陳忠偉院士課題組一直致力于低成本納米材料開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，如燃料電池、高能硅基鋰離子電池、鋰硫電池、金屬空氣電池以及超級電容器等，其研究領(lǐng)域包括非貴金屬催化劑、碳納米管、石墨烯、金屬納米管、納米線以及復(fù)合膜等，不少技術(shù)都被公認為是目前世界上最尖端的技術(shù)。陳忠偉院士的多項技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其團隊開發(fā)的石墨烯硅基鋰電池技術(shù)和鋅空液流儲能技術(shù)，一經(jīng)推出便獲得業(yè)內(nèi)人士高度關(guān)注和認可，甚至認為這些技術(shù)的商業(yè)化轉(zhuǎn)化將為世界儲能技術(shù)領(lǐng)域帶來里程碑式的改變，2019年9月10日，陳忠偉教授當(dāng)選為加拿大皇家科學(xué)院院士，成為加拿大最年輕的兩院院士！（44歲！陳忠偉成為加拿大最年輕的兩院院士！）。下面，我們簡要介紹陳忠偉教授課題組2019年在鋅空氣電池、鋰硫電池、鋰離子和鈉離子電池以及燃料電池陰極催化劑等方面的重要成果，供大家學(xué)習(xí)交流。1、多維有序雙功能空氣電極助力高能量柔性鋅空氣電池
柔性鋅空氣電池因為具有高理論能量密度（1218 Wh kg-1），低成本和高安全性而受到研究人員的廣泛關(guān)注。然而，柔性鋅空氣電池的性能一直受限于其空氣陰極氧氣還原/氧氣析出雙功能電催化劑，尤其是在大電流和高彎曲角度下的穩(wěn)定性。目前，制備柔性鋅-空電池空氣電極的典型策略是在雜原子摻雜碳材料上直接生長電催化劑，如過渡金屬氧化物，硫化物及磷化物等。然而，該方法制備的電催化劑通常為無序狀態(tài)且緊密堆積，導(dǎo)致催化劑內(nèi)部阻塞，阻礙了活性位點參與催化氧反應(yīng)。其次，先進的柔性空氣電極中催化位點的本征催化活性仍不足以提供理想的性能。盡管增加催化劑負載量可以改善電池性能，但同時會增加電荷阻抗，阻礙氧氣的滲透并導(dǎo)致活性物質(zhì)的分離。最后，由于不可避免的碳載體腐蝕和過渡金屬基納米粒子的聚集，雜化催化劑難以長時間維持其高度分散狀態(tài)。甚至，在大電流下循環(huán)或在極端形狀變形下進行測試時，這種缺陷可能會進一步加劇。為解決上述問題，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授團隊設(shè)計了一種新型的，由1D碳納米管和鈷納米顆粒修飾的2D碳納米山脊組裝的有序多維陣列結(jié)構(gòu)（MPZ-CC@CNT），并將其用作高能量密度柔性鋅空氣電池的空氣正極催化劑。MPZ-CC@CNT電極具有開放和非緊密堆積的納米結(jié)構(gòu)，在多維組分之間的共價耦合實現(xiàn)了最佳的活性位點利用率和良好的穩(wěn)定性，從而在準固態(tài)柔性鋅空氣電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化動力學(xué)特性和長循環(huán)穩(wěn)定性。將其直接用作鋅空氣電池的自支撐空氣催化正極時，MPZ-CC@CNT電極在50 mA cm?2的電流密度下，可穩(wěn)定循環(huán)1800圈（600 h），每圈的循環(huán)衰減率僅僅只有0.006 mV，能量密度高達946Wh kg?1。該工作不僅為新型柔性空氣電極的整體設(shè)計提供了新思路，有效提高了鋅空氣電池的能量轉(zhuǎn)化效率，還可擴展到其他金屬空氣電池體系，并且有望應(yīng)用于柔性和可穿戴電子設(shè)備上。Multidimensional Ordered Bifunctional Air Electrode Enables FlashReactants Shuttling for High-Energy Flexible Zn-Air Batteries. Adv. EnergyMater. 2019, DOI: 10.1002/aenm.201900911https://onlinelibrary./doi/full/10.1002/aenm.2019009112. Adv. Energy Mater.: 電子調(diào)控FexNi-FeOy-N 摻雜碳三相界面結(jié)構(gòu)助力鋅空氣電池氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）在金屬-空氣電池空氣陰極中扮演至關(guān)重要的角色，直接決定電池性能的好壞。然而，催化劑表面的ORR和OER反應(yīng)動力學(xué)過程十分緩慢，需要高效、穩(wěn)定電催化劑來降低反應(yīng)過電勢，從而實現(xiàn)化學(xué)能和電能的快速、高效轉(zhuǎn)換。通常，非均相電催化反應(yīng)的活性在很大程度上取決于催化劑的表面/界面性質(zhì)，這不僅決定了對中間體的吸附強度，而且還影響了電荷和傳質(zhì)行為。據(jù)報道，由于激活惰性表面碳的電子滲透效應(yīng)，對碳/金屬界面的調(diào)控可以顯著改善電催化劑的內(nèi)在活性。鑒于此，對多相催化劑界面結(jié)構(gòu)的合理調(diào)節(jié)被認為是提高固有電催化活性的一種很有效的方法。例如，金屬/金屬氧化物和氧化物/氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于在界面上發(fā)生強烈的電子相互作用而調(diào)節(jié)了中間體和催化劑之間的結(jié)合強度，從而大大提高了其ORR / OER催化性能。