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當(dāng)前位置：文庫百科 ? 文章詳情

別刷朋友圈了，快來刷刷EES的“Hot article”吧！

來源：測試GO 時間：2021-09-07 13:40:07 瀏覽：2541次

期刊簡介

作為環(huán)境和能源領(lǐng)域的頂級學(xué)術(shù)期刊，Energy & Environmental Science（簡稱EES）可謂是“家喻戶曉”，該期刊重點關(guān)注能源的轉(zhuǎn)換和存儲、新型燃料技術(shù)以及涉及環(huán)境科學(xué)的相關(guān)研究。收錄主題包括但不限于：太陽能轉(zhuǎn)換和存儲、太陽能和人工光合作用、燃料電池、氫存儲和（生物）氫生產(chǎn)、能源系統(tǒng)材料、二氧化碳的捕獲和處理和處置、生物燃料及精煉、極端環(huán)境中的新材料、能源技術(shù)對環(huán)境的影響、與能源系統(tǒng)有關(guān)的全球大氣化學(xué)和氣候變化、能源系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)、能源政策和技術(shù)等。

EES為月刊，一年12期，整體年發(fā)文量不大（年發(fā)文量幾乎均小于500篇），這在一定程度上也反映了期刊收錄文章的質(zhì)量。2021年EES的最新影響因子高達(dá)38.532，可見其在能源和環(huán)境領(lǐng)域的地位。

EES期刊設(shè)立了“Recent Hot Articles”主題，通常會收錄近兩年來的熱點文章（2020年和2021年）（圖1）。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，2021年以來，進(jìn)入該主題的文章總共有12篇，分別涉及鋰離子電池（5篇）、太陽能電池（3篇）、碳中和（2篇）、燃料電池（1篇）和超級電容器（1篇）。

圖1 EES近期熱點文章主題（2020年和2021年）

為了帶領(lǐng)大家一覽頂刊風(fēng)采，筆者特意選取了EES 2021年的熱點文章主題里的部分研究成果進(jìn)行了解讀，希望能給相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者們帶來一絲啟發(fā)。

2021年熱點文章解讀

1、廢舊鋰離子電池正極材料的綠色回收工藝設(shè)計

鋰離子電池（LIBs）作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色儲能器件，在很大程度上緩解了當(dāng)今社會所面臨的能源危機和環(huán)境問題。過去幾年中，LIBs的飛速發(fā)展進(jìn)一步推動了電動汽車的蓬勃發(fā)展。在第一批已淘汰的電動汽車中，廢舊LIBs的回收同時面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。這些廢舊LIBs具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值和潛在的環(huán)境危害。然而，現(xiàn)有的回收工藝尚不完善，仍然存在二次污染、工序復(fù)雜或成本較高等問題，因此亟需針對鋰離子電池開發(fā)效率高、綠色環(huán)保且操作簡單的可持續(xù)回收工藝。

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有鑒于此，中科院化學(xué)所的萬立駿院士和郭玉國教授團(tuán)隊[1]設(shè)計了一種極其簡單但有效且環(huán)保的方法，成功地將廢舊正極材料與鋁箔分離。這種高效的分離方法不僅避免使用有機溶劑，而且還防止了二次污染。作者對衰減后的鋰離子電池正極的微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了全面深入的研究，然后提出了一種有針對性的方法，利用廢舊正極材料表面增加的殘堿僅用純水就能分離活性物質(zhì)和集流體，并結(jié)合了固相燒結(jié)再生，實現(xiàn)了退役鋰離子電池正極材料的綠色閉環(huán)回收。這樣一種從微觀結(jié)構(gòu)變化出發(fā)進(jìn)行回收工藝設(shè)計的策略可以為將來更有針對性的廢舊電池回收提供新的研究思路。

圖2 廢舊電池電極材料的演示過程與表征

2、一種用于制備高性能分層堆積有機太陽能電池的普適性方法

有機太陽能電池（OSC）因成本低、重量輕、可柔性制備等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。隨著材料開發(fā)和器件工程的發(fā)展，單結(jié)有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已超過18%。在傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池中，給受體的隨機相分離嚴(yán)重地影響了薄膜的形貌，從而降低了太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。近年來，將給受體逐層旋涂而制備成分層堆積結(jié)構(gòu)的器件（SD）有利于控制每層薄膜的形貌，達(dá)到平衡的電荷傳輸，以及獲得直接的傳輸通道，從而提升器件的穩(wěn)定性和效率。因此，一系列方法包括真空沉積、薄膜轉(zhuǎn)移和正交溶劑等被用來制備分層的OSC，并取得了顯著的研究進(jìn)展。然而，大多數(shù)該類方法都不具有普遍性，難以應(yīng)用于所有的給受體體系，因此在商業(yè)化應(yīng)用中存在局限性。

