2021首个IF超15的4本期刊，最新进展一览！

本文汇总了Electrochemical Energy Reviews（EER）、Energy & Environmental Materials（EEM）、InfoMat、Matter在内的期刊最新进展。

EER（IF:28.905）：高能可充电金属电池“无阳极”结构的设计原则、优化策略和展望

基于独特电镀/剥离机理的金属阳极(如锂、钠、锌金属阳极)因其优越的理论比容量和较低的氧化还原电位而被公认为下一代高能金属电池最有前途的阳极。然而，由于金属阳极的反应活性高、可逆性差、金属的非平面演化模式导致活性金属和电解质的不可逆损失，实现其充分利用和理论容量仍然具有挑战性。为了尽量减少上述问题，过量的金属源和浸没电解质通常用于实验室研究。尽管这些电池具有优越的循环性能，但由于阳极利用率低、库仑效率高、容量不理想，金属阳极过剩设计与实际应用不符。相比之下，“无阳极”配置可以克服这些缺点，同时降低制造成本和提高电池的安全性。相比之下，“无阳极”配置可以克服这些缺点，同时降低制造成本和提高电池的安全性。在这篇综述中，清华大学Peichao Zou、Cheng Yang等人阐述了“无阳极”配置的重要性，并介绍了不同类型的无阳极电池，包括报道的设计和提出的可行的但尚未探索的概念。综述了“无阳极”锂、钠、锌、铝金属电池的优化策略。最重要的是，本文讨论了延长“无阳极”电池循环寿命的剩余挑战，并强调了实现实际应用的要求。这一全面的综述有望引起人们对“无阳极”配置的更多关注，并为高能金属电池的设计带来新的灵感。相关研究以“Design Principle, Optimization Strategies, and Future Perspectives of Anode‑Free Configurations for High‑Energy Rechargeable Metal Batteries”题目，发表在EER上。DOI: 10.1007/s41918-021-00106-6

图1 显示“无阳极”LMBs的关键挑战的示意图

EER（IF:28.905）：燃料电池中碱性阴离子交换膜: 环脂肪族季铵盐基阴离子体的研究

阴离子交换膜(AEM)的稳定性一直是制约AEM燃料电池(AEMFC)广泛发展和应用的一个难题。在过去的五年中，一些碱稳定AEM的发展取得了非凡的进展，其非原位和原位AEMFC稳定性都非常显著。某些环脂肪族季铵盐(cQA)(主要是五元和六元)的AEMs似乎是最有前景的综合性能。在这篇综述中，天津大学Yan Yin、Michael D. Guiver等人将cQA分为笼状，非笼状和N-螺环三类 (ASU))。首先阐明了分类cQA的降解机制。通过对阳离子如何被强亲核的OH -攻击的理解，改进了将碱性稳定的阳离子纳入AEMs的结构设计。然后对cQA及其各自的碱性稳定性进行了详细的描述和比较。对AEMs、现行的碱性稳定性评价方案进行了详细讨论。此外，还对基于cQA  AEMs的AEMFC初始性能和燃料电池性能稳定性进行了检验。本综述的主要重点和亮点是基于cQA的AEMs的最新进展(2015-2020年)，这些进展显示出优异的阳离子和膜碱性稳定性。目标是阐明碱稳定的cQA型AEM的发展，这是AEM界的趋势，并为设计长寿命AEM材料提供可能的解决方案。相关研究以“Toward alkaline‑stable anion exchange membranes in fuel cells: cycloaliphatic quaternary ammonium‑based anion conductors”为题目，发表在EER上。DOI: 10.1007/s41918-021-00105-7

