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    1. 原位 57Fe穆斯堡尔光谱技术及其在Ni-Fe基析氧反应电催化剂中的应用
    Jafar Hussain Shah, 谢起贤, 匡智崇, 格日乐, 周雯慧, 刘朵绒, Alexandre I. Rykov, 李旭宁, 罗景山, 王军虎
    电化学(中英文)    2022, 28 (3): 2108541-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210854
    摘要2434)   HTML8349)    PDF(pc) (3564KB)(4778)    收藏

    近年来,析氧反应(oxygen evolution reaction)中针对高效且具有成本效益的电催化剂开发一直是构筑有效利用可再生能源存储系统和水分解生产清洁氢能燃料的重大障碍。OER过程涉及四电子、四质子耦合并形成氧-氧(O-O)键,因此动力学上进程缓慢。为提升其在水分解产氢及二氧化碳还原反应中的应用,需要开发高效催化剂,降低OER过电位,以减轻能量转换过程中固有的能量损失。研究表明,IrO2和RuO2具有较低析氧过电位,但储量低、价格昂贵,大大限制了其在析氧反应中的大规模应用。而Ni-Fe基析氧催化剂在碱性水分解反应中展现了优异的性能,其在水分解过程中的催化机制仍有待进一步研究。
    为了解决Ni-Fe基催化剂在析氧反应过程中反应位点及催化反应机制等关键问题,迫切需要更先进的原位技术来准确表征,原位追踪催化剂形态变化与电解质/电极之间的界面相互作用的影响。光谱与电化学结合的原位技术可以监测析氧反应过程催化剂自身的变化。目前,已有大量原位光谱技术与电化学进行结合,揭示Ni-Fe基催化剂在OER过程中的反应机理及活性位点,包括原位表面增强拉曼光谱、原位同步辐射X射线吸收光谱、原位紫外-可见光谱、原位扫描电化学显微镜及原位穆斯堡尔光谱等。其中,原位拉曼技术可以观察Ni-Fe催化剂的振动,可以在电解液中施加测试电压条件下监测电化学反应过程中的中间体,从而提供实时反应信息,有助于追踪电化学驱动反应是如何发生的。原位同步辐射技术可以研究OER过程中Ni-Fe催化剂材料的电子结构和局部几何结构的信息,但目前的研究中更多的是探究Ni的价态变化,对Fe的研究信息较少。原位紫外-可见光谱也主要是针对Ni(OH)2的变化展开研究,逐渐提高施加电位,Ni(OH)2会向着NiOOH逐渐变化,紫外-可见技术可以追踪Ni-Fe基电催化剂中的金属氧化过程。众多电化学原位光谱技术中,57Fe穆斯堡尔谱因具有超高的能量分辨率,是确定催化剂相结构、鉴定活性位点、阐明催化机理以及确定催化活性与催化剂配位结构之间关系的最佳手段。此外,原位穆斯堡尔光谱技术基于原子核和核外电子的超精细相互作用而给出的同质异能移、四极矩分裂以及有效磁场等针对催化剂中的Fe位点的氧化态、电子自旋构型、对称性和磁性信息进行研究,为Ni-Fe基催化剂在析氧反应中的应用提供强有力的支持。
    1957年,德国科学家鲁道夫·路德维希·穆斯堡尔(Rudolf Ludwig Mössbauer)在其27岁时,发现作为晶格谐振子的原子在发射或吸收γ射线时以一定的概率不会改变它们的量子力学状态,而这一γ射线的核共振吸收现象于1961年获得诺贝尔物理学奖,不久后被命名为穆斯堡尔效应。穆斯堡尔效应是来自于无反冲的γ射线吸收和发射的核共振现象,能量Ee处于激发态的原子核(Z质子和N中子)通过产生能量为Eγγ射线跃迁到能量为Eg的基态,γ射线可能会被处于基态的另一个相同类型的原子核(相同的ZN)吸收,从而转变为能量Ee的激发态。只有当发射线和吸收线足够重叠时,才能看到共振吸收。
    原位穆斯堡尔谱在Ni-Fe催化剂析氧反应中应用,首先需要搭建57Fe穆斯堡尔谱仪与电化学工作站联用。标准的穆斯堡尔光谱仪主要由放射源(通常是57Co在Rh或Pd金属基质中用于57Fe穆斯堡尔光谱)、速度传感器、速度校准装置、波形发生器和同步器、γ射线检测系统、多通道分析仪、计算机,并且可选配低温恒温器或高温烘箱,以控制测量过程处于适宜温度。实际测试过程中,穆斯堡尔谱可以通过速度扫描方法生成,利用移动驱动器或速度传感器以特定速度重复移动源或样品(所谓的多普勒运动),同时γ射线连续传输或发射穿过样品并计数在同步通道上。获得穆斯堡尔谱图后,基于穆斯堡尔谱数据库(https://medc.dicp.ac.cn/,由中国科学院大连化学研究所穆斯堡尔效应数据中心从全世界收集的穆斯堡尔谱样品数据),对57Fe穆斯堡尔谱进行分析拟合,对含Fe基材料的物相、价态、自旋态和配位结构进行归因和分析。数据分析拟合主要利用MossWinn数据分析和拟合软件(http://www.mosswinn.com/)。以Ni-Fe氢氧化物催化剂为例,对于原始催化剂,其仅存在一种Fe3+物种,当该催化剂参与OER过程后,可能会存在Fe4+,在双峰基础上,拟合结果中则会出现肩峰向负侧移动现象,可以确认高价Fe的存在,例如Fe4+。为充分证明高价Fe的存在,对于Ni-Fe基催化剂的穆斯堡尔谱测试,还需在工况条件下进行原位测试。
