《無機材料學報》近期能源材料專題精選

近年來，國內外能源材料研究發展迅速，優秀成果不斷湧現。本文精選了中文SCI期刊《無機材料學報》近期刊登的領域內名家名作、熱點文章，以饗讀者。文章的形式包括綜述與中英文研究論文；內容既有前沿的熱點領域，也有材料回收利用、天然材料開發的實用技術；研究方向囊括光解水制氫、太陽能電池、燃料電池、超級電容器、熱電電池，與前期的「儲能電池材料」相得益彰，必有一款適合您。

1.新科院士的高能戰衣：石墨化介孔碳包裹WC納米粒子

陰極緩慢的氧還原反應(Oxygen Reduction Reaction, ORR)是抑制鹼性燃料電池發展的重要原因。上海矽酸鹽研究所的施劍林院士和崔香枝研究員製備出一種包裹碳化鎢納米粒子的石墨化介孔碳複合物，不僅具有高ORR電化學催化活性, 還表現出良好的電化學穩定性。半波電勢(E1/2)和極限電流密度僅比商用貴金屬催化劑Pt/C低50 mV和0.2 mA/cm2，並且其表現出近似4電子的ORR反應途徑, ORR催化活性可與Pt/C催化劑相比擬, 電化學穩定性和耐甲醇性能則更為優越，有良好的應用前景。

2.Science作者的新成果：方鈷礦/Ti88Al12界面的穩定性

為提高熱電器件服役可靠性並延長壽命，高溫電極與方鈷礦材料之間需要加入阻擋層。上海矽酸鹽研究所正高級工程師柏勝強和陳立東研究員（本刊主編）研究了Ti88Al12 阻擋層與熱電材料間的界面在加速老化實驗中的演化規律。結果表明，n型樣品的界面接觸電阻率增加速度比p型樣品慢。對於n型樣品，由元素擴散反應生成的金屬間化合物中間層增長及最終AlCo/TiCoSb 層開裂是導致界面接觸電阻率增加的主要原因；而p型熱電材料與Ti88Al12的熱膨脹係數的差異加速了p型樣品中界面裂紋的產生。

3. 材料形態決定電子「命運」：鈣鈦礦太陽電池機理

二氧化鈦(TiO2)是鈣鈦礦太陽電池中最常用的電子傳輸材料，其形態對 MAPbBr3 (MA= CH3NH3)太陽電池的光電轉化效率可產生直接影響。中國工程物理研究院的張文華研究員（本刊編委）使用旋塗法製備不同形態的TiO2，而後採用反溶劑室溫結晶的方法在 TiO2基底上製備 MAPbBr3薄膜，並詳細研究了TiO2與MAPbBr3接觸界面的能級位置關係。不同形態的 TiO2在與鈣鈦礦接觸後形成的導帶差異不同；不同的導帶能級差可直接影響 MAPbBr3鈣鈦礦電池中電子的傳遞與收集，進而影響光電轉化效率。

4. 大步邁進「氫能時代」：光電分解水光陽極材料

光電催化分解水是綠色制氫的重要途徑之一，但是水氧化反應在熱力學和動力學上極難發生,因此製備高效光陽極成為光電催化分解水難以逾越的瓶頸。可見光響應型氧化物WO3、α-Fe2O3 和 BiVO4具有價格低廉、吸光性好、毒性小且光電化學穩定性高等優點，在過去幾十年裡，相關研究已取得顯著成果。澳大利亞昆士蘭大學的王連洲教授和西北工業大學的王松燦教授綜述了此類可見光響應型氧化物光陽極改性，及在無偏壓光電催化分解水中的研究現狀，並提出其存在的問題及未來發展方向。

5. 輕量一點，勝人一籌：石墨烯「固態煙」的電容性能

石墨烯氣凝膠作為一種三維多孔結構，可以有效抑制單層石墨烯由於範德華力而導致的聚集。中國科學院上海矽酸鹽研究所的宋力昕所長和於雲研究員通過溶膠–凝膠法改進了氧化石墨烯自組裝製備方法，所得多級孔徑新型石墨烯氣凝膠的孔徑小於1 μm,遠小於傳統材料(20~100 μm)。這種具有獨特結構的石墨烯氣凝膠表現出優異的性能，例如高比表面積、高孔隙率，其電容性能相對傳統氣凝膠提高了約40%。

