GEE专刊 | 能源储存与转化

第二卷,第三期

能源储存与转化专刊

 

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Editorial                                                                

能源储存与转化:推动人类的发展

Zhen Zhou, Zaiping Guo

Short Review                                                       

富锂层状材料的透射电镜表征

Hu Zhao, Bao Qiu, Haocheng Guo, Kai Jia, Zhaoping Liu*, Yonggao Xia*

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       富锂材料(LrLOs)由于极高的比容量,被认为在电动汽车和储能领域有良好的应用前景。然而在这种材料可以被真正应用之前,我们必须揭示其由单斜晶系向斜六方晶系转变的根本原因,以解决它在充放电过程中的电压衰退、倍率性能差、首次不可逆容量高等问题。球差电镜技术的快速发展为解决上述问题提供了崭新的途径。本文针对球差电镜在这一领域的应用做一总结,简略介绍了TEM在成像、光谱方面以及图像分析方面的最新进展,并对这些技术在LrLOs表征方面的应用进行了详细介绍。LrLOs复杂的结构、过渡金属离子迁移引起的电压衰退、电化学过程中氧的氧化还原反应等问题均因TEM的技术进步而得到深入探究,从而加深了对LrLOs的基础理解。另外本文也对TEM将来的改进和对LrLOs研究进行了展望。

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 174-185。

Review article                                                    

氧气电化学在质子惰性的锂-氧电池中的认识

Liang Wang, Yantao Zhang, Zhenjie Liu, Limin Guo*, Zhangquan Peng*

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       全球范围内,开展提高能量密度和电池材料稳定性的研究取得了一系列重要进展,而锂-氧电池由于其具有较锂离子电池更高的理论比能量且环境友好等优势,近年来备受关注。锂-氧电池是由金属锂负极,导锂电解液和多孔氧电极所组成,通过氧还原反应和氧析出反应完成充放电过程。但充放电过程中产生的活性氧会与电解液、电极材料等发生一系列的副反应,从而导致电池性能下降。因此研究电化学稳定的电解液和正极材料是推动锂-氧电池发展的关键。近日中科院长春应化所的彭章泉研究员等人对质子惰性的锂-氧电池中的氧气电化学做了详细全面的综述,主要包括氧还原和氧析出反应机理、电池工作参数(如过电压、电流密度等)、电解液(溶剂、盐、添加剂等)、电催化剂和Li2O2的形态学等。深入了解电池参数与性能的关系,对未来的研究具有重要的理论指导作用。

 

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 186-203。

关于二氧化碳的光热催化转化的综述

Ee Teng Kho, Tze Hao Tan, Emma Lovell, Roong Jien Wong, Jason Scott*, Rose Amal*

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      二氧化碳转化为增值产品具有巨大的工业和环境效益。但此转化系统的制约因素是需要较大的能量破坏二氧化碳原有的稳定结构。通过一些关键路线利用太阳能可望克服上述局限性。这篇综述总结了利用太阳热能技术和等离子体共振效应等获取太阳能的潜在路径。重点介绍了局部加热法,对比了各种热催化转化二氧化碳的有效催化剂。此外,还概述了不同二氧化碳转化路线及潜在产物,并讨论了逆向水气转移、甲烷化和甲醇合成等关键问题。最后,详细介绍了实现这类系统的挑战和展望。

 

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 204-217。

金属有机框架衍生多孔纳米材料的合成及应用

Min Hui Yap, Kam Loon Fow*, George Zheng Chen*

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       金属有机框架化合物(MOF)是一类通过金属离子与有机连接体通过强键作用形成的多孔材料。通过合理搭配, 金属有机框架能呈现出高比表面、较大的孔隙体积和良好的化学稳定性。众多关于MOFs的合成、结构和特性的研究表明,此类材料具有广泛的应用领域,例如能量储存、气体储存、多相催化和传感。此外, 金属有机框架也可被用为前驱物或支撑模板来制备各种纳米材料。该综述文章系统地归纳总结了近期以金属有机框架为模板制备各种纳米结构、以及它们在能源领域潜在应用和发展。本文着重调研了2013年至2017年初的该领域的进展,涵盖了超级电容器,锂离子电池、电催化剂、光催化剂气体传感、水处理、太阳能电池和二氧化碳捕获。同时,作者也对用MOF制备的各种纳米材料未来发展的挑战和对在工业领域的潜在应用进行了预测。

 

