篇高被引論文。在此，出於滿足各個研究方向讀者的需要，筆者將文章類型分為綜述類、化學電池類、催化類、太陽能電池類、超級電容器類分別選取被引量TOP 2的論文進行著重介紹，希望能對讀者有所幫助（以上數據整理自2020年4月24日web of science檢索記錄）。

綜述類

1.單原子催化劑：合成策略和電化學應用（被引量：255）

合成策略的發展在促進催化科學和單原子催化劑（SAC）的實際應用中起著根本作用。由於單原子的高表面能，實現單核金屬前體的原子分散和防止單原子遷移和團聚是SAC合成的關鍵方面。為此，清華大學的王定勝教授和李亞棟院士團隊總結了SAC的溼化學合成策略（缺陷工程策略、空間限制策略、協調設計策略、其他綜合策略等）的最新進展，此外，進一步總結了SAC在關鍵的電催化反應包括氧還原反應（ORR），氫釋放反應（HER）和CO2還原反應（CO2RR）的應用，主要著眼於SAC獨特的電子和結構特性。最後對SAC的合成和應用的主要問題和前景進行了展望。

Single-Atom Catalysts: Synthetic Strategies and Electrochemical Applications，Joule, 2018. DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.019

2.MOF材料在可再生能源和環境應用的進展（被引量：245）

金屬有機骨架（MOF），又稱多孔配位聚合物，因其具有高孔隙率、有機-無機雜化性質、合成優勢以及金屬與雜原子間固有的配位性等優點而成為分子工程材料的最佳範例之一，引起了人們極大的興趣。在此，南洋理工大學的樓熊文教授團隊總結了MOF材料在能源環境領域的最新進展。具體地，首先介紹和討論了MOF材料的發展和優勢。然後重點介紹了MOF材料在氫(H2)吸附和演化、二氧化碳儲存和轉化、氧(O2)催化、可充電電池、超級電容器和太陽能電池等方面的最新進展和應用。MOFs在設計和合成方面的巨大靈活性，使基於MOF的材料具有可調整的成分、形態、結構、性能和功能，在可再生清潔能源和環境修復領域擁有廣泛應用。最後，總結了MOF材料發展相關的挑戰，並提出了改進這些新型功能材料在能源轉換和環境科學領域的應用的展望。

Metal-Organic-Framework-Based Materials as Platforms for Renewable Energy and Environmental Applications,Joule, 2017. DOI:10.1016/j.joule.2017.08.008.

化學電池類

1.基於珊瑚狀膠體碳纖維的複合鋰金屬負極（被引量：161）

鋰金屬是下一代儲能系統中最有希望的負極材料之一。然而，鋰枝晶的生長和不穩定的固體電解質界面膜阻礙了其實際應用。如何高效地將金屬鋰預先複合到集流體結構中形成可直接裝配為各類全電池的高性能複合鋰金屬負極成為了研究重點。清華大學張強教授團隊通過電鍍銀和注入熔融鋰製備了一種珊瑚狀銀塗層碳纖維複合鋰負極（CF/Ag-Li）。由於Ag的親鋰性質，熔融的Li可以注入碳纖維框架中。CF/Ag-Li|Li對稱電池在10.0mA/cm2循環160次保持10.0mAh/cm2的容量。組成的磷酸鐵鋰電池可在1.0 C倍率下穩定循環超過500圈，而鋰硫電池在0.5 C下的初始放電容量可達785 mAh g-1，在超過400圈循環後容量保持率高達64.3%。

Coralloid Carbon Fiber-Based Composite Lithium Anode for Robust Lithium Metal Batteries,Joule, 2018. DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.001.

