2021首個IF超15的4本期刊，最新進展一覽！

本文匯總了Electrochemical Energy Reviews（EER）、Energy & Environmental Materials（EEM）、InfoMat、Matter在內的期刊最新進展。

EER（IF:28.905）：高能可充電金屬電池“無陽極”結構的設計原則、優化策略和展望

基于獨特電鍍/剝離機理的金屬陽極(如鋰、鈉、鋅金屬陽極)因其優越的理論比容量和較低的氧化還原電位而被公認為下一代高能金屬電池最有前途的陽極。然而，由于金屬陽極的反應活性高、可逆性差、金屬的非平面演化模式導致活性金屬和電解質的不可逆損失，實現其充分利用和理論容量仍然具有挑戰性。為了盡量減少上述問題，過量的金屬源和浸沒電解質通常用于實驗室研究。盡管這些電池具有優越的循環性能，但由于陽極利用率低、庫侖效率高、容量不理想，金屬陽極過剩設計與實際應用不符。相比之下，“無陽極”配置可以克服這些缺點，同時降低制造成本和提高電池的安全性。相比之下，“無陽極”配置可以克服這些缺點，同時降低制造成本和提高電池的安全性。在這篇綜述中，清華大學Peichao Zou、Cheng Yang等人闡述了“無陽極”配置的重要性，并介紹了不同類型的無陽極電池，包括報道的設計和提出的可行的但尚未探索的概念。綜述了“無陽極”鋰、鈉、鋅、鋁金屬電池的優化策略。最重要的是，本文討論了延長“無陽極”電池循環壽命的剩余挑戰，并強調了實現實際應用的要求。這一全面的綜述有望引起人們對“無陽極”配置的更多關注，并為高能金屬電池的設計帶來新的靈感。相關研究以“Design Principle, Optimization Strategies, and Future Perspectives?of Anode?Free Configurations for High?Energy Rechargeable Metal?Batteries”題目，發表在EER上。DOI: 10.1007/s41918-021-00106-6

圖1?顯示“無陽極”LMBs的關鍵挑戰的示意圖

EER（IF:28.905）：燃料電池中堿性陰離子交換膜:?環脂肪族季銨鹽基陰離子體的研究

陰離子交換膜(AEM)的穩定性一直是制約AEM燃料電池(AEMFC)廣泛發展和應用的一個難題。在過去的五年中，一些堿穩定AEM的發展取得了非凡的進展，其非原位和原位AEMFC穩定性都非常顯著。某些環脂肪族季銨鹽(cQA)(主要是五元和六元)的AEMs似乎是最有前景的綜合性能。在這篇綜述中，天津大學Yan Yin、Michael D. Guiver等人將cQA分為籠狀，非籠狀和N-螺環三類 (ASU))。首先闡明了分類cQA的降解機制。通過對陽離子如何被強親核的OH -攻擊的理解，改進了將堿性穩定的陽離子納入AEMs的結構設計。然后對cQA及其各自的堿性穩定性進行了詳細的描述和比較。對AEMs、現行的堿性穩定性評價方案進行了詳細討論。此外，還對基于cQA ?AEMs的AEMFC初始性能和燃料電池性能穩定性進行了檢驗。本綜述的主要重點和亮點是基于cQA的AEMs的最新進展(2015-2020年)，這些進展顯示出優異的陽離子和膜堿性穩定性。目標是闡明堿穩定的cQA型AEM的發展，這是AEM界的趨勢，并為設計長壽命AEM材料提供可能的解決方案。相關研究以“Toward alkaline?stable anion exchange membranes in fuel cells: cycloaliphatic quaternary ammonium?based anion conductors”為題目，發表在EER上。DOI: 10.1007/s41918-021-00105-7