盡管這方面已經(jīng)取得了長足的進步，但仍然存在以下幾個問題：i）金屬氧化物導(dǎo)電性差，完全阻礙了其固有活性的釋放；ii）單一催化劑同時實現(xiàn)良好的ORR和OER性能仍然很困難，這可能是由于難以平衡不同反應(yīng)方向的吸附-解吸動力學(xué)所致；iii）需要很好地保持界面組件之間的緊密接觸，以確保結(jié)構(gòu)和催化穩(wěn)定性；iv）缺乏洞察力和有效的策略，無法在原子水平上實現(xiàn)精確和可控的界面規(guī)定。因此，對界面結(jié)構(gòu)進行原子級可控的調(diào)控，以提高其固有活性，電子電導(dǎo)率和催化穩(wěn)定性，以及對潛在機理的深入了解具有極其重要的意義。 近日，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授課題組和溫州大學(xué)王舜教授課題組開發(fā)了一種新穎的電子調(diào)控策略，以精確控制FeXNi合金-Fe氧化物-氮摻雜的石墨碳（FexNi-FeOy-NC）三相界面結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)良好的電子導(dǎo)電率，位點密度和界面電子相互作用。該工作通過簡單的Ni摻雜調(diào)節(jié)Fe的氧化度，從而在催化劑暴露的表面區(qū)域形成可調(diào)節(jié)的FeOy活性表面層，從而平衡電導(dǎo)率和暴露的位點密度，以保證內(nèi)在活性的充分表達并提高活性位點的利用率。此外，界面發(fā)生的電子相互作用可以協(xié)同促進內(nèi)在活動。所制備的Fe2Ni@NC催化劑ORR的半波電位為0.89 V，電流密度為10 mA cm-2時OER的過電位僅為0.308V，其性能超過了商業(yè)化的Pt/C+ Ir/C貴金屬催化劑和大多數(shù)已報道的非貴金屬催化劑。鋅空氣電池測試結(jié)果顯示，在充放電過程中可實現(xiàn)0.742V的低壓差，且500次循環(huán)后的活性衰減可忽略不計，這表明它在實際的鋅空氣電池中具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，這個工作給我們提供了一種新穎的思路來調(diào)控異質(zhì)結(jié)材料的界面結(jié)構(gòu)，對設(shè)計雙功能異質(zhì)結(jié)催化劑具有重要的借鑒意義。A Triphasic Bifunctional Oxygen Electrocatalyst with Tunable andSynergetic Interfacial Structure for Rechargeable Zn-Air Batteries. Adv. EnergyMater. 2019, 1903003. DOI:10.1002/aenm.201903003https:///10.1002/aenm.2019030033. ACS Nano: “瓶中船”納米結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)高效穩(wěn)定的雙功能催化劑助力超長持久的鋅空氣電池空氣陰極中雙功能氧電催化劑的耐久性差，是限制金屬空氣電池廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。近年來，非貴金屬-碳復(fù)合材料普遍被廣泛報道為極具潛力的高性能鋅空氣電池的電極材料，其合成策略主要包括金屬沉積在碳基載體上或者原位沉積在碳涂層上。然而，前一種方法無法有效地固定金屬納米顆粒，并無法控制它們在合成甚至催化反應(yīng)過程中的生長，可能會導(dǎo)致納米顆粒的損失或聚集，從而降低其電催化性能和耐久性。雖然后一種方法可以為金屬基顆粒形成一個碳包裹的立體密閉空間，但是其通常缺乏較高且均勻的孔隙度，不利于傳質(zhì)；并且，碳涂層的厚度很難保證均勻且一致，不能有效控制催化劑顆粒尺寸以及結(jié)構(gòu)的變化，所以催化劑的活性和穩(wěn)定性受到限制。此外，對碳基載體進行雜原子摻雜修飾，不僅能夠調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，改善電子的傳輸能力，形成的碳缺陷還可以增強氧氣吸附能力并提高氧電催化活性。因此，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與缺陷工程相結(jié)合對提高雙功能電催化劑活性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。 鑒于此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授團隊設(shè)計了一種新穎的“瓶中船”納米結(jié)構(gòu)，使二硫化鈷（CoS2）納米顆粒原位限域生長在含有缺陷的碳孔中，每一個碳孔形成一個納米反應(yīng)器為氧電催化反應(yīng)（ORR 和 OER）提供有效的立體空間。該結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下優(yōu)勢：1）由于碳孔的空間限域作用，CoS2 的成核及生長被控制，不僅抑制納米顆粒過度生長從而提供一個高的活性比表面積和暴露更多的催化位點，而且有效地阻止納米顆粒在催化反應(yīng)過程中發(fā)生團聚。