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。
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。
电极的性能是实现水系醌基氧化还原液流电池（AQRFBs）高能量效率的关键。本文采用尿素水热反应对石墨毡（GF）进行改性，同时研究了水热反应时间对氮掺杂石墨毡表面官能团和结构的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）、比表面积及孔隙度分析仪（BET）、拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）对改性电极的表面形貌、比表面积、碳缺陷、元素含量和表面官能团进行了表征。然后，通过循环伏安法、电化学阻抗谱和单电池循环对改性电极的电化学性能进行了研究。结果表明，氮掺杂提高了石墨毡的比表面积、亲水性和电导率。氮掺杂石墨毡（NGFs）具有优异的电化学催化活性和较低的电荷转移电阻。与GF相比，在100 mA·cm-2时，电池负极使用NGF-6电极后，醌基氧化还原液流电池的能量效率提高了8.0%。
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。
氧化还原电位和酸度常数作为重要的物理化学性质被应用于分析能源材料重要指标值。为了实现能源材料的计算设计，发展计算电化学的方法，在复杂电化学环境下计算这些性质至关重要。近年来，利用计算电化学方法计算氧化还原电位和酸度常数已经受到了广泛的关注。然而，常用的计算方法如基于隐式溶剂化模型的小分子自由能计算，对于复杂溶剂化环境的处理非常有限。因此，基于第一性原理分子动力学（AIMD）的自由能计算被引入来描述复杂溶剂化环境中的溶质-溶剂相互作用。同时，基于AIMD的自由能计算方法已经被证实可以准确预测这些物理化学性质。然而，由于AIMD计算效率低且计算资源需求大，需要引入机器学习分子动力学（MLMD）加速计算。MLMD通过机器学习方法，构建模拟体系结构到第一性原理计算结果的一对一映射，可以在低成本下实现长时间尺度的AIMD。对于氧化还原电位和酸度常数计算，如何构建训练机器学习势函数模型所需的数据集至关重要。本文介绍了如何通过自动化工作流实现自由能计算势函数的自动化构建，通过机器学习分子动力学计算自由能并转化为对应的物理化学性质。
碱性聚合物电解质作为现代碱性氢氧燃料电池的核心组成部分，其单离子导体的特性使得“电极/碱性聚电解质”界面的性质与“电极/溶液”界面有所不同。本文使用微电极，运用循环伏安、电化学交流阻抗以及浸入法等方法，测定了电极/碱性聚电解质界面的微分电容曲线和零电荷电位。该界面的微分电容曲线呈“U”状，且存在局域极小值，该极小值所对应的电位与浸入法测得的零电荷电位数值一致。单离子导体的特性使得“电极/碱性聚电解质”界面在零电荷电位两侧表现出不同的电化学极化行为。
高效电还原CO2（ECR）为有价值的多碳产物是解决CO2排放问题的有效解决方案。基于卟啉的金属有机框架（MOFs）具有多孔结构和有序的活性位点，有望提高ECR生成多碳产物的选择性。本文制备了由铜-四（4-羧基）卟啉（Cu-TCPP）和Cu2O组成的有机/无机杂化Cu-TCPP@Cu2O电催化剂，其中TCPP在调控形貌方面起着重要作用。ECR过程中原位形成的Cu与Cu-TCPP（Cu-TCPP@Cu）结合可以抑制析氢，富集CO中间体，促进C-C偶联生成C2产物。多孔碳（PC）负载的Cu-TCPP@Cu在PC上被还原为Cu纳米簇，同时对C2产物具有较高的ECR活性和选择性。催化剂在-1.0 V时（相对于可逆氢电极），C2产物法拉第效率为62.3%，部分电流密度为83.4 mA·cm-2，是纯Cu2O和TCPP的7.6倍和13.1倍。本论文研究了催化剂形貌和杂化结构如何提高ECR生C2产物的选择性，为高性能ECR催化剂的设计提供了新思路。