有鑒于此，中國科學(xué)院大學(xué)黃輝教授團(tuán)隊^[2]提出了一種用于制備分層堆積結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池的普適性方法，并將其命名為環(huán)境友好型溶劑保護(hù)法（ESP）。該方法利用環(huán)境友好型溶劑作為給體和受體之間的保護(hù)層，從而制備高性能的垂直相分離結(jié)構(gòu)的分層堆積器件。通過研究不同保護(hù)溶劑對給體薄膜的保護(hù)作用的差異，從而篩選出最優(yōu)的保護(hù)溶劑，并對其機理進(jìn)行深入研究。作者分別制備了有無溶劑保護(hù)的SD器件，結(jié)果表明，在8種保護(hù)溶劑中篩選出的正辛烷具有最優(yōu)的保護(hù)性能。以正辛烷為保護(hù)溶劑的SD器件具有最優(yōu)的光伏性能，且該器件具有較弱的復(fù)合和較高的激子解離效率，器件的能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）達(dá)到了17.52%，對應(yīng)的開路電壓（VOC）為0.834 V，短路電流（JSC）為27.79 mA cm^-2，填充因子（FF）為75.61%，為目前逐層旋涂法制備的OSC的最高效率。進(jìn)一步研究表明，該ESP方法對富勒烯和非富勒烯的多個給受體材料體系都具有普適性，有利于將來的商業(yè)化應(yīng)用。

圖3 連續(xù)沉積過程及對應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)

3、高性能氨氧化催化劑用于陰離子交換膜直接氨燃料電池

傳統(tǒng)的燃料電池研究主要涉及以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），而以氨（NH₃）為燃料的直接氨燃料電池（DAFC）較為少見。氨是一種以氮為基礎(chǔ)的液體燃料，它的生產(chǎn)、儲存、運輸和分配比氫便宜，在可再生能源生產(chǎn)的燃料中，其成本最低，同時可避免其它液體燃料的二氧化碳排放，這種強大的燃料在未來或?qū)⒊蔀橐环N經(jīng)濟(jì)實用的燃料用于汽車、卡車、公共汽車等交通運輸工具。然而，這種值得關(guān)注的低溫DAFC技術(shù)在陽極處氨氧化（AOR）的動力學(xué)過程緩慢，比氫氧化更為困難，加上氨在PEMFC中不起作用，這使得相關(guān)科研工作者對對氨燃料電池的研究困難重重。

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有鑒于此，紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授團(tuán)隊^[3]報道了一種簡單的超聲化學(xué)合成策略，成功制備出氧化物和碳復(fù)合材料負(fù)載的PtIrZn三元合金納米催化劑（PtIrZn/CeO₂-ZIF-8），該催化劑不僅在堿性電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的AOR催化活性，更在陰離子交換膜DAFC中顯示出優(yōu)異的高功率密度（峰值達(dá)314 mW cm^-2）。這項工作中的催化劑設(shè)計和制備、DAFC性能測試、DFT理論計算分析可為未來AOR陽極催化劑的構(gòu)筑和DAFC研究提供指導(dǎo)和借鑒，有利于推動DAFC在未來的實際應(yīng)用。

圖4 PtIrZn/CeO₂-ZIF-8合成示意圖

4、-30℃下可拉伸的超級電容器

可拉伸超級電容器（SSCs）因具有功率密度高、充放電時間段和循環(huán)壽命長的優(yōu)勢而被廣泛研究。迄今為止，大多數(shù)SSCs都在具有潛在可拉伸結(jié)構(gòu)的電極上工作，例如電極呈波浪形、橋島形、孔形、螺旋形和彈簧形等。然而，它們通常會遭受預(yù)先設(shè)計電極與凝膠電解質(zhì)之間的機械失配，或者由于添加額外可拉伸基材而沒有電容貢獻(xiàn)而導(dǎo)致體積/質(zhì)量增加的問題。此外，隨著傳統(tǒng)水凝膠電解質(zhì)在冰點以下逐漸凍結(jié)，SSCs在低溫（如-30℃）下往往會失去柔性和延展性。