圖2?陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)的工作原理

InfoMat（IF:25.405）：碳載體上銅納米顆粒的動態結構變化對CO₂電還原多碳產物的影響

不同尺寸、不同形貌和不同表面結構的銅納米顆粒對CO₂還原反應表現出不同的活性和選擇性，但其反應位點和反應機制在實驗中一直存在爭議。在本研究中，東南大學Jinlan Wang等人將靜態計算和從頭算分子動力學模擬相結合，證明了類石墨碳載體上Cu團簇結構的動態變化在多碳生成中起著重要作用。Cu團簇在石墨上的遷移率歸因于不同吸附構型的近簡并能，因為在緊密的簇狀中Cu原子與表面C原子的相互作用比Cu - Cu鍵較弱。Cu團簇的這種結構變化導致了表面結構的階梯狀不規則和適當的粒子間距離，有效降低了C - C耦合的能量勢壘，提高了多碳產物的選擇性。與Cu(100)表面相比，Cu團簇的邊緣和角點比例較大，從而提高了CO和H₂的催化活性和選擇性，而不是甲烷和乙烯等碳氫化合物產品。詳細的研究表明，催化劑的動態結構變化導致催化反應過程中表面形貌的粗糙化，并對CO₂電還原選擇性起著至關重要的作用，這在反應機理的研究中值得重視。相關研究以“Dynamic structure change of Cu nanoparticles on carbon

supports for CO₂?electro-reduction toward multicarbon?products”為題目，發表在InfoMat上。DOI: 10.1002/inf2.12229

圖3?反應路徑的自由能分布

InfoMat（IF:25.405）：自然啟發的多孔多通道碳整體用于高性能電容儲能

超級電容器（SCs）的發展與能源材料合理設計的突破密切相關。Freestanding and thick carbon（FTC）具有良好多孔結構的復合材料是一種極具潛力的區域電容性材料。然而，這種FTC電極的可控和可持續制造仍然是巨大的挑戰。北京理工大學白瑩、吳川等人以具有交聯多通道結構的天然蜂巢為靈感，精心設計了一種新穎的分子-合作-相互作用策略，實現了蜂窩狀的FTC電極。制備的氮摻雜多孔炭塊具有孔結構互連、氮摻雜豐富等優點。這種策略是基于天然豐富的分子前體，沒有孔模板，昂貴的聚合催化劑和危險的反應溶劑，使其成為一個可持續和經濟的過程。系統的控制實驗表明，分子前驅體之間的強相互作用保證了N-PCM炭化過程的結構穩定性，合理選擇具有化學吹氣特性的分子前驅體是形成良好的蜂窩狀孔結構的關鍵步驟。優化后的樣品具有層次化的孔結構，比表面積為626.4 m²?g^-1，合理的N摻雜量為7.01%。制備的SC電極在40.1 mg cm^-2的高質量負載下，在1 mA cm^-2的區域電容為3621 mF cm^-2，在25 mA cm^-2的區域電容為2920 mF cm^-2，具有良好的速率性能。構建的水對稱SC和準固態SC的能量密度分別為0.32和0.27 mWh cm^-2。這種成分/微觀結構可控的方法可以促進其他儲能器件厚電極的制備和發展。相關研究以“Nature-inspired porous multichannel carbon monolith:Molecular cooperative enables sustainable production?and high-performance capacitive energy storage”為題目，發表在InfoMat上。DOI: 10.1002/inf2.12231

圖4?制造過程的示意圖

EEM（IF:15.122）：竹葉碳基高效蒸發器的模擬引導設計

太陽界面水蒸發是一種先進的、太陽能利用率高的淡水生產方法。開發成本低、效率高的蒸發裝置是研制實用太陽能界面水蒸發裝置面臨的關鍵挑戰。浙江農林大學Yajun Pang、Zhehong Shen、Hao Chen等人設計了一種基于光跡模擬的竹葉碳基蒸發器。然后通過竹葉的垂直排列、炭化和聚丙烯酰胺(PAM)改性制成。垂直排列的碳結構可以擴展光路，增加吸光面積，從而達到優異的光吸收效果。此外，聚丙烯酰胺水凝膠在垂直碳之間的連續分布可以支持高速的水輸送，縮短蒸發路徑。因此，該蒸發器具有極高的平均光吸收率為96.1%，良好的水分蒸發率為1.75 kg m^-2?h^-1，在單次太陽照射下的太陽能蒸汽效率為91.9%。基于該蒸發器的設備可以在完成水分蒸發的同時，有效地實現海水淡化、重金屬離子去除、染料分離等功能。這種設備非常適合實際的戶外應用和重復回收。相關研究以“Simulation-guided design of bamboo leaf-derived carbon-based high-efficiency evaporator?for solar-driven interface water evaporation”為題目，發表在EEM上。DOI:?10.1002/EEM2.12251