在碱性介质中，由于电极材料的较高的稳定性，电催化析氢反应（HER）具有实现大规模制氢的巨大潜力。然而，即使对于最突出的铂催化剂，HER在碱性介质中的反应动力学也比在酸性介质中慢2-3个数量级，这是由于碱性环境下质子的浓度较低。异质结构催化剂具有多种结构优势，研究表明，构建异质结构电催化剂是促进碱性HER动力学的有效策略。协同效应是异质结构的一个独特特征，这意味着一个功能活性位点作为水解离的促进剂，另一个活性位点则负责适度的氢吸附，从而协同提高HER催化性能。此外，异质结构中的每个构建模块都是可调节的，为构建最佳催化剂提供了更多的灵活性和可能性。同时，由于界面处两个组分之间存在费米能级差，可以合理地调控每个组分的电子结构，从而大幅度提高碱性介质中的HER催化性能。随着对纳米结构的深入理解，人们开发了更先进的设计策略来构建高性能异质结构电催化剂。本文综述了异质结构催化剂在碱性HER方面的最新发展，以及构建界面异质结构以促进碱性HER动力学性能的合理设计原则。我们首先介绍了HER在碱性介质中的基本反应途径，然后详细讨论了促进碱性HER动力学的新兴有效策略，包括协同效应、应变效应、电子相互作用、相工程和结构工程，最后提出了未来面向实际应用的新型异质结构催化剂设计所面临的挑战和研究机遇。
由于三元环结构在中间体、天然产品和药物的合成中发挥着重要作用，这使得开发新的策略以获得环丙烷已变得越来越重要。在此，我们提出了一种通过活性亚甲基化合物和芳基烯烃的分子间脱氢环化合成环丙烷的电催化方法。该电化学过程不需要化学氧化剂，允许从廉价和简单易得的原料中快速获得各种官能团化的环丙烷。
近年来，联合时频分析再次成为研究热点。超级电容器功率密度高和寿命长，但为了优化平衡功率密度和能量密度，需考虑两个关键因素：（1）多孔基质的比表面积；（2）孔内空间电解质可抵达性。本文采用联合时频分析方法，研究孔内电荷穿透深度及电流空间分布。具体开展了如下工作：（i）在复正弦电流激励下，推导单孔的时域响应和频域响应解析解，由此定义了描述电荷扩散行为的时频特征。（ii）采用联合时频方法，分析了内部参数和外部参数对孔内电荷穿透率的影响，揭示了孔内电荷有限扩散和无限扩散之间的演变规律。（iii）基于穿透率临界值，定义了孔内部参数的临界值，由此判断孔内电荷半无限扩散和有限扩散。本文提出联合时频分析方法，实现了多孔电极中复杂物理化学过程的信息融合，联合时频分析最终殊途同归，并提高诊断可靠性。
海洋占地球水资源总量的97%，地表面积的70%以上。随着化石燃料等不可再生能源的持续消耗与可再生能源的快速发展，人们对海洋资源的利用越来越重视。海洋能包括潮汐能、波浪能、温差能和盐差能等。其中盐差能是海水和淡水相互作用产生的能量，是以化学能形式存在的海洋能，这种能量较多产生在河口处。目前，压力延迟渗透技术、反电渗析技术和电容混合技术是转换盐差能的三种主要技术。本文构建了一种基于电容混合技术的新型盐差电池，使用二硫化钼和多壁碳纳米管复合物电极作为阳极，活性炭作为阴极。将两种不同离子储存机制的材料复合在一起，二硫化钼具有类似石墨烯的层状结构，层间间距约为石墨烯的两倍，是一种可以与钠离子发生插层反应的电池电极材料。多壁碳纳米管具有典型的双电层效应，放电时在其表面吸附钠离子的同时，可以帮助钠离子更快地进入二硫化钼层间，加快离子传输效率和盐差能的转换效率。对该复合材料进行物理和电化学表征，并与活性炭电极组装的盐差电池，测试其盐差能转换能力。浓度响应电压150 mV，经过一个完整的四步循环后，转换能量密度可达6.96 J·g-1。该器件原材料价格较低，并且不使用离子膜，更加环保，为转换盐差能的研究提供了一种新途径。
石墨烯具有优异的物理特性，如单原子厚度、极高的载流子迁移率等。然而，其零带隙的半金属特性限制了其在高性能场效应晶体管中的应用。为此，研究者们提出了石墨烯纳米化、外场诱导、掺杂以及化学图案化等策略，以调控其带隙宽度。但是，这些方法的可控性以及稳定性还需要进一步改善。在本研究中，我们提出采用电化学溴化并结合光刻图案化调控单层石墨烯的电子传输特性，通过这种方法，成功制备了图案化的溴化石墨烯（SLGBr）。进一步研究表明，单层石墨烯的电子传输性能可以通过溴化程度来调控。当溴化程度较小时，SLGBr表现为电阻特性，且其电导随溴化程度增加而减小；当溴化程度增加到一定值时，SLGBr表现为与半导体类似的特性。本研究将为全石墨烯器件的制备提供可行的技术路线，拓展其在微电子领域的应用。
芳基取代的苯并噻吩和菲是药物化学和材料科学中的重要结构单元。尽管已经投入了很多来制备这类化合物，并且已经开发了多种方法来构建2-取代的苯并噻吩核心结构，但仍然需要环境友好且有效的合成方法。基于我们以前的以芳基重氮盐为芳基前体的电化学Minisci型芳基化反应，以及来自König小组的工作，本文使用成对电解以苯重氮盐为芳基前体来获得2-芳基苯并噻吩和9-芳基菲。首先，选择2-甲硫基苯重氮盐1a和4-甲基苯乙炔2a作为模型底物，通过考察溶剂、支持电解质、电极材料和电流密度来优化反应条件。经过大量的努力，发现在装备有石墨毡阳极、镍片阴极的单室电解池中，使用n-Bu4NBF4作为支持电解质，DMSO作为溶剂，控制在4 mA·cm-2条件下恒流电解，获得89%产率的所需产物3a。