    20世纪80年代后期,非贵金属氧化物和氢氧化物代替贵金属氧化物阳极催化剂的电解水研究开始受到关注。Corrigan等通过将Fe杂质引入NiO阳极,测试过程中发现OER活性会增加,但后续的研究中对于Fe究竟如何改变Ni基催化剂的OER性能仍旧不清晰。尔后,原位穆斯堡尔谱的引入逐渐揭开Fe在Ni-Fe电催化水分解析氧反应中的作用。为提高测试准确性并保证穆斯堡尔谱信号的稳定,本实验室对原位穆斯堡尔谱装置做了开发和改进。主要包括三部分:(1) 穆斯堡尔光谱仪,(2) 电化学工作站,以及(3) 自主设计的原位OER电化学反应池。在我们的实验室中,使用了具有14.4 keV级γ射线的单线57Fe穆斯堡尔谱放射源57Co(Rh),可以减少电解液中的信号衰减并获得令人满意的信噪比,附带CHI660E电化学工作站。对于常规的OER测试,在室温298 K条件下进行测试,测试前首先用α-Fe对穆斯堡尔谱仪进行多普勒速度校准,在进行原位穆斯堡尔谱-OER实验之前,电解液用氮气或氩气饱和以去除溶解的氧气。为了保证测试信号的准确性,实验中所使用的电解池不含任何Fe杂质,因此采用了Teflon材料。为避免测试过程中产生的O2气泡对信号产生干扰,可以采用蠕动泵循环电解液,并且保证测试过程中局部的微反应环境的一致性。对于普通OER测试,仅需要少量催化剂,但对于原位57Fe穆斯堡尔谱测试,只有保证Ni-Fe催化剂中57Fe含量充足的条件下,才可以获得高质量信号。但OER过程中,不建议催化剂载量过高,催化过程中主要是表面催化剂在反应,当样品过厚时,深层样品无法参与析氧反应过程,可能会有部分Fe仍旧维持Fe3+状态。通常,对于常规57Fe穆斯堡尔光谱测量的催化剂,若在制备中使用普通Fe源,则需要Fe含量在5 ~ 10 mg·cm-2,这其中仅有~2.2%的自然丰度57Fe同位素,需要长时间监测才可以采集到信号。为保证实验的顺利进行,可以在样品制备过程中直接使用57Fe源,方便快捷采集高质量信号。为了保证样品测试的准确性,在OER开始前,我们可以在同一电解液中,在开路电位(OCP)下,对其进行测试,这一原始样品的测试可与后续施加电位的Ni-Fe催化剂测试结果进行对比。有外加电压测试时,需要保证催化剂处于稳定状态下进行测试,整个测试过程中保持电流密度稳定,这不仅可以保证催化剂的稳定性,还有助于确定催化剂的真实结构。
    利用原位57Fe穆斯堡尔谱,我们对通过Ni-Fe普鲁士蓝类似物原位拓扑转换获得的Ni-Fe羟基氧化物电催化剂进行了测试。基于原位拉曼技术,我们发现在阳极电位下,Ni-Fe催化剂中α-Ni(OH)2相会不可逆转变为γ-NiOOH。原位57Fe穆斯堡尔谱测试结果表明,在较低的施加电位(例如1.22 V 和1.32 V vs. RHE)下,Fe在NiFe0.2-OxHy中仅处于+3氧化态,其光谱结果与开路电位下NiFe0.2-OxHy谱图相似,其中只有一个双峰,两个峰的强度相等,可归因于高自旋 Fe3+物种。但随着外加电位增加并达到1.37 V,两个峰的强度开始变得不相等,开始出现一个小的肩峰,其同质异能移(δ)值约为-0.25 mm·s-1,可以归属为 Fe4+ 。随着电压的逐渐增加,催化剂中的Fe4+含量逐渐增加。在OER过程中,施加电位1.42 V vs. RHE时,Fe4+含量~ 12%。当施加的电势达到1.57 V时,催化剂中Fe4+的含量进一步增加到约40%。这一实例充分展现了原位57Fe穆斯堡尔谱与Ni-Fe催化OER过程的应用,也体现了NiFe0.2-OxHy催化剂原位产生的Fe4+物种的量与其水氧化反应性能呈正相关,进一步加深了对Ni-Fe水氧化催化机理的理解。
    Ni-Fe基催化剂因其价格低廉,电催化析氧性能优异,因此成为碱性水分解析氧过程的理想候选者。虽然Ni-Fe基电催化剂表现出优异的OER活性,但缺乏长期稳定性阻碍了其在商业中的应用。因此,充分了解Ni-Fe催化剂的衰减机理,包括形态、组成、晶体结构和活性位点数量的变化,对于设计稳定和高效Ni-Fe催化材料非常重要,充分了解Ni-Fe催化剂在OER过程中的电子结构及其与析氧反应中间体的相互作用尤为重要。原位拉曼及原位紫外-可见光谱可以对Ni-Fe催化剂中的Ni(OH)2到NiOOH的变化进行深入探究,而原位57Fe穆斯堡尔谱测试则可以揭示Ni-Fe基催化剂中Fe的电子环境及其电子的、结构的和磁性的变化。穆斯堡尔光谱为研究Ni-Fe催化剂中Fe的局部电子结构、局部配位、键合和氧化态的提供了强大技术支撑。最近,穆斯堡尔光谱在电催化领域获得了越来越多的关注,它对于检测不同铁基催化材料中的主要活性位点有着重要作用。