2）相互連接且貫通的多孔碳骨架形成了一個 3D 導(dǎo)電納米反應(yīng)器，為電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)傳輸提供快速通道，加速催化反應(yīng)動力學(xué)。3）硫摻雜所形成富含缺陷的界面和 C-S 化學(xué)鍵合的協(xié)同作用，有助于增強催化活性并加強對 CoS2 納米顆粒的固定。使用這種催化劑所制備的可充鋅空氣電池，在 25mA cm-2 高電流密度下充放電循環(huán)可長達 340 小時，且每圈充放電循環(huán)的電壓僅損失0.039 mV。更重要的是，在3500 圈 CV 循環(huán)后，CoS2/SKJ 的催化活性沒有明顯的衰減，其穩(wěn)定性遠勝過貴金屬催化劑。“Ship in a Bottle” Design of Highly Efficient BifunctionalElectrocatalysts for Long-Lasting Rechargeable Zn–Air Batteries, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.9b02315https://pubs./doi/10.1021/acsnano.9b023154.Energy Environ. Sci.：管/塊串聯(lián)納米復(fù)合正極材料用于高負載和低電解液用量鋰硫電池作為極具潛力的下一代高能量密度電池體系，鋰硫電池的研究和開發(fā)吸引了大家的廣泛關(guān)注，并已經(jīng)取得了極大的進展。然而，鋰硫電池的實際化實用仍面臨著一系列的阻礙：（i）聚合物粘合劑的使用會阻礙電極內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移，同時在電化學(xué)反應(yīng)過程中隨著活性物質(zhì)的溶解會導(dǎo)致導(dǎo)電接觸點的損失以及電極結(jié)構(gòu)的坍塌;（ii）液態(tài)構(gòu)型中的硫電化學(xué)強烈依賴于電極表面上固態(tài)和液態(tài)硫物種之間的相變，這需要足夠的電極/電解質(zhì)界面以進行充分的硫氧化還原反應(yīng);（iii）中間多硫化物在電解質(zhì)中的溶解和穿梭行為會導(dǎo)致嚴重的硫損失和陽極副反應(yīng)產(chǎn)生。此外，Li-S電池系統(tǒng)的能量密度取決于電極和電解質(zhì)之間的協(xié)同作用。 硫含量不足和電解質(zhì)的過量使用均會嚴重損害系統(tǒng)水平的能量密度，并且很難滿足實際應(yīng)用的需求。因此，設(shè)計具備良好導(dǎo)電性的自支撐電極，結(jié)合合理的孔結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)硫的高負載和電解質(zhì)的低用量，是在系統(tǒng)水平上提高鋰硫電池能量密度和循環(huán)壽命的有效途經(jīng)。 鑒于此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授和華中科技大學(xué)王得麗教授團隊，結(jié)合靜電紡絲和化學(xué)氣相沉積技術(shù)，構(gòu)筑了具有三維多孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自支撐“管/塊”復(fù)合薄膜。該復(fù)合物薄膜中PAN轉(zhuǎn)化的碳纖維骨架為電極提供了連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，ZIF-67衍生的多孔碳立方豐富了整個電極的多孔結(jié)構(gòu)，為活性物質(zhì)提供有效的物理束縛，并為硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供大量的活性界面；同時，N和Co的雜原子摻雜可以為多硫化物提供有效的化學(xué)吸附，進一步減少活性物質(zhì)損失并抑制穿梭效應(yīng)。此外，碳骨架上通過化學(xué)氣相沉積生長的N摻雜CNTs，進一步豐富和增強了連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電子離子的快速傳輸，并提供額外的吸附作用和增強了電極的機械穩(wěn)定性。這些優(yōu)勢使得復(fù)合薄膜具備良好的電導(dǎo)率和優(yōu)異的固硫作用，能夠?qū)崿F(xiàn)13.5mg cm-2的高硫載量和E/S=3的低電解液用量（E/S：電解液/硫載量，mL/g）。同時，該復(fù)合薄膜電極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1C的倍率下可穩(wěn)定循環(huán)2000次，每圈的容量損失率僅為0.016%，體系能量密度高達348.8Whkg-1。Stringed “tube on cube” nanohybrids as compact cathode matrix forhigh-loading and lean-electrolyte lithium–sulfur batteries. Energy Environ.Sci., 2018 , 11, 2372-2381. DOI: 10.1039/C8EE01377B.https://pubs./en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01377b#!divAbstract5. Nat. Commun.