本文系统地总结了近年来钠离子电池中硬碳负极材料的研究进展以及相应储钠机理的发展历程，并从结构设计和电解液调控两方面综述了硬碳材料性能的提升策略。简述了前驱体的选择、碳化温度、预处理、造孔剂、杂原子掺杂、材料复合、电解液调控以及预钠化等策略对硬碳负极材料储钠性能的影响。本文为高性能低成本硬碳材料的设计合成和电解液匹配提供了新的见解，并展望了未来硬碳负极材料进一步研发的方向。
电解槽的结构和运行参数对碱性水电解的性能起着重要作用。针对工业碱性水电解槽紧凑的装配结构，特别是在电流密度大于5000 A·m-2时，本文首次建立了耦合电场和欧拉-欧拉k-ε湍流流场的三维数值模型，以准确模拟碱性水电解槽的性能。将模拟结果与实验数据进行比较，验证了模型的准确性。通过电解槽内部电场和流场特性的反馈，确定了适合的浓度、流量的操作条件和流道结构的优化设计方法。适当增加电解液浓度和流速有利于降低槽电压。KOH水溶液的最佳浓度和流速分别为6.0 - 8.0 mol·L-1和30.0 - 45.0 mL·min-1。随着电极与隔膜距离的增加，欧姆过电压显著增加；流道高度和双极板上导流柱的排列方式对电压的影响微弱，但三角形排列的导流柱和流道高度的增加有利于提高流体的分布均匀度，适当增加导流柱之间的距离有利于降低槽电压。多流体出入口电解槽有利于产生更均匀的流体分布，流道高度对多出入口电解槽同样影响不大。宽导流柱间距的多流体出入口电解槽G-2.5-T-0-5-3，配合高流量，既能降低槽电压，又能提高电解质在电极面的法向流速，使电解槽发挥最佳性能。本工作对碱性水电解高效电解槽的放大设计和优化具有一定指导意义。
碘因来源丰富和具有较快的氧化还原反应动力学使其作为电池的正极材料而倍受青睐，然而，由于碘单质在电解液中的高溶解性而带来的穿梭效应，使得电池的性能下降。本文在水系锌离子电解液中添加聚乙二醇(PEG400)和碘化钾，PEG400能与碘发生络合，抑制了单质碘和碘离子生成碘三离子（I3-）的反应，进而避免了碘的溶解；最后，该电解液搭配双层碳布集流体、锌片及双层隔膜组装成电池，在1 mA·cm-2电流密度下，首圈容量可达1.62 mAh·cm-2，参与氧化还原反应碘占该电池电解液中碘质量的47.52%，库仑效率为93%左右；而在7 mA·cm-2高电流密度下，库仑效率可达98%左右，循环1200圈后，循环保持率为58.33%。
铜互连是保障电子设备的功能、性能、能效、可靠性以及制备良品率至关重要的一环。铜互连常通过在酸性镀铜液电镀铜实现，并广泛用于芯片、封装基材和印制电路板中。其中，有机添加剂在调控铜沉积完成沟槽填充、微孔填充以形成精密线路和实现层间互连方面起着决定性作用。添加剂主要由光亮剂、抑制剂和整平剂三组分组成，在恰当的浓度配比下，添加剂对于盲孔超级填充具有协同作用。目前，已报导的文献聚焦于代表性添加剂的超填充机理及其电化学行为，而对于添加剂的化学结构与制备方法鲜有深入研究。本文重点研究了各添加剂组分的制备工艺和快速电化学筛选方法，为电镀铜添加剂的未来发展提供理论指导。
高镍三元电池的高能量密度是取代化石能源，推动清洁能源发展的核心优势，同时也是导致电池严重安全隐患的根本原因。初级胺类与次级胺类能与常见的含碳酸乙烯酯电解液发生开环聚合，从而形成正负极间隔离层，提高电池热安全性。本文基于胺类和电池组分间的化学反应，在电池材料层面和单体层面对电池的安全性展开了研究。在材料层面，利用差示扫描量热法测试锂离子电池中有无胺类添加剂对不同组分间的热稳定性影响。在单体层面，使用绝热加速量热仪对有无添加剂全电池的安全性进行测试，提取热失控特征温度。加入胺类添加剂后电池组分间部分化学反应被提前，同时总放热量明显减少，最大温升速率下降，电池热失控得到有效抑制。
