1. Joule: 用于光伏的鹵化物鈣鈦礦的中間相工程
金屬鹵化物鈣鈦礦由于其出色的光物理特性和可擴展的溶液制造工藝，激發了對高效光伏應用的廣泛研究興趣。在最先進的溶液處理鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 中，中間相工程 (IPE) 的特點是在退火前精確操縱或控制前體狀態，在形成高質量鈣鈦礦方面發揮著越來越重要的作用薄膜，這對于具有長期穩定性的高性能電池至關重要。陜西師范大學Wanchun Xiang和洛桑理工學院Anders Hagfeldt，Zaiwei Wang等人對此進行全面總結。1）概述了IPE在不同薄膜加工技術中的作用和機制，包括兩步法、一步溶液法、甲胺氣體后修復或溶劑化工藝、抗溶劑法和揮發性添加劑法。2）研究人員討論了IPE目前面臨的挑戰，并為通IPE開發高性能鈣鈦礦太陽能電池提供了前景。Wanchun Xiang, et al. Intermediate phase engineering of halide perovskites for photovoltaics, Joule, 2021DOI：10.1016/j.joule.2021.11.013https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121005390#!
2. AM: 離子液體處理穩定全無機CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池
全無機三碘化銫鉛 (CsPbI3) 鈣鈦礦可以在高達500 °C 的高溫和氧化化學應力下穩定。然而，通過環境印刷升級太陽能電池存在不完美的晶體質量和由無法控制的結晶引起的缺陷。陜西師范大學Qingwen Tian, Kui Zhao和劉生忠等人報道了低濃度的新型離子液體的加入有望用于管理CsPbI3薄膜中的缺陷、界面能排列和通過環境刮刀涂層制造的太陽能電池的器件穩定性。1）理論模擬和實驗測量均表明，離子液體成功調節鈣鈦礦薄膜的生長以減少鈣鈦礦晶界；其中硫酸根離子與未配位的Pb2+配位鈍化碘化物空位缺陷，對齊界面以將電子傳輸層的能壘降低280 meV，并松弛晶格應變以有效促進相穩定性。2）因此，研究人員實現了高效率的環境印刷CsPbI3太陽能電池，在 1個太陽光照射 (100 mW cm-2 ) 下效率高達 20.01%，在室內光照 (1000 lux, 365 μW cm-2 ) 下高達37.24%，兩者都是基于印刷的全無機電池最高效率值。3）此外，沒有任何封裝的電池表現出優異的長期環境穩定性，在環境條件下老化1000小時后，PCE僅降解約5%。
Du, Y., et al, Ionic liquid treatment for highest-efficiency ambient printed stable all-inorganic CsPbI3 perovskite solar cells. Adv. Mater..DOI：10.1002/adma.202106750https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106750
3. AM：光耦合高性能濕度發電體系
自發從環境中收集多種清潔能源對于發展更高水平的能量收集體系具有非常大的重要。環境中無處不在的濕氣和陽光是一種具有吸引力的可持續制備能源的方法。有鑒于此，清華大學曲良體、帥志剛等報道發展了一種高性能的能夠通過光進行調節的濕度發電體系，該濕度發電體系以聚電解質和光敏劑結合。1 cm2大小厚度為0.56 mm的復合物薄膜能夠自發吸收氣體水分子，開路電壓為0.92 V，短路電流密度達到1.55 mA cm-2。這個電流密度達到新記錄，比傳統的濕度發電器件電流密度提高2個數量級。1）構建了柔性的達到商業化應用量級的器件，能夠在較寬的濕度區間（20-100 %）和較寬的溫度區間（10-80 ℃）和光強度（30-200 mW cm-2）區間工作。構建的可穿戴和便攜式器件能夠在室內或者室外提供足夠高的能量用于光或者電驅動器件的工作。2）較高的電流密度是通過濕度導致電荷分離作用和光激發的載流子轉移實現的。通過器件的動態蒙特卡洛計算，驗證了該結論。本文研究為發展綠色可持續能源提供了一種可行的方法和路線。Jiaxin Bai, et al, Sunlight-coordinated high-performance moisture power in natural condition, Adv. Mater. 2021, 2103897DOI: 10.1002/adma.202103897https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103897
4. AM：一種在氧化性氣氛下的選擇性陽離子脫溶而制備的新型耐久表面納米顆粒改性的鈣鈦礦型陰極助力質子陶瓷燃料電池正極