：利用Li3PS4有效激活Li2S正極Li2S不僅可以提供鋰離子源，還可以減輕硫電極的體積膨脹問題，被認為是極具潛力的鋰硫或硫基鋰離子電池正極材料。然而，由于其晶體內(nèi)的強離子鍵和形成溶劑化多硫化物的高成核勢壘，Li2S正極在首次充電過程中呈現(xiàn)出非常高的初始活化勢壘（> 4.2 V vs.Li+/Li），這使得電池的比容量低和電解質(zhì)分解，從而導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差。為解決這個問題，研究人員通常采用以下兩種策略：1）精心設(shè)計納米尺寸的Li2S復(fù)合材料；2）在電解質(zhì)中添加預(yù)溶劑化的氧化還原介體。盡管這兩種策略都顯著降低了電池的過電勢并實現(xiàn)整體性能的提高，但它們也具有明顯的缺點。比如，Li2S復(fù)合材料通常需要高溫合成；加入電解質(zhì)中的可溶性氧化還原介質(zhì)將導(dǎo)致嚴重的內(nèi)部穿梭；如果電池在組裝后沒有立即充電，使用預(yù)溶劑化的氧化還原介體可能會降低有效性。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的理想解決方案是，使用最初處于休眠狀態(tài)的氧化還原介體，該介體在電解質(zhì)濕潤過程中保持非活性，在低質(zhì)量比時有效，與電解質(zhì)分離，從而不受電解質(zhì)體積的影響，并且僅在首次充電時才激活已啟動。鑒于此，滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授與河南師范大學(xué)白正宇教授以及阿貢國家實驗室陸俊教授合作，作者利用固態(tài)Li3PS4（硫代磷酸鋰（LPS））用作氧化還原介體發(fā)生器，LPS的氧化分解作為一種電化學(xué)“開啟”用于活化商用Li2S，降低其首次充電過電位。重要的是，無需球磨或高能處理，通過簡單的手工制作含有LPS的Li2S，其充電過電位顯著降低。EIS和XANES測試表明在充電開始時LPS分解消失，隨后形成硫的高電阻材料。這表明LPS產(chǎn)生的氧化還原介體在Li2S首次充電過程中具有催化作用，即LPS最初脫鋰產(chǎn)生了可溶性氧化還原活性產(chǎn)物，活化Li2S。Electrochemically primed functional redox mediator generator fromthe decomposition of solid state electrolyte, Nat. Commun., 2019, DOI:10.1038/s41467-019-09638-4https://www./articles/s41467-019-09638-46. Adv. Energy Mater.: 缺陷和形貌調(diào)控策略協(xié)同增強鋰硫電池性能目前，鋰-硫(Li-S)電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用一直受到其中間體多硫化鋰(LPS)的溶解和穿梭行為以及循環(huán)過程中體積膨脹效應(yīng)等棘手問題的限制。由于具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定性以及較強的LPS吸附效果，Co3O4被認為是極具潛力的硫固定劑，吸引了人們的廣泛關(guān)注。然而，Co3O4顆粒相對較差的電子和離子傳導(dǎo)性能以及較低的催化活性極大地阻礙了其進一步應(yīng)用。缺陷工程和形態(tài)設(shè)計被認為是改善上述問題的有效策略。離子缺陷能夠調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，使其具有良好的物理和電化學(xué)性能，從而影響電子和離子傳輸?shù)哪芗壱约翱尚揎椥?。此外形成的缺陷具有很強的LPS吸附能力并提高催化活性。同時，形貌調(diào)控可通過縮短LPS擴散途徑以及提供良好的離子/電子傳導(dǎo)能力對硫的氧化還原動力學(xué)行為產(chǎn)生重要影響。盡管缺陷工程已成功應(yīng)用于其他化學(xué)領(lǐng)域，但將其用于改善硫電化學(xué)的動力學(xué)過程和硫吸附能力的研究寥寥無幾。鑒于此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授團隊提出了一種缺陷工程和形貌調(diào)控的協(xié)同策略，設(shè)計并合成了高度無序的尖晶石鎳鈷氧化物雙殼微球(NCO-HS)。該NCO-HS由高度缺陷的尖晶石NiCo2O4-x組成，在八面體位上具有豐富的氧空位。原位引入的鎳離子摻雜和豐富的氧缺陷使NCO-HS的電子導(dǎo)電性大大提高，并改變了與LPS的化學(xué)相互作用，從而實現(xiàn)了出色的固硫效果。此外，高度多孔的雙殼結(jié)構(gòu)縮短了離子轉(zhuǎn)移距離，使硫分布均勻，提供了豐富的活性界面并緩沖了體積變化。當(dāng)將其用作硫宿主材料時，這些優(yōu)勢可實現(xiàn)高硫利用率，快速反應(yīng)動力學(xué)和強固硫限制，從而賦予其出色的電池性能，800次循環(huán)后仍然具有良好的穩(wěn)定性，每次循環(huán)的容量損失率只有0.045%，并且在高硫負載量下仍具有6.3 mAh cm-2的面積容量。