前 言
绿色零碳氢能是未来能源发展的重要方向。随着氢能爆发式增长，预计到2060年，我国氢气年需求量将达1.3亿吨，届时每年需要消耗约11.7亿吨电解用纯水。利用电将水分解成氢气和氧气，可以用于氢燃料生产。
目前的关键目标是能够电解海水以可持续生产氢气。然而，海水中的杂质对这种方法的可行性提出了挑战，他们会导致副反应和腐蚀，从而限制电极的耐久性。
通过使用带负电荷的分子涂覆催化剂，或通过设计高选择性的催化剂来抑制腐蚀的方法已经取得了一些进展，但对于实际应用来说，仍远不能令人满意。
海水在用于电解之前的脱盐可以抑制副反应和腐蚀，但脱盐需要额外的能量输入，使其经济性和实用性降低。
本文总结了深圳大学/四川大学谢和平院士、南京工业大学邵宗平教授、北京师范大学王守国教授、北京邮电大学雷鸣教授、美国斯坦福大学戴宏杰院士、英国牛津大学David P. McMeekin教授和英国利兹大学 Michael F. Hochella Jr. 教授等课题组在电催化、离子电池、太阳能电池和海洋施肥方面的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。
1. 谢和平院士/邵宗平Nature：超稳定的海水电解制氢！
水资源紧缺将严重制约“绿氢”技术的发展。海洋是地球上最大的氢矿，向大海要水是未来氢能发展的重要方向。
但复杂的海水成分（约92种化学元素）导致海水制氢面临诸多难题与挑战。
先淡化后制氢是当前最成熟的海水制氢技术路径。但该类技术严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占用大量土地资源，进一步推高了制氢成本与工程建设难度。
鉴于此，深圳大学/四川大学谢和平院士和南京工业大学邵宗平教授在Nature上联合发表了题为“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”的最新研究成果。
本文要点：
1. 在这项研究中，作者展示了一种可扩展、无副反应和无腐蚀的直接海水分离策略，该策略在单个系统中实现了原位自驱动水净化和水电解，其关键技术是将自透气防水膜和自润湿电解质（SDE）加入电解槽中。
2. 由于海水和SDE之间的水蒸气压力差异，水从海水中穿过膜到SDE的迁移是通过液-气-液相变机制自我驱动的。这种独特的水净化机制确保了100%的离子阻断效率，膜的疏水性提供了防污能力，微米级的气体扩散路径使水的迁移率很高。
3. 通过应用固体吸湿性SDE和较低的过电位催化剂，这一策略在未来可能会适应能源密集型工业生产，并可用于污水处理和资源回收，同时还可进行一步法制氢。
4. 作者认为，进一步拓宽这种基于相变的水迁移策略，将针对海水或不纯水中开发出先进的氢气生产应用。
Xie, H., Zhao, Z., Liu, T. et al. A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5.
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2. 王守国Nano Research Energy：自催化还原辅助合成分段多孔PtTe纳米链，用于甲醇氧化反应！
直接甲醇燃料电池（DMFC）因其无污染、环保和运输便利性而受到广泛关注。
Pt是一种理想的阳极催化剂，因为它对DMFC中的甲醇氧化反应（MOR）具有独特的电子性质。然而，Pt催化剂的几个关键问题极大地限制了DMFC在大规模商业化中的性能，例如成本高、容易被中间体毒害和耐久性差等。
最近，结构调控已被证明是实现高性能催化剂的可行途径之一。在各种结构中，开放型纳米结构具有重要意义，因为它们具有大的表面体积比、丰富的表面缺陷和出色的导电性。
然而，这种结构目前仍存在一些缺点，例如电极上的随机堆叠，减少了离子和电子的传输和扩散，由于中空纳米结构降低了结构稳定性，并进一步限制了长期电化学性能。
相比之下，一维（1D）纳米催化剂因其结构稳定、形状各向异性强、灵活性高和导电性强，弥补了这些不足。
鉴于此，北京师范大学王守国教授团队在Nano Research Energy上发表了题为“Autocatalytic reduction-assisted synthesis of segmented porous PtTe nanochains for enhancing methanol oxidation reaction”的最新研究成果。
本文要点：
1. 作者通过Pt自催化还原辅助的模板法成功合成了一维（1D）新型分段PtTe多孔纳米链（PNCs）。PtTe PNC由连续的介孔结构组成，其提供了大的电化学表面积（ECSA）和丰富的活性位点，用于增强甲醇氧化反应（MOR）。
2. 此外，1D纳米结构作为稳定的支撑框架，可以在长期耐久性测试中保持高质量/电荷转移率。2000次循环伏安法（CV）循环后，PtTe PNCs的ECSA值保持高达44.47 m2 gPt-1，远大于商用Pt/C（3.95 m2·gPt-1）。
3. 同时，作者利用密度泛函理论计算证实了PtTe分段式多孔纳米催化剂优异的抗CO中毒能力。
4. 这种Pt的自催化还原法为设计高效的低维纳米催化剂提供了新的思路。
Zhang Q, Xia T, Huang H, et al. Autocatalytic reduction-assisted synthesis of segmented porous PtTe nanochains for enhancing methanol oxidation reaction. Nano Research Energy, 2022, https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120041.
