頂刊匯總｜Nano Energy期刊及其高引文章介紹

【期刊簡介】

Nano Energy以其發表的高質量研究論文，已成為眾多能源材料類期刊中的一名佼佼者。期刊主題為“納米材料或納米器件在能源相關領域中的應用”，主要收錄與主題相關的實驗和理論研究工作。文章類型包括綜述（Review）、通訊（Rapid Communication）以及能源新聞和觀點（News and Views）。所發表文章研究領域涵蓋各式電池、氫氣制備與存儲、發光二極管、高效節能光學器件、太陽能電池、納米壓電器件、自驅動納米機器與納米系統、超級電容器、熱電材料和能源相關政策和展望。該刊自2012年1月首刊以來，已出版逾35卷，2016年影響因子高達11.71（預計2017年的影響因子在12.4以上），躋身能源環境類期刊前列。Nano Energy的發刊編輯和目前期刊總主編為美國佐治亞理工學院王中林教授。

（Nano Energy期刊總主編王中林教授）

圖片來源：https://onecellonelightradio.wordpress.com/tag/dr-zhong-lin-z-l-wang/

【高引文章導讀】

本文介紹的高引文章依據如下Nano Energy官方網站：

https://www.journals.elsevier.com/nano-energy/most-cited-articles

本文將首先為大家呈現高引綜述類文章，之后著重為讀者導讀入選高引的通訊類文章。筆者將根據上榜文章的研究領域分門別類加以介紹。每篇導讀的高引文章原文可以通過文章標題下的DOI號鏈接獲取。（注：后文所有圖片均來自相應文獻。被引次數基于2017年5月21日Web of Science數據）

【高引綜述類文章一覽】

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高引綜述類文章分類

【高引通訊類文章導讀】

【通訊類文章引用量第一名】

Flexible Triboelectric Generator

F. Fan, Z. Tian, Z. Wang

2012, 1, 328-334 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2012.01.004)

被引次數：532

摩擦起電是生活中常見的一種現象。例如摩擦過的塑料棒可以吸引輕小物體的現象，便是摩擦起電的表現。王中林教授課題組一直致力于研究如何實際應用摩擦產生的電能。在本篇工作中，該課題組報道了一種高分子基的柔性摩擦起電器。該起電器的結構和工作原理如下圖1所示。他們將兩種不同的高分子材料，聚酯（PET）薄膜和Kapton（杜邦公司生產的聚酰亞胺）薄膜相對放置在一起，外面沉積上金膜與外電路連接，再經過封裝便可很方便地組裝出一個發電器。當器件彎折時，聚酯膜和Kapton膜互相摩擦，此時聚酯膜產生正電荷，Kapton膜產生負電荷。高分子膜間的摩擦形成的界面靜電場在兩側金膜上感應出相應的靜電荷。當兩極金膜用導線連接后，金膜中感應出的電荷便可通過外電路中和，在導線中產生電流。

本片工作報道的摩擦起電器可以產生3.3 V的電壓，體積比功率密度高達~10.4 mW/cm³.

圖1.?（a）柔性摩擦起電器的結構示意圖，工作過程與實際形貌。（b）作者們提出的該柔性摩擦起電器的工作原理。

【催化類】

氧還原反應（Oxygen Reduction Reaction，簡稱ORR）是燃料電池中陰極一側的重要反應。然而該反應自身過大的超電勢（overpotential）目前仍是制約燃料電池的整體性能提升的瓶頸。因此，開發高效的ORR催化劑以降低反應的過電勢成為提升燃料電池性能的關鍵。目前性能最佳的ORR催化劑為貴金屬鉑或鉑基材料（如鉑碳）。但這類催化劑自身性質對實際應用會產生不利影響：其一，鉑儲量稀少，成本高昂，不利于未來大規模生產應用；其二，燃料電池的陽極原料或產物（如甲醇或一氧化碳）極易使鉑活性喪失（即“催化劑中毒”）。鉑的這一不穩定性需要在實際組裝燃料電池時進行極好的密封以分隔陰陽腔室，無形中增加了制備成本。因而，制備不含貴金屬元素的價廉物美的鉑基催化劑替代品成為當務之急。以下的兩篇文章分別介紹了兩種碳基ORR催化劑。碳自身高導電特性及其巨大的儲量使得其成為頗有前景的ORR催化劑。

【1】

3D Nitrogen-doped Graphene Prepared by Pyrolysis of Graphene Oxide with Polypyrrole for Electrocatalysis of Oxygen Reduction Reaction

