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当期目录

    2022年 第28卷 第2期    刊出日期:2022-02-28
    电化学前沿专辑(蔡文斌教授、廖洪钢教授、彭章泉研究员主编)
    第28卷第2期封面和目次
    2022, 28(2):  0-0. 
    摘要 ( 240 )   PDF (13774KB) ( 315 )  
    相关文章 | 计量指标
    “电化学前沿”专辑序言
    廖洪钢, 彭章泉, 蔡文斌
    2022, 28(2):  2108040.  doi:10.13208/j.electrochem.210840
    摘要 ( 533 )   HTML ( 151)   PDF (245KB) ( 652 )  
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    教程
    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
    2022, 28(2):  2108471.  doi:10.13208/j.electrochem.210847
    摘要 ( 3136 )   RichHTML ( 11983)   PDF (2138KB) ( 4800 )  
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    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。

    综述
    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
    2022, 28(2):  2108501.  doi:10.13208/j.electrochem.210850
    摘要 ( 943 )   RichHTML ( 152)   PDF (2256KB) ( 4926 )  
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    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。

    电化学理论模拟方法的发展及其在铂基燃料电池中的应用
    李吉利, 李晔飞, 刘智攀
    2022, 28(2):  2108511.  doi:10.13208/j.electrochem.210851
    摘要 ( 1055 )   RichHTML ( 163)   PDF (1674KB) ( 1101 )  
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    电化学中的理论计算模拟对于从原子水平理解电化学过程中的机制至关重要,它可以弥补许多实验上无法解释的现象,如果能在原子尺度上确定理解反应的活性中心,得到电极或电催化剂结构的演变过程,建立反应的微观机理,从根本上解决电极氧化和腐蚀的问题,提高电化学催化剂的活性和稳定性,从而设计更高效的电催化剂。然而,电化学的理论计算模拟中仍然存在诸多问题,例如,溶剂化效应的实现、电极/电解质(金属/溶液)界面之间合适的模拟模型和方法、电化学过程中的结构演化以及如何降低结构计算的计算代价等。在这里,我们回顾了电化学建模方法的最新进展以及我们小组通过使用修正的泊松-玻尔兹曼连续介质溶剂化模型模拟溶剂化效应对溶剂化效应和模型进行改进。同时为了减少计算代价,我们更关注机器学习在电化学模拟中的应用,主要分为两个部分,即通过快速对多种不同组分的能量进行计算并筛选出合适组分,但是无法得到实际的结构演变情况。另一个是通过快速结构取样得到不同组分不同的结构变化能够更为直观的获得结构的演变过程,从而揭示反应的机理。我们以本课题组开发的SSW-NN的方法为例,总结了基于机器学习的原子模拟在电化学方面的应用,介绍了SSW-NN,模拟电化学反应条件下电极和电催化剂的氧化和腐蚀,并阐明了催化剂结构的活性和稳定性。

    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
    2022, 28(2):  2108431.  doi:10.13208/j.electrochem.210843
    摘要 ( 1463 )   RichHTML ( 575)   PDF (3343KB) ( 3031 )  
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    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。

    金属离子电池中的磁共振:从核磁共振(NMR)到电子顺磁共振(EPR)
    胡炳文, 李超, 耿福山, 沈明
    2022, 28(2):  2108421.  doi:10.13208/j.electrochem.210842
    摘要 ( 1276 )   RichHTML ( 238)   PDF (1505KB) ( 1222 )  
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    金属离子电池改变了我们的日常生活。金属离子电池里的电极材料研究是提高电池性能的关键。因此,深刻理解电极材料的结构-性能关系,有助于提高材料的能量密度和功率密度。磁共振,包括核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR),在过去的三十年中不断得到改进,并逐渐成为研究电极材料结构性能关系的重要技术之一。本文总结了我们课题组在几种有趣的电极材料上的磁共振研究进展,阐释了NMR和EPR在电极材料研究中的重要作用。本文将有助于把握磁共振技术对电池研究的重要价值,促进磁共振技术的进一步发展。