图2 阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)的工作原理

InfoMat（IF:25.405）：碳载体上铜纳米颗粒的动态结构变化对CO₂电还原多碳产物的影响

不同尺寸、不同形貌和不同表面结构的铜纳米颗粒对CO₂还原反应表现出不同的活性和选择性，但其反应位点和反应机制在实验中一直存在争议。在本研究中，东南大学Jinlan Wang等人将静态计算和从头算分子动力学模拟相结合，证明了类石墨碳载体上Cu团簇结构的动态变化在多碳生成中起着重要作用。Cu团簇在石墨上的迁移率归因于不同吸附构型的近简并能，因为在紧密的簇状中Cu原子与表面C原子的相互作用比Cu - Cu键较弱。Cu团簇的这种结构变化导致了表面结构的阶梯状不规则和适当的粒子间距离，有效降低了C - C耦合的能量势垒，提高了多碳产物的选择性。与Cu(100)表面相比，Cu团簇的边缘和角点比例较大，从而提高了CO和H₂的催化活性和选择性，而不是甲烷和乙烯等碳氢化合物产品。详细的研究表明，催化剂的动态结构变化导致催化反应过程中表面形貌的粗糙化，并对CO₂电还原选择性起着至关重要的作用，这在反应机理的研究中值得重视。相关研究以“Dynamic structure change of Cu nanoparticles on carbon

supports for CO₂ electro-reduction toward multicarbon products”为题目，发表在InfoMat上。DOI: 10.1002/inf2.12229

图3 反应路径的自由能分布

InfoMat（IF:25.405）：自然启发的多孔多通道碳整体用于高性能电容储能

超级电容器（SCs）的发展与能源材料合理设计的突破密切相关。Freestanding and thick carbon（FTC）具有良好多孔结构的复合材料是一种极具潜力的区域电容性材料。然而，这种FTC电极的可控和可持续制造仍然是巨大的挑战。北京理工大学白莹、吴川等人以具有交联多通道结构的天然蜂巢为灵感，精心设计了一种新颖的分子-合作-相互作用策略，实现了蜂窝状的FTC电极。制备的氮掺杂多孔炭块具有孔结构互连、氮掺杂丰富等优点。这种策略是基于天然丰富的分子前体，没有孔模板，昂贵的聚合催化剂和危险的反应溶剂，使其成为一个可持续和经济的过程。系统的控制实验表明，分子前驱体之间的强相互作用保证了N-PCM炭化过程的结构稳定性，合理选择具有化学吹气特性的分子前驱体是形成良好的蜂窝状孔结构的关键步骤。优化后的样品具有层次化的孔结构，比表面积为626.4 m² g^-1，合理的N掺杂量为7.01%。制备的SC电极在40.1 mg cm^-2的高质量负载下，在1 mA cm^-2的区域电容为3621 mF cm^-2，在25 mA cm^-2的区域电容为2920 mF cm^-2，具有良好的速率性能。构建的水对称SC和准固态SC的能量密度分别为0.32和0.27 mWh cm^-2。这种成分/微观结构可控的方法可以促进其他储能器件厚电极的制备和发展。相关研究以“Nature-inspired porous multichannel carbon monolith:Molecular cooperative enables sustainable production and high-performance capacitive energy storage”为题目，发表在InfoMat上。DOI: 10.1002/inf2.12231

图4 制造过程的示意图

EEM（IF:15.122）：竹叶碳基高效蒸发器的模拟引导设计

太阳界面水蒸发是一种先进的、太阳能利用率高的淡水生产方法。开发成本低、效率高的蒸发装置是研制实用太阳能界面水蒸发装置面临的关键挑战。浙江农林大学Yajun Pang、Zhehong Shen、Hao Chen等人设计了一种基于光迹模拟的竹叶碳基蒸发器。然后通过竹叶的垂直排列、炭化和聚丙烯酰胺(PAM)改性制成。垂直排列的碳结构可以扩展光路，增加吸光面积，从而达到优异的光吸收效果。此外，聚丙烯酰胺水凝胶在垂直碳之间的连续分布可以支持高速的水输送，缩短蒸发路径。因此，该蒸发器具有极高的平均光吸收率为96.1%，良好的水分蒸发率为1.75 kg m^-2 h^-1，在单次太阳照射下的太阳能蒸汽效率为91.9%。基于该蒸发器的设备可以在完成水分蒸发的同时，有效地实现海水淡化、重金属离子去除、染料分离等功能。这种设备非常适合实际的户外应用和重复回收。相关研究以“Simulation-guided design of bamboo leaf-derived carbon-based high-efficiency evaporator for solar-driven interface water evaporation”为题目，发表在EEM上。DOI: 10.1002/EEM2.12251