Synergistic Engineering of Defects and Architecture in Binary MetalChalcogenide toward Fast and Reliable Lithium–Sulfur Batteries (Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201900228)https://onlinelibrary./doi/10.1002/aenm.2019002287. Adv. Mater.: 低帶隙硒化銻半導(dǎo)體改性隔膜助力高性能鋰硫電池隔膜改性已經(jīng)發(fā)展為一種抑制多硫化物穿梭，提高鋰硫電池性能的有效策略。通過對隔膜進行改性，將中間產(chǎn)物多硫化鋰盡可能地限制在硫正極一側(cè)，減少其與鋰負極的直接接觸，能夠抑制穿梭效應(yīng)。目前，隔膜改性研究主要集中于在隔膜表面均勻涂覆一層高電導(dǎo)率的多孔碳材料、納米金屬氧化物/硫化物及其復(fù)合材料，通過對多硫化鋰的物理和化學(xué)雙重吸附，達到抑制多硫化鋰穿梭效應(yīng)的目的。雖然該策略在穩(wěn)定鋰硫電池中的硫電化學(xué)和提高硫利用率等方面取得長足的進步，但多硫化鋰的轉(zhuǎn)化仍然受到其固有的緩慢動力學(xué)和氧化物/硫化物電導(dǎo)率低的限制。有效的解決方案是，通過引入具有催化活性和缺陷設(shè)計的材料，可以加速多硫化鋰的氧化還原反應(yīng)速率，有效地縮短中間產(chǎn)物多硫化鋰的存在時間，避免嚴重的容量衰減，從而提高電化學(xué)性能。鑒于此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士、河北工業(yè)大學(xué)張永光副教授、李敬德副教授共同開發(fā)了一種分層復(fù)合材料，還原氧化石墨烯包裹富含缺陷的Sb2Se3-x納米棒組裝的微球Sb2Se3-x/rGO，并首次將其引入到鋰硫電池中。作者采用噴霧干燥工藝構(gòu)建了具有穩(wěn)健完整性和長距離電荷轉(zhuǎn)移路徑的分層結(jié)構(gòu)，而隨后的化學(xué)還原和快速熱沖擊將大量的硒空位（VSe）引入到Sb2Se3-x/rGO復(fù)合物中。一系列工程和計算結(jié)果證明，缺陷工程不僅提高了Sb2Se3-x的導(dǎo)電性，而且還增強了其對LiPSs的化學(xué)吸附。此外，這種缺陷設(shè)計還顯著促進了LiPSs轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而實現(xiàn)了集導(dǎo)電，吸附和催化三位一體的防止多硫化物穿梭的屏障，以及快速而持久的硫電化學(xué)。Sb2Se3-x/rGO改性隔膜組裝的鋰硫電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能（8.0 C），良好的循環(huán)穩(wěn)定性（衰減容量率僅為0.027%每圈），并且在高硫負載量（8.1 mg cm-2）下仍具有7.46 mAh cm-2的面積容量。Low-Bandgap Se-Deficient Antimony Selenide as a MultifunctionalPolysulfide Barrier toward High-Performance Lithium-Sulfur Batteries, Adv.Mater., 2019, 1904876. DOI: 10.1002/adma.201904876https://onlinelibrary./doi/full/10.1002/adma.2019048768. Nano Energy: 垂直生長的多功能碳納米纖維觸須助力高性能鋰硫電池鋰硫電池的進一步發(fā)展一直受到多硫化物的溶解和遷移（即“穿梭效應(yīng)”），充放電時體積變化大等問題的制約。雜原子(如N，S，P)摻雜碳材料及其與極性金屬氧化物/硫化物的復(fù)合材料被證實可用于化學(xué)捕集多硫化物（LiPS）。同時，碳材料很容易設(shè)計孔隙結(jié)構(gòu)用于物理上束縛和限制多硫化物的穿梭。此外，極性的金屬元素具有優(yōu)異的吸附和電催化性能，有效的阻止多硫化物的擴散同時快速的催化其轉(zhuǎn)化。雖然這種物理和化學(xué)吸附多硫化物的組合顯示出了穩(wěn)定的硫電化學(xué)并提高鋰硫電池的能量效率，但是建立符合該概念的高效LiPS隔離層仍然具有挑戰(zhàn)性，需要在材料層面進行合理的設(shè)計。鑒于此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士與河北工業(yè)大學(xué)張永光副教授、李敬德副教授合作開發(fā)了一種精心設(shè)計的層間結(jié)構(gòu)，分層纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和多個吸附/催化位點的多硫化物屏障碳纖維材料。其中，碳納米纖維(CNF)觸須垂直生長在自支撐的碳纖維(CF)基體上，從而確保了短程和長程導(dǎo)電，并有效暴露硫的氧化還原反應(yīng)活性中心。同時，ZIF-67的熱解使夾層具有豐富的N摻雜、“M(Co，Ni)-N-C”異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超細雙金屬顆粒，它們被分割為多個吸附和電催化位點，有效地吸附和催化多硫化物的轉(zhuǎn)化。