Z. Lin, G. Waller, Y. Liu, M. Liu and C. Wong

2013, 2, 241-248 (DOI:?10.1016/j.nanoen.2012.09.002)

被引次數：115

在這篇文章中，作者們展示了一種通過高溫碳化聚吡咯-氧化石墨烯復合物制備出高ORR活性的氮摻雜石墨烯催化劑。掃描電鏡圖（SEM）顯示該材料繼承了石墨烯的二維片狀結構（圖2a）。另外，聚吡咯作為一種含氮豐富的導電高分子可在高溫灼燒下為石墨烯提供均勻的氮摻雜（圖2b）。作者們通過比較不同碳化溫度下或的催化劑ORR活性的差別來探究了不同類型的氮原子對ORR活性的貢獻。實驗表明，900 ^oC處理得到的產物因具有較高濃度的吡啶型氮原子（pyridinic-N）和石墨型氮原子（graphitic-N）（圖2c），以及適量濃度的缺陷因而展現出最佳活性。該催化劑的ORR起偏電位（on-set potential）約為-0.15 V vs. Ag/AgCl（圖2d），電子傳輸數達3.8-3.9（筆者注：最佳值為4.0）。此外，相比于鉑碳，該催化劑具有更優異的穩定性和對甲醇毒性更高的抗性。

圖2.（a）SEM展示催化劑微觀結構。（b）氮元素分布圖。（c）合成的催化劑中的各式氮原子結構示意圖。（d）不同灼燒溫度條件下合成的催化劑ORR性能（電壓線掃圖）。

【2】

Synthesis of Amino-functionalized Graphene as Metal-free Catalyst and Exploration of the Roles of Various Nitrogen States in Oxygen Reduction Reaction

C. Zhang, R. Hao, H. Liao and Y. Hou

2013, 2, 88-97 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2012.07.021)

被引次數：142

前一篇工作利用高溫灼燒將氧化石墨烯還原為石墨烯，而Zhang等人在本篇文章中展示的是一種水熱法用以還原氧化石墨烯。他們首先將氧化石墨烯膠體溶液同氨水混合，裝入密封的反應釜中。通過加熱反應釜使得氧化石墨烯在內部高溫高壓環境中被還原為石墨烯。同時，氨水在水熱條件下向石墨烯中引入大量的氨基及其他含氮官能團（氮總含量為10.6 atom%，結構示意圖見圖3a）。這種富氨基石墨烯展現出很高的ORR活性：起偏電壓為-0.04 V vs.?Ag/AgCl，接近同條件下鉑碳測得的起偏電壓（圖3b）。此外，作者們通過不同溫度灼燒富氨基石墨烯成功控制了不同種類的含氮官能團的含量，并檢測了各種產物相應的ORR活性。結果表明，石墨型氮與吡啶型氮對ORR活性貢獻較其他含氮官能團大，與先前介紹的第一篇文章結論一致。

圖3.（a）富氨基石墨烯化學結構示意圖。（b）三種催化劑ORR活性比較：CCG –?不含氮石墨烯（對照組）；AG：富氨基石墨烯；Pt/C：鉑碳（對照組）。

【電池類】

鋰硫電池是一類以金屬鋰為負極，單質硫為正極的一類新型電池。與鋰電池中傳統的層狀金屬氧化物正極相比，單質硫具有更高的電容量以及更大的儲量。這些特性使得鋰硫電池具備了比傳統鋰電池更高的能量密度和更低的原料成本。鋰硫電池的能量密度可達2600 mAh/g，遠遠高出鋰離子電池（鋰鈷氧/石墨鋰離子電池：387 mAh/g）。但是，常用的鋰硫電池的電極的制備方式，即利用刀片將硫刮涂在平面金屬基底上限制了硫的載量，降低了電池可存儲電量的總量，限制了實際應用前景。此外，硫的電絕緣性也是一個需要在電化學應用中亟待解決的問題。

接下來的兩篇工作分別設計了兩種三維碳基材料骨架。這些三維骨架可作為填充大量硫的載體。碳自身優異的導電性亦可減少硫的絕緣性對器件整體性能的影響。

【1】

A Graphene Foam Electrode with High Sulfur Loading for Flexible and High Energy Li-S?Batteries

G. Zhou, L. Li, C. Ma, S. Wang, Y. Shi, N. Koratkar, W. Ren, F. Li and H. Cheng

2015, 11, 356-365 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2014.11.025)

