面向電化學儲能與轉(zhuǎn)化的表界面工程

于樂，黃小青，張橋保，張志成

1北京化工大學，有機無機復合國家重點實驗室，化學工程學院，北京 100029

2廈門大學，固體表面物理化學國家重點實驗室，化學化工學院，福建 廈門 361005

3廈門大學，材料學院，福建 廈門 361005

4天津大學，天津市分子光電科學重點實驗室，理學院化學系，天津 300072

隨著不可再生化石燃料的枯竭和人類能源需求的快速增長，能源利用正從傳統(tǒng)化石能源主體逐漸轉(zhuǎn)向低碳可再生能源。2020年9月，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上提出：“中國將在未來幾十年里，采取一系列方法、政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。”當前，“碳達峰、碳中和”顯然已成為社會各界熱議的焦點，高效的能源轉(zhuǎn)換和儲存已被視為最重要的全球挑戰(zhàn)之一。

電化學能源轉(zhuǎn)換技術(shù)可以完成電能和化學能間的互相轉(zhuǎn)化，是實現(xiàn)清潔能源存儲、轉(zhuǎn)運及應用的一項關(guān)鍵技術(shù)，如電池、電容與電催化等。其中，電催化更是電化學能源轉(zhuǎn)化和存儲、綠色合成，環(huán)境和電化學工程的核心基礎(chǔ)，其反應都發(fā)生在催化劑表面，涉及反應物，反應中間體與催化劑表面的相互作用，同時電催化反應也涉及到電子、離子和分子的轉(zhuǎn)移1。一方面，活性位點大多在催化劑表面，尺寸、結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷等狀態(tài)將強烈影響催化劑的催化活性；另一方面，反應三相界面間的質(zhì)量和電荷傳遞速率也關(guān)系著催化劑活性高低。電極材料的表面和界面可以暴露活性位點的數(shù)目、電荷轉(zhuǎn)移的效率、中間體的吸附能力的強弱，均成為電催化性能調(diào)控的重要切入點。此外，對于電池和超級電容器的性能研究也均與電極表面、電極-電解液界面和催化劑表面的物化性質(zhì)息息相關(guān)。

由于表界面電化學行為涉及界面處化學/電化學反應、結(jié)構(gòu)/組分影響、熱力學/動力學等相關(guān)行為，使得深入理解表界面化學反應的內(nèi)在機理以及限制因素，并設計合理的表面功能化方法，有助于實現(xiàn)從本質(zhì)上對電極材料性能的調(diào)控和提升，對優(yōu)化電極整體電化學性質(zhì)有著重要的指導意義。對此許多科研人員已研發(fā)出了一系列的表面功能化方法，如表面缺陷調(diào)控、軌道調(diào)控、元素摻雜、異質(zhì)結(jié)設計、表面保護、以及界面工程等，并系統(tǒng)研究了其在電催化材料及儲能材料等中的關(guān)鍵作用。

基于此，本特刊專輯邀請了國內(nèi)部分從事電化學儲能與轉(zhuǎn)化的學者團隊，介紹他們近年來在面向電化學儲能及轉(zhuǎn)化的表界面工程方面的重要研究進展和綜述。下面對這些研究和總結(jié)進行扼要介紹。

氫氣是一種清潔高效的能源載體，通過海水電解規(guī)?；苽錃錃饽軌驗閼獙θ蚰茉刺魬?zhàn)提供新的機遇。鄧意達和胡文彬等2重點總結(jié)了具有高選擇性和強耐腐蝕性電極材料的設計合成與作用機制，詳細介紹了如多金屬氧化物、Ni/Fe/Co基復合材料、氧化錳包覆異質(zhì)結(jié)構(gòu)等對氧氣生成選擇性的研究進展及各種材料的抗腐蝕工程研究成果。

微生物在自然界中廣泛存在，具有結(jié)構(gòu)、組成和代謝豐富的特點，可作為電催化劑的模板以及碳、磷、硫等非金屬元素以及金屬元素的來源，已成為電催化劑制備的新趨勢。劉宏和王海青等3綜述了微生物“智能”引導制備電催化劑的發(fā)展及在電催化析氫(HER)、電催化析氧(OER)、氧還原反應(ORR)、二氧化碳還原(CO2RR)、鋰電池(LBs)等領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀。

邵明飛和謝文富等4從電極角度出發(fā)對電催化二氧化碳還原反應(E-CO2RR)領(lǐng)域中一體化電極(包括一體化金屬基、一體化金屬化合物基和一體化金屬單原子基)的應用進行了綜述。詳細介紹了不同一體化電極的設計思路，以及結(jié)構(gòu)和表界面調(diào)控對E-CO2RR性能的影響規(guī)律，重點探討了一體化電極對E-CO2RR的構(gòu)效關(guān)系及性能提升機制等。

氧化亞硅(SiO)作為鋰離子電池負極材料，具有較高的理論比容量(～2043 mAh·g-1)以及合適的脫鋰電位(＜ 0.5 V)，且原料儲量豐富、制備成本較低、對環(huán)境友好，被認為是下一代高能量密度鋰離子電池負極極具潛力的候選材料之一。張橋保和張力等5綜述了近幾年來SiO負極結(jié)構(gòu)和界面優(yōu)化的研究工作，并從純SiO的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、SiO/C復合和SiO/金屬復合等三方面進行詳細闡述，并分別就其方法特征、電化學性能及存在問題等進行了總結(jié)與討論。

席聘賢等6提出使用有機配體用以表面改性NiCo2O4納米線，并通過x射線光電子能譜分析表明，Co2+/Co3+比值的增加是其在堿性介質(zhì)中用作水分裂雙功能催化劑電化學性能優(yōu)異的主要原因，進而使得整體效率明顯提高。

李偉等7采用了一種“軟硬雙模板”的策略合成了兼具大孔和介孔的三維碳-碳化鈦復合材料。通過多孔結(jié)構(gòu)的合理設計和高導電性TiC納米顆粒的引入，緩解金屬鋰充放電過程中的體積膨脹和調(diào)控金屬鋰的成核行為，實現(xiàn)了無枝晶鋰金屬負極的構(gòu)筑。

木士春等8以花狀NH2-MIL-125 (Ti)為前驅(qū)體和硬模板，合成出具有花狀結(jié)構(gòu)的超細納米TiO2/多孔氮摻雜碳片復合物(記為FL-TiO2/NPC)。一方面，二維褶皺納米片包含TiO2納米顆?？梢栽龃蠡钚晕镔|(zhì)與電解液的接觸面積；另一方面，氮摻雜多孔碳基體可以提高整體復合物的導電性和結(jié)構(gòu)完整性，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。

液流電池因為具有高儲能效率，低成本，以及可解耦的能源儲存和功率輸出設計，被廣泛認為是適用于大型儲能的首選技術(shù)。從廣濤和盧怡君9綜述了液流電池的工作機制，以提升非水系有機液流電池的儲能密度的策略為重點，總結(jié)了非水系液流電池中有機活性材料的研究進展，討論了這些策略存在的問題和未來的發(fā)展方向。

吳鋒，趙騰及陳人杰等10利用化學氧化法以三苯胺(TPA)為原料成功合成了廉價的電壓敏感聚合物聚三苯胺(PTPAn)，并制備出電壓敏感性涂層隔膜(PTPAn/PP)。研究結(jié)果表明，當PTPAn濃度為10%時，該功能隔膜(YP-2)具有最優(yōu)的綜合性能，且該隔膜具有優(yōu)異的多孔結(jié)構(gòu)及連續(xù)的導電結(jié)構(gòu)，與電解液具有良好的親和能力，可有效抑制鋰硫電池的過充并對鋰硫電池進行充分的保護而不影響其性能。

劉繼磊及高鵬等11從離子傳輸、枝晶形核與生長、及安全性能三個方面詳細探討了隔膜對電池性能影響的關(guān)鍵因素及其改性方法，并系統(tǒng)總結(jié)了隔膜結(jié)構(gòu)、物化特性、力學性能、熱學性能以及電化學性能的表征技術(shù)，以期為功能隔膜的合理設計，從而優(yōu)化鋰離子電池性能提供理論和實踐指導。

希望《物理化學學報》的廣大讀者能夠喜歡這些文章，閱讀愉快，并從中有所啟迪。