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    2. 碱性介质中非贵金属氧还原催化剂的结构调控进展
    王雪, 张丽, 刘长鹏, 葛君杰, 祝建兵, 邢巍
    电化学(中英文)    2022, 28 (2): 2108501-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210850
    摘要914)   HTML147)    PDF(pc) (2256KB)(4518)    收藏

    碱性介质中的氧还原反应是金属-空气电池和阴离子交换膜燃料电池的重要电化学过程。但是,其动力学缓慢,因而引起了对高效电催化剂的广泛研究。其中,非贵金属催化剂可有效地规避铂基催化剂成本和储量的问题,而备受关注。但其挑战在于将性能提高到可与Pt基催化材料媲美。鉴于非贵金属催化剂的组成和结构对催化性能有着至关重要的影响,精准地调控催化剂的结构有望消除非贵金属催化剂和商业铂基催化剂的活性差距。在该评述中,我们致力于总结通过结构调控来提升性能的研究进展。我们首先介绍了四种极具代表性的非贵金属催化剂,包括非金属碳基材料、金属化合物、石墨化碳层包覆金属颗粒、原子分散的金属-氮-碳材料,突出了催化活性位点和催化机理。随后,针对于这些催化剂,我们归纳了从微纳尺度到原子层面的结构调控策略,如分级多孔结构的设计、界面工程、缺陷工程以及原子对活性位点的构建。我们着重讨论了结构和性能之间的依赖关系。从加速传质、增加可及的活性位点数量、可调控的电子状态和多组分之间的协同效应,讨论了这些结构变化引起的活性改进的起源。最后,我们对该领域存在的挑战以及未来的前景进行了展望。

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    3. 平衡、非平衡、交流状态下电化学双电层建模的初学者指南
    张露露, 李琛坤, 黄俊
    电化学(中英文)    2022, 28 (2): 2108471-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210847
    摘要3063)   HTML11872)    PDF(pc) (2138KB)(3966)    收藏

    本文定位在一篇电化学双电层(EDL)理论建模方面入门级文章。我们首先简要介绍了EDL的基本特征,简述了EDL理论建模的发展历史,特别是D.C. Grahame之后近几十年的发展历史。然后,我们依次介绍了平衡状态和动态下不同复杂度的EDL模型。作为一篇入门级文章,我们尽可能详细地阐释理论模型的物理图像、假设、数学推导、形式分析、数值分析,并附上Matlab仿真代码。平衡状态下的模型包括Gouy-Chapman-Stern(GCS)模型,Bikerman-Poisson-Boltzmann(BPB)模型,和非对称离子尺寸模型。我们强调GCS模型和BPB模型在处理离子有限尺寸上存在一个微妙的不同。GCS模型通过人为引入Helmholtz平面来考虑离子有限尺寸,但在Helmholtz平面内及弥散层内却依然采用没有考虑离子尺寸效应的Poisson-Boltzmann理论,因而此处的离子浓度可以无限大。与之不同,BPB模型通过格子气体方法,能够自洽描述离子有限尺寸效应。不同以往直接采用Poisson-Nernst-Planck方程描述EDL动态行为,我们从EDL的巨势出发,运用基本的泛函分析方法,推导了一个考虑离子有限尺寸的EDL动态模型。这一理论方法拓展性好。读者可以根据研究对象的需要,建立不同复杂度的EDL动态模型。最后,我们基于EDL动态模型,推导了EDL的电化学阻抗谱理论模型,以试图向读者展示如何从一个时域物理模型出发,推导相应的阻抗谱物理模型。读者若想要踏进理论电化学这个美丽的花园,根据我们自己学习和研究的经验,一个可行的方式是拿起纸和笔来开始推导本文所介绍的这些模型。

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    4. 钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展
    殷秀平, 赵玉峰, 张久俊
    电化学(中英文)    2023, 29 (10): 2204301-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2204301
    摘要3705)   HTML92)    PDF(pc) (4161KB)(3890)    收藏

    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。

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    5. 芯片钴互连及其超填充电镀技术的研究进展
    魏丽君, 周紫晗, 吴蕴雯, 李明, 王溯
    电化学(中英文)    2022, 28 (6): 2104431-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210443
    摘要1570)   HTML273)    PDF(pc) (2665KB)(3860)    收藏

    芯片中的钴互连作为铜互连之后的下一代互连技术受到了业界的极大关注,且已经引入集成电路7 nm以下的制程。钴互连主要采用湿法的电化学沉积技术,但由于保密原因和研究条件的限制,其研究报道不多。本文基于现有专利、文献报道较系统地介绍了钴互连技术的优势及发展现状,并从溶液化学和电化学角度综述了钴互连电镀基本工艺、基础镀液组成与添加剂、超填充电镀机理,以及镀层退火控制与杂质影响等的研究现状,并对钴互连技术下一步研究进行了展望。

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    6. 第29卷第6期封面和目次
    电化学(中英文)    2023, 29 (6): 0-0.  
    摘要60)      PDF(pc) (102768KB)(3825)    收藏
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    7. 固态锂硫电池研究进展
    罗宇, 马如琴, 龚正良, 杨勇
    电化学(中英文)    2023, 29 (3): 2217007-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217007
    摘要945)   HTML428)    PDF(pc) (4674KB)(3408)    收藏

    固态锂硫电池具有高能量密度和高安全性的潜在优势,被认为是最有前景的下一代储能体系之一。虽然固态电解质的应用有效地抑制了传统锂硫电池存在的“穿梭效应”和自放电现象,固态锂硫电池仍面临着多相离子/电子输运、电极/电解质界面稳定性、化学-机械稳定性、电极结构稳定性和锂枝晶生长等关键问题亟待解决。针对以上问题,本综述对近年来固态电解质、硫基复合正极、锂金属及锂合金负极以及电极/电解质界面的研究进行了详细的论述。作为固态锂硫电池的重要组成部分,固态电解质近年来受到了研究者们的广泛关注。本文首先对在锂硫电池中得到广泛应用的聚合物基、氧化物基、硫化物基固态电解质的种类和性质进行了概述,并对其在固态锂硫电池中的最新应用进行了系统的总结。在此基础上,对以单质硫、硫化锂、金属硫化物为活性物质的复合硫正极、锂金属及锂合金负极的反应机理以及面临的挑战进行了归纳和比较,对其解决策略进行了总结和分析。此外,对制约固态锂硫电池性能的电极/电解质界面离子/电子输运以及界面相容性问题及其改性策略进行了系统的阐述。最后,对固态锂硫电池的未来发展进行了展望。

