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當(dāng)前位置：文庫百科 ? 文章詳情

別刷朋友圈了，快來刷刷EES的“Hot article”吧！

來源：測(cè)試GO 時(shí)間：2021-09-07 13:40:07 瀏覽：4830次

期刊簡介

作為環(huán)境和能源領(lǐng)域的頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊，Energy & Environmental Science（簡稱EES）可謂是“家喻戶曉”，該期刊重點(diǎn)關(guān)注能源的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)、新型燃料技術(shù)以及涉及環(huán)境科學(xué)的相關(guān)研究。收錄主題包括但不限于：太陽能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)、太陽能和人工光合作用、燃料電池、氫存儲(chǔ)和（生物）氫生產(chǎn)、能源系統(tǒng)材料、二氧化碳的捕獲和處理和處置、生物燃料及精煉、極端環(huán)境中的新材料、能源技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響、與能源系統(tǒng)有關(guān)的全球大氣化學(xué)和氣候變化、能源系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)、能源政策和技術(shù)等。

EES為月刊，一年12期，整體年發(fā)文量不大（年發(fā)文量幾乎均小于500篇），這在一定程度上也反映了期刊收錄文章的質(zhì)量。2021年EES的最新影響因子高達(dá)38.532，可見其在能源和環(huán)境領(lǐng)域的地位。

EES期刊設(shè)立了“Recent Hot Articles”主題，通常會(huì)收錄近兩年來的熱點(diǎn)文章（2020年和2021年）（圖1）?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，2021年以來，進(jìn)入該主題的文章總共有12篇，分別涉及鋰離子電池（5篇）、太陽能電池（3篇）、碳中和（2篇）、燃料電池（1篇）和超級(jí)電容器（1篇）。

圖1 EES近期熱點(diǎn)文章主題（2020年和2021年）

為了帶領(lǐng)大家一覽頂刊風(fēng)采，筆者特意選取了EES 2021年的熱點(diǎn)文章主題里的部分研究成果進(jìn)行了解讀，希望能給相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者們帶來一絲啟發(fā)。

2021年熱點(diǎn)文章解讀

1、廢舊鋰離子電池正極材料的綠色回收工藝設(shè)計(jì)

鋰離子電池（LIBs）作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色儲(chǔ)能器件，在很大程度上緩解了當(dāng)今社會(huì)所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問題。過去幾年中，LIBs的飛速發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展。在第一批已淘汰的電動(dòng)汽車中，廢舊LIBs的回收同時(shí)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這些廢舊LIBs具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和潛在的環(huán)境危害。然而，現(xiàn)有的回收工藝尚不完善，仍然存在二次污染、工序復(fù)雜或成本較高等問題，因此亟需針對(duì)鋰離子電池開發(fā)效率高、綠色環(huán)保且操作簡單的可持續(xù)回收工藝。

↓點(diǎn)擊快速預(yù)約TEM測(cè)試↓

有鑒于此，中科院化學(xué)所的萬立駿院士和郭玉國教授團(tuán)隊(duì)[1]設(shè)計(jì)了一種極其簡單但有效且環(huán)保的方法，成功地將廢舊正極材料與鋁箔分離。這種高效的分離方法不僅避免使用有機(jī)溶劑，而且還防止了二次污染。作者對(duì)衰減后的鋰離子電池正極的微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了全面深入的研究，然后提出了一種有針對(duì)性的方法，利用廢舊正極材料表面增加的殘堿僅用純水就能分離活性物質(zhì)和集流體，并結(jié)合了固相燒結(jié)再生，實(shí)現(xiàn)了退役鋰離子電池正極材料的綠色閉環(huán)回收。這樣一種從微觀結(jié)構(gòu)變化出發(fā)進(jìn)行回收工藝設(shè)計(jì)的策略可以為將來更有針對(duì)性的廢舊電池回收提供新的研究思路。

圖2 廢舊電池電極材料的演示過程與表征

2、一種用于制備高性能分層堆積有機(jī)太陽能電池的普適性方法

有機(jī)太陽能電池（OSC）因成本低、重量輕、可柔性制備等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。隨著材料開發(fā)和器件工程的發(fā)展，單結(jié)有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已超過18%。在傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池中，給受體的隨機(jī)相分離嚴(yán)重地影響了薄膜的形貌，從而降低了太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。近年來，將給受體逐層旋涂而制備成分層堆積結(jié)構(gòu)的器件（SD）有利于控制每層薄膜的形貌，達(dá)到平衡的電荷傳輸，以及獲得直接的傳輸通道，從而提升器件的穩(wěn)定性和效率。因此，一系列方法包括真空沉積、薄膜轉(zhuǎn)移和正交溶劑等被用來制備分層的OSC，并取得了顯著的研究進(jìn)展。然而，大多數(shù)該類方法都不具有普遍性，難以應(yīng)用于所有的給受體體系，因此在商業(yè)化應(yīng)用中存在局限性。