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 218-245

一篇关于铝-空气电池最新研究进展的全面综述

Yisi Liu, Qian Sun, Wenzhang Li, Keegan R. Adair, Jie Li*, Xueliang Sun*

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       铝-空气电池由于其理论能量密度高达8100 Wh kg-1, 比最先进的锂离子电池要高很多,被认为是电动汽车电源的一个极具吸引力的选择。然而,仍有一些尚未解决的技术和科学难题阻碍了铝-空气电池的大规模发展。本篇综述从铝阳极,空气阴极,电催化剂,电解液,缓蚀剂等方面介绍了铝-空气电池技术的基本原理、问题与挑战和近期研究进展。首先,文章综述了铝和过渡金属元素的合金化可以降低Al的自腐蚀,从而提高电池性能。其次,重点总结了空气阴极上氧还原/析出反应的电催化材料的大量研究,包括铂,铂合金,非贵金属催化剂,碳材料等。再次,文章讨论了水系和非水系电解液在铝-空气电池中的应用,探究了在电解液中添加缓蚀剂来提高电池性能。最后,文章提出了铝-空气电池进一步发展将面临的挑战和未来的研究方向。

 

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 246-277

Research paper                                                   

可用于钾离子和锂离子电池的高性能超轻、柔性铅笔迹负极

Zhixin Tai, Yajie Liu, Qing Zhang, Tengfei Zhou, Zaiping Guo*, Hua KunLiu, Shi Xue Dou

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      电池结构设计和新体系开发是提高高性能电池的重要途径。卧龙岗大学S. Dou等采用商业8B铅笔在滤纸上简单的摩擦,制备得到了新型柔性、超轻石墨负极,与以铜箔为集流体的传统负极相比,这种新型的无集流体的设计,因降低了电极中惰性成分的固有重量,其能量密度可达传统负极的两倍以上。制备的铅笔芯电极在钾离子电池(KIBs)中表现了优异的倍率性能,且明显优于在锂离子电池(LIBs)中的应用,例如,由0.1A/g到0.5A/g的电流密度变化过程中,这种电极在钾离子电池中的容量保持率为66%,而在锂离子电池中仅为28%。同时,这种电极呈现出较高的可逆容量和稳定的循环性能,例如在0.2 A/g的电流密度的条件下,其容量约为230 mAh/g;在0.4A/g电流密度下,经过300个循环,容量保持率可达75%。且本文中所报道的石墨电极在到目前为止所有相关石墨型K+电极中具有最好的倍率性能。

 

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 278-284。

金属卟啉插层还原氧化石墨烯纳米复合材料用于电催化还原分子氧

Mingyan Wang*, Qing Wang, Wei Zhu, Ying Yang, Huixian Zhou, Fan Zhang, Lihua Zhou, Joselito M.Razal, Gordon G.Wallace, Jun Chen*

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      燃料电池和空气电池被认为是最具有发展前景的绿色能源技术,可满足人类不断增长的能源需求和环境保护意识。但电催化剂的活性低,分子氧还原反应速率缓慢,交换电流密度低等问题制约了燃料电池和空气电池的发展和商业化应用,因此研发高活性的电催化剂是推动燃料电池和空气电池发展的必然趋势。近日,淮海工学院王明艳课题组通过自组装方法,利用带有正电荷的金属卟啉和负电荷的氧化石墨烯片间的静电作用和π-π堆积的协同效应,成功地合成了金属卟啉插层还原氧化石墨烯纳米复合材料MtTMPyP/rGOn,并应用于分子氧催化还原反应。

     通过分子氧催化还原反应的对比实验发现,这种MtTMPyP/rGOn纳米复合材料展示出了很高的电催化活性,这主要是因为金属卟啉与氧化石墨烯片层紧密结合,界面致密,从而不仅加快了催化剂中电子传递,易于分子氧催化还原反应的进行,而且有效提高了催化剂的稳定性。

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 285-293。

磷钨酸浸渍的中孔二氧化硅质子交换膜材料的质子动力学

Krystina Lamb, Richard A. Mole, Dehong Yu, Roland de Marco, John R. Bartlett, Sarah Windsor, San Ping Jiang, Jin Zhang, Vanessa K. Peterson*

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      磷钨酸是可嵌入多孔材料的优秀质子导体。介孔二氧化硅纳米复合材料浸渍磷钨酸的质子交换膜材料可用于运行温度大于100℃的燃料电池。此工作将准弹性中子散射方法用于研究质子在两种浓度磷钨酸浸渍的无序介孔硅和P6mm对称硅中的自扩散行为。结果显示,二氧化硅结构对质子传导和扩散的影响远远高于磷钨酸浓度的影响,其中,P6mm对称硅样品的质子传导率较高。准弹性中子散射结果揭示了每个样本中有两类质子扩散,而质子传导受跳跃式扩散机制的慢扩散限制。虽然移动较慢的质子在硅基体及不同磷钨酸浓度中的跳跃式扩散转移机制相似,但是较快的扩散发生在P6mm硅结构中,这是因为在跳跃扩散模型中,质子在不同位置之间移动时间短。