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    8. 玻璃通孔三维互连镀铜填充技术发展现状
    纪执敬, 凌惠琴, 吴培林, 余瑞益, 于大全, 李明
    电化学(中英文)    2022, 28 (6): 2104461-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210446
    摘要2053)   HTML266)    PDF(pc) (3380KB)(3176)    收藏

    随着摩尔定律的发展迟缓,微电子器件的高密度化、微型化对先进封装技术提出了更高的要求。中介层技术作为2.5D/3D封装中的关键技术,受到了广泛研究。按照中介层材料不同,主要分为有机中介层、硅中介层以及玻璃中介层。与硅通孔(through silicon via, TSV)互连相比,玻璃通孔(through glass via,TGV)中介层(interposer)因其具有优良的高频电学特性、 工艺简单、 成本低以及可调的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)等优点,在2.5D/3D先进封装领域受到广泛关注。然而玻璃的导热系数(约1 W·m-1·K-1)与硅(约150 W·m-1·K-1)相比要低很多,因此玻璃中介层存在着严重的散热问题。为得到高质量的TGV中介层,不仅需要高效低成本的通孔制备工艺,还需要无缺陷的填充工艺,目前玻璃中介层面临的挑战也主要集中在这两方面。本文首先介绍了TGV的制备工艺,如超声波钻孔(ultra-sonic drilling, USD)、超声波高速钻孔(ultra-sonic high speed drilling,USHD)、湿法刻蚀、深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching, DRIE)、光敏玻璃、激光刻蚀、激光诱导深度刻蚀(laser induced deep etching, LIDE)等。接着围绕TGV的无缺陷填充进行总结,概述了TGV的几种填充机理以及一些填充工艺,如bottom-up填充、蝶形填充以及conformal填充。然后对TGV电镀添加剂的研究进展进行了介绍,包括典型添加剂的作用机理以及一些新型添加剂的研究现状,最后并对TGV实际应用情况进行了简要综述。

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    9. 工业级碱性海水电解:近期进展和展望
    张涛, 刘一蒲, 叶齐通, 范红金
    电化学(中英文)    2022, 28 (10): 2214006-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2214006
    摘要1111)   HTML413)    PDF(pc) (1695KB)(3134)    收藏

    由太阳能、风能和海洋等可再生能源驱动的工业级水分解产氢为能源和环境的可持续性发展开辟了一条极具潜力的道路。然而,在工业上最先进电解技术使用高纯水作为氢源,这将带来严重的淡水资源危机。海水分解为饮用水短缺提供了一条切实可行的解决途径,但仍面临规模工业化生产的巨大挑战。在这里,我们总结了海水分解的最新进展,包括反应机制、电极设计标准和直接海水分解的工业电解槽。深入讨论了应对海水电解中的关键挑战,如活性位点、反应选择性、耐腐蚀性和传质能力等的解决方案。此外,该文章重点总结了海水电解设备的最新发展,并提出了设计长寿命直接海水电解装置的有效策略。最后,我们对直接海水电解的未来机遇和挑战提出了自己的观点。

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    10. 多孔陶瓷支撑型管式固体氧化物电解池性能研究
    汪恒吉, 陈文国, 全周益, 赵凯, 孙毅飞, 陈旻, 奥坚科·弗拉基米尔
    电化学(中英文)    2023, 29 (12): 2204131-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2204131
    摘要465)   HTML6)    PDF(pc) (9516KB)(2883)    收藏

    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。

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    11. 固态锂硫电池综述:从硫正极转化机制到电池的工程化设计
    贾欢欢, 胡晨吉, 张熠霄, 陈立桅
    电化学(中英文)    2023, 29 (3): 2217008-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217008
    摘要836)   HTML208)    PDF(pc) (3083KB)(2470)    收藏

    锂硫电池具有超高的理论能量密度(2567 Wh·kg-1),且其实际能量密度最高可达600 Wh·kg-1。然而,液态体系的Li-S电池和传统锂电池一样存在着安全隐患。用固态电解质取代电解液有望提高锂电池的安全性能,在近二十年受到了广泛的研究。对于固态锂硫电池来说,除了由于正极材料本身的不同带来的转化机制上的差别,固态电解质的物理化学性质也会显著影响其电化学行为。这篇综述分类讨论了已报道的不同固态锂硫电池体系在性能上的优缺点及其中主要的失效机制,对其能量密度低、循环稳定性差的原因及改善电池综合性能的策略进行了归纳分析,旨在从固态锂硫电池微观机制到全电池水平的工程化设计提供全面的理解,推动固态锂硫电池的进一步发展。

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    12. 电化学测量中的欧姆电压降补偿问题
    陈佳琦, 叶旭旭, 廖玲文, 韦臻, 许绵乐, 陈艳霞
    电化学(中英文)    2021, 27 (3): 291-300.   DOI: 10.13208/j.electrochem.201257
    摘要3147)   HTML63)    PDF(pc) (1685KB)(2460)    收藏

    对工作电极与参比电极之间的溶液电阻(Ru)进行准确的欧姆电压降补偿是获取可靠的电化学实验结果的前提,但测量中该如何进行补偿尚未建立规范的操作流程。本文首先探究了工作电极与Luggin毛细管末端距离对Ru的影响。随后对比了Autolab PGSTAT 302N、CHI系列恒电位仪的交流阻抗法与CHI系列恒电位仪所测得Ru的差别。并且以铂电极上的氢析出反应为例,探究了灵敏度、补偿百分比以及仪器等因素对补偿后HER极化曲线带来的影响。深入讨论了产生这些偏差的原因,最后给出了规避和减轻此类问题以实现准确有效的欧姆电压降补偿的建议。

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    13. 锂离子电池高镍层状氧化物正极结构失效机制
    王加义, 郭胜楠, 王新, 谷林, 苏东
    电化学(中英文)    2022, 28 (2): 2108431-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210843
    摘要1440)   HTML564)    PDF(pc) (3343KB)(2406)    收藏