2.納米空心碳中的SnS2超薄納米片高效儲鈉（被引量：137）

二硫化錫（SnS2）因其高比容量而成為一種有前景的鈉離子電池負極材料。然而，在與鈉離子反應期間低的電導率和大的體積變化極大地限制了其實際應用。南洋理工大學樓雄文教授課題組通過多步模板法將超薄SnS2納米片限制在碳納米管（SnS2@CNT），碳納米籠（SnS2@CNB）和中空碳納米球（SnS2@CNSs）中。得益於其獨特的結構優勢，這些SnS2碳納米雜化材料具有高比容量，良好的循環穩定性和出色的倍率性能。當作為鈉離子電池的負極材料時，所製備的SnS2@CNS在0.2A/g循環100次後顯示出約634mAh/g的比容量，在5A/g顯示出410mAh/g的容量。

Confining SnS2Ultrathin Nanosheets in Hollow Carbon Nanostructures for Efficient Capacitive Sodium Storage,Joule, 2018. DOI:10.1016/j.joule.2018.01.004.

電催化類

氨（NH3）是廣泛用於農業和工業應用的基本化學品。由於N2和生產H2前驅體的碳排放極度惰性，工業工藝佔全球能源消耗的約1.5％，並且每年都有顯著的CO2排放。迄今為止，雖然許多努力致力於優化催化劑的活性以獲得可接受的氮還原活性，但目前在環境條件下涉及氮還原反應的動力學過程依然非常緩慢且選擇性超低。因此，開發高效的氮還原催化劑對常溫常壓下的固氮反應依然是最主要的挑戰。以下兩篇高被引論文提出了兩種高效的無金屬氮還原電催化劑。

1.硼摻雜的石墨烯用於電催化N2還原固氮（被引量：138）

復旦大學鄭耿鋒教授和湖南大學馬建民（共同通訊）聯合提出了一種硼摻雜石墨烯作為高效無金屬N2還原電催化劑。石墨烯骨架中的硼摻雜導致電子密度的重新分布，其中缺電子的硼位點增強了與N2分子的結合能力。密度泛函理論計算揭示了不同的硼摻雜碳結構的催化活性，其中BC3結構使得N2電還原為NH3的能壘最低。與環境條件下水溶液中的可逆氫電極相比，硼摻雜的石墨烯在6.2％的摻雜水平下可實現9.8μg·hr-1·cm-2的NH3生成率，且在-0.5 V時法拉第效率為10.8％是報導的最高效率之一。這項工作表明，原子尺度設計對於高效的N2還原電催化劑具有巨大的潛力。

Boron-Doped Graphene for Electrocatalytic N2Reduction,Joule, 2018.DOI:10.1016/j.joule.2018.06.007

2.MXene在環境條件下電催化N2還原高效固氮（被引量：126）

華南理工大學丁良鑫研究員和王海輝教授（共同通訊）聯合證明了在環境條件下，附著在垂直排列的金屬主體上的MXene（Ti3C2Tx）納米片可以在超低電勢下實現高法拉第效率（5.78％）的電合成氨。根據實驗和理論證據，MXene的基面是相對惰性的，其較高的活性與更多的暴露邊緣位點有關。這項工作闡明可以通過調節活性位點和阻止氫釋放活性來顯著提高NH3電合成的選擇性。且該策略為2D催化劑的表面性能優化提供了新的思路，以便在環境條件下有效固定N2。

Efficient Electrocatalytic N2Fixation with MXene under Ambient Conditions,Joule, 2018, DOI:10.1016/j.joule.2018.09.011

太陽能電池類

1.單結有機太陽能電池能量轉換效率超過15%（被引量：651，迄今為止Joule引用量最高的文章）

近年來，非富勒烯n型有機半導體因其在實現高功率轉換效率方面的巨大潛力而成為有機光伏的研究熱點。這些受體分子的中心熔融環單元的合理設計是實現器件性能最大化的關鍵。中南大學鄒應萍教授課題組設計了一個以電子缺陷核為基礎的梯型中央熔融環(二硫代噻吩[3.2-b]-吡咯苯並噻唑)和一個苯並噻唑(BT)核來調節其吸收和電子親和力。在採用Y6製成的常規和倒置架構的器件在不同實驗室均具有15.7％的高效率，這也是已報導單結有機太陽能電池效率的世界最高紀錄。倒置的設備結構在Enli技術實驗室進行了認證，顯示出14.9％的效率，同時基於Y6的器件在300 nm的有源層厚度下保持了13.6％的高效率。

Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core,Joule, 2019.DOI: 10.1016/j.joule.2019.01.004

2.磺基甜菜鹼兩性離子在一步旋塗膜中穩定CsPbI3鈣鈦礦的α相（被引量：145）

無機銫滷化鈣鉛鈣鈦礦（CsPbI3）是高效的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的有前途的材料，但它們在室溫下會從黑α相轉變為黃δ相。美國內布拉斯加大學林肯分校的黃勁松教授課題組報告了一種通過單步膜沉積工藝穩定α相CsPbI3膜的簡便方法。在CsPbI3前體溶液中混合少量（約1.5 wt％）的磺基甜菜鹼兩性離子可促進形成黑色相CsPbI3膜，該膜在空氣中的相穩定性顯著提高。黑相穩定可以通過形成平均粒徑約為30 nm的小CsPbI3晶粒來解釋，該晶粒增加了晶粒表面積以穩定α相。研究發現兩性離子通過與CsPbI3前體溶液中的離子和膠體發生靜電相互作用而阻止CsPbI3鈣鈦礦薄膜的結晶。這些兩性離子穩定的鈣鈦礦薄膜的太陽能電池在1陽光強度下顯示穩定的功率轉換效率，為11.4％。

Stabilizing the α-Phase of CsPbI3Perovskite by Sulfobetaine Zwitterions in One-Step Spin-Coating Films, Joule, 2017. DOI: 10.1016/j.joule.2017.07.017

超級電容器類

1.多孔低溫乾燥的MXene可實現高效電容去離子（被引量：58）

氣凝膠狀多孔Ti3C2Tx MXene結構電極對鹽水的電容去離子具有很高的電吸附能力。雪梨科技大學汪國秀教授課題組採用真空冷凍乾燥工藝來防止由於範德華力而導致的MXene納米片的再堆疊，從而導致形成具有大比表面積的多孔結構。當用作電容性去離子電極材料時，多孔MXene在1 M NaCl電解質中顯示出156 F/g的高比電容和410 F/cm3的體積電容。與重新堆疊的MXene和活性炭電極相比，多孔Ti3C2Tx MXene電極在10,000 mg/L NaCl溶液（施加電壓：1.2 V）中可提供118 mg/cm3（45 mg/g）的高電吸附容量，並具有出色的循環穩定性，表明其在海水淡化高的應用潛力。

Porous Cryo-Dried MXene for Efficient Capacitive Deionization,Joule, 2018.DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.018

2.具有超高MnO2負載的高效3D列印贗電容電極（被引量：49）

超級電容器應具有良好的活性物質負載，通常高於10 mg cm-2，才具有實際應用價值。然而由於緩慢的離子擴散，隨著質量負載和電極厚度的增加，大多數電容材料，特別是偽電容材料遭受急劇的電容損失。因此，在活性材料的高負載下保持良好的電容性能一直是超級電容器面臨的嚴峻挑戰。美國加州大學聖克魯茲分校Yat Li（李軼）教授和加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Marcus A. Worsley（共同通訊）聯合報導了一種3D列印的石墨烯氣凝膠/MnO2電極，其中MnO2負載量高達182.2 mg cm-2，實現了創紀錄的44.13 F cm-2的面積電容。該電極可以實現在面積、重量測量和體積三者歸一化下展示高電容，這是大多數電極的折衷。這項工作成功驗證了列印實用贗電容電極的可行性，這可能會徹底改變贗電容器的製造。

Efficient 3D Printed Pseudocapacitive Electrodes with Ultrahigh MnO2Loading,Joule, 2018. DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.020

寫在最後

在創刊短短2年多的時間裡，Joule可以說不負「神刊」之名，不僅成功被SCIE收錄而且其發表的高質量研究也被重要媒體如BBC、紐約時報、美國新聞周刊等多次報導。當然，想要實現「超越Nature Energy 追趕Nature、Science」的目標，它還有太長的路要走。當然，筆者堅信在專業的編輯隊伍領導下，嚴格把關稿件質量，提高稿件處理效率，Joule終會成為能源環境領域期刊的「執牛耳者」。

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