本文在前期优化的电镀液的基础上，使用脉冲电镀工艺获得了高密度的纳米孪晶铜。为了进一步揭示孪晶形成的影响因素，研究了系列MPS浓度在镀液中的作用。当镀液中并未添加MPS时，镀层由粗大的晶粒组成，平均晶粒大小为0.9 μm，晶粒内部含有少量的垂直或倾斜于膜面的孪晶界，镀层的晶粒取向为（110）和（111）共存，两者织构比例分别为49%和27.8%。从FIB微观组织观察和X射线衍射的结果可知，当镀液中添加10 ppm的MPS后，镀层组织变为柱状纳米孪晶铜组织，柱状晶内部含有高密度水平方向的孪晶界，同时晶粒取向变为高度择优的（111）。当MPS含量从10 ppm持续上升至40 ppm，镀层组织和晶粒取向无明显变化。具体地，当镀液中添加40 ppm的MPS时，镀层晶粒大小为0.6 μm，且镀层晶粒（110）和（111）的织构比例分别为3.45%和95.1%。这说明，可以通过MPS的含量调节提高纳米孪晶铜电镀液的填充能力，而纳米孪晶微观组织的形成并不受影响。基于上述结果，我们使用该电镀液配方及工艺进行了大马士革微盲孔的填充。结果表明，当MPS含量为40 ppm时，可以实现大马士革微盲孔的无孔填充。纳米孪晶铜电镀液填充能力的提升使得纳米孪晶铜在IC制造应用成为可能，很大程度上促进了下一代互连材料的发展。
本文采用CCM法（catalyst coated membrane）技术，结合单电池极化曲线、电化学阻抗谱、极限电流法和表面接触角等多种表征技术，系统研究了直接聚四氟乙烯（PTFE）分子添加以及PTFE修饰的疏水性碳（PTFE@XC72）等不同疏水化方法对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阴极催化层电化学性能、氧气传输阻抗和质子传输阻抗的影响。在此基础上，通过构建PTFE梯度化疏水性结构来进一步优化PEMFC的性能。结果表明，与添加PTFE@XC72相比，直接添加适量的PTFE分子对膜电极（MEA）性能提升效果更为显著，这主要与该疏水结构可在维持高速质子传导的同时，极大降低催化层的氧气传输阻抗有关。当直接添加的PTFE与催化层中碳载体的质量比为0.1时，MEA呈现最好的性能。在添加PTFE@XC72的MEA中，由于额外的碳颗粒导致催化层厚度增加，延长了反应物质的传输路径，从而使得质子传输阻抗和氧气传输阻抗均上升。在此基础上，通过在催化层不同位置直接添加PTFE构建梯度化疏水性结构。结果表明，当适量PTFE靠近催化层与气体扩散层界面分布时，MEA呈现最好的性能，峰值功率密度比未经疏水性处理的膜电极高接近20%，氧气传输阻抗大幅降低。
锂电池体系中负极表面固态电解质界面相（SEI）对锂电池性能起到至关重要的作用。然而，SEI结构和化学组成复杂，其形成机理至今仍未完全阐明，阻碍了锂电池的发展和应用。本文从方法学角度出发，采用表面增强拉曼光谱（SERS）“借力”策略，通过优化银纳米粒子的结构并借助其外来表面局域等离激元共振作用，开展以EC-DMC为溶剂的碳酸酯类电解液体系中SEI成膜过程的原位研究。为了确保可靠的原位SERS测试，我们设计了一种三电极体系气密拉曼电池。我们利用原位SERS方法，在纳米银电极上获得了SEI成膜过程的组成和结构信息。研究表明，SEI随电位变化呈现出双层结构，其中内层由薄且致密的无机组分构成，外层由疏松的有机组分构成。同时，研究发现LEMC是EC还原的主要成分，而不是LEDC，且金属锂参与的化学反应在形成稳定SEI中的起到关键作用。此外，锂发生沉积后，由于锂与银的合金效应导致其介电常数发生变化，从而削无法进一步增强SEI的拉曼信号。本文为深入理解负极表面SEI的形成及演变过程提供依据，并为今后开展锂电池体系相关界面过程的原位研究提供借鉴。
