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ACS Energy Lett.能源聚焦┃编辑推荐的三篇焦点论文

近来,能源领域的研究在探索用于能量转换和存储的新材料的多个方向进展迅速。在最近一期的“能源聚焦(Energy Spotlight)”中,ACS Energy Letters 编辑顾问委员会成员Jun Lu博士、Dongling Ma博士和Iván Mora-Seró博士介绍了近期引发广泛兴趣的三篇论文,包括如何控制锂氧电池中的超氧化物反应、室内有机光伏器件的材料设计以及金属卤化物钙钛矿的光催化应用。值得一提的是,其中最后一篇论文(来自Huang等人)入选了“ACS编辑良择(ACS Editors’ Choice)”,并且是当月阅读次数最多的论文之一。


1. 锂氧电池超氧化物形成机制探秘

非水锂氧电池因具有极高的理论能量密度而备受关注。但是,该体系距实用仍相去甚远,并且使用寿命很短,这主要归咎于包括电极和电解质分解在内的寄生反应。因此,为了解决这一长期存在的问题,深入研究引起副反应的根本原因并阐明其控制机制就显得至关重要。过去的研究已经确定,超氧化锂(LiO2)是锂氧电池中的主要反应中间体,但不幸的是,LiO2具有强亲核性,可进攻电解质分子,促进副产物碳酸盐/羧酸盐的形成。此外,LiO2的歧化可在电池中生成活性单线态氧(1O2),进一步加剧了电极和电解质的分解。尽管目前已经明确LiO2的存在是锂氧电池中发生寄生反应的主要原因之一,但LiO2形成的控制因素,特别是在锂氧电池充电(氧析出反应,OER)过程中LiO2形成的控制因素仍然并不清楚,这给合理解决方案的开发带来了不少困难。


香港中文大学卢怡君(Yi-Chun Lu)教授等人围绕这个关键的悬而未决的问题进行了深入研究,他们的工作揭示LiO2的形成受氧化电位和溶剂给体数(DN)的控制,此二者通过电化学氧化和歧化反应调节LiO2形成和消耗的速率。随着充电电位的降低和溶剂给体数的提高,LiO2中间体的量也会增加。至关重要的是,这就意味着使用电催化剂降低过氧化锂(Li2O2)氧化电位这种常规策略反而会促进LiO2的形成,引发副反应和容量快速衰减。这项研究表明,未来应该开发在不产生或促进LiO2中间体形成的前提下降低充电过电位的替代策略。该研究还开启了更多的研究方向,包括将电催化剂与有效的1O2猝灭剂组合,或者开发出能够避免不稳定LiO2形成的氧化还原介体。这项研究成果还可以启发其他同样遭受寄生反应问题困扰的金属-氧气体系的研究,例如钠-氧气电池。


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Critical Factors Controlling Superoxide Reactions in Lithium–Oxygen Batteries

Yu Wang, Ying-Rui Lu, Chung-Li Dong, Yi-Chun Lu*

ACS Energy Lett., 2020, 5, 1355-1363, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00365


2. 室内有机光伏的最新进展


硅太阳能电池占据光伏市场的主导地位将近70年,应用主要集中于室外,这在很大程度上要归功于它们相对于其他类型太阳能电池而言更高的能量转换效率(PCE)和更好的长期稳定性(优势还包括硅材料的高地球丰度和无毒性等)。在不久的将来,对室内光伏来说这种情况可能会发生变化并有所不同。受“物联网(IoT)”快速发展的推动,在过去几年中,科学家对室内光伏的研究兴趣与日俱增。其中有机光伏器件被认为潜力巨大,它们重量轻、柔性好,能量转换功率足够高,可在室内环境的光照下为室内电子设备和传感器供电。迄今,在发光二极管(LED)照射下,性能最好的有机光伏电池实现了高于26%的PCE,超过了结晶硅电池的20%。


加拿大拉瓦尔大学的Mathieu Mainville和Mario Leclerc等研究者在他们近期发表的焦点综述(Focus Review)中讨论了室内有机光伏(IOPV)材料设计方面的主要进展,并提出了一些达到生产规模标准的工业见解。设计时应考虑到室内和室外光照之间的主要差异,即波长范围(对比宽波长范围的太阳光谱,室内光波长在400-700 nm)和光强度(室外的光强大约要比室内强100-1000倍)。为此,大多数有机材料都需要进行改性,以增加带隙从而更好地匹配室内光谱。作者总结了当前IOPV中使用的最先进的供体和受体材料,并进一步描述了对它们进行改性的多种策略。例如,对于非富勒烯受体,增加电子受体结构的电子密度以及扭转分子骨架中的主链已被用于增加其光学带隙;制备具有互补室内光吸收及合适能级排布的三元共混物是另一个有前途的选择。重要的是,作者从工业角度阐述了IOPV大规模加工的一些关键要点,这些见解可以作为加速IOPV广泛应用的指导。


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Recent Progress on Indoor Organic Photovoltaics: From Molecular Design to Production Scale

Mathieu Mainville, Mario Leclerc*

ACS Energy Lett., 2020, 5, 1186-1197, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00177


3. 太阳能驱动的金属卤化物钙钛矿光催化:设计、稳定性和性能


毫无疑问,卤化物钙钛矿是过去十年中最热门的材料之一,它们在光伏器件中的出色性能引发了很多研究者的兴趣。卤化物钙钛矿的性质(例如带隙)可容易地通过改变材料组成来调节,这类材料可简单地通过溶液法进行加工,而且还具有相当低的辐射复合。这些出色性质使得卤化物钙钛矿不仅是光伏器件的明星材料,而且在其他可能受益的光电器件中也激起了研究热潮,例如LED、激光器或光电探测器。低的非辐射复合可提供一组激发的载流子,其能量可用于提供功或光以及驱动化学反应。卤化物钙钛矿的这种巨大潜力也推动了它们的光催化应用研究,尽管这些体系还存在稳定性问题(特别是在极性溶剂中)。


比利时鲁汶大学的Maarten B. J. Roeffaers、Julian A. Steele及其同事对卤化物钙钛矿在光催化中的前沿应用进行了综述。这是一个新兴的研究领域,对于该领域的新来者以及已经在该领域从事相关研究的科学家来说,这篇综述无疑都值得一读,不仅可以收获完整的概览,而且也能明确当前的挑战。在实现稳定光催化反应环境方面,作者总结了当前局限以及最新进展,例如使用卤酸溶液、低极性溶剂或钙钛矿封装。在提高基于卤化物钙钛矿的光催化过程的效率和稳定性方面,他们还总结了未来的研究方向。正如作者所指出的那样,未来的研究应该关注循环性能和稳定性的提高,同时还应提高氢气生成和二氧化碳还原的活性。使用卤化物钙钛矿驱动有机化学反应,将为其光催化性能提供一个广阔的应用空间。同时,提高氧化还原活性将增强体系的应用潜力。这篇综述总结了学术界对卤化物钙钛矿光催化应用的巨大兴趣,也强调了当前的成果和挑战,为该领域当前和未来的研究提供了很好的指导。


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Solar-Driven Metal Halide Perovskite Photocatalysis: Design, Stability, and Performance

Haowei Huang, Bapi Pradhan, Johan Hofkens, Maarten B. J. Roeffaers*, Julian A. Steele*

ACS Energy Lett., 2020, 5, 1107-1123, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00058


(本稿件来自ACS Publications


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