摘要：燃料电池的发展有助于促进“双碳”目标的早日实现,但其阴极氧还原反应(ORR)的多步质电耦合传输机制导致其动力学过程缓慢.目前,金属有机框架材料衍生的单原子催化剂(SACs)因具有较高的ORR催化活性而被认为是一种优势燃料电池阴极材料.然而,由于SACs活性位点的外层结构难以精确表征,因此相关催化反应机制尚不明确.鉴于此,本研究着眼第三配位层γN原子对其邻近βC原子位点和活性金属中心的双重影响开展了深入研究.结果表明,不同位置和数量的γN掺杂会改变Fe–N_(4)/C–γN_(x)结构中被取代C位点的电子结构,从而影响邻近金属中心的βC原子电荷分布.同时,这些变化还将通过长程效应间接影响金属中心的电子分布及自旋,从而增强4e−反应路径的ORR性能.更重要的是,电负性增强的βC原子更容易吸附OH基团,因此使得γN掺杂的Fe–N_(4)/C–γN_(x)具备更加优异的碱性环境ORR理论性能.基于以上结果,我们还发现γN调制的βC辅助ORR路径具有比常规4e−反应路径更低的过电势.本研究针对决速步的波函数分析促进了从电子层次对该反应作用机制的理解,揭示了该类单原子催化剂中γN位点精确设计和表征的重要意义.

摘要：水系锌离子电池由于具有安全性高、成本低的特点,在柔性储能领域得到广泛关注.然而,传统柔性水系锌离子电池处于零下温度时,由于其电解质的凝固,电池容量会发生严重衰减.此外,当电池承受大幅度的形变后,其外包装易发生破损,造成电解质中水分的挥发,最终导致器件失效.在本文中,我们开发了一种基于聚丙烯酰胺(PAM)和甘油(Gly)的耐低温、保湿凝胶电解质.PAM和Gly与水分子之间的强氢键作用不仅抑制了凝胶电解质在低温时的凝固,而且限制了电解质中自由水的挥发.基于该电解质的柔性水系锌离子电池在-40℃时仍具有优良的电化学性能,并且无封装的电池在30天后仍保持了初始容量的98%.该工作提供了一种设计水系储能器件用耐低温、保湿凝胶电解质的新思路.

摘要：合理设计具有结构和组分优势的氧析出反应(OER)催化剂对电催化能源转换技术至关重要.过渡金属磷化物是较有前景的OER催化剂.将杂原子引入过渡金属磷化物的晶格可以引起晶格畸变和电子密度的重新分布,从而改变电子结构,提高催化性能.在此基础上,本文通过部分硫化和随后的磷化过程,将预先合成的镍铁金属有机框架(NiFe-MOFs)转化为均匀分散在多孔碳基底上的Fe和S取代的Ni_(2)P(Ni–Fe–P–S@C).实验结果和密度泛函理论计算表明,Fe和S的掺入可以调节Ni_(2)P的电子结构,改变反应中间体的吸附自由能,使得Ni–Fe–P–S@C具有良好的OER催化活性和稳定性.值得注意的是,原位形成的部分氧化的表面对改善局部环境并进一步提升催化活性至关重要.本文提出的阴、阳离子取代策略为提高过渡金属基催化剂的电催化性能带来了新的启示.

摘要：水系钾基电池(APBs)因具有高安全性和环境友好的性质而被广泛研究.然而,由于电极材料和工作机制的限制,APBs在倍率性能和能量密度方面需要进一步提高,以满足发展需求.针对上述问题,我们首次成功设计并组装了以Z n金属作为阳极,K1.9 2C u0.6 2M n0.3 8-[Fe(CN)6]0.968·□0.0 3 2·H_(2)O0.35作为阴极,2 mol L-1Zn(SO_(3)CF3)2+12 mol L-1KSO_(3)CF3作为电解液的水系钾基电池.这种混合离子体系的设计优点是:(i)选择金属锌作为阳极,提高了APBs的工作电位;(ii)双阳离子储存机制缩短了离子传输路径;(ⅲ)来自双阳离子电解质的K+通过静电屏蔽作用抑制了锌枝晶的生长.因此,组装后的全电池具有1.75 V的高工作电位,并具有优异的倍率性能(在10,000 mA g-1的电流密度下,保持原有容量的83.3%).此外,通过理论相场模拟和综合表征充分揭示了原位静电屏蔽效应,显著抑制了锌阳极的枝晶生长,提高了全电池稳定性.混合离子电池的结构设计为高性能APBs的发展提供了思路.