有鑒于此，北京理工大學(xué)張志攀教授等^[4]首次以交聯(lián)聚丙烯酰胺（PAM）網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在乙二醇（EG）/水（W）/硫酸（H₂SO₄）浸漬的抗冷凍有機水凝膠聚電解質(zhì)上，通過一步原位生長聚苯胺（PANI）電極，首次制備了一種抗凍和高拉伸性超級電容器（AF-SSC）。與傳統(tǒng)通過人工組裝正負(fù)電極材料和電解質(zhì)來制造超級電容器的方法不同，該方法促進(jìn)了電極和電解質(zhì)之間的完全接觸，并顯著降低了離子傳輸?shù)慕缑骐娮?。同時，得益于其整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流器件經(jīng)受諸如彎曲、扭曲和拉伸之類的大變形時，仍可提供穩(wěn)定的能量輸出。此外，與采用額外可拉伸基材或潛在可拉伸結(jié)構(gòu)制備的常規(guī)SSCs相比， AF-SSC器件更易于制造且更易于控制。結(jié)果表明，AF-SSC在-30℃下拉伸200%時仍可保持89.4%的電容。當(dāng)電流密度增加20倍時，在-30℃時，電容保持率達(dá)到73.1%，優(yōu)于先前報道的室溫下基于贗電容材料的可拉伸SSCs。在50 mV s^-1和-30℃下循環(huán)100000次后，該器件具有91.7%電容保留的超長壽命，超過了先前報道的所有可拉伸SSCs。

圖5 AF-SSC的構(gòu)建及原理圖

5、在碳中和的歐洲通過生物能源碳捕獲和儲存評估二氧化碳的去除潛力

生物能源碳捕獲和儲存（BECCS）是一種二氧化碳去除（CDR）技術(shù)，可能是實現(xiàn)全球二氧化碳凈零排放目標(biāo)的關(guān)鍵。為了評估歐洲的BECCS潛力，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Marco等人^[5]考慮了7種不需要專門種植的生物能源種植園的BECCS技術(shù)，對生物CDR的潛力進(jìn)行了量化。結(jié)合過程工程和地理空間評估，作者發(fā)現(xiàn)2018年歐洲5%的二氧化碳排放（即每年約2億噸），都可以通過來自BECCS的生物CDR緩解。然而，該值也僅僅只是勉強達(dá)到歐洲CDR需求范圍的下限。

從地緣政治的角度來看，只有少數(shù)歐洲國家通過BECCS達(dá)到或超過其CDR需求。那些無法利用國內(nèi)生物質(zhì)資源實現(xiàn)碳中和的國家，可能需要訴諸其他CDR策略或從國外進(jìn)口生物質(zhì)。從地理角度來看，排放源和存儲地點的距離分布相當(dāng)不合理。根據(jù)定量評估，作者得出以下結(jié)論：由于不合理的源匯距離分布，要有效利用2億噸CO₂是具有挑戰(zhàn)性的，且在歐洲需要更多和距離分布更合理的CO₂儲存地點，此外，要真正實現(xiàn)碳中和，需要在歐洲范圍內(nèi)構(gòu)建二氧化碳的運輸網(wǎng)絡(luò)?？偠灾?，這項工作有助于確定生物CDR在歐洲可持續(xù)發(fā)展方面的作用。

圖6 不同BECCS技術(shù)下的生物源二氧化碳含量和去除效率

參考文獻(xiàn)

[1] Min Fan, Xin Chang, YuJie Guo, et al. Increased residual lithium compounds guided

design for green recycling of spent lithium-ion cathodes. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 1461. DOI: 10.1039/d0ee03914d.

[2] Yanan Wei, Jianwei Yu, Linqing Qin, et al. A universal method for constructing high efficiency organic solar cells with stacked structures. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 2314. DOI: 10.1039/d0ee03490h.

[3] Yi Li, Hemanth Somarajan Pillai, Teng Wang, et al. High-performance ammonia oxidation catalysts for anion-exchange membrane direct ammonia fuel cells. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 1449. DOI: 10.1039/d0ee03351k.

[4] Xuting Jin, Li Song, Hongsheng Yang, et al. Stretchable supercapacitor at -30℃. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3075. DOI: 10.1039/d0ee04066e.

[5] Lorenzo Rosa, Daniel L. Sanchez, and Marco Mazzotti. Assessment of carbon dioxide removal potential via BECCS in a carbon-neutral Europe. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3086. DOI: 10.1039/d1ee00642h.

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