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3. Yanwei Lum/雷鸣Nano Research Energy：卤化物对电化学CO2还原的影响！
化石燃料的过度消耗导致了大量的二氧化碳排放，进而引发全球变暖效应。因此，人们对利用可再生能源生产碳中和的燃料以建立人工碳循环越来越感兴趣。
目前，一种很有前景的方法是通过电催化CO2还原反应（CO2RR），该反应使用可再生电力将CO2转化为有价值的化学品和燃料，如一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸盐和乙醇。
但是，该技术仍受到催化剂活性低、选择性差、系统效率低和反应途径不清晰的限制。因此，开发具有高活性和选择性的电催化剂对于CO2电还原技术的实际应用至关重要。
卤化物离子可以调节金属基电催化剂的几何结构和电子结构，这有助于优化活性位点对CO2RR反应中间体的吸附和解吸性能，从而提高催化剂对CO2RR产物的活性和选择性，并抑制HER。
研究表明，卤化物离子通过稳定活性物质、调节反应中间体的吸附和脱附、降低过电位或参与电催化剂结构的构建，来增强电催化剂的活性和选择性，从而提高多碳产物的活性和选择性。
此外，卤化物的存在可以降低CO2还原的电势。这归因于卤化物离子向CO2的空轨道提供电子，获得电子后，线性CO2转化为弯曲的活性CO2*-中间体，从而转向更有利的质子耦合和电子转移步骤。因此，了解卤化物离子对金属表面的影响及其作用机制变得非常重要。
针对以上挑战，Nano Research Energy 青年编委、新加坡A*STAR研究所Yanwei Lum研究员和北京邮电大学雷鸣教授发表了题为“Reviewing the impact of halides on electrochemical CO2 reduction”的最新综述。
本文要点：
1. 在这篇综述中，作者首先讨论了卤化物离子对电催化剂结构和形态的作用。
2. 此外，作者进一步阐述了卤化物离子与催化剂表面活性中心价态之间的关系。
3. 同时，作者总结了卤化物提高CO2转化效率的机理，包括卤化物离子参与电子转移及其对反应路径的影响。
4. 最后，作者总结并展望了卤化物在电催化CO2RR应用中的未来前景。
Zhao Z, Zhang J, Lei M, et al. Reviewing the impact of halides on electrochemical CO2 reduction. Nano Research Energy, 2022, https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120044.