发展绿色可持续的水电解制氢技术有利于实现“碳中和”战略目标，而开发高效稳定的析氧反应催化剂对水电解技术至关重要。本研究以NiFeV固态金属醇盐为前驱体，采用醇盐自模板法制备碳封装NiFeV基催化剂。研究结果表明，NiFeV基催化剂呈现出均匀的球状结构，用于电解水析氧反应电催化剂时仅需381 mV的过电位即可获得20 mA·cm-2的电流密度。NiFeV基催化剂良好的催化活性和稳定性主要得益于均匀的球状结构，V对电子结构的优化调控以及封装碳层对金属颗粒的保护作用。此工作通过V掺杂和碳封装的策略，为提升析氧催化剂的电催化性能提供了有利借鉴。
固体氧化物电解池是一种新型能源转换技术，能实现间歇式能源到氢能的高效转化，为能源的有效利用提供了新途径。本文针对固体氧化物电解池金属镍基阴极支撑体在电解过程中的局部氧化以及由此引发的电池结构稳定性问题，提出了一种多孔氧化钇稳定的二氧化锆（YSZ）支撑型管式固体氧化物电解池，其构型为多孔YSZ支撑体/Ni-YSZ燃料极电流收集层/Ni-YSZ燃料极电化学催化层/YSZ/Ce0.8Sm0.2O1.9双层电解质层以及La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ空气电极，研究了造孔剂（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）的含量对多孔YSZ支撑体的孔隙率、孔径分布和支撑体机械强度的影响，考察了电解池在H2O-H2气氛中的电化学电解性能。研究结果表明，当PMMA含量为25wt.%时，电解池具有最优的综合力学性能和电解催化活性，在750 °C的工作温度下，电解池的产氢气速率为3 mL·min-1·cm-2，电解池在10次升降温热循环过程中电解性能衰减为~5%，表现出优良的电解稳定性。本研究结果验证了多孔YSZ支撑型管式电解池的应用可行性。
以ZIF-67为前驱体，采用异原子掺杂、高温热处理等方法制备了含有多种过渡金属、非金属粒子的多孔碳材料作为锌-空气电池催化剂。通过SEM、XRD、XPS和电化学方法对催化剂进行物理化学表征和催化性能测试，最后组装成全电池进行充放电性能实验。结果表明，制得的FeNi-CoP/NC的ORR半波电位达到了0.83 V，高于商用的Pt/C催化剂；OER电流密度在10 mA·cm-2时过电位为290 mV并可平稳地保持12 h，显示了良好的催化活性与稳定性。全电池性能测试显示其峰值功率密度较高为150 mW·cm-2，在3 mA·cm-2电流密度下保持了0.6 V的较窄电势间隙。
随着电动汽车的高速发展，对锂离子电池的能量密度、循环性能和成本提出了更高的要求，目前已有的高镍材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)能量密度可以达到760 Wh·kg-1，已成为锂离子正极材料发展的重要方向。超高镍三元正极材料（ LiNixCoyMn1-x-yO2，x ≥ 0.90）具有超过210 mAh·g-1比容量，因而可实现更高的能量密度，但目前关于超高镍材料的研究工作仍然比较少。超高镍正极材料的研究极具实用意义，因此，本文选择LiNi0.96Co0.02Mn0.02O2（NCM96）这一超高镍材料进行研究。为了提升超高镍三元正极材料NCM96的电化学性能，本工作采用了氧化钨和磷钨酸来对其进行包覆改性，并系统研究了材料改性前后的结构、形貌及电化学性能。其中，氧化钨包覆能有效提升三元材料的电化学性能，但目前尚未有利用氧化钨对超高镍正极材料进行包覆改性的报道。此外，磷钨酸是一种可以同时实现氧化钨和磷酸盐双重包覆的物质，双重包覆有望实现比单一元素包覆更优的电化学性能。本工作通过NCM96前驱体与磷钨酸和氧化钨液相共混，烘干后混锂烧结实现氧化钨和磷钨酸包覆。研究结果表明，两种表面改性方法对超高镍三元正极材料首圈放电比容量影响都较小，且能有效改善材料的长期循环性能。对比两种改性材料的高温电化学性能，发现经磷钨酸包覆改性后的材料其高温循环性能优于氧化钨包覆改性，说明磷钨酸的P/W双元素改性优于WO3的W单元素改性。