被引次數：114

在本篇工作中，作者利用三維鎳網作為模板，通過化學沉積法和聚甲基硅氧烷封裝，制備了一種柔性極好的三維石墨烯骨架（圖4a）。該骨架中的大孔為大量硫的填充提供了充裕的空間。同時，化學沉積法生長出的高質量石墨烯為硫提供了優良的導電網絡。文章中展示的硫之最高載量可達10.1?mg/m²（填充硫后的電極形貌見圖4b）。如圖4c所示，使用合成出的電極組裝的鋰硫電池初始數圈電容量達~1000 mAh/g，1000圈充放電循環后電容量仍可維持至448 mAh/g，平均每圈電容量衰減不足0.01%。庫倫效率保持在95%以上。另外，該鋰硫電池還具有良好的柔性，彎曲狀態下仍可正常工作。

圖4.（a）柔性三維石墨烯網架合成示意圖。（b）硫填充后的三維石墨烯網架SEM圖像。（c）使用硫-三維石墨烯網架電極的鋰硫電池性能圖。

【2】

Aligned Carbon Nanotube/Sulfur Composite Cathodes with High Sulfur Content for Lithium-sulfur Batteries

X. Cheng, J. Huang, Q. Zhang, H. Peng, M. Zhao and F. Wei

2014, 4, 65-72 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2013.12.013)

被引次數：114

本篇工作則報道了另外一種三維碳基網絡-碳納米管束-作為硫的載體。所制備的每根碳納米管直徑為6-12納米，長度約為20-40微米。多根碳納米管成束后的比表面積達到208 m²/g。加之碳納米管自身優良的導電性，使得這種材料成為負載硫的優良載體。實驗表明，該碳納米管束可容納將近90 wt%的硫，高于傳統鋰硫電池中的硫含量（70 wt%）。利用硫填充的碳納米管束組裝的鋰硫電池在0.1 C放電速率下質量比電容量高達736.8 mAh/g（以硫質量記）。不同硫載量的鋰硫電池能量密度也遠高于鋰電池和新型的碳基超級電容器（圖5f）。

圖5.?碳納米管束的（a）SEM和（b）透射電子顯微鏡（TEM）圖。（c）負載硫后的碳納米管束。綠圈所示處為硫。（d）以硫-碳納米管束為電極的鋰-硫電池性能圖。（f）本篇工作報道的不同硫載量下鋰硫電池能量密度和功率密度圖及與其他器件的性能比較。

【超級電容器類】

同電池相似，超級電容器也是一大類能量存儲裝置。但與電池需要長時間充電的特點不同，超級電容器可以在極短的時間內（數秒或短于一秒）完成滿充（或滿放）。因而，超級電容器可提供極高的功率輸出，實現快速能量存儲與釋放。目前國內已出現利用超級電容器驅動的公共交通工具（如上海超級電容器公交車）。然而，有利即有弊，超級電容器的電容量較電池小，無法長時間工作，需要頻繁充電。目前超級電容器研究領域的一支便是為超級電容器尋找新型的電極材料以提升其能量存儲量（即電容）。接下來要介紹的三篇高引文章會給我們作者們合成的三種新型超級電容器電極材料。

【1】

Hydrothermal Synthesis of Macroscopic Nitrogen-doped Graphene Hydrogels for Ultrafast Supercapacitor

P. Chen, J. Yang, S. Li, Z. Wang, T. Xiao, Y. Qian and S. Yu

2013,?2, 249-256 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2012.09.003)

被引次數：203

本文介紹了一種利用水熱法一步合成含氮石墨烯凝膠的方法，原料為乙二胺和氧化石墨烯。在水熱過程中，乙二胺和氧化石墨烯的含氧官能團發生如圖6a和6b所示的化學反應，使得生成的石墨烯表面附帶上大量含氮官能團。相比于不含氮的對照組石墨烯，含氮石墨烯的電容更大：在極高電流密度250 A/g（對應充電時間約0.3 s）的電流密度下，電容達到將近100 F/g（圖6c）。作者們將此高活性主要歸因于兩點原因。其一是含氮官能團，特別是吡啶型氮和吡咯型氮可增加電解質中離子的吸附量，相應地提升電極容納電子的能力，增大電極的電容。其二是石墨烯氣凝膠的大孔結構有利于電解液對電極的浸潤以及離子快速擴散，使得快速充放電時離子依然能夠足夠迅速地吸附到電極表面以提高電容。除此之外，作者們還探索了除乙二胺外的其他氮源（如氨水）以比較不同合成配方對最終產物的尺寸、形貌和電容性能的影響。