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 294-301。

磁控溅射法制备的碳化氮透明薄膜用于染料敏化太阳能电池对电极

Chaoyu Wu, Guoran Li*, Xueqin Cao, Bao Lei, Xueping Gao*

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       采用射频磁控溅射法在导电玻璃(FTO)上制备碳化氮 (CNx)透明薄膜,所制薄膜的厚度为90-100 nm,其中氮含量为x=0.15-0.25。该方法制备的CNx透明薄膜首次用作染料敏化太阳能电池(DSSCs)的对电极,研究发现,其性能明显与透明薄膜处理温度密切相关。x射线光电子能谱(XPS)研究表明,500℃热处理的样品比处理前具有更高比例的sp2杂化 C=C 及sp3 杂化C-N键。这些sp2 C=C 和sp3 C-N混合键基团有助于提高CNx透明薄膜作为染料敏化太阳能电池对电极的电催化活性。同时, 拉曼光谱也证明500℃处理的CNx样品有相对较高的石墨化程度,可有效提高薄膜的导电性。这些结果表明,可以通过对CNx透明薄膜适当的热处理提升其在染料敏化太阳能电池中的电化学性能。此外,碳化氮对电极在可见光区域有良好的透光率,适用于透明太阳能电池的制备。该项研究对开发染料敏化太阳能电池用低成本非金属透明对电极具有参考意义。

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 302-309。

基于高粱秸秆的钠离子电池高性能硬炭负极材料

Xiaoming Zhu, Xiaoyu Jiang, Xiaoling Liu,  Lifen Xiao*, Yuliang Cao*

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      由于钠的成本低和资源丰富的特点,钠离子电池(SIBs)被认为是下一代低成本能源存储系统之一。然而,获取成本低、性能好的负极材料仍是一个巨大的挑战。通过生物质热解制备硬碳并将其作为钠电池负极材料展现出了良好的应用前景。该文报道了一种以废弃高粱杆为原料,通过简单的碳化的方法制备的硬碳材料。作者系统地研究了碳化温度对微观结构和电化学性能的影响规律。结果表明碳化温度为1300℃时制备的材料具有最好的倍率性能和良好的循环稳定性。该研究提供了一个将高粱杆“变废为宝”绿色的途径,可把其变成非常有应用前景的负极硬炭材料。

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 310-315。

三维中空球状Co3O4/MnO2-CNTs电极材料:对于可充电锌—空气电池正极的高性能双功能催化和应用

Xuemei Li, Nengneng Xu, Haoran Li, Min Wang, Lei Zhang, Jinli Qiao*

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      对于可充锌—空气电池领域,开发高活性、可持久性以及价格低廉的电催化剂是一个十分重要的课题。在众多廉价金属基电催化剂中,过渡金属氧化物与碳纳米管的复合物受到越来越多的关注。在本文中,通过简单的共沉淀法与后热处理相结合,制备出以MnO2、Co3O4和碳纳米管的杂化材料构建的以针状网络结构为主体形成的松弛三维球形(Co3O4/MnO2-CNTs)。催化剂的形貌、组成和作用机理通过SEM,TEM,TEM-mapping,XRD,EDX和XPS进行了详尽分析。通过与Co3O4/MnO2,MnO2纳米管和碳纳米管以及商业化的20% Pt/C进行对比发现,Co3O4/MnO2-CNTs-350杂化材料在碱性环境下(0.1 M KOH)表现出优异的氧还原和析氧反应双催化作用。采用Co3O4/MnO2-CNTs-350杂化材料作为电催化剂,应用于锌—空气电池,获得开路电压~1.47 V,峰值功率340 mW cm-2以及775 mAh g-1(充放电电流密度为10 mA cm-2)的比容量;对于可充电锌—空气电池,表现出较小的充放电电压差和优异循环寿命(504圈,充放电电流密度为10 mA cm-2,10分钟每圈)。特别地,由于这种双功能催化剂绿色,成本低廉,制备方法简单易得,十分有益于进行规模化生产和应用。

 

· 该文章发表在Green Energy & Environment 2017,2(3), 316-328。

 

来源:文稿来自绿色能源与环境GEE专刊

 

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