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4. Nature Nanotechnology：工程纳米颗粒助力海洋施肥去除CO2！
最近的国际气候修复方案依赖于从大气中大量去除二氧化碳 (CDR)，以及大幅减少二氧化碳排放，以将全球变暖保持在 2°C 以下。
人工海洋施肥 (AOF)，指有意添加营养素（通常是铁）以刺激海洋中的浮游植物生长和 CO2 吸收的一种 CDR 方法。
一小部分受刺激的浮游植物生物量随后下沉，将碳输出到深海/海底，该过程持续数百年至数千年。
迄今为止，科学家已经进行了 13 项将 Fe2+ 人工添加到 25-300 km2 海洋中的实地规模实验。
这些研究表明，虽然大多数人工添加物可以刺激大量浮游植物大量繁殖，但它们减少 CO2 的效率远低于自然施肥（例如，通过大气中的陆地灰尘沉积）效率。
纳米粒子（1-100nm），由于它们相对较高的数量密度、高比表面积和扩散率，可能对海洋中的浮游植物具有高的生物利用度。
天然存在的纳米粒子的重要作用已经在自然海洋施肥中证实。这些发现表明，在 AOF 中使用工程纳米粒子 (ENP) 可能会带来理想的效率，因为它们的纳米特性类似于它们的天然对应物。
此外，可以设计 ENP 来减轻当前 AOF 方法的缺点，从而最大限度地提高效率。如果通过使用 ENP 实现相当大的 CO2 减少，这可能允许将该方法作为 CDR 技术应用于较小规模或特定位置，从而减轻对整个海洋生态系统地球工程和下游“营养物窃取”风险的一些担忧。
鉴于此，英国利兹大学 Michael F. Hochella Jr. 教授在Nature Nanotechnology上发表了题为“Potential use of engineered nanoparticles in ocean fertilization for large-scale atmospheric carbon dioxide removal ”的最新研究结果。
本文要点：
1. 作者提出，工程纳米粒子（ENPs）由于其巨大的数量密度、比表面积、扩散优势、生物利用度以及设计靶向性和其他功能的潜力，可能为 AOF 的应用提供多种好处。这些好处解决了使用传统方法进行 AOF 的挑战，包括提高生物利用度、营养物共同输送、光合效率、输出效率和浮游植物寿命。
2. 该分析表明，虽然使用选定的 ENP（NZVI、SiO2 和 Al2O3）的 AOF 的 CO2 排放量和应用成本分别比使用溶解铁方法高 4-10 倍和 2-5 倍，但是，这些结果是基于最坏情况使用 ENP 导致的。
3. ENP 展示了解决传统 AOF 挑战的潜力，可提高 AOF 的效率，并可能减轻对其应用的担忧。
4. 作者认为，基于 ENP 的 AOF 可能是应对气候变化的一种出色的二氧化碳去除方法。
Babakhani, P., Phenrat, T., Baalousha, M. et al. Potential use of engineered nanoparticles in ocean fertilization for large-scale atmospheric carbon dioxide removal. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01226-w.
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5. Nature Materials：中间相工程提高钙钛矿太阳能电池稳定性！
有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有超过25%的功率转换效率（PCE），目前已达到适合商业应用的性能。
但是，其在工况条件下的稳定性尚未达到最先进的硅基太阳能电池技术的水平。
最近，一些研究小组已经证明钙钛矿太阳能电池能够通过现有国际电工委员会（IEC）地面光伏组件资格标准（如IEC 61215）中的一系列测试。然而，这种设计资格和测试批准并不能保证25年的运行稳定性。
目前，通过缓解早期钙钛矿组分中发现的热、结构、水分和光不稳定性，研究人员在这一领域已经取得了相当大的进展。
例如，通过增强的封装方法、离子液体添加剂和路易斯酸碱钝化以及采用更稳定的空穴和电子接受层，研究人员实现了稳定性提升。
此外，通过使用更高热稳定性的阳离子 FA (CH(NH2)2+)，研究人员实现了热稳定性的显著提升。但是，其冷却到室温时，仍会遭受结构不稳定性，并导致晶体结构变化。
因此，第二种阳离子，特别是铯（Cs+），通常被用于促进FA基钙钛矿黑色α相的结构稳定，并避免使用不稳定的MA（CH3NH3+）阳离子。
鉴于此，英国牛津大学David P. McMeekin教授在Nature Materials上发表了题为“Intermediate-phase engineering via dimethylammonium cation additive for stable perovskite solar cells ”的最新研究成果。
本文要点：
1. 作者引入了一种不含二甲亚砜的高温处理方法，利用二甲基氯化铵作为添加剂来控制钙钛矿中间相。
2. 通过控制结晶顺序，作者调整了脒(FA)/铯(FA)yCs1–yPb(IxBr1–x)3钙钛矿系统的晶粒大小、纹理、方向（角向上与面向上）和结晶度。
3. 在封装的器件中，该材料表现出更好的运行稳定性，稳态功率转换效率的中位数T80寿命（器件功率转换效率下降到初始值的80%的时间）为1190小时，在空气中65℃的模拟阳光下，最佳T80寿命为1410小时（开路条件下）。
4. 这项工作强调了材料质量在实现钙钛矿光电器件的长期运行稳定性方面的重要性。
McMeekin, D.P., Holzhey, P., Fürer, S.O. et al. Intermediate-phase engineering via dimethylammonium cation additive for stable perovskite solar cells. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01399-8.
