纳米人-崔屹Joule，张华AM丨顶刊日报20231110

崔屹Joule，张华AM丨顶刊日报20231110

纳米人纳米人 2023-11-15

1. Joule：用于定向辐射冷却和加热的角度选择热发射器

材料发射率可以通过调整辐射热交换来提高冷却和加热系统的能源效率。然而，由于环境温度的不均匀性，其实际节能往往面临挑战，例如建筑墙体在夏季既会遇到寒冷的天空，也会遇到炎热的地面。匹配不均匀的温度需要角度选择性发射材料。斯坦福大学崔屹院士提出了一种用于定向热发射控制的微楔结构。

本文要点：

1) 该结构在定向发射方面具有大的宽带对比度（0.9–0.1），角发射范围由微楔几何形状控制，并可通过磁耦合进行调谐。角度选择性发射器为室外垂直表面提供更好的日间辐射冷却，从而节省10%-40%的冷却能量，并有效地进行室内辐射供暖。

2) 利用热排放的定向特性为提高各种应用的能效开辟了新机会，如空间供暖和制冷、废热回收和太阳能热发电。

Jiawei Zhou, et al. Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating. Joule 2023

DOI: 10.1016/j.joule.2023.10.013

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.013

2. Joule：用低成本无机表面膜稳定镁镀层实现高电压、高功率镁电池

具有无卤化物电解质的镁电池由于电解质分解而导致镁金属阳极的稳定性差。在此，滑铁卢大学Linda F. Nazar报道了一种低成本的镁支撑沸石膜来应对这一挑战。

本文要点：

1) 它大大减少了Mg/电解质界面上游离二甘醇二甲醚的数量，同时允许Mg²⁺阳离子容易地通过膜传输。作者证明了在四（六氟异丙氧基）硼酸镁/二甘醇镁电解质中无枝晶的Mg镀层/剥离性能，并且寿命延长了750倍（超过6000小时），以及库仑效率高达～98%。

2) 与Mg阳极配对的Mo₃S₄阴极在200次循环中具有91%的容量保持率。此外，该膜保护高压有机聚合物阴极中的可溶性物质不在阳极处通过穿梭而被还原，从而实现具有3.5V截止电压的全电池，并且其具有320 Wh kg⁻¹的高比能量密度和1320 W kg⁻¹的功率密度。

Chang Li, et al. Stabilizing magnesium plating by a low-cost inorganic surface membrane for high-voltage and high-power Mg batteries. Joule 2023

DOI: 10.1016/j.joule.2023.10.012

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.012

3. Joule：可充电电池中的氢键化学

自20世纪20年代化学家提出并证实氢键（HB）以来，它在化学、生物学、物理学和材料领域发挥了非常重要的作用。然而，HBs在储能器件中的作用一直被忽视。近日，南开大学Tao Zhanliang、中国科学技术大学Ren Xiaodi综述研究了可充电电池中的氢键化学。

本文要点：

1) 自2000年代以来，作者看到在一系列储能设备中对HB化学的研究有了相当大的增长，并且HB可以微调电极和电解质性能，以提高储能设备的电化学性能。

2) 作者综述了HB调节在电极材料、电解质和载体离子中的积极作用和作用机制，还批判性地讨论了潜在的缺点。该综述为调节电极材料和电解质中的HB提供了重要指导，以促进具有耐久性、能量密度、电压耐受性和抗冻性的高性能可充电电池的研究。

Tianjiang Sun, et al. Hydrogen-bond chemistry in rechargeable batteries. Joule 2023

DOI: 10.1016/j.joule.2023.10.010

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.010

4. JACS：三价金属铟作为水系电池的高容量、高效率、低极化和长循环阳极

使用多价金属的水系电池由于其低成本、高能量和高安全性而在能源储存方面具有广阔的前景。目前，二价金属（锌、铁、镍和锰）是主要选择，但其库仑效率低或枝晶生长。与此形成鲜明对比的是，三价金属尽管能够引发独特的氧化还原反应，却很少受到关注。

在此，波多黎各大学里约彼德拉斯校区Xianyong Wu研究三价铟作为水性电池的创新型高性能金属阳极。三电子In³⁺/In氧化还原赋予~700 mAh g⁻¹的高容量，与锌金属相当。

本文要点：

1）铟具有合适的氧化还原电位（-0.34 Vvs标准氢电极）和无枝晶电镀工艺，可实现99.3−99.8%的超高库仑效率。

2）更令人惊讶的是，它在对称电池中具有1 mV的极低极化，比任何报道的金属低1−2个数量级。In-MnO₂全电池还具有令人印象深刻的性能，电池电压为~1.2 V，高容量为~330 mAh g⁻¹，循环时间长达680次。