电化学沉积和电化学腐蚀的核心问题是不同电压/电荷作用下的电极/电解质界面行为，其控制量是溶解/沉积反应路径的势垒，但是势垒的测量和计算难度比较大。本文采用密度泛函和连续介质耦合方法研究了不同加载电荷面密度下平整表面和含阶梯表面的Cu（111）面薄板电极直接和间接溶解/沉积两种路径的能量形态。结果发现，不同加载电荷面密度下溶质Cu原子在Cu（111）面的表面扩散和溶解过程中初末态能量分别和最高过渡态能量存在简单的线性关系，符合经典的Brønsted-Evans-Polanyi关系。在直接/间接溶解和沉积过程中，势垒和加载的电荷面密度呈线性或二次函数关系。通过这些表达式可以直接从稳态能量计算溶解/沉积和表面扩散的势垒，也可以直接计算不同加载电荷面密度下的势垒，极大的降低实验和计算工作量。通过拟合公式计算出不同临界加载电荷面密度时的势垒大小可以得出：对于溶解过程中，随着加载电荷面密度逐渐增大至0.135 |e|/Å2，阶梯处原子首先以直接溶解的方式进入到电解质溶液中；对于沉积过程，随着加载电荷面密度降低至0.105 |e|/Å2，电沉积首先发生在平整表面，并可越过较低的表面扩散势垒移动至台阶处，表面扩散是速率控制步骤。当加载电荷面密度进一步减小为0.086 |e|/Å2，此时的沉积方式以直接沉积到阶梯位置为主。
在基于金属-半导体异质结构的等离激元介导化学反应中，了解其中的电荷转移和复合机制进而调控界面、提高界面电荷分离，对于提高等离激元催化反应效率至关重要。但电化学体系中固液界面上的等离激元光电催化反应是一个多过程、多时间尺度、多影响因素的复杂体系，光生载流子在界面间传递机制的研究仍面临着巨大的挑战。由于光电化学信号的产生和变化包含了诸多体相和界面过程，因此光电化学方法是探究等离激元催化反应过程中的界面电荷转移机制的有效手段之一。本文合成了TiO2和Ag-TiO2纳米粒子，以光电化学方法作为主要研究手段，并结合电化学和各种谱学表征手段，探究了电极陷阱态对界面电荷转移机制的影响。结果表明，在Ag负载在TiO2表面后，电极的陷阱态显著增加。结合XPS以及PL光谱，陷阱态增加可主要归咎于表面羟基。陷阱态的增加导致了荧光的猝灭和光电响应的减弱，但增加的陷阱态复合过程也延长了载流子的寿命。陷阱态的调控必然会影响界面电荷转移，从而改变热载流子的数量和寿命，进而调控后续Ag界面上的等离激元反应。在反应位点位于金属的基于金属-半导体复合体系的等离激元催化反应中，认识到半导体陷阱态对于界面电荷转移的作用有助于在等离激元介导化学反应中更好地利用载流子、提高反应效率。
电子转移反应的标准反应速率常数是电化学反应的“本征”动力学性质，也是电极过程动力学研究的重要内容之一，对于电极反应的机理和路径的理解以及电催化剂和电池材料等的筛选和理性设计均具有重要意义。本文将主要介绍电化学反应速率常数测定的实验方法，包括极化曲线、旋转圆盘、超微电极、扫描电化学显微镜、电化学阻抗谱、电流阶跃、电势阶跃以及循环伏安等方法，以期对开展电极过程动力学研究的相关研究人员和学生有所裨益。
电化学还原硝酸盐过程关键在于该废水处理过程中参数的有效控制。基于硝态氮电化学还原的测试数据和各参数间的相关性，得出与出水效果密切相关的四因素，即反应时间、初始浓度、初始pH和电流密度，采用BP神经网络算法建立了电化学法还原硝态氮的预测模型，并验证了模型的准确性。结果表明，4-7-1型BP神经网络网络构型最优，模型预测的去除效果与实测值相吻合，R2为0.9095。利用BP神经网络模型对参数调控，可以优化电化学处理过程：对电流密度进行阶段性调控，在相同处理量下可降低15%的能耗；在水质波动情况下进行电流密度控制，在相同处理时间内可保证出水达标。该研究结果可以为智能控制电化学去除硝态氮的过程提供参考。