歸功于這些優(yōu)勢，該分層設(shè)計構(gòu)建了一個捕獲并重新利用多硫化物的物理與化學(xué)屏障，從而顯著提高了電池的電化學(xué)性能。所制備的電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，1000次循環(huán)后容量保持率高達82.4%，而且在高硫負載下的面積容量仍然有7.04 mAh cm-2。Vertically rootingmultifunctional tentacles on carbon scaffoldas efficient polysulfide barriertoward superior lithium-sulfur batteries, Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.103905https://www./science/article/abs/pii/S2211285519306123 9.Nat. Commun.: 鋰離子電池轉(zhuǎn)化型電極材料的相轉(zhuǎn)變目前，鋰離子電池技術(shù)主要是通過使用插層型電極材料實現(xiàn)，如石墨陽極和含鋰過渡金屬氧化物陰極。這些材料的儲鋰能力取決于其化學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)，這大大限制了這些化合物的能量密度。與插層型材料相比，使用轉(zhuǎn)化型電極材料（如金屬氧化物，硫化物和氟化物等）的電池表現(xiàn)出更高的能量存儲密度，因為轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以與更多的鋰離子締合，從而大大提高容量。然而，轉(zhuǎn)化型電極材料的整體性能仍無法與嵌入型電極媲美。這普遍被認為是轉(zhuǎn)化型化合物在循環(huán)過程中不可避免的體積膨脹，導(dǎo)致活性材料與集流體之間接觸破壞或者固態(tài)電解質(zhì)中間相界面破裂造成的。但是有報告指出，上述的容量損失也與倍率有關(guān)，在較低的電流密度下容量損失較輕，這說明前面提到的容量衰減機制不能完全解釋轉(zhuǎn)化型化合物長期穩(wěn)定性差的原因。另外，從結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)化型電極的晶體結(jié)構(gòu)在初始循環(huán)中經(jīng)歷了完全的分解和重排，而且在隨后的鋰化/去鋰化期間電極材料的結(jié)構(gòu)演變經(jīng)歷了與初始反應(yīng)不同的途徑。也就是說，目前報道的從初始放電/充電推斷出的結(jié)構(gòu)性理解也不能直接解釋轉(zhuǎn)化型材料的循環(huán)性能。長循環(huán)下，不同的局部環(huán)境如應(yīng)變、缺陷和其他微觀因素等可能會導(dǎo)致電化學(xué)性能發(fā)生變化。迄今為止，轉(zhuǎn)化型化合物中容量衰減的的機理仍不清楚。 為探究上述問題，加拿大滑鐵盧大學(xué)的陳忠偉教授、布魯克海文實驗室的蘇東研究員以及阿貢國家實驗室的Zhou Hua教授合作利用同步輻射X射線吸收光譜和原位透射顯微鏡等技術(shù)對鐵氧化物在整個1-100次循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)變化進行了詳細的研究。研究發(fā)現(xiàn)，與目前的理解不同，容量損失不是由于接觸和機械故障，而是由于Li2O鈍化層在循環(huán)過程中不斷累加。在100個循環(huán)之后，在電極材料上沒有觀察到氧化還原反應(yīng)，因為鈍化層阻礙了電子向活性電極材料的擴散路徑。累積的內(nèi)部鈍化相和表面層的過度循環(huán)對電子輸運形成了一個速率限制擴散屏障，這才是導(dǎo)致容量退化和倍率性能下降的原因。該工作直接將性能與循環(huán)電極材料的微觀相演變聯(lián)系起來，并為設(shè)計應(yīng)用的轉(zhuǎn)換型電極材料提供了見解。Phase evolution of conversion-type electrode for lithium ionbatteries. Nat Commun. 10, 2224 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-09931-2https://www./articles/s41467-019-09931-210. Energy Storage Materials: 聚酰亞胺封裝設(shè)計助力高性能鈉離子電池P2型層狀陰極層狀過渡金屬氧化物被廣泛認為是有希望實用化的鈉離子電池陰極材料，根據(jù)鈉離子在過渡金屬層間的占據(jù)位點以及氧層排列方式不同，按晶體結(jié)構(gòu)主要分為兩類：鈉離子占據(jù)三棱柱位點的P2型和鈉離子占據(jù)八面體位點的O3型。與O3型層狀材料相比，P2型層狀正極具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)可逆性。這是由于P2結(jié)構(gòu)中Na和O形成棱柱型（prismatic）配位，這種配位方式比O3結(jié)構(gòu)中的Na-O6八面體配位具有更大的Na離子通道，更低的離子遷移勢壘，有利于Na離子的反復(fù)脫嵌。