質子陶瓷燃料電池（PCFCs）的高性能正極應具有良好的氧還原反應性、高的質子/氧離子/電子電導率和足夠的工作穩定性，這就需要對電極材料的體相和表面性質進行微調。雖然利用還原氣氛脫溶中的納米顆粒對鈣鈦礦進行表面改性可以有效地改善電化學陽極氧化，但這種納米顆粒很容易重新進入鈣鈦礦晶格，給其作為陰極的應用帶來了極大挑戰。近日，南京工業大學邵宗平教授，Guangming Yang報道了通過納米顆粒在氧化性氣氛中脫溶而制備了一種用于PCFC的耐用鈣鈦礦型納米復合陰極。1）通過組成和陽離子非化學計量比調控，設計、合成和研究了名義組成為Ba0.95(Co0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1)0.95Ni0.05O3-δ（BCFZYN-095）的前驅體，煅燒后形成了鈣鈦礦型納米復合材料，主要由鈣鈦礦相和少量NiO相組成。2）通過適當的陽離子非化學計量比處理，主體鈣鈦礦相促進了體質子傳導，而NiO納米粒子促進了氧表面交換過程，從而實現了優異的陰極性能，在650 °C時的最大峰值功率密度為1040 mW cm-2，在550 °C下的操作穩定性為400 h。Mingzhuang Liang, et al, A New Durable Surface Nanoparticles-Modified Perovskite Cathode for Protonic Ceramic Fuel Cells from Selective Cation Exsolution under Oxidizing Atmosphere, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202106379https://doi.org/10.1002/adma.202106379
5. AM：機器學習指導下的金屬氧化物光電化學水分解摻雜劑選擇：Fe2O3和CuO的案例研究
摻雜是一種用于太陽能光電化學（PEC）水分解的金屬氧化物半導體調諧的有效策略。盡管已經經過了幾十年的大量研究，摻雜劑的選擇仍然在很大程度上依賴于一種反復試驗的方法。機器學習（ML）在為高性能PEC系統的摻雜劑選擇提供可預測的洞察力方面很有希望，它可以揭示摻雜劑的大量特征和摻雜光電極的PEC性能之間看似模糊的聯系。基于此，澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授，Zhiliang Wang，麻省理工學院Shijing Sun報道了首次將ML應用于研究選擇摻雜劑的關鍵標準，以實現改善光電極的PEC響應。1）以Fe2O3作為典型的半導體候選者，使用從17種類型的摻雜劑(每種摻雜劑包含5種不同的摻雜劑濃度)獲得的數據來訓練ML模型。在ML研究中，采用了10個本征特征(如原子序數、離子半徑、化學價等)和1個加工特征(摻雜濃度)作為描述符，并應用了6種不同的算法，包括基線線性回歸(LR)、RF、GB、支持向量回歸(SVR)、k近鄰回歸(KNN)和神經網絡(NN)。2）利用訓練好的ML模型，研究人員成功地預測了分別摻雜La和Y的Fe2O3光陽極的電荷分離和轉移（CST）性能。然后通過SHapley Additive exPlanations （SHAP）分析對這些描述符的重要性進行排序，評估了PEC過程中化學態、金屬氧鍵形成焓和離子半徑對CST的相對影響。3）ML引導的摻雜劑選擇被進一步擴展到典型的基于CuO的光電陰極設計，從而展示了這種數據驅動方法的一般特性。Zhiliang Wang, et al, Machine learning guided dopant selection for metal oxide based photoelectrochemical water splitting: the case study of Fe2O3 and CuO, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202106776https://doi.org/10.1002/adma.202106776
6. AM：Ni3N@2M-MoS2構建金屬異質結促進工業級電催化分解水
堿性水電解具有商業化大規模制氫的前景，目前非常多的非貴金屬催化劑在較低的電流密度（10-50 mA cm-2）能夠實現非常高的電催化活性，但是對于在工業需求的>500 mA cm-2電流密度進行電催化制氫反應仍具有非常大的挑戰。這是因為電子傳輸無法達到要求，同時催化劑面臨著羥基和H2O分子競爭性吸附的現象。有鑒于此，中科院上海硅酸鹽研究所黃富強、劉建軍、趙偉等報道設計了一種新型金屬態的異質結催化劑，Ni3N@2M-MoS2，展示了優異的大電流電催化分解水性能。1）Ni3N@2M-MoS2電催化劑通過異質結界面提供了兩種相互分離的催化活性位點，能夠緩解具有立體位阻效應的羥基、H2O的競爭性吸附。通過動力學上對羥基/H2O吸附解耦，同時通過Ni3N@2M-MoS2催化劑的金屬性提供的高導電性，實現了在較高的電流密度在Ni3N位點制氫、在金屬異質結界面制氧。2）金屬性的異質結構對于提高催化劑的穩定性，活化催化劑的催化活性起到關鍵作用，通過Ni3N與2M-MoS2中的Mo-Mo化學鍵之間電荷轉移，能夠有效的調控Ni/N原子在Fermi能級附近的電子結構，因此促進全分解水。3）Ni3N@2M-MoS2催化劑組裝構建的電催化分解水電解槽實現了非常低的全電池電壓（1.644 V@1000 mA cm-2），在300 h后電催化分解水性能仍保持沒有明顯衰減，其性能遠比市售的Pt/C||RuO2性能更好（2.41 V@1000 mA cm-2, 100 h, 58.2 %）。Tong Wu, et al, Engineering Metallic Heterostructure Based on Ni3N and 2M-MoS2 for Alkaline Water Electrolysis with Industry-Compatible Current Density and Stability, Adv. Mater. 2021, 2108505DOI: 10.1002/adma.202108505https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108505