    高镍层状氧化物具有成本低、能量密度高的优点,被认为是新一代锂离子电池的理想正极材料。然而,由于在使用中其结构的耐久性与安全性问题,在实际应用过程中仍然面临着严峻的挑战。深入了解电极材料容量衰减过程中的结构演变对发展高性能层状氧化物电极材料具有重要的指导意义。本文综述了近年来高镍层状氧化物正极失效机理的研究进展,包括从高镍层状氧化物的内部结构演变、表面成分变化和热失控条件下的性质等方面,进行了详细的梳理。之后,本文介绍了国内外最新的高镍层状氧化物的改性策略,并对高镍氧化物正极结构研究的发展方向进行了总结和展望。

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    14. 铂和钯上丙三醇电氧化研究进展:从反应机理到催化材料
    张伟艺, 马宪印, 邹受忠, 蔡文斌
    电化学(中英文)    2021, 27 (3): 233-256.   DOI: 10.13208/j.electrochem.201252
    摘要2544)   HTML40)    PDF(pc) (1960KB)(2394)    收藏

    生物柴油工业的蓬勃发展带来大量副产品丙三醇(甘油),因此如何将甘油转化为高附加值产品具有重要的研究价值。在各种方法中, 电催化氧化由于其条件温和、环境友好和高效率而备受关注。然而,甘油的电氧化非常复杂,涉及许多反应途径和多个电子和质子转移过程,如何合理设计对目标产物具有高选择性的催化剂是很大的挑战。在本文中, 我们主要概述了铂和钯基催化剂上甘油电氧化研究的最新进展。我们首先总结了基于原位和在线谱学研究以及理论计算获得的影响其电催化活性和选择性的因素。然后,选择代表性文献来说明这些因素如何应用于研制高效甘油电氧化催化剂。最后,提出了未来研究中要解决的关键问题。

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    15. 质子交换膜燃料电池铂基催化剂研究进展
    黄龙, 徐海超, 荆碧, 李秋霞, 易伟, 孙世刚
    电化学(中英文)    2022, 28 (1): 2108061-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210806
    摘要2475)   HTML11805)    PDF(pc) (3174KB)(2248)    收藏

    燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有能量密度高、利用率高、清洁安静等优点。在不同类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)不仅能量密度高,而且具有在近常温条件下工作的特点,因此受到广泛关注。目前,商业化PEMFC仍采用铂基纳米材料作为催化剂,其中缺乏低成本、高效的阴极催化剂是限制PEMFC性能提升和成本降低的关键因素之一。本文综述PEMFC催化剂的结构可控制备及其对阴极氧还原反应和膜电极性能的影响,阐述调控催化剂结构提高PEMFC性能的方法,特别是提高贵金属催化剂的利用率,降低膜电极中贵金属用量的研究进展。

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    16. 碱性电解水高效制氢
    谢文富, 邵明飞
    电化学(中英文)    2022, 28 (10): 22014008-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2214008
    摘要2240)   HTML537)    PDF(pc) (2471KB)(2181)    收藏

    与传统化石能源制氢技术相比,利用可再生能源驱动电解水制氢技术具有绿色可持续和制氢效率高等优势,被认为是目前最具前景的制氢方式。然而, 由于电解水两极反应动力学缓慢、 催化剂稳定性较差, 限制了其大规模发展。此外, 阳极析氧反应存在较高的过电势, 从而导致当前制氢能耗与成本较高, 严重制约了其商业化应用。 为了解决上述问题与挑战,本文对当前发展较为成熟的碱性电解水技术进行了综合讨论与分析。 首先, 对电解水发展历程中的重要节点进行了总结, 便于读者了解该领域。进一步, 从电催化剂、 电极、 反应和系统的角度深入总结了提升电解水制氢性能的有效策略。作者分别介绍了近年来层状双金属氢氧化物基电解水催化剂、电解水制氢耦合氧化反应以及可再生能源驱动的电解水系统的重要研究进展; 同时对结构化催化剂在电解水应用中的构效关系进行了深入分析。最后, 对该领域存在的挑战和未来发展方向进行了展望,希望能为氢能的发展和推广提供一定的思路。

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    17. 3.9 V电化学稳定窗口的乙酸盐电解液用于低成本高性能的水系钠离子电池
    兰道云, 屈小峰, 唐宇婷, 刘丽英, 刘军
    电化学(中英文)    2022, 28 (1): 2102231-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210223
    摘要1611)   HTML844)    PDF(pc) (5947KB)(2117)    收藏

    水系钠离子电池因其低成本和高安全性有望在大规模储能领域得到广泛应用,但稀水溶液的电化学稳定窗口窄(1.23 V),限制了钠离子电池的能量密度。“water-in-salt”盐包水策略可有效扩宽水的电化学稳定窗口。本文中通过使用高浓度的乙酸铵(CH3COONH4,25 mol·L-1)与乙酸钠(CH3COONa,5 mol·L-1),将水的电化学稳定窗口扩宽至3.9 V。该高浓度水溶液与MnO2/CNTs正极和NaTi2(PO4)3/C负极组装的全电池平均工作电压为1.3 V,容量可以达到74.1 mAh·g-1

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    18. 扬帆启航:电化学实验初步
    韩联欢, 何权烽, 詹东平
    电化学(中英文)    2021, 27 (3): 311-315.   DOI: 10.13208/j.electrochem.201254
    摘要2319)   HTML68)    PDF(pc) (648KB)(2039)    收藏