有鑒于此，中國科學(xué)院大學(xué)黃輝教授團(tuán)隊(duì)^[2]提出了一種用于制備分層堆積結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池的普適性方法，并將其命名為環(huán)境友好型溶劑保護(hù)法（ESP）。該方法利用環(huán)境友好型溶劑作為給體和受體之間的保護(hù)層，從而制備高性能的垂直相分離結(jié)構(gòu)的分層堆積器件。通過研究不同保護(hù)溶劑對(duì)給體薄膜的保護(hù)作用的差異，從而篩選出最優(yōu)的保護(hù)溶劑，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行深入研究。作者分別制備了有無溶劑保護(hù)的SD器件，結(jié)果表明，在8種保護(hù)溶劑中篩選出的正辛烷具有最優(yōu)的保護(hù)性能。以正辛烷為保護(hù)溶劑的SD器件具有最優(yōu)的光伏性能，且該器件具有較弱的復(fù)合和較高的激子解離效率，器件的能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）達(dá)到了17.52%，對(duì)應(yīng)的開路電壓（VOC）為0.834 V，短路電流（JSC）為27.79 mA cm^-2，填充因子（FF）為75.61%，為目前逐層旋涂法制備的OSC的最高效率。進(jìn)一步研究表明，該ESP方法對(duì)富勒烯和非富勒烯的多個(gè)給受體材料體系都具有普適性，有利于將來的商業(yè)化應(yīng)用。

圖3 連續(xù)沉積過程及對(duì)應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)

3、高性能氨氧化催化劑用于陰離子交換膜直接氨燃料電池

傳統(tǒng)的燃料電池研究主要涉及以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），而以氨（NH₃）為燃料的直接氨燃料電池（DAFC）較為少見。氨是一種以氮為基礎(chǔ)的液體燃料，它的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分配比氫便宜，在可再生能源生產(chǎn)的燃料中，其成本最低，同時(shí)可避免其它液體燃料的二氧化碳排放，這種強(qiáng)大的燃料在未來或?qū)⒊蔀橐环N經(jīng)濟(jì)實(shí)用的燃料用于汽車、卡車、公共汽車等交通運(yùn)輸工具。然而，這種值得關(guān)注的低溫DAFC技術(shù)在陽極處氨氧化（AOR）的動(dòng)力學(xué)過程緩慢，比氫氧化更為困難，加上氨在PEMFC中不起作用，這使得相關(guān)科研工作者對(duì)對(duì)氨燃料電池的研究困難重重。

↓點(diǎn)擊快速預(yù)約DFT理論計(jì)算↓

有鑒于此，紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授團(tuán)隊(duì)^[3]報(bào)道了一種簡單的超聲化學(xué)合成策略，成功制備出氧化物和碳復(fù)合材料負(fù)載的PtIrZn三元合金納米催化劑（PtIrZn/CeO₂-ZIF-8），該催化劑不僅在堿性電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的AOR催化活性，更在陰離子交換膜DAFC中顯示出優(yōu)異的高功率密度（峰值達(dá)314 mW cm^-2）。這項(xiàng)工作中的催化劑設(shè)計(jì)和制備、DAFC性能測(cè)試、DFT理論計(jì)算分析可為未來AOR陽極催化劑的構(gòu)筑和DAFC研究提供指導(dǎo)和借鑒，有利于推動(dòng)DAFC在未來的實(shí)際應(yīng)用。

圖4 PtIrZn/CeO₂-ZIF-8合成示意圖

4、-30℃下可拉伸的超級(jí)電容器

可拉伸超級(jí)電容器（SSCs）因具有功率密度高、充放電時(shí)間段和循環(huán)壽命長的優(yōu)勢(shì)而被廣泛研究。迄今為止，大多數(shù)SSCs都在具有潛在可拉伸結(jié)構(gòu)的電極上工作，例如電極呈波浪形、橋島形、孔形、螺旋形和彈簧形等。然而，它們通常會(huì)遭受預(yù)先設(shè)計(jì)電極與凝膠電解質(zhì)之間的機(jī)械失配，或者由于添加額外可拉伸基材而沒有電容貢獻(xiàn)而導(dǎo)致體積/質(zhì)量增加的問題。此外，隨著傳統(tǒng)水凝膠電解質(zhì)在冰點(diǎn)以下逐漸凍結(jié)，SSCs在低溫（如-30℃）下往往會(huì)失去柔性和延展性。