7. AM: 具有最小光學和能量損失的單片全鈣鈦礦串聯太陽能電池
基于鈣鈦礦的多結太陽能電池是一種具有潛在成本效益的技術，可以幫助超越單結設備的效率限制。然而，混合鹵化物寬帶隙鈣鈦礦和鉛錫窄帶隙鈣鈦礦由于形成體陷阱和界面復合中心而受到非輻射復合的影響，這限制了子電池的開路電壓，從而限制了集成串聯電池的開路電壓。此外，多結太陽能電池中復雜的光學堆棧會導致入射光的寄生吸收和反射引起的損耗，這會加劇子電池之間的電流不匹配，從而限制串聯的短路電流密度。埃因霍芬理工大學René A. J. Janssen等人提出了一種集成的全鈣鈦礦串聯太陽能電池。1）該電池使用表面鈍化策略來減少鈣鈦礦-富勒烯界面處的非輻射復合，從而產生高開路電壓。2）通過使用光學良性透明電極和電荷傳輸層，窄帶隙子電池中的吸收得到改善，從而改善了子電池之間的電流匹配。總的來說，3）基于這些策略，研究人員開發光電轉換效率超過23%的單片串聯太陽能電池。Datta, K., et al, Monolithic All-Perovskite Tandem Solar Cells with Minimized Optical and Energetic Losses. Adv. Mater..DOI：10.1002/adma.202110053https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202110053
8. AM：具有特殊循環誘導容量增強的金屬-有機骨架玻璃負極助力鋰離子電池
金屬有機骨架（MOFs）具有化學可調、孔結構可調、反應位點豐富等特點，有望成為下一代鋰離子電池（LIBs）的高能負極材料。然而，晶態MOFs的孔結構在鋰離子的插入和提取過程中容易崩塌，因此其電化學性能受到很大的限制。近日，齊魯工業大學（山東省科學院）Yanfei Zhang，奧爾堡大學Yuanzheng Yue， 奧胡斯大學Dorthe Bomholdt Ravnsb?k報道了以Co-ZIF-62為基礎，研制了一種用于LIBs的用MOF玻璃負極，即Co[Im1.75bIm0.25]。1）與晶體和非晶態材料相比，這種新型負極材料具有更大的容量、更好的倍率性能和更高的循環穩定性，盡管這些材料具有相同的化學成分，但表現出不同尋常的儲鋰性能。2）獨特的性能歸因于其開放的網絡結構，特點是在各個尺度上都具有高度的無序性和較高的能態。當電流密度為2 A g?1時，經1000次循環后，比容量提高了2倍，最高可達306 mA h g?1。3）研究人員通過光譜測量、對分布函數分析和密度泛函理論計算，揭示了這一突出性能的原因。具體而言，Li+離子在ZIF網絡結構中的插入和提取破壞了Co-N配位鍵，從而產生了Li+離子擴散和存儲的額外通道。這些發現表明，MOF玻璃是開發下一代高性能鋰離子電池負極的理想材料。Chengwei Gao, et al, Metal-organic framework glass anode with an exceptional cycling-induced capacity enhancement for lithium-ion batteries, Adv. Mater. 2021DOI：10.1002/adma.202110048https://doi.org/10.1002/adma.202110048
9. Nano Letters：一種光生載流子獨特交叉傳輸的自組裝卟啉納米葉助力光催化制氫
模擬自然光合作用的具有有序堆積納米結構的自組裝卟啉的制備激發了人們對優化能量轉換效率的大量努力。然而，在分子水平上闡明有序堆積結構如何促進光催化仍然是一個巨大的挑戰。基于此，河南大學Rui Zhu，Feng Bai報道了采用一種簡便的乳化劑輔助自組裝方法合成了具有多層超分子結構的新型PdTCPP納米葉。與原始PdTCPP粉末相比，組裝后的納米葉具有優異的光催化產氫性能和可見光下的穩定性。1）通過雙催化劑和KPFM的選擇性光沉積，研究人員確定了光生電子和空穴分別優先轉移到邊緣和表面。2）理論計算結果表明，卟啉分子的長程有序共軛結構和偶極形成的電勢差形成了很強的內建電場，導致了光生載流子在納米葉中獨特的交叉輸運。3）闡明光生電子和空穴在卟啉組件中的定向傳輸對于理解和設計高效的超分子光催化劑以有效轉換和儲存太陽能來說具有重要意義。Ronghui Cao, et al, Self-Assembled Porphyrin Nanoleaves with Unique Crossed Transportation of Photogenerated Carriers to Enhance Photocatalytic Hydrogen Production, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03550https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03550