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6. 戴宏杰院士JACS：基于石墨正极的高容量可充电Li/Cl2电池！
最近，作者团队报道了可再充电的钠/氯（Na/Cl2）和锂/氯（Li/Cl2）电池，其使用钠或锂金属作为负极，非晶碳纳米球（aCNS）作为正极，以及由氯化铝（AlCl3）和溶解在亚硫酰氯（SOCl2）中的氟基电解质添加剂所组成的电解质。
该电池基于负极的Na/Na+或Li/Li+与正极的Cl-/Cl2之间的氧化还原，放电电压为∼3.5 V，循环容量高达1200 mAh g-1（基于aCNS质量），循环寿命高达∼200次循环。
关于几种高表面积（3000 m2 g-1）的无定形碳正极材料的研究表明，大的孔隙体积（2.5 cm3 g-1），特别是微孔，对有效捕获Cl2以产生可逆的Cl-/Cl2氧化还原作用非常重要。研究各种形式的碳材料是碱金属/Cl2电池的主要方向之一。
目前，晶体石墨材料通常具有较低的表面积和孔隙体积，似乎不太可能作为高容量多孔电极材料，用于沉积大量金属氯化物以及捕集和电还原氯化物。
鉴于此，美国斯坦福大学戴宏杰院士在Journal of the American Chemical Society上发表了题为“High-Capacity Rechargeable Li/Cl2 Batteries with Graphite Positive Electrodes”的最新研究成果。
本文要点：
1. 作者发现，有缺陷的微米级石墨片可以用作Li/Cl2电池的正极。此外，在1000℃的二氧化碳环境中通过退火进一步"活化"，会产生更多的缺陷并提供更高的表面积和孔隙体积，这有助于实现优异的电池性能。
2. 该材料在1000℃的二氧化碳（CO2）中活化后（DGr_ac）实现了优异的电池性能，首次放电容量达∼1910 mAh g-1，循环容量达1200 mAh g-1。
3. 作者通过拉曼光谱和XRD的研究，发现了DGr_ac在电池循环过程中由于反复的插层/脱出和剥离而引起的结构变化，这在石墨片之间开辟了孔状空间，以便在高容量时捕获LiCl/Cl2，并实现可逆氧化还原。
4. 此外，质谱法被用来探测石墨电极中捕获的Cl2，揭示了电池运行的情况，结果表明，除了高度多孔的无定形碳材料外，看似低表面积/小孔体积的石墨碳材料也是高性能Li/Cl2电池的有力竞争者。
Zhu, G. et al. High-Capacity Rechargeable Li/Cl2 Batteries with Graphite Positive Electrodes. J. Am. Chem. Soc., 2022, https://doi.org/10.1021/jacs.2c07826.
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Nano Research Energy——Call for papers
○ 包括但不限于电催化和光催化、燃料电池、新型电池技术、先进储能装置、超级电容器、生物能和生物燃料、碳捕集和储存技术、氢能、太阳能、风能、地热能、核能、水能、能源经济、能源安全等主题
○ 2022年9月入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。
○ 2022年11月被DOAJ数据库收录。
○ 2023年前免APC出版费。
○ Submission to First Decision: 5 days。
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Nano Research Energy是Nano Research姊妹刊 (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; 官方网站:
https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)，
于2022年3月由清华大学创办，香港城市大学支春义教授和清华大学曲良体教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文，已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2023年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。
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