图5 PVCBL制备工艺示意图及定制蒸发装置

EEM（IF:15.122）：高对齐超厚凝胶基阴极解锁超高能量密度电池

增加电极厚度可以显著提高锂离子电池的比能，但离子传输、电子导电性和墨水流变性是目前采用的障碍。北航Xinhua Liu教授等人提出了一种利用混合黄原胶和刺槐豆胶粘合剂构建超厚电极的新方法，以解决上述问题。将水性粘结剂与单壁碳纳米管(SWCNT)、活性材料(LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂)结合，经真空冷冻干燥后，在平均孔径为10 μm的条件下，可获得孔隙率约50%的高排列低弯曲结构。因此，胶粘合剂- SWCNT- NMC811形成了由组织类粘合剂/SWCNT网络支持的垂直结构，允许电子导电相渗透。结果表明，超厚电极的负载量约为511 mg cm^-2，活性物质含量为99.5 wt%，其面积容量为79.3 mAh cm ^-2，是迄今为止报道的最高水平。与传统电极相比，提高了25倍，面积容量约为3 mAh cm^-2。这一途径也可以扩展到其他电极材料，如LiFePO₄和Li₄Ti5O₁₂，从而为未来锂离子电池提供低成本和可持续的、比能量更高的超厚电极。相关研究以“Highly-aligned Ultra-thick Gel-based Cathodes Unlocking Ultra-high Energy Density Batteries”为题目，发表在EEM上。DOI: 10.1002/EEM2.12252

图6 制备的具有排列结构的厚电极的SEM图像

Matter（IF:15.589）：一种通用和简便的方法建立多功能共轭聚合物集成电子

聚合物半导体由于其溶液可加工性和机械柔软性，在人类集成电子的发展中显示出明显的前景。然而，这一应用领域所需要的许多功能特性在合成上面临着挑战，即转移到共轭聚合物上，从而与高效电荷传输特性相结合。在这里，芝加哥大学Sihong Wang等人开发了一种共轭聚合物的“点击-聚合”(CLIP)合成策略，使用“点击反应”将不同类型的功能单元方便和通用地连接到预合成的共轭聚合物前体上。通过四种类型的官能团，研究证明了这种CLIP方法的功能化聚合物仍然可以保持良好的载流子迁移率。用两种已实现的聚合物来展示一种光模式属性和一种生化传感功能，这两种功能都推动了共轭聚合物实现这两种功能的发展。这种合成方法的广泛应用能够极大地丰富共轭聚合物的功能特性。相关研究以“A universal and facile approach for building multifunctional conjugated polymers for human-integrated electronics”为题目，发表在Matter上。DOI: 10.1016/j.matt.2021.07.013

图7 CLIP合成方法的示意图

Matter（IF:15.589）：二维COF在石墨烯基有机溶剂纳滤膜中的三重作用

二维共价有机框架(2D-COFs)具有明确的孔隙度和稳定性。在这里，新加坡南洋理工大学Kun Zhou、Kunli Goh联合悉尼大学Yuan Chen等人证明了2D-COFs在用于有机溶剂纳滤(OSN)的纳米级石墨烯膜中有三种作用。由2D-COFs和还原氧化石墨烯组装而成的优化混合纳米层压板(rGO)的结果表明，在不牺牲选择性的情况下，甲醇的渗透率提高了162%。当干燥时，嵌入的2D-COF作为纳米隔离剂，以防止还原氧化石墨烯的重新堆积。然而，当湿化后，2D-COF承担了稳定剂和多孔填充材料的额外作用。由于COF/ rGO界面上溶剂驱动的电荷再分配，2D-COFs缓解了rGO在溶剂中的溶胀，COF和还原氧化石墨烯纳米片之间产生了一种吸引的稳定力。此外，2D-COF可以减少运输路径长度的15.5%，并提供溶剂渗透的“捷径”。这项工作揭示了2D-COFs作为纳米间隔剂/稳定剂/多孔填料的三重作用，为OSN混合纳米层合膜的发展提供了新的见解。相关研究以“The tripartite role of 2D covalent organic frameworks in graphene-based organic solvent nanofiltration membranes”为题目，发表在Matter上。DOI: 10.1016/j.matt.2021.06.043

图8 COF、rGO纳米片和COF@rGO杂化膜的物理性质

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