在最佳条件下，考察该电化学方案和底物范围的普适性。结果表明，烷基乙炔和芳基乙炔都适用于该方法，并成功地得到了一系列芳基取代的苯并噻吩衍生物。考虑到菲类化合物在药物化学和材料科学中的广泛应用，将此方案应用到菲衍生物的合成中，获得了相应的9-芳基菲衍生物。最后，通过循环伏安法分析了可能的机理。2-甲硫基苯重氮盐1a在CH3CN中相对于Ag/Ag+在-0.4 V处产生一个显著的不可逆还原峰，而在扫描电位窗口中没有检测到苯乙炔2a的信号。此外，尽管峰电流略有增加，2a的存在没有改变1a的还原峰电位。这些结果表明1a的还原比2a的还原容易。基于循环伏安分析和光催化结果，我们提出了成对电解机制，即芳基重氮盐1a在阴极的电化学还原产生芳基5a，然后芳基5a加成到苯乙炔上，在分子内环化后产生乙烯基6a和磺酰基7a。最后，7a的阳极氧化，接着用DMSO脱甲基化，生成目标产物3a。总之，我们发展了一种成对电解法来合成2-芳基苯并噻吩衍生物和9-芳基菲衍生物。该方案具有广泛的底物范围和官能团耐受性，进一步证明了芳基重氮盐作为多用途芳基自由基来源通过电化学还原产生芳基自由基的实用性。
在水系锌离子电池中，锌枝晶、析氢，以及不稳定的锌界面使其表现出低的库仑效率和较差的循环性能。本文选用富含羟基的山梨醇作为电解质添加剂，用于重塑锌的溶剂化结构和调整锌阳极界面化学，有效抑制了水的分解以及锌枝晶的产生。一方面山梨醇与水分子强相互作用可以形成氢键网络，改变Zn2+离子与水分子之间的溶剂化壳层，减少结合水的比例，降低游离水活性；另一方面山梨醇和Zn阳极界面之间的吸附调节了Zn阳极表面结构，减少其与水分子的接触，获得热力学稳定、高度可逆的Zn电化学沉积/溶解。结果表明，含有山梨醇添加剂的Zn/Zn对称电池在1 mA·cm-2和1 mAh·cm-2的条件下实现了长达2000小时的循环寿命，在5 mA·cm-2和5 mAh·cm-2条件下也能超过250小时的循环寿命。添加山梨醇的Zn/Cu不对称电池获得了99.6%的库仑效率，比纯2 mol·L-1 ZnSO4电解质具有更高性能。Zn/PNDA全电池可在1 A·g-1电流密度下稳定放电超过2300次，并且保持了较好的电池容量。本论文通过向传统电解质中添加安全无毒的山梨醇，提升了对锌阳极界面的保护作用以及循环性能，改善了锌的可逆沉积/溶解电化学性能，为高性能水系锌离子电池的探索提供了新思路。
可充电锂氧（Li-O2）电池因其高能量密度而受到广泛关注。然而，缓慢的阴极动力学导致较高过电压和较差的循环性能。为了克服这一问题，不同种类的阴极催化剂已经开始被探索。其中，钌基电催化剂已被证明是促进析氧反应（OER）的极具前景的阴极催化剂。由于钌基催化剂与超氧根阴离子（O2-）中间体之间存在强相互作用，因此可以通过调节Li2O2的形态来促进过氧化锂（Li2O2）的分解。本文介绍了钌基电催化剂的设计策略，以提高其在锂氧电池中的OER催化动力学。不同结构的钌基催化剂已经被总结，包括金属颗粒（钌金属和合金）、单原子催化剂和不同底物（碳材料、金属氧化物/硫化物）负载钌的化合物，以调节钌基电催化剂的电子结构和基体结构。这些钌基电催化剂调节了对LiO2的吸附，提高了OER活性，抑制了副产物的形成，从而提升了Li-O2电池的可逆性和循环稳定性。然而，Li-O2电池仍然面临着许多挑战。其中之一是锂金属阳极的问题，锂的不稳定性和安全性一直是Li-O2电池研究的一个关键问题。此外，电解质的选择和阴极材料的优化也是当前研究的重点之一。为了提高Li-O2电池的性能，还需要对添加剂（即氧化还原介质）进行更深入的研究，以提高电池的循环寿命和能量密度。这些挑战的克服将需要跨学科的合作和持续的研究努力，以推动Li-O2电池的进一步发展。
镁（Mg）在地壳中的储量丰富且理论体积容量高，这使得其在储能领域备受关注，特别是在固态电池中，它极具发展潜力，可作为锂（Li）的替代品。然而，镁离子在固态电解质（SSE）中传导缓慢，这是阻碍镁离子固态电池发展的关键挑战之一。近年来，各种传导镁离子的SSE被广泛报道，但很难从单一的文献报告中得出关键的信息。此外，进一步阐明镁离子SSE的结构与性能关系是有必要的，这将为SSE提供更精确的设计指南。在这篇文章中，我们基于数据挖掘分析了过去四十年报道的具有高离子电导率的镁基SSE的结构特征，总结了三个优化镁离子固态电解质的策略。基于实验和理论计算技术的发展，讨论了现阶段开发镁固态电解质的机遇和挑战，论述了实验、理论计算和机器学习在开发新型高性能镁离子SSE过程中的协作过程。我们为优化和开发下一代镁离子固态电解质提供了大数据见解。