研究工作证明了利用三价金属作为优异金属阳极的功效，这为构建高性能水系电池提供了令人兴奋的方向。

Songyang Chang, et al, Trivalent Indium Metal as a High-Capacity, High-Efficiency, Low Polarization, and Long-Cycling Anode for Aqueous Batteries, J. Am. Chem. Soc.，2023

DOI：10.1021/jacs.3c08677

https://doi.org/10.1021/jacs.3c08677

5. JACS：使用 Operando X 射线拉曼光谱追踪丙烷氧化脱氢过程中氮化硼的活性相行为

六方氮化硼(hBN)是一种高选择性催化剂，用于丙烷(ODHP)氧化脱氢生成丙烯。使用各种非原位表征技术，催化剂的活性归因于无定形羟基氧化硼表面层的形成。ODHP反应机制通过表面介导和气相传播自由基反应的组合进行，两者的相对重要性取决于表面与空隙体积之比。

在这里，SLAC国家加速器实验室Dimosthenis Sokaras，Simon R. Bare，威斯康星大学麦迪逊分校Ive Hermans展示了操作X射线拉曼光谱(XRS)的独特能力，用于研究反应条件下催化剂的氧官能化（1mm外径反应器，500至550°C，P=30kPaC3H8，15kPaO2，56千帕赫）。

本文要点：

1）研究人员探讨了水共进料对活化催化剂表面的影响，发现水从表面去除了羟基氧化硼，导致当表面反应占主导时反应速率较低，而当气相贡献占主导时反应速率提高。

2）原子级表面转变的计算描述与OCEAN代码的高精度XRS光谱模拟相结合，使实验观察合理化。这项工作使XRS成为一种在工作条件下研究含轻元素催化剂的强大技术。

Melissa C. Cendejas, et al, Tracking Active Phase Behavior on Boron Nitride during the Oxidative Dehydrogenation of Propane Using Operando X‑rayRaman Spectroscopy, J. Am. Chem. Soc., 2023

DOI: 10.1021/jacs.3c08679

https://doi.org/10.1021/jacs.3c08679

6. EES：利用可再生能源将塑料废物与海洋生物质混合转化为增值产品

塑料与生物质混合的微塑料是海洋环境中新出现的污染物。随着对塑料的需求急剧增加，开发减少海洋塑料废物的有效方法是必要的。碱性热处理（ATT）是一种极具潜力的热化学转化技术，其在中等条件下（<600°C，1个大气压）运行，并将碳固定为稳定的碳酸盐（如Li₂CO₃和K₂CO₃）形式。碳酸盐可以使用可再生能源（例如海上风能）电化学转化为高纯度碳纳米管（CNT）。近日，哥伦比亚大学Ah-Hyung Alissa Park利用可再生能源将塑料废物与海洋生物质混合转化为增值产品在

本文要点：

1) 作者在500-600℃下对聚乙烯和咸褐藻进行的新型电化学反应可以产生高纯度（85%）的氢气。来自海藻和塑料的大部分碳在由Li₂CO₃/K₂CO₃/LiOH组成的熔融电解质中转化为碳酸根离子，并通过碳酸根离子的电纺以接近100%的库仑效率转化为碳纳米管。

2) 该研究为海洋塑料污染物的处理和升级提供了一种新的方法，通过生产高纯度H₂和纯化的聚合物中间体进行增值循环，并通过熔盐捕获碳，然后可以使用可再生能源进行电化学转化，生产高价值的碳纳米管。

Jonah Williams, et al. Hybrid thermo-electrochemical conversion of plastic wastes commingled with marine biomass to value-added products using renewable energy. EES 2023

DOI: 10.1039/D3EE02461J

https://doi.org/10.1039/D3EE02461J

7. EES：同时存在的热力学和动力学变量在优化叶片涂层有机太阳能电池中的作用

同时理解膜形成的热力学和动力学机制对于在使用叶片涂层的高通量印刷技术制造的有机太阳能电池（OSC）中实现高功率转换效率（PCE）至关重要。蔚山国立科学技术研究所Yang Changduk以四种不同外侧链长度的非富勒烯受体（NFA）（YC2、YC6、YC8和YC11）为热力学变量，全面研究了它们与不同加工共溶剂组成的相关性，并将其作为动力学变量。

本文要点：

1) 叶片涂层的成膜过程包括初始、传播和最终成膜阶段，其热力学和动力学高度依赖于NFA类型和加工共溶剂组成。NFA的外侧链长度和加工共溶剂组成都控制着活性层的结晶行为和自聚集，这对于实现各自OSC的优化性能至关重要。

2) 因此，基于YC2的叶片涂层OSC具有17.2%（4.2 mm²）和15.2%（1.05 cm²）的最佳PCE。该工作建立的活性层热力学和动力学之间的关系有助于大面积OSC性能的提高。

Yongjoon Cho, et al. Role of simultaneous thermodynamic and kinetic variables in optimizing blade-coated organic solar cells. EES 2023