同時，P2型陰極材料在充放電過程中一般不會發(fā)生相變，只存在晶胞的微小收縮和膨脹，其結(jié)構(gòu)中的氧層不會發(fā)生滑移，所以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。然而，由于復(fù)雜的相變反應(yīng)和充電/放電過程中活性物質(zhì)的溶解，P2型陰極面臨著容量迅速衰減和倍率性能差等問題，這嚴重限制了它們的實際應(yīng)用。特別是在高截止電壓超過4.3V時，P2型層狀陰極會發(fā)生劇烈的體積變化，大大影響其循環(huán)穩(wěn)定性能。因此，開發(fā)和設(shè)計一種在高電壓下穩(wěn)定P2型層狀陰極材料的策略對制備高能量密度的鈉離子電池具有重要的意義。加拿大滑鐵盧大學(xué)的陳忠偉院士和河南師范大學(xué)的楊林教授團隊，匠心獨運地在P2型層狀Na2/3（Mn0.54Ni0.13Co0.13）O2（NNMC）陰極表面設(shè)計了一種新穎的離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)保護層，即用聚酰亞胺（PI）封裝NNMC的策略。PI的封裝設(shè)計不僅可以增加陰極的穩(wěn)定性，而且可以在活性材料上形成連續(xù)的離子導(dǎo)電涂層。與氧化鋁涂層修飾的層狀陰極相比，PI封裝的NNMC陰極表現(xiàn)出更優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能。在5C的倍率下，循環(huán)500次的容量保留率高達70%。這主要歸功于PI封裝后Mn的價態(tài)由Mn4+轉(zhuǎn)變?yōu)镸n3+），大大有利于極化子的遷移，從而提高其倍率性能。此外，PI涂層也有效緩解了NNMC與酸性電解質(zhì)之間的界面放熱反應(yīng)。結(jié)果表明，PI離子導(dǎo)電性保護層在促進和穩(wěn)定高壓陰極上的氧化還原反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。該設(shè)計方案對制造用于電動車輛的大規(guī)模電池組具有重要的指導(dǎo)意義。An ion conductive polyimide encapsulation: New insight andsignificant performance enhancement of sodium based P2 layered cathodes. EnergyStorage Materials 22 (2019) 168–178. DOI: 10.1016/j.ensm.2019.07.010https://www./science/article/pii/S240582971930870011.Adv. Energy Mater.: 邊緣缺陷調(diào)控FeN4活性位點提升燃料電池Fe-N-C催化劑活性 以可再生氫為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種潔凈高效、安全環(huán)保的新型能源技術(shù)，在便攜電源、小型移動電源、車載電源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，PEMFC陰極的氧還原反應(yīng)十分緩慢，需要使用貴金屬鉑作為催化劑，其高昂的成本限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。尋求廉價、高效、穩(wěn)定的非鉑催化劑已成為燃料電池研究的熱點之一。近年來，過渡金屬-氮-碳（M-N-C）材料被廣泛認為是最有希望替代鉑催化劑的候選材料，其碳基質(zhì)中與相應(yīng)的N配位的金屬原子（稱為MNx部分）可以作為ORR的催化中心。盡管人們在M-N-C 催化劑的研究取得了長足的進步，但通過精確設(shè)計MNx位點來開發(fā)高活性的M-N-C催化劑仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。此外，高溫?zé)峤膺^程會導(dǎo)致大量的活性或惰性金屬基團（例如金屬鐵，碳化鐵，鐵氧化物和硫化物）團聚，甚至導(dǎo)致MNx部分失活。因此，使用合理的設(shè)計策略增加MNx位點的比例，并提高其固有催化活性對于提高催化效率至關(guān)重要。鑒于此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士、河南師范大學(xué)白正宇副教授團隊、美國布魯克海文國家實驗室蘇東研究員聯(lián)合報道了一種新穎的利用邊緣缺陷操控活性位點來提高ORR活性的策略。通過簡單的氯化銨鹽輔助方法，對FeN4位點進行缺陷工程設(shè)計，在類似石墨烯的多孔支架中生成高比例的FeN4位點。該方法不僅能有效增加催化劑中FeN4活性位點的數(shù)量，同時還能提升它們的本征活性和利用率，從而達到提高氧還原催化性能的目的。理論計算表明，具有相鄰孔缺陷的FeN4部分比無缺陷的結(jié)構(gòu)更具活性。此外，該方法制備的Fe-N-C催化劑還富含大量孔隙結(jié)構(gòu)，能大力減少空氣在陰極的傳質(zhì)阻力，可使PEMFC具有更高的功率密度。在實際的氫-空氣質(zhì)子交換膜燃料電池中使用時，其功率密度可高達0.43 W cm-2，是迄今為止已報道的最高性能之一。 這項工作為通過邊緣操縱FeN4位點提高ORR活性提供了新途徑。