能源與材料化學

吳凱，張國俊

1北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

2國家自然科學基金委員會化學科學部，北京 100085

能源與材料化學關乎人類的社會生活與文明進步。材料化學是推動人類文明的物質基礎，而能源化學則是人類社會活動的動力來源。隨著納米科學與技術的飛速發展，人們已經可以合成出種類繁多、性能各異的材料。從物理學角度來說，材料的成份和結構一俟確定，該體系的薛定諤方程求解就給出了其物理和化學性質。這些基本性質無外乎熱、光、電、磁等諸多方面。限于材料成份與結構的復雜性，人們對于材料控制合成背后的基本科學原理認識依然有限，而在原子和分子層次上揭示這些材料的成份-結構-性能關系則面臨著巨大挑戰。

國家自然科學基金委化學科學部于2019年12月在廣州組織了“第一屆能源化學青年學者學術交流研討會”。會后，我們醞釀在《物理化學學報》上出版一期“能源與材料化學專刊”。能源化學和材料化學是兩大研究領域，顯然一期特刊不可能涉及這兩個領域的方方面面。為此，我們邀請了從事能源與材料化學研究的部分與會學者介紹他們近年來在相關領域的研究進展，主要涉及低維材料的控制合成及其在鋰電池、氫能源、化學能源以及碳中和等方面的應用。希望這些研究能夠引起廣大讀者的濃厚興趣。本期共收錄論文11篇，包括通訊、論文和綜述三大類。現予刊發，以饗讀者。

鋰金屬是具有超高理論容量和低氧化還原電位的最具前途負極材料之一。針對鋰枝晶生長和“死鋰”等問題，吳忠帥等人1采用石墨烯負載的氧配位鈷單原子(Co-O-G SA)作為鋰沉積載體調節鋰的成核和生長。在對稱電池中，Co-O-G SA鋰負極(Co-O-G SA/Li)在1 mA·cm-2的電流密度下，電壓穩定在18 mV，壽命達到780 h；利用硫正極組裝的全電池在0.5C條件下獲得1002 mAh·g-1的比容量，1000次循環后的容量衰減率僅為0.036%。該工作為實現無枝晶鋰負極提供了重要參考。

質子可滲透單層石墨烯，其它原子和分子則不可。針對文獻報道的催化活化石墨烯膜質子傳輸的光效應問題，宮建茹等人2發現入射光激發的熱電子在與透過石墨烯的質子反應之前已馳豫到較低能態；當金屬與石墨烯強烈作用時，電子被俘獲在正極附近。光照射時，這些電子被激發到亞穩激發態，壽命更長。據此，作者提出質子通過催化活化石墨烯膜的巨大光效應歸因于較長壽命的熱載流子和快速的質子傳輸速率。該研究提出了催化劑在提高光(電)催化反應效率的一種新微觀機制。

如何消弭固態電解質和電極活性物質間的界面問題是提升固態電池電化學性能的關鍵之所在。為此，王家鈞等人3總結了固態電池界面研究所面臨的挑戰、改善策略和表征方法，展望了固態電池發展中的關鍵方向與趨勢。

二維材料層間弱結合的特性為人們利用范德華間隙來調控體系性能提供了可能性。宮勇吉等人4綜述了插層法改變層間距和層間耦合的研究進展，系統闡述了二維材料范德華間隙的調控方法及該類材料的性能和應用的影響。

黃佳琪等人5總結了固體電解質界面(SEI)的研究進展，介紹了SEI在初次充放電階段對電位的依賴性、形成機理、結構與化學組成、鋰離子的傳導機制、以及界面膜的影響因素和調控策略，最后對SEI的未來研究進行了展望。

鋰離子電池的正極材料晶格會與局域分布的電子耦合將形成極化子，導致其導電性差。鄭家新、潘鋒等人6從理論出發，介紹了極化子的基本物理概念，綜述了極化子的理論計算判別方法，總結了極化子對常見類型正極材料導電性能的影響與調控，指出了當前研究中存在的一些理論難題，并從理論和應用兩方面對正極材料的極化子研究進行了展望。

很顯然，高比能和高穩定正極材料是鋰離子電池研究的重點，事關其穩定性和安全性。曹安民等人7對影響正極材料結構穩定性和電化學穩定性等諸多因素進行了梳理分析，再從目前改善材料結構穩定性的有效策略入手，對表面限域摻雜這一特殊穩定策略的實現途徑、穩定機制進行了總結和分析，并結合現有不同表面修飾方法進行分析和評述，對高比能正極穩定性提升的可能策略及方向進行了展望。

丁煒、魏子棟等人8綜述了利用原子和分子尺度限域特性對電催化劑的分子構型、配位結構、電荷轉移填充、介觀調控、催化劑表面能量場的調控機制與方法，以及在燃料電池和物質能源轉換中的應用，并對未來發展方向進行了展望。

在金屬有機氫化物儲氫材料方面，何騰、Hui Wu等人9采用球磨法和濕化學法制備了吡咯鋰和吡咯鈉兩種物質，并利用綜合分析技術對材料進行了細致表征。研究發現吡咯鋰為單斜晶系，屬于P21/c(14)空間群，有別于文獻中的理論預測結構。

Fe@SiO2催化劑在甲烷無氧直接轉化生成乙烯的反應中表現出優異的性能，單該反應的分子機理一直不清楚。常春然等人10采用反應力場方法模擬了近反應條件下甲烷無氧直接轉化的氣相機理，發現難以高選擇性地生成乙烯，據此推斷催化劑表面在甲烷活化和轉化過程中起著至關重要的作用。

彭揚、陸永濤等人11以Cu-NBDC MOF為前驅體制備了錨定在氮摻雜多孔碳上的Cu2O/Cu催化劑(Cu2O/Cu@NC)，有效抑制了副反應HER，提高了電還原二氧化碳反應的整體催化活性；隨著Cu-N含量的增加，顯著提高了乙烯和甲烷的選擇性。