10. Nano Letters：非質子鋰?氧電池中的溶液介導氧還原反應中間體的直接原位光譜證據
對反應過程的基本了解對于預測和提高電化學器件的性能至關重要。氧還原反應（ORR）作為非質子型鋰-氧（ Li?O2）電池的中心反應，面臨著放電產物Li2O2負極鈍化導致的“猝死”現象。可溶性催化劑(如還原介體)可促進溶液介導的ORR。然而，迄今為止，還沒有直接的分子證據，其與Li?O2電池性能的聯系仍然是假設的。基于此，中科院大連化物所Zhangquan Peng報道了利用原位表面增強拉曼散射（SERS）、密度泛函理論（DFT）計算和DEM方法，對非質子Li?O2電池模型Au-AQ電極上AQ催化溶液介導ORR的機理進行了探討。1）研究發現，AQ首先與Li+相互作用，在OCV處形成Li+[AQ]對。當ORR開始時，Li+[AQ]對優先還原形成LiAQ配合物，然后與O2結合生成LiAQO2中間體。最后，LiAQO2再生AQ并釋放LiO2(可能是速率決定步驟)，通過在主體電解質中的歧化形成Li2O2(溶膠)。2）對這些機理的研究有望優化和開發更高效的可溶性ORR催化劑，用于多功能下一代Li?O2電池。此外，將還原介體固定在電極表面的概念也可以用來揭示其他溶液介導的機理，如Li?O2電池中TEMPO介導的析氧反應。Zhiwei Zhao, et al, Direct In Situ Spectroscopic Evidence for Solution-Mediated Oxygen Reduction Reaction Intermediates in Aprotic Lithium?Oxygen Batteries, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04445https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04445
11. Nano Letters：金屬硒化物催化劑上的選擇性氧還原用于電化學合成過氧化氫
硒基納米合金作為一類新興的金屬硫屬化物，具有可調的晶體結構、成分分布和電子結構，在可再生能源的轉化和利用方面引起了人們極大的興趣。近日，韓國西江大學Seoin Back，上海交通大學Kun Jiang報道了用激光燒蝕法制備的一系列納米M?Se催化劑（M=Cu，Ni，Co），并考察了它們在堿性介質中用于選擇性氧還原反應（ORR）生成H2O2的電催化性能。1）一方面，Se對鄰近金屬中心的物理隔離效應使O*的吸附構型從空心位轉移到隔離位，從而削弱了其結合強度，從而提高了H2O2產物的選擇性。另一方面，Cu?Se納米合金微調的電子結構在所有篩選材料中產生了最有利的OOH*結合強度，從而大大加速了O2轉化為H2O2的動力學。即使在1400次電位循環之后，也能在寬電位窗口內獲得超過90%的出色H2O2選擇性。這項工作有望為其他電催化反應提供有效的催化設計原則。Qinglin Yuan, et al, Electrochemical Hydrogen Peroxide Synthesis from Selective Oxygen Reduction over Metal Selenide Catalysts, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04420https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04420
12. Nano Letters：離子/電子混合導電雙相界面增強固態電荷轉移
全固態鋰?硫電池（ASSLSB）具有高能量密度和良好的安全性能，是一種很有前途的后鋰離子電池技術候選儲能技術。然而，硫的固有絕緣性要求其電化學反應需要與離子導體和電子導體進行三相接觸，從而減少了活性表面的數量，降低了電荷轉移效率。近日，新加坡科技研究局Xuesong Yin，新加坡國立大學Guangyuan Wesley Zheng報道了引入了離子/電子混合導電雙相界面，有利于硫的固態電化學反應。1）采用離子/電子混合導電的LLTO/C納米纖維構建雙相界面，賦予硫顆粒更高的固態電荷轉移效率。從而獲得了具有高硫利用率（69%）和優異的倍率性能（1.0 C時為500 mAh/g）的高性能ASSLSB。在較低的工作溫度（50 °C）和較高的硫含量（50%）下，可以獲得良好的電池性能。此外，由于LLTO對PS的化學吸附作用，抑制了自放電，因此獲得了優異的循環穩定性（0.2 C下，循環100次后的容量為850 mAh/g），庫侖效率（CE）為98%。2）所開發的具有堆疊式雙極結構的全固態Li?S電池樣機顯示出優異的電化學性能和巨大的應用潛力。Liu Wang, et al, Mixed Ionically/Electronically Conductive Double-Phase Interface Enhanced Solid-State Charge Transfer for a High-Performance All-Solid-State Li?S Battery, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04228https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04228