Tailoring FeN4 sites with Edge Enrichment for BoostedOxygen Reduction Performance in Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Adv. EnergyMater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201803737https://onlinelibrary./doi/full/10.1002/aenm.20180373712. Angew. Chem. Int. Ed.：單原子Ir-N-C催化劑高效催化氧還原開發(fā)低成本高活性、穩(wěn)定的氧還原（ORR）電催化劑一直是能源領(lǐng)域研究的熱點和難點。近年來，由于具有最大的金屬利用率，確定的活性位點和可調(diào)控的電子結(jié)構(gòu)，單原子催化劑（SACs）表現(xiàn)出更優(yōu)異的催化活性和選擇性。目前，金屬-氮-碳（M-N-C）結(jié)構(gòu)的單原子催化劑被廣泛研究用作ORR催化劑并取得了重大的進展，但是其性能仍然難與商業(yè)Pt/C催化劑性能相媲美。更重要的是，到目前為止對這類型催化劑的催化機制的研究現(xiàn)階段還不夠深入，不利于進一步理性設(shè)計，調(diào)控其催化性能。因此，開發(fā)新型的M-N-C單原子催化劑，深入研究構(gòu)效關(guān)系和作用機制，對推動燃料電池的發(fā)展以及指導(dǎo)高效催化劑的設(shè)計具有重大的意義。鑒于此，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士課題組聯(lián)合溫州大學(xué)王舜教授課題組與美國布魯克海文國家實驗室蘇東博士課題組、美國阿貢國家實驗室吳天品博士課題組合作，基于理論計算指導(dǎo)，設(shè)計并制備了一種均勻分散的單原子Ir-N-C（命名為Ir-SAC）高效氧還原催化劑。HAADF-STEM和XAFS表征驗證了了Ir的單原子分散，與四個N原子及1個O原子結(jié)合配位形成穩(wěn)定的Ir-N4-O結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試表明，Ir-SAC在酸性條件下表現(xiàn)出十分優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，其半波電位高達0.864 V，循環(huán)5000圈后活性幾乎沒有衰減。值得注意的是，該催化劑的質(zhì)量活性高達12.2 A mg-1，轉(zhuǎn)化頻率（TOF）也達到了 24.3 e- site-1 s-1，遠高于文獻報道的其他單原子催化劑以及商業(yè)Pt/C催化劑。DFT計算結(jié)果表明，Ir-N4的特定結(jié)構(gòu)改變了Ir的電子結(jié)構(gòu)，使得ORR中間物種在Ir的吸附能適中，從而使其具有最優(yōu)的催化性能。該研究不僅提供了一種新型高效的ORR催化劑，同時也揭示了配位環(huán)境-電子結(jié)構(gòu)-催化活性之間的內(nèi)在聯(lián)系，對其他電催化催化劑的合成制備與機理探討具有重要的指導(dǎo)意義。A Single-Atom Iridium Heterogeneous Catalyst in Oxygen Reduction Reaction.Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201905241.https://onlinelibrary./doi/full/10.1002/anie.201905241除此以外，陳忠偉教授團隊2019年在CO2捕集、電催化、膜分離、鋰離子和鈉離子電池層狀電極材料等領(lǐng)域取得了一系列成果，由于內(nèi)容較多，在此不一一列舉，感興趣的讀者可前往陳忠偉院士課題組網(wǎng)站學(xué)習(xí)。http://chemeng./zchen/index.html陳忠偉，加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)化學(xué)工程系教授，滑鐵盧大學(xué)電化學(xué)能源中心主任，加拿大國家首席科學(xué)家(CRC-Tier 1), 國際電化學(xué)能源科學(xué)院副主席，加拿大最年輕的兩院院士。陳忠偉院士帶領(lǐng)一支約70人的研究團隊，常年致力于燃料電池，金屬空氣電池，鋰離子電池，鋰硫電池，鋰硅電池，液流電池等儲能器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。近年來已在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Journalof the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition,Advanced Materials, Energy & Environmental Science, ACS Nano等國際頂級期刊發(fā)表論文270余篇。目前為止，文章已引用次數(shù)達20000余次, H-index 指數(shù)為73，并擔(dān)任ACS Applied & Material Interfaces副主編。
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