有鑒于此，北京理工大學(xué)張志攀教授等^[4]首次以交聯(lián)聚丙烯酰胺（PAM）網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在乙二醇（EG）/水（W）/硫酸（H₂SO₄）浸漬的抗冷凍有機(jī)水凝膠聚電解質(zhì)上，通過一步原位生長聚苯胺（PANI）電極，首次制備了一種抗凍和高拉伸性超級(jí)電容器（AF-SSC）。與傳統(tǒng)通過人工組裝正負(fù)電極材料和電解質(zhì)來制造超級(jí)電容器的方法不同，該方法促進(jìn)了電極和電解質(zhì)之間的完全接觸，并顯著降低了離子傳輸?shù)慕缑骐娮琛Ｍ瑫r(shí)，得益于其整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流器件經(jīng)受諸如彎曲、扭曲和拉伸之類的大變形時(shí)，仍可提供穩(wěn)定的能量輸出。此外，與采用額外可拉伸基材或潛在可拉伸結(jié)構(gòu)制備的常規(guī)SSCs相比， AF-SSC器件更易于制造且更易于控制。結(jié)果表明，AF-SSC在-30℃下拉伸200%時(shí)仍可保持89.4%的電容。當(dāng)電流密度增加20倍時(shí)，在-30℃時(shí)，電容保持率達(dá)到73.1%，優(yōu)于先前報(bào)道的室溫下基于贗電容材料的可拉伸SSCs。在50 mV s^-1和-30℃下循環(huán)100000次后，該器件具有91.7%電容保留的超長壽命，超過了先前報(bào)道的所有可拉伸SSCs。

圖5 AF-SSC的構(gòu)建及原理圖

5、在碳中和的歐洲通過生物能源碳捕獲和儲(chǔ)存評(píng)估二氧化碳的去除潛力

生物能源碳捕獲和儲(chǔ)存（BECCS）是一種二氧化碳去除（CDR）技術(shù)，可能是實(shí)現(xiàn)全球二氧化碳凈零排放目標(biāo)的關(guān)鍵。為了評(píng)估歐洲的BECCS潛力，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Marco等人^[5]考慮了7種不需要專門種植的生物能源種植園的BECCS技術(shù)，對(duì)生物CDR的潛力進(jìn)行了量化。結(jié)合過程工程和地理空間評(píng)估，作者發(fā)現(xiàn)2018年歐洲5%的二氧化碳排放（即每年約2億噸），都可以通過來自BECCS的生物CDR緩解。然而，該值也僅僅只是勉強(qiáng)達(dá)到歐洲CDR需求范圍的下限。

從地緣政治的角度來看，只有少數(shù)歐洲國家通過BECCS達(dá)到或超過其CDR需求。那些無法利用國內(nèi)生物質(zhì)資源實(shí)現(xiàn)碳中和的國家，可能需要訴諸其他CDR策略或從國外進(jìn)口生物質(zhì)。從地理角度來看，排放源和存儲(chǔ)地點(diǎn)的距離分布相當(dāng)不合理。根據(jù)定量評(píng)估，作者得出以下結(jié)論：由于不合理的源匯距離分布，要有效利用2億噸CO₂是具有挑戰(zhàn)性的，且在歐洲需要更多和距離分布更合理的CO₂儲(chǔ)存地點(diǎn)，此外，要真正實(shí)現(xiàn)碳中和，需要在歐洲范圍內(nèi)構(gòu)建二氧化碳的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)?？偠灾?，這項(xiàng)工作有助于確定生物CDR在歐洲可持續(xù)發(fā)展方面的作用。

圖6 不同BECCS技術(shù)下的生物源二氧化碳含量和去除效率

參考文獻(xiàn)

[1] Min Fan, Xin Chang, YuJie Guo, et al. Increased residual lithium compounds guided

design for green recycling of spent lithium-ion cathodes. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 1461. DOI: 10.1039/d0ee03914d.

[2] Yanan Wei, Jianwei Yu, Linqing Qin, et al. A universal method for constructing high efficiency organic solar cells with stacked structures. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 2314. DOI: 10.1039/d0ee03490h.

[3] Yi Li, Hemanth Somarajan Pillai, Teng Wang, et al. High-performance ammonia oxidation catalysts for anion-exchange membrane direct ammonia fuel cells. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 1449. DOI: 10.1039/d0ee03351k.

[4] Xuting Jin, Li Song, Hongsheng Yang, et al. Stretchable supercapacitor at -30℃. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3075. DOI: 10.1039/d0ee04066e.

[5] Lorenzo Rosa, Daniel L. Sanchez, and Marco Mazzotti. Assessment of carbon dioxide removal potential via BECCS in a carbon-neutral Europe. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3086. DOI: 10.1039/d1ee00642h.

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