圖5?PVCBL制備工藝示意圖及定制蒸發裝置

EEM（IF:15.122）：高對齊超厚凝膠基陰極解鎖超高能量密度電池

增加電極厚度可以顯著提高鋰離子電池的比能，但離子傳輸、電子導電性和墨水流變性是目前采用的障礙。北航Xinhua Liu教授等人提出了一種利用混合黃原膠和刺槐豆膠粘合劑構建超厚電極的新方法，以解決上述問題。將水性粘結劑與單壁碳納米管(SWCNT)、活性材料(LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂)結合，經真空冷凍干燥后，在平均孔徑為10 μm的條件下，可獲得孔隙率約50%的高排列低彎曲結構。因此，膠粘合劑-?SWCNT- NMC811形成了由組織類粘合劑/SWCNT網絡支持的垂直結構，允許電子導電相滲透。結果表明，超厚電極的負載量約為511 mg cm^-2，活性物質含量為99.5 wt%，其面積容量為79.3 mAh cm ^-2，是迄今為止報道的最高水平。與傳統電極相比，提高了25倍，面積容量約為3 mAh cm^-2。這一途徑也可以擴展到其他電極材料，如LiFePO₄和Li₄Ti5O₁₂，從而為未來鋰離子電池提供低成本和可持續的、比能量更高的超厚電極。相關研究以“Highly-aligned Ultra-thick Gel-based Cathodes Unlocking Ultra-high Energy Density?Batteries”為題目，發表在EEM上。DOI:?10.1002/EEM2.12252

圖6?制備的具有排列結構的厚電極的SEM圖像

Matter（IF:15.589）：一種通用和簡便的方法建立多功能共軛聚合物集成電子

聚合物半導體由于其溶液可加工性和機械柔軟性，在人類集成電子的發展中顯示出明顯的前景。然而，這一應用領域所需要的許多功能特性在合成上面臨著挑戰，即轉移到共軛聚合物上，從而與高效電荷傳輸特性相結合。在這里，芝加哥大學Sihong Wang等人開發了一種共軛聚合物的“點擊-聚合”(CLIP)合成策略，使用“點擊反應”將不同類型的功能單元方便和通用地連接到預合成的共軛聚合物前體上。通過四種類型的官能團，研究證明了這種CLIP方法的功能化聚合物仍然可以保持良好的載流子遷移率。用兩種已實現的聚合物來展示一種光模式屬性和一種生化傳感功能，這兩種功能都推動了共軛聚合物實現這兩種功能的發展。這種合成方法的廣泛應用能夠極大地豐富共軛聚合物的功能特性。相關研究以“A universal and facile approach?for building multifunctional conjugated polymers?for human-integrated electronics”為題目，發表在Matter上。DOI: 10.1016/j.matt.2021.07.013

圖7?CLIP合成方法的示意圖

Matter（IF:15.589）：二維COF在石墨烯基有機溶劑納濾膜中的三重作用

二維共價有機框架(2D-COFs)具有明確的孔隙度和穩定性。在這里，新加坡南洋理工大學Kun Zhou、Kunli Goh聯合悉尼大學Yuan Chen等人證明了2D-COFs在用于有機溶劑納濾(OSN)的納米級石墨烯膜中有三種作用。由2D-COFs和還原氧化石墨烯組裝而成的優化混合納米層壓板(rGO)的結果表明，在不犧牲選擇性的情況下，甲醇的滲透率提高了162%。當干燥時，嵌入的2D-COF作為納米隔離劑，以防止還原氧化石墨烯的重新堆積。然而，當濕化后，2D-COF承擔了穩定劑和多孔填充材料的額外作用。由于COF/ rGO界面上溶劑驅動的電荷再分配，2D-COFs緩解了rGO在溶劑中的溶脹，COF和還原氧化石墨烯納米片之間產生了一種吸引的穩定力。此外，2D-COF可以減少運輸路徑長度的15.5%，并提供溶劑滲透的“捷徑”。這項工作揭示了2D-COFs作為納米間隔劑/穩定劑/多孔填料的三重作用，為OSN混合納米層合膜的發展提供了新的見解。相關研究以“The tripartite role of 2D covalent organic?frameworks in graphene-based organic?solvent nanofiltration membranes”為題目，發表在Matter上。DOI:?10.1016/j.matt.2021.06.043

圖8?COF、rGO納米片和COF@rGO雜化膜的物理性質

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