摘要：受自然界梯度结构的启发,本文基于体心立方BCC点阵提出两种梯度点阵结构,即单向梯度点阵UGL和双向梯度点阵BGL,以获得特定的力学性能如承载能力和能量吸收能力.文章首先提出理论模型来预测梯度点阵结构在压缩载荷下的初始刚度,并通过准静态压缩试验和有限元模拟对理论模型进行验证.在实验和模拟基础上进一步研究两种结构的变形和破坏机理.结果显示UGL结构表现出逐层破坏模式,避免了均匀结构典型的剪切破坏;BGL结构呈现出对称变形模式失效,始于最薄弱部位.文章最后讨论了能量吸收行为。本研究展示了梯度点阵结构在通过拓扑设计修改荷载传递路径和能量吸收方面的潜在应用前景.

摘要：硫化锑铜(CuSbS_(2))是一种p型半导体,带隙为1.5 eV,同时拥有较大的光吸收系数(>105cm-1),因此在光电催化领域拥有广阔的应用前景.但是目前国内外的研究还缺乏对CuSbS_(2)电子结构以及其如何影响PEC性能的深入理解.为了进一步改善CuSbS_(2)的PEC性能,对其电子结构进行一系列表征分析是非常重要的.本文中,我们利用同步辐射技术揭示了CuSbS_(2)的电子结构.结果表明,CuSbS_(2)的价带(VB)由S 3p和Cu 3d的强杂交态组成,同时Sb 5p/5s也有部分影响.基于以上理论指导,我们设计了一种高质量Cu Sb S_(2)薄膜的制备技术,并使用FTO/CuSbS_(2)/CdS/Pt光电阴极在0.0 V下实现了CuSbS_(2)基材料的高光电流密度(6.3 mA cm^(-2)).

摘要：有机电极具有结构可设计性强、容量大、可容纳大离子等优点.然而,在钠离子电池中,有机电极材料的容量仍然很低,且其在有机电解质中的高溶解度导致其寿命较短.如何通过化合物设计来提高其性能一直是研究人员关注的问题.本研究通过简单方法将氨基酸接枝到有机化合物上,提高了其容量和循环稳定性.首先,氨基酸之间的氢键使其形成更稳定的层状结构;氨基酸基团在有机电极材料和羧甲基纤维素粘合剂之间形成分子间相互作用,降低界面阻力,显著提高循环稳定性,使得钠离子电池循环次数超过2000次.其次,实验和计算结果表明,氨基酸基团提供了Na^(+)转运途径和额外的可逆存储位点,从而提高了比容量(~300 mA h g^(-1)).本策略可以启发未来钠离子电池的有机分子设计.

摘要：光催化氧还原制备过氧化氢具有节能、环保等优点.然而,低活性以及低选择性的问题限制了其实际应用.基于金属离子耦合电子转移机制,本文通过浸渍-煅烧法合成了原子分散的钪路易斯酸位点修饰的氮化碳,光合成过氧化氢速率高达55μmol h^(-1),是氮化碳的6.2倍.光催化性能的提升归因于原子分散钪路易斯酸位点与·O_(2)^(-)结合,提高了O_(2)的得电子能力,减少了·O_(2)^(-)逆反应的发生,促进了氧还原反应进行.密度泛函理论模拟及Koutecky-Levich分析表明,钪原子的引入减少了O–O键的断裂,提高了合成过氧化氢的选择性.本研究提出了一种路易斯酸单金属位点光催化剂设计新概念,可同时提升催化反应活性及选择性.

摘要：The need for reducing the wear in mechanical parts used in the industry makes self-lubricant films one of the sustainable solutions to achieve long-term protection under different environmental *** purpose of this work is to study the influence of C additions on the tribological behavior of a magnetron-sputtered TiN film in air,water,and *** results show that the addition of C into the TiN binary film induced a new amorphous phase,and the films exhibited a dual phase of fcc(face-centered cubic)-TiN and amorphous *** antifriction and wear-resistance properties were enhanced in air and water by adding 19.1at%***,a further increase in the C concentration improved anti-frictional properties but also led to higher wear *** the amorphous phase induced microbatteries and accelerated the corrosion of TiN phases in seawater,the negative abrasion state was detected for all Ti-C-N films due to the adhesion of the tribocorrosion debris on the wear track.

摘要：载体上孤立的Pd原子作为乙炔半加氢反应的催化活性位点,由于具有独特的反应性和高效的金属利用率而备受关注.特别是在金属氧化物表面的不同位点掺杂Pd单原子,可以通过调节其局部配位环境来调控其电子和催化性能.本文采用密度泛函理论计算,研究了TiO_(2)负载Pd单原子的局域配位环境对Pd_(1)/TiO_(2)催化剂上乙炔半加氢反应的活性和选择性的影响.综合考虑反应活性和选择性,发现具有负电荷Pd^(δ-)位点的Pd_(1)Ti_(3)/TiO_(2)四原子单团簇催化剂展现出优异的催化性能.此外,活性和选择性与表面性质如d-带中心指数和表面功函数等密切相关.本文为未来设计可还原氧化物载体上的高效单团簇催化剂以用于类似的多相催化反应提供了理论参考.