    电化学是研究电能和化学能相互转化的规律的科学。电能和化学能之间的相互转换,是通过电极/电解质溶液表界面的结构变化和电荷转移反应来实现的。以电化学能源器件为例,前者为超级电容器,能量存储和释放主要通过界面双电层的表界面结构变化来实现;后者为化学电源,能量存储和释放主要通过电极活性物质的表界面化学反应来实现。所以,研究一个电化学体系时,主要关注两个问题,即表界面结构和表界面电荷转移反应。而表界面结构直接影响表界面电荷转移反应的性质,因此,从电化学实验的角度,表界面的构筑是至关重要的,包括电极的制备和表征、电极修饰材料的制备及组装、溶剂和支持电解质的选择和优化、电化学实验环境等等。本文旨在向广大电化学初学者讲述电化学实验的准备工作以及对实验现场数据的基本判断,帮助大家在实验中及时发现问题,及早采取措施,高效率地获取可信的实验数据。

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    19. 原子数精确的金属纳米团簇在电催化领域的应用研究进展
    庄志华, 陈卫
    电化学(中英文)    2021, 27 (2): 125-143.   DOI: 10.13208/j.electrochem.201246
    摘要1569)   HTML70)    PDF(pc) (2387KB)(1929)    收藏

    金属纳米团簇(M NCs)是由几个到数百个金属原子组成,其尺寸一般小于2 nm。金属纳米团簇在许多催化反应中表现出高的催化活性和选择性,这与金属纳米团簇具有高的比表面积、较多暴露的活性原子,以及与金属纳米粒子(M NPs)不同的电子结构有关。金属纳米团簇确定的组成和结构使其成为一种新型模型催化剂,对纳米团簇的催化性能研究有利于人们深入理解催化剂结构-性质之间的关系,更利于催化剂的理性设计与发展。结合近几年国内外和本课题组在金属纳米团簇电催化领域的研究进展和现状,本文对该领域的代表性工作进行了简要综述,并对其未来在电催化领域的应用前景和需要解决的关键问题进行了展望。

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    20. 低铱酸性氧析出电催化剂的研究进展
    倪静, 施兆平, 王显, 王意波, 吴鸿翔, 刘长鹏, 葛君杰, 邢巍
    电化学(中英文)    2022, 28 (9): 2214010-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2214010
    摘要1752)   HTML494)    PDF(pc) (4233KB)(1783)    收藏

    开发高性能、 低成本的氧析出反应(OER)电催化剂是促进质子交换膜水电解(PEMWE)制氢规模化应用的关键。迄今为止, OER催化剂的最佳选项仍为贵金属铱(Ir), 但其仍存在活性不足和储量稀缺的问题, 进而增加了材料成本和电力成本。因此, 开发低Ir载量、 高活性和稳定性间距, 且能够满足PEMWE设备中大电流密度和长期运行要求的OER催化剂是十分必要的。这些目标的实现需要深入理解酸性OER机制、明晰材料设计方法, 并建立可靠的性能评估指标(特别是对耐久性的评估)。综上,本文首先系统总结了目前被广泛接受的酸性OER活性表达机制(即吸附析出机制、 晶格氧氧化机制和多活性中心机制)和失活机制(即活性物种溶解、晶相和形态演化、 催化剂脱落和活性位点阻塞), 为催化剂的微观结构设计提供指导。其次, 我们讨论了最近报道的几类低铱OER催化剂, 包括多金属合金氧化物、 负载型催化剂、具有特殊空间结构的催化剂和单位点催化剂, 并重点描述低Ir催化剂中的性能如何得以调控以及其中潜在的构效关系。随后, 我们介绍了常用的催化剂稳定性评价指标、 催化剂失活表征技术以及模拟PEMWE实际操作条件的催化剂寿命测试方法,希望为催化剂筛选提供依据。最后, 针对未来可用于PEMWE体系的低铱OER催化剂的探索提出了一些可行建议。

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    21. 宏观均相多孔电极电化学阻抗谱基础
    李响, 黄秋安, 李伟恒, 白玉轩, 王佳, 刘杨, 赵玉峰, 王娟, 张久俊
    电化学(中英文)    2021, 27 (5): 467-497.   DOI: 10.13208/j.electrochem.201126
    摘要1934)   HTML12433)    PDF(pc) (6546KB)(1773)    收藏

    电化学阻抗谱可用于诊断多孔电极内电荷转移反应,即界面电荷集聚和电荷传导,以及反应物质输运。本文采用复相量方法,在同态假设条件下,重新推演多孔电极阻抗谱模型,厘清传统多孔电极阻抗谱模型中的模糊性表述。(1) 定义多孔电极表征输入参数,包括电极基体电子电导率σ1 、电解质离子电导率σ2、界面电荷传递电导率gct、单位面积界面电容C、固相扩散系数D、速度常数k、电极厚度d、特征孔深Lp 和单位体积表面积Sc;(2) 解析阻抗谱特征输出参数,包括场扩散常数K,特征频率ω0ω1ω2ω3ωmax,它们分别相关于界面传导反应、有限场扩散、氧化还原反应、孔内扩散和最小特征孔尺寸,以及分别对应于从传导到扩散和从扩散到饱和的转折频率fk1fk2;(3) 当参数XZ同时变化时(X = σ1Z = d,Sc,Lp,C,gct,D,k),通过阻抗谱特征参数的演变规律,分析了电荷转移反应中XΖ参数耦合竞争;(4)为深入分析电荷转移反应中参数XZ的耦合竞争,引入了分叉频率fXZfZXfXZfZX所处位置可以用于表征参数XZ影响电荷转移反应的深度和广度。当分叉频率fXZfZX不存在时,表明电荷转移反应中参数XZ在全频率范围内存在耦合竞争。总之,借助于特征频率和分叉频率,本文一方面研究了动力学参数和微观结构参数对多孔电极中电荷转移反应的影响,另一方面分析谱图的变化及其背后的阻抗谱特征演化规律。本文研究结果可为阻抗谱的系统仿真和辨识提供理论基础,可为多孔电极内电荷转移反应的竞争分析提供技术支撑,还可为电化学储能系统的优化设计提供诊断工具。