    研究论文
    碳层网络促进Sn/SnO2纳米颗粒选择性CO2还原
    滕雪, 牛艳丽, 巩帅奇, 刘璇, 陈作锋
    2022, 28(2):  2108441.  doi:10.13208/j.electrochem.210844
    摘要 ( 909 )   RichHTML ( 112)   PDF (1869KB) ( 945 )  
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    在各类CO2还原电催化剂中,锡基材料获得了研究人员的广泛关注,但其总体催化性能仍然受催化剂电极的组成,形貌和结构的限制。在本研究中,我们利用Sn低熔点(m.p. 232oC)的特性,在聚多巴胺碳化的同时实现Sn的熔化与再结晶,合成了由氮掺杂碳层网络分散的异质结构Sn/SnO2纳米颗粒自支撑电极(Sn/SnO2@NC)。氮掺杂碳层网络有利于电子的富集,可提高催化剂电极的导电性,防止超细纳米粒子的团聚,并保护其不在电解液中溶解。在CO2饱和的0.5 mol·L-1 NaHCO3水溶液中,所制备Sn/SnO2@NC电极与没有碳层网络包覆的电极相比,其CO2还原催化性能得到了很大的提高。该Sn/SnO2@NC电极在-0.9 V(vs. RHE)的电解电压下,电流密度为17 mA·cm-2,甲酸盐产物的选择性为83%。通过偶联该CO2还原催化电极与商品化RuO2催化剂作为水氧化阳极,可实现持续的CO2/H2O电解。此外,以Sn/SnO2@NC为阴极,Zn箔为阳极,我们还构建了可充放电的水系Zn-CO2电池。该电池的输出开路电压为1.35 V,峰值功率密度为0.9 mW·cm-2。本研究为高性能CO2还原催化剂的设计提供了新的思路,同时可充放电Zn-CO2电池的构建为绿色能源转换和存储系统提供了新的方案。

    乙二醇氧化在不同电位区间下的电极负载量的优化
    孙圣男, 徐梽川
    2022, 28(2):  2108411.  doi:10.13208/j.electrochem.210841
    摘要 ( 1019 )   RichHTML ( 112)   PDF (1632KB) ( 567 )  
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    由于近年来在电化学能源转化、存储及高附加值化学品电合成上的兴趣,设计与制备电催化剂受到越来越多的关注。活性是电催化剂关键参数之一,但观测到的活性会受到催化剂负载量的影响。本工作中,我们采用Co3O4/石墨纸(Co3O4/GPE)电极作为电极模型,通过循环伏安法和计时电位法展示Co3O4的负载量是如何影响乙二醇在碱性溶液(KOH)中氧化的。基于对氧化还原峰和双电层电容的分析可以得出增加催化剂负载量可以增加电化学活性位点数,也可以在低的氧化电位下促进乙二醇氧化,但在高的电位下并没有明显的促进作用。这个结果提供了对有机小分子电催化剂负载量优化的一些思考。

    电化学前沿专辑(蔡文斌教授、廖洪钢教授、彭章泉研究员主编)
    尖晶石钴氧化物的晶面调控与析氧活性研究
    张丽桦, 揣宏媛, 刘海, 范群, 况思宇, 张生, 马新宾
    2022, 28(2):  2108481.  doi:10.13208/j.electrochem.210848
    摘要 ( 1372 )   RichHTML ( 175)   PDF (3622KB) ( 1571 )  
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    由可再生能源驱动的水分解是一种有前途的生产清洁能源的技术,而发生在阳极的析氧反应是水分解反应的速率决定步骤。本文通过调整催化剂的晶面,暴露更多的有效活性位点调控尖晶石钴氧化物析氧反应活性。在三个合成晶面(100)、(111)和(110)中,(100)晶面本征活性最高。结合原位红外和DFT计算分析可知,OER反应在氧化钴晶体的(100)平面上反应能垒最低。XPS分析进一步表明,纳米立方体表面具有最高的Co3+/Co2+比值,该结果表明Co3+是更活跃的析氧反应活性位点。