本文介绍了一种用于处理电厂脱硫废水的电聚浮+电解联合工艺深度，实现废水中SS、COD和氯离子的有效去除。通过线性伏安扫描法探究了电厂脱硫废水中亚硫酸根和氯离子在β-PbO2电极表面的反应机理和相关动力学参数，以此验证了β-PbO2是良好的亚硫酸盐电催化氧化和电产活性氯的材料。实验室自制方形连续推流式电解槽，分为电聚浮段和电解段。电沉积法自制钛基β-PbO2网状电极为电解阳极。若以《火电厂石灰石－石膏湿法脱硫废水水质控制指标》（DL/T 997-20006）COD排放标准为处理终点，3.5 V电解电压下某电厂脱硫废水处理能耗仅为10.78 kWh∙m-3。电解电压为4.0 V时，电解槽运行300 min可去除废水中的绝大多数的COD和氯离子，二者去除率分别为91.43%和92.98%。验证了工艺路线的技术可行性和经济可行性。
锂金属和固态电解质在能量密度和安全性能上有巨大的提升潜力，被视为全固态电池的重要组成部分。具有高锂离子电导率（约10-3 S·cm-1）和高剪切模量（55 GPa）的无机石榴石型固态电解质被认为是理想的固态电解质之一，然而锂枝晶生长的问题依旧难以解决。在本文中，通过在石榴石表面蒸镀一层LiF-Sn复合修饰层，增加石榴石与锂金属的界面浸润性的同时构建了离子快速传输通道，阻挡了电子向石榴石体相的注入，有效地抑制了锂枝晶的生长。界面修饰层的存在使得界面阻抗由969 Ω·cm2降低至3.5 Ω·cm2，对称电池的临界电流密度提升至1.3 mA·cm-2，对称电池在0.4 mA·cm-2的电流密度下稳定循环200 h。
锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本，是极具应用前景的下一代电化学储能技术，已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失，负极侧枝晶形核生长，以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应，上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退，引发电池失效和安全问题。本工作中，我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学，协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运，从而延长电池循环寿命，显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计，助力实现高性能的锂-硫电池。
近年来，电加热微电极在电分析化学中得到了广泛的关注。研究表明，在高温下促进质量传输和反应动力学通常会导致电流信号增加。然而，目前还没有关于微电极内部传热的研究，这对于微传感器的设计和操作是必要的。本文利用有限元模拟软件（COMSOL）来分析影响表面温度（Ts）的因素，这对线圈加热的微盘电极的加热能力至关重要。电极表面和加热铜线底部之间的距离也与Ts（R2 = 1）有良好的线性关系。考虑到成本，25 mm长的金丝足以获得相对较高的Ts。此外，当电极材料为金且金盘直径为0.2 mm时，可以获得最高的Ts。本文还研究了不同温度下加热铜线直径与电流的关系。仿真结果有望为电加热微传感器的设计和实际应用提供重要帮助。