DOI: 10.1039/D3EE01189E

https://doi.org/10.1039/D3EE01189E

8. EES：单原子位点与金属纳米聚集体相结合实现高效电催化

单原子催化剂（SAC）、金属纳米粒子催化剂和金属纳米簇催化剂由于各自的特性，在各种电催化反应中表现出优异的性能。含有金属单原子（M₁）位点和金属纳米聚集体（MNAs，包括纳米颗粒和纳米团簇）的复合催化剂有望整合各自的优势，实现高效的电催化。近日，南昌大学 Chen Yiwang、Yuan Kai全面概述含金属纳米聚集体的单原子催化剂（MNA–SACs）的结构优势和最新进展。

本文要点：

1) 作者首先回顾了关于确定MNA–SACs中实际活性位点的争论，并总结了MNA–SACs的结构特征和合成方法。作者还深入讨论了MNA–SAC中M₁位点和MNAs的关键协同作用。

2) 此外，作者还概述了MNA–SAC在各种电催化反应中的最新进展。最后，作者强调了MNA–SAC的挑战和发展前景。本文旨在对MNA–SAC进行全面综述，以进一步启发MNA–SAC的发展，并为高效电催化剂的合理设计提供新的思路。

Yonggan Wu, et al. Single-atom sites combined with metal nano-aggregates for efficient electrocatalysis. EES 2023

DOI: 10.1039/D3EE02474A

https://doi.org/10.1039/D3EE02474A

9. AM：在1H-MoS₂纳米片上对1T′-MoS₂纳米带进行相控制生长

二维（2D）异质结构因其超薄厚度、无悬挂键和强光物质相互作用的特性，正在成为下一代电子学和光电子学中传统半导体（如硅、锗和氮化镓）的替代选择。然而，直接生长具有亚稳相异质结构，尤其是那些处于亚稳态的异质结构，仍然具有挑战性。发展相控制的合成策略获得特定相的2D过渡金属二硫族化合物（TMDs）备受关注。近日，香港城市大学张华等报道了一种简便的化学气相沉积（CVD）方法，用于制备垂直 1H/1T′ MoS₂异质相结构。

本文要点：

1）通过简单改变生长氛围，可以在半导体1H-MoS₂的顶部原位生长出半金属性的1T′-MoS₂，形成具有清晰界面的垂直半导体/半金属1H/1T′ 异质相结构。

2）基于1H/1T′ MoS₂ 异质相结构的集成器件呈现出典型的整流行为，其电流整流比约为10³。

3）此外，基于1H/1T′ MoS₂ 的光电探测器在532纳米波长下实现了1.07 A/W的响应度，并且具有低至10⁻¹¹ A的超低暗电流。

上述结果表明，1H/1T′ MoS₂ 异质相结构可能是未来整流器和光电探测器有希望的候选材料。更重要的是，该工作报道方法可能为定制TMDs的相铺平道路，这可以帮助我们理解和利用相位工程策略，以提高电子器件的性能。

Yongji Wang, et al. Phase-Controlled Growth of 1T′-MoS₂Nanoribbons on 1H-MoS2 Nanosheets. Adv. Mater., 2023

DOI: 10.1002/adma.202307269

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307269

10. ACS Nano：CoP纳米颗粒包裹在介孔CoFeP纳米立方体内增强OER

利用纳米尺寸非贵金属基材料制备的高效稳健的电催化剂用于析氧反应（OER）已经引起了广泛关注。理解各种非贵金属基纳米结构的性能差异和结构-性能关系对于优化它们的应用至关重要。近日，延世大学Yusuke Yamauchi，日本国家材料科学研究所Yunqing Kang，西安交通大学Jun Zhou等报道了包覆在CoFeP外壳内的CoP纳米颗粒（CoP/CoFeP）材料，并研究了其OER性能。

本文要点：

1）介孔结构的CoFeP外壳有效促进了物质传输，提供了丰富的活性位点，并确保了CoP和CoFeP之间的杂化界面的可及性。因此，在碱性介质中， CoP/CoFeP纳米立方体表现出卓越的析氧反应催化活性，在电流密度为10 mA cm⁻²时，过电位为266 mV，优于空心CoFeP纳米立方体和商业RuO₂。

2）实验和理论计算研究表明，具有富含Fe掺杂外壳的CoP/CoFeP包覆结构促使CoP和CoFeP之间的电子相互作用，并加速了结构重构，暴露更多活性位点，从而提高了析氧反应的性能。

该工作提供了结构与性质关系的理解，为开发用于大规模电化学水分解和其他可再生能源技术的高效非贵金属电催化剂奠定了基础。

Lei Fu, et al. Unlocking Catalytic Potential: Encasing CoP Nanoparticles within Mesoporous CoFeP Nanocubes for Enhanced Oxygen Evolution Reaction. ACS Nano, 2023

DOI: 10.1021/acsnano.3c07270

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c07270

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