6.多晶矽太陽能電池的第二個春天

從廢棄的太陽能電池片中回收多晶矽原材料對於環境保護和材料的循環再利用具有重要意義。大連理工大學的譚毅教授開發了用化學溶解和超聲清洗回收電池片的最佳條件：電池片與10wt%的氫氧化鈉溶液反應18 min後可以完全去除鋁電極，在40 kHz超聲清洗20 min後銀電極完全剝落，與40%氫氟酸溶液反應10 min去除氮化矽膜。在處理8.9068 g的單片電池的過程中，除去了1.1102 g鋁電極，最終回收得到0.0766 g銀電極和7.7169 g矽晶片。

7.會呼吸的陶瓷：燃料電池的陶瓷透氧膜

陶瓷透氧膜材料作為固體氧化物燃料電池的膜反應器，可以簡化工藝過程、緩解催化劑失活、提高甲烷的轉化率，但是對化學穩定性和氧滲透速率有更高的要求。中國科技大學的佔忠亮教授在多孔層內壁上沉積具有高催化活性的 LaNi0.6Fe0.4O3–d納米顆粒，形成連續的導電網格, 通過增加電化學反應活性位點，顯著改善了電極性能。在 800 ℃時陰極和陽極極化阻抗分別為 0.26 和 0.08 Ω·cm2，在空氣/CH4梯度中氧滲透速率為7.6 mL/(cm2·min)，比未浸漬前提高了14倍。

8. 量子點敏化太陽能電池：對電極能頂「半邊天」

近年來, 通過改變和調控對電極的材料和電子特性提高量子點敏化太陽能電池(Quantum dot-sensitized solar cells, QDSCs)的光電效率的方法受到了廣泛關注。吉林師範大學的李海波教授綜述了QDSCs 對電極材料的製備方法、微觀形貌和晶體結構; 重點分析了金屬化合物、複合材料、雜化材料、多元金屬硫族化合物、導電聚合物和碳材料對電極對QDSCs性能的影響; 並探討了控制其電催化活性和電子傳輸性能的主要因素。最後,提出了今後提高QDSCs 轉換效率和穩定性的研究重點和研究方向。

9.大自然的恩賜：樹皮多孔活性炭電極

栓皮櫟軟木由緊密排列的空腔細胞組成，相鄰的細胞形成排列緊密的蜂窩狀結構，但是其出色的結構並未被充分利用。北京化工大學的李敏副教授和楊儒教授製備了具有多孔結構的栓皮櫟軟木基多孔活性炭，最大比表面積達到 2312 m2 /g，具有特殊的微孔-介孔結構。在KOH 三電極體系中，0.1 A/g電流密度時比電容達296 F/g; 兩電極體系中, 5 A/g時比電容達到 201 F/g，循環5000次後電容保持率達99.5%，電流密度0.5 A/g(174 F/g)至 50 A/g(140 F/g)時電容保持率達80.5%，能量密度高達19.62 Wh/kg。

10.碳納米管：複合後的逆襲

碳材料具有比表面積大、導電性好的特點，但是作為電容器電極材料的比電容欠佳。閩南師範大學的汪慶祥教授製備了鉬酸鎳/多壁碳納米管(NiMoO4/MWCNTs)複合材料。MWCNTs均勻地包覆在球狀NiMoO4外表面，顯著增強了NiMoO4的氧化還原信號和電荷轉移動力學特性，具有更優秀的比電容、倍率特性及循環穩定性。電流密度為2 A/g時，複合材料的比電容高達1071 F/g；當電流密度增大到10 A/g時，比電容仍能保持原來的66.10%；在10 A/g的電流密度下，2500次循環充放電後，比電容保持率高達95.85%。

11.點石成金：表面活性劑增強電容器性能

為了優化電極微觀結構，進而改善超級電容器性能，上海大學的陳益鋼教授通過前驅體製備及硫化過程，採用水熱法在泡沫鎳上製備了納米結構的NiCo2S4薄膜。製備過程中添加不同種類的表面活性劑會對NiCo2S4薄膜的形貌、結構和電容器電化學性能產生影響，導致NiCo2S4逐漸自組裝形成三維納米片網狀結構。在所有的 NiCo2S4薄膜中, 添加十二烷基硫酸鈉的薄膜表現出最高的比電容(在0.5 A/g電流密度下達到2893F/g)、出色的倍率特性(在10 A/g電流密度下達到1890.6 F/g)和良好的循環穩定性(1000次循環後保持率為96.1%)。

論文精選連結：

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