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    22. 固态电解质中锂离子传输机理研究进展
    张丙凯, 杨卢奕, 李舜宁, 潘锋
    电化学(中英文)    2021, 27 (3): 269-277.   DOI: 10.13208/j.electrochem.201244
    摘要2413)   HTML87)    PDF(pc) (1193KB)(1772)    收藏

    固态电解质在室温下表现出非凡的离子导电性,使其有潜力应用于全固态锂离子电池。开发新的高性能固态电解质需要对锂离子传输机理及其规律进行深入研究。本文论述了近期研究中锂离子传输机理方面的研究进展,包括离子传输理论基础的概述;总结Li10GeP2S12、Li7La3Zr2O12和Li1+xAlxTi2-x(PO4)3固态电解质材料中晶体结构、离子传输和研究进展;阐述锂离子传输中结构特征、传输机理(单离子跳跃传输和多离子协同传输)以及构效关系;总结(反)Meyer-Neldel规则的关键问题和相关电解质材料。最后,展望了给出电解质材料的设计策略和未来机理研究的重点,为无机固态电解质材料的探索提供新的思路和方向。

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    23. 印制电路中电镀铜技术研究及应用
    王翀, 彭川, 向静, 陈苑明, 何为, 苏新虹, 罗毓瑶
    电化学(中英文)    2021, 27 (3): 257-268.   DOI: 10.13208/j.electrochem.201255
    摘要1932)   HTML57)    PDF(pc) (2360KB)(1763)    收藏

    电镀铜技术是制造印制电路板、封装载板等电子互连器件的核心技术。本文介绍了印制电路中电镀铜技术及其发展概况,主要总结了电子科技大学印制电路与印制电子团队在印制电路电镀铜技术基础研究和产业化应用等方面的工作。首先,以三次电流分布理论为基础,采用多物理场耦合方法构建阴极表面轮廓线随时间变化的镀层生长过程模型。该模型描述了铜沉积与微纳孔结构、添加剂特性、输入电流、对流强度等相关影响因素的函数关系。通过引入添加剂相关函数,该模型能够较好应用到整平剂筛选和性能评价、电镀铜需求和镀液配方匹配、电镀参数优化等技术开发和应用领域。然后,介绍了添加剂竞争吸附过程的电化学研究以及利用传质调控添加剂局域浓度实现快速微盲孔、微沟槽填充的工业技术。之后,介绍了氮杂环低聚物系列整平剂结构-电化学构效关系研究和应用。最后展示了氧化还原型添加剂的开发情况,并对印制电路中电镀铜技术的研究和应用发展进行了预测。

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    24. 影响电池性能的因素:金属离子溶剂化结构衍生的界面行为还是固体电解质界面膜?
    程浩然, 马征, 郭营军, 孙春胜, 李茜, 明军
    电化学(中英文)    2022, 28 (11): 2219012-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2219012
    摘要894)   HTML451)    PDF(pc) (3279KB)(1702)    收藏

    通过电解液分解在电极上形成的固体电解质界面(SEI)层被认为是影响电池性能的最重要因素。 然而,我们发现金属离子溶剂化结构也会影响其电极性能,尤其可以阐明许多SEI无法解释的实验现象。基于该综述,本文总结了金属离子溶剂化结构和衍生的金属离子去溶剂化行为的重要性,并建立了相应的界面模型以展示界面行为和电极性能之间的关系,并将其应用于不同的电极和电池体系。我们强调了电极界面离子/分子相互作用对电极性能的影响,该解释与以往基于SEI的解释不同。该综述为理解电池性能和指导电解液设计提供了一个新的视角。

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    25. 吸电子和亲水性Co-卟啉促进电催化氧还原反应的研究
    郭鸿波, 王亚妮, 郭凯, 雷海涛, 梁作中, 张学鹏, 曹睿
    电化学(中英文)    2022, 28 (9): 2214002-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2214002
    摘要1145)   HTML380)    PDF(pc) (1852KB)(1669)    收藏

    研究影响电催化氧还原反应活性的因素对于合理设计高效的氧还原反应催化剂至关重要。调节催化剂电子结构通常被用于精确调控电催化氧还原反应活性。然而, 该反应发生在液/气/固界面, 很少有报道调控分子催化剂的亲疏水性来提高其催化活性。在此, 我们报道了两种钴卟啉NO2-CoP(5,10,15,20-四(4-硝基苯基)钴卟啉)和5F-CoP(5,10,15,20-四(五氟苯基)钴卟啉)并研究了其电催化氧还原反应性能。通过同时调控meso-位取代基的电子结构和亲水性能, NO2-CoP显示出比5F-CoP更高的电催化氧还原反应活性, 其半波电位向阳极方向移动近60 mV。NO2-CoP比5F-CoP具有更好的亲水性。理论计算表明, NO2-CoP比5F-CoP更容易有效地与O2分子结合形成CoIII-O2·-。这项工作提供了一个简单而有效的策略, 通过使用吸电子和亲水取代基来提高钴卟啉的氧还原反应活性。该策略对于设计和开发其他用于电催化的分子催化剂体系也具有重要的启发意义。

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    26. 人工智能在锂离子电池研发中的应用
    朱振威, 邱景义, 王莉, 曹高萍, 何向明, 王京, 张浩
    电化学(中英文)    2022, 28 (12): 2219003-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2219003
    摘要1567)   HTML1177)    PDF(pc) (7123KB)(1654)    收藏