圖6.（a，b）水熱合成過程中氮摻雜反應過程示意圖。（c）氮摻雜石墨烯的倍率性能曲線。

【2】

Three Dimensional Few Layer Graphene and Carbon Nanotube Foam Architectures for High Fidelity Supercapacitors

W.Wang, S.Guo, M.?Penchev, I.?Ruiz, K.?Bozhilov, D.?Yan, M.?Ozkan, Ozkan

2013, 2, 294-303 (DOI:?10.1016/j.nanoen.2012.10.001)

被引次數：114

剛才介紹的那篇工作利用的是水熱法合成碳電極。來自加州大學河濱分校Cengiz S. Ozkan教授課題組展示的是另一種碳材料生長方法——化學沉積法用于制備高性能碳基超級電容器電極。作者們將鐵顆粒附著在商用鎳網上后利用化學沉積法同時將石墨烯和碳納米管生長在鎳網基底上。其中石墨烯附著在鎳網表面，其上生長有碳納米管。再經過氫氧化鉀化學活化處理后，整個電極比表面積高達743 m²/g。實測電極電容在1.78 mA/cm²的電流密度下，質量比電容達286 F/g。用兩片相同的石墨烯-碳納米管電極組裝的對稱電容器所報道的最大能量密度為29.72 Wh/kg，最大功率密度為154.67 kW/kg。

圖7.（a）合成方法示意圖。（b）石墨烯-碳納米管電極形貌。（c）石墨烯-碳納米管電極倍率性能。

【3】

Large-scale Synthesis of Coaxial Carbon Nanotube/Ni(OH)₂?Composites for Asymmetric Supercapacitor Application

R. Salunkhe, J. Lin, V. Malgras, S. Dou, J. Kim, Y. Yamauchi

2015, 11, 211-218 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2014.09.030)

被引次數：113

除了先前提到的碳材料外，贗電容材料也是超級電容器電極材料研究領域的熱點之一。Salunkhe等人在本篇文章中報道了一種在水溶液中快速合成氫氧化鎳包覆的碳納米管材料并探究了其作為超級電容器電極材料的性能。該合成方法首先將商業碳納米管用強氧化劑處理使得表面附帶上含氧官能團（如羧基）。利用羧基在堿性溶液中所帶的負電荷可吸引溶液中帶正電的鎳離子的特性，將鎳離子吸附至碳納米管表面。此時微微加熱溶液便可使吸附上的鎳離子原位轉化為氫氧化鎳并均勻附著在碳納米管表面（圖8）。氫氧化鎳作為一種電池型（battery-type）材料，自身具備很大的電容量，但導電性很差。此缺點正好可以被碳納米管的高導電性所克服。該氫氧化鎳包覆的碳納米管最大電容達到1368 F/g，遠遠高于商用活性碳和純氫氧化鎳對照組。

圖8.（a）氫氧化鎳-碳納米管核殼結構掃描電子顯微鏡圖。（b）氫氧化鎳-碳納米管高角環形暗場透射電子顯微鏡圖像。（c）碳和（d）鎳元素分布。

【太陽能電池類】

太陽能電池是一種將太陽能轉換為電能的裝置，是大規模利用太陽能資源的利器。近年來，甲氨鉛鹽類鈣鈦礦材料以其逐年高升的光電轉換效率而受到廣泛關注。薄膜材料以其制備方便，性能優異而被廣泛作為太陽能電池電極研究。如何獲得高質量的（即裂紋、孔隙少，質地均勻）鈣鈦礦薄膜成為制備高性能太陽能電池的關鍵。這是因為制備的薄膜中的缺陷（如裂紋、孔隙等）會妨礙光生電子在材料內部的傳導，增大其與光生空穴復合的概率，使得器件可輸出的電能下降。下面的這篇文章介紹了一種簡便的制備高質量甲胺氯化鉛（一種鈣鈦礦結構活性物質）薄膜的方法。

Gas-assisted Preparation of Lead Iodide Perovskite Films Consisting of a Monolayer of Single Crystalline Grains for High Efficiency Planar Solar Cells

F. Huang, Y. Dkhissi, W. Huang, M. Xiao, I. Benesperi, S. Rubanov, Y. Zhu, X. Lin, L. Jiang, Y. Zhou, A. Gray-Weale, J. Etheridge, C. