能源領域最新進展集錦：單原子催化、鋰硫電池、鈉離子電池、電化學固氮

1.綜述：鈉離子電池

鈉離子電池(Sibs)由于其制造所需資源豐富、成本低、性能與等效鋰電池相似等優點，最近成為大中型固定儲能設備的熱門競爭者之一。然而，其發展也面臨著循環穩定性差、速率性能不令人滿意等挑戰。在傳統電極中，粘結劑通常用于將單個活性物質與導電添加劑結合在一起。不幸的是，粘合劑通常是電化學不活潑和絕緣的，這降低了總的能量密度，導致循環穩定性差。

因此，無粘結劑電極在提高電子導電性和電化學反應可逆性方面為高性能SiB提供了極大的機遇。這份綜述概述了無粘結劑鈉離子電極的最新進展。重點介紹了無粘結劑電極目前面臨的挑戰，并對其在能量轉換和儲存方面的應用前景進行了展望。

文章內容主要包括：

1.無模板法制備無粘結劑電極：基于石墨烯的無粘結劑電極的制備；碳納米管無粘結劑電極的制備；基于碳納米纖維的無粘結劑電極的制備；

2.模板輔助法制備無粘結劑電極：碳布基無粘結劑電極；基于碳紙基材的無粘結劑電極；

3.基于金屬基體的無粘結劑電極：鈦基無粘結劑電極；銅基無粘結劑電極；泡沫鎳(NF)基基底。

原文鏈接：https://onlinelibrary./doi/pdf/10.1002/adma.201806304

02綜述：單原子催化劑

載體上的單金屬原子催化劑以其最大的原子利用率和不飽和的配位環境成為催化劑領域的新前沿。單個金屬原子以其獨特的電子和結構特性，對各種化學反應具有獨特的催化性能。然而，由于單金屬原子催化劑具有較高的表面能和聚集趨勢，因此制備穩定的單金屬原子催化劑具有挑戰性。

本文綜述了近年來報道的單金屬原子的制備方法，重點介紹了如何穩定這些單金屬原子的遷移和聚集。此外，還詳細討論了單個金屬原子的電化學轉化和存儲應用，重點介紹了氧還原反應、氧進化反應、氫進化反應和二氧化碳還原反應，以及它們在電池中的應用。最后，論述了當前該領域發展面臨的挑戰和機遇。

原文鏈接：https://onlinelibrary./doi/10.1002/smtd.201800497

03鋰硫電池

鋰硫電池被認為是最有前途的下一代儲能系統之一。然而，鋰枝晶的形成和鋰多硫化物的穿梭效應嚴重削弱了其電化學性能，阻礙了其實際應用。

本文報道了一種新型的局域高濃度電解質，通過在高濃度電解質中加入惰性氟烷基醚來抑制鋰鋰枝晶的形成，使高階多硫化物在電解質中的溶解度降到最低。從而減少了電池中的電解質含量。這種獨特的局部高濃度電解質可獲得99.3%的脫嵌鋰的庫侖效率且完全抑制穿梭效應，從而使硫陰極容量保持在電解質濃度僅為4 5 6g A?1h?1條件下，循環150次循環后容量為775mAhg?1。LHCE降低了多硫化鋰的溶解度，使Li / S電池在貧電解質中實現了超高性能。這種在高濃度電解質中使用惰性稀釋劑的概念可以加速Li-S電池技術的商業化。

原文鏈接：https://onlinelibrary./doi/10.1002/aenm.201803774

04電化學固氮

通過電化學固氮的方法將環境的氮氣轉化為氨氣的關鍵時是設計出能夠用簡單的方法合成的表面缺陷豐富、分散性好、導電性高、比表面積大且催化效率高的電化學催化劑。

受MXene含有亞穩態邊緣過渡金屬原子的啟發，通過對Ti3C2Tx MXene進行一步乙醇熱處理，在Ti3C2Tx納米片上原位生長了富氧空位TiO2納米粒子。氧空位是NH3合成的主要活性中心。未經處理的高導電性Ti3C2Tx納米片不僅可以促進TiO2納米粒子的電子輸運，而且可以避免TiO2納米粒子的自聚集。同時，TiO2納米粒子的產生也能提高Ti3C2Tx的比表面積。

相應地，制備的電催化劑的氨產率為32 17μg h?1 mg?1 CAT。在0.1mHCl中，?0.55V對可逆氫電極的電催化效率為16.07%，?0.45V時的法拉第效率為16.07%，是最有發展前途的NRR型電催化劑之一。此外，密度泛函理論計算證實了TiO2(101)/Ti3C2Tx和Ti3C2Tx或TiO2(101)的氮氣還原反應的能壘相比最低(0.40 eV)。

原文鏈接：https://onlinelibrary./doi/10.1002/aenm.201803406

05單原子催化劑

單原子催化劑（SAC）旨在彌合均相催化和多相催化之間的差距。所面臨的挑戰是發展具有配體的材料，使不同價態的金屬原子能夠相互協調，并防止浸出或形成納米粒子。

本文采用用腈基官能化的石墨烯（cyanographene）來穩定配位Cu（II）離子，由于石墨烯誘導的電荷轉移，Cu（II）離子部分還原為Cu（I）。靈感來源于自然界對銅(I)在氧活化酶中的選擇，這種二維混合價單原子催化劑在兩種O2介導的反應中表現完美:胺的氧化偶聯和苯基C-H鍵向高價值藥物合成器的氧化。

在反應中金屬負載很低的情況下，可獲得高轉化率(高達98%)、選擇性(高達99%)和可回收性。Cu(II)和Cu(I)的協同作用是反應機理的重要組成部分。通過與石墨烯的不同官能團的協同作用，該策略為其他單原子催化劑的廣泛應用打開了大門。

原文鏈接：https://onlinelibrary./doi/pdf/10.1002/adma.201900323