    锂离子电池已成为解决现代社会储能问题的最佳解决方案之一。然而,电池材料和器件开发都是复杂的多变量问题,传统的依赖研究人员进行实验的试错法在电池性能提升方面遇到了瓶颈。人工智能(AI)具有强大的高速、海量数据处理能力,是上述突破研究瓶颈的最具潜力的技术。其中,机器学习 (ML) 算法在评估多维数据变量和集合之间的组合关联方面的独特优势有望帮助研究人员发现不同因素之间的相互作用规律并阐明材料合成和设备制造的机制。本综述总结了锂离子电池传统研究方法遇到的各种挑战,并详细介绍了人工智能在电池材料研究、电池器件设计与制造、材料与器件表征、电池循环寿命与安全性评估等方面的应用。最重要的是,我们介绍了AI和ML在电池研究中面临的挑战,并讨论了它们应用的缺点和前景。我们相信,未来实验科学家、数学建模专家和AI专家之间更紧密的合作将极大地促进AI和ML方法用以解决传统方法难以克服的电池和材料问题。

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    27. 电催化氧还原反应的原位表征
    冯雅辰, 王翔, 王宇琪, 严会娟, 王栋
    电化学(中英文)    2022, 28 (3): 2108531-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.210853
    摘要1734)   HTML226)    PDF(pc) (1344KB)(1638)    收藏

    燃料电池作为一种电化学能量转换系统,具有能量转换效率高、清洁度高等优点。氧还原反应(ORR)是燃料电池中重要的阴极反应。目前,电催化剂仍是制约燃料电池进一步商业化的关键材料之一。ORR反应催化机理的研究对于开发具有良好活性和高选择性的电催化剂具有重要价值。近年来人们通过各种先进的原位表征方法深入研究了ORR催化剂的机理和催化过程。本综述旨在总结用于原位表征技术应用于研究 ORR 反应机制的最新研究进展。我们首先简要介绍各种原位技术在ORR研究中的优势,包括电化学扫描隧道技术、 红外光谱、 拉曼光谱、 X射线吸收光谱、 X射线衍和透射电子显微镜等。然后,从催化剂的角度,总结了各种原位表征技术在催化剂形貌和电子结构演变以及催化过程中反应物和中间体的识别中的应用。最后,展望讨论了该领域原位技术的未来发展。

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    28. 当前和下一代锂离子电池电解液的原子尺度微观认识和研究进展
    侯廷政, 陈翔, 蒋璐, 唐城
    电化学(中英文)    2022, 28 (11): 2219007-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2219007
    摘要801)   HTML384)    PDF(pc) (1487KB)(1593)    收藏

    电解液及构筑电极电解液界面对于开发和应用高比容量储能系统至关重要。具体来说,电解液的机械(抗压性、粘度)、热(热导率和热容)、化学(溶解性、活度、反应性)、输运和电化学(界面及界面层)等性质,与其所组成的储能器件的性能直接相关。目前,大量的实验研究通过调控电解液的物理和/或化学组成来改善电解液性能,以满足新型电极材料的工作运行。与此同时,理论模拟方法近年来得到了迅速发展,使人们可以从原子尺度来理解电解液在控制离子输运和构筑功能化界面的作用。站在理论模拟研究的前沿上,人们可以利用其所揭示的机理性认识对新型电解液开展理性设计。本文首先总结了传统电解液的组成、溶剂化结构和输运性质以及电极电解液界面层的形成机理,进一步讨论了利用新型电解液设计稳定电极电解液界面层的方法,包括使用电解液添加剂、高浓电解液和固态电解质,并着重讨论了对这些新型电解液体系进行原子尺度模拟的最新进展,为了解和认识电解液提供更为基本的理解,并为未来电解液的设计提供系统的指导。最后,作者对新型电解液的理论筛选进行了展望。

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    29. 高均匀性的铜柱凸块电镀
    谭柏照, 梁剑伦, 赖子亮, 罗继业
    电化学(中英文)    2022, 28 (7): 2213004-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2213004
    摘要1533)   HTML229)    PDF(pc) (1998KB)(1552)    收藏

    随着电子产品的小型化、多功能化和高性能化的发展,促使着2D集成封装向2.5D或3D集成封装发展。铜柱凸块电镀是晶圆级三维封装的关键基础技术之一。本文研究了铜柱凸块的电镀均匀性与添加剂浓度、 镀液对流、 电流密度和电镀设备之间的影响规律。研究结果表明, 添加剂浓度、 镀液对流以及电流密度对单个铜柱凸块的平整度影响较大,而对铜柱凸块高度的均一性影响较小。相反,电镀设备对铜柱凸块的高度均一性的影响较大, 而对铜柱凸块的平整度影响较小。在三种有机添加剂中, 整平剂对铜柱凸块的平整度影响最大, 随着镀液中整平剂浓度的增加,铜柱凸块顶部形状由凸起、变为平整、 再转变为凹陷。电镀液的单向对流会导致所沉积铜柱凸块形貌发生倾斜。 高的电流密度会导致凸顶的铜柱凸块形貌。精密设计的电镀设备可以提高晶圆上电流密度分布的均匀性, 继而大幅提高电镀铜柱凸块的共面性。本文的研究结果可为铜柱凸块的电镀优化提供指导。

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    30. 锂硫电池电解液功能性添加剂研究进展
    张修庆, 唐帅, 付永柱
    电化学(中英文)    2023, 29 (4): 2217005-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217005
    摘要1181)   HTML342)    PDF(pc) (4829KB)(1490)    收藏

    由于具有能量密度高、成本低等优点,锂硫电池成为最有前景的下一代电池体系之一。然而,锂硫电池的实际应用仍面临着严峻挑战,如硫和硫化锂的低电导率、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶的生长等。通过电解液的优化,可以改善电极|电解质界面,减弱副反应,提高电池性能。其中,电解液中的功能添加剂能有效调节电极界面和电池的氧化还原机制。本文系统性总结了锂硫电池添加剂的最新研究进展,并根据添加剂对锂金属负极的保护作用和对硫正极的稳定作用进行了分类。另外,本文详细讨论了添加剂在硫正极的作用,如抑制多硫化物的溶解和穿梭、充当氧化还原介质、激活硫化锂的沉积与溶解等。最后,本文展望了锂硫电池添加剂的发展前景,希望能对高性能锂硫电池电解液的设计提供借鉴。

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