聚焦纳米能源与催化材料设计与应用——LDMAS2021分会场侧记

  2021年第四届低维材料应用与标准研讨会（LDMAS2021）特设纳米能源与催化材料分会场。

  2021年10月9-10日，2021年第四届低维材料应用与标准研讨会（简称:LDMAS2021）在北京西郊宾馆成功召开。会议吸引了低维材料与器件相关领域的400余名专家学者与企业代表出席，云端参会人数超过1万人。

  10日下午，5个不同主题的分论坛同期举办，吸引了相关领域与会者的热烈关注。纳米能源与催化材料分会场共设置16个特邀报告和6个口头报告，精彩纷呈。以下为部分精彩报告摘要。

  目前全球正面临非常严重的能源和环境问题，绿色的光催化技术被认为是解决以上问题的有效手段之一，而发展高效、廉价的光催化材料是光催化技术工业实用化的关键。光催化领域水 滑石基纳米材料因组成结构易于调控、制备简便等优点而非常关注。近两年，张铁锐研究员课题组通过在水滑石表面创造缺陷位和构造界面结构的手段，分别实现了对反应物CO2、N2等吸附和活化的增强，以及中间反应物种反应路径的调控，进而提升了光催化CO、CO2和N2加氢反应的催化活性和生成高的附加价值产物的选择性。

  −1）和最低的标准电极电势（−3.040 V） 而成为下一代锂二次电池（如锂硫、锂空电池等）最为理想的负极材料。然而，金属锂枝晶问题和不稳定的固液界面膜（SEI膜）问题极大地限制着金属锂电池的发展和应用。如何充分的利用与之高效匹配的正极材料也是构筑下一代电池的关键。报告展示了典型二维材料在下一代锂电池中的应用展望，分析二维材料实现下一代锂电池有效利用的原理和方法，进而成就二维材料在能源存储与转化的实际应用。

  基于可再次生产的能源的电解水制氢和氢燃料电池技术是发展绿色氢能经济、实现碳中和的关键技术。开发低成本、高性能的电催化剂材料是促进电解水制氢和燃料电池技术大规模产业化应用的重要基础。孙文平研究团队基于界面工程发展了一系列兼具高稳定性和高活性的负载型异质结构电催化剂体系。研究之后发现，构筑富含高活性界面的负载型催化剂是提高贵金属催化活性、稳定性及原子利用率的有效策略；且界面处的强相互作用、配位效应、协同效应以及限域效应等对电催化剂活性和稳定能力具备极其重大影响。

  室温锂（钠）硫电池因具有高的单位体积内的包含的能量和低成本等优势，被认为是最具潜力的储能器件之一。然而，室温锂（钠）硫电池面临着硫正极电子电导差、循环过程中中间产物易溶解穿梭、材料体积膨胀及金属负极枝晶生长等问题，导致电池的可逆容量低、倍率性能差且循环寿命短，限制了其商业化应用。合理设计和构筑复合电极结构是提高硫利用率、提升电池单位体积内的包含的能量和循环稳定性的关键。鉴于此，余彦教授课题组通过理论计算筛选预测及材料结构调控和优化，有效增强了复合电极的导电性、抑制了多硫化物的溶解穿梭并催化其快速转化，提高了电极的电化学性能，并揭示了其储能机理。

  可充放的锂空气二次电池因具有高比容量（其理论比容量最大可达3828mAh/g）和高能量密度 （800~1000 W·h/kg）而受到了很大关注。但是，其缓慢的氧还原/氧析出（ORR/OER）反应动力学以及由此导致的严重极化、效率低、循环性能及倍率性能差等问题限制了锂空气电池的实际应用。因此，设计、开发具有氧还原/氧析出双重催化功能的高效电催化剂体系以促进ORR/OER进程，减小电极极化，提高循环稳定性和寿命，是目前锂空气电池亟待解决的核心问题之一。报告重点介绍刘向峰课题组在锂-空电池高效催化剂设计、表界面结构调控以及构效关系研究方面的最新进展，最重要的包含：晶面调控、氧缺陷、界面协同等材料设计策略及同步辐射原位X射线衍射、吸收谱、原位拉曼光谱等催化剂或产物结构分析手段的应用。

  卤素钙钛矿的发现已有一百多年的历史，上世纪 90 年代其材料设计与物性研究尤为活 跃。自从 2009 年钙钛矿电池发明以来，近十多年钙钛矿半导体光电器件的研究已扩展到太阳能电池、发光显示及探测等多个领域，且发展形态趋势迅猛。报告介绍了钙钛矿半导体材料与光电器件的历史与现状，以及未来发展的新趋势，以及游经碧研究员课题组在钙钛矿半导体光电器件方面的研究进展：1）载流子输运调控以及表界面缺陷钝化等，实现了超过 25%的钙钛矿太阳能电池；2）钙钛矿太阳能电池关键活性层无机化，研制了数千小时稳定的全无机钙钛矿太阳能电池；3）维度调控及非辐射复合中心钝化等，实现了钙钛矿发光二极管在红、绿、蓝波段发光效率的突破。

  实现高效、稳定、低成本、大规模分解纯水制氢是太阳能光催化分解水制氢技术的最理想途径和最终目标。为此，开发满足规定的要求的光催化剂是该领域研究的核心内容和主要任务。非金属聚合物氮化碳（g-C3N4）因其具有前驱体来源广泛、制备方法简单、环境友好、光化学稳定性高、且能带结构适合光催化产氢/产氧等优点而在光催化分解水领域得到普遍的持续性研究。

  在过去十年，科研工作者们通过多种改性策略去提升 g-C3N4 的光催化分解水性能，取得了一定的成果。然而，目前其光催化分解水性能仍旧偏低，尤其是分解纯水性能。沈少华教授以 g-C3N4 为主要研究对象，针对其可见光吸收能力差、光生载流子复合率高和反应驱动力弱等问题，以超薄纳米片、调控能带结构、构建异质结等为改性手段，提升 g-C3N4 的光催化分解纯水性能，并深入探讨构效关系，为光催化分解水技术的发展提供了可借鉴的新思路。

  针对可穿戴与微电子系统用储能器件的重大需求，吴忠帅研究员围绕微型电化学能源材料理性设计与器件构筑的关键科学问题，开展了深入系统研究，取得一系列重要研究进展：（1）提出二维结构界面化学组装与有序介孔精准调控的策略，研制出与平面化微器件特性相匹配的高活性二维赝电容材料；（2）制备出高效电子-离子输运的高精度图案化微电极，研制出与微电极匹配的耐高压凝胶电解质，建立了高效微电极-耐高压电解质强界面作用规律，获得了高比能、高功率微型储能器件，揭示了离子多方向传质反应机制；（3）提出了功能导向一体化设计、复杂多界面协同耦合与调控策略，实现了输出电压和容量可调，研制出大于100 V的微型超级电容器模块，创制出柔性化、集成化等多功能微型储能器件，验证了作为可穿戴与微电子系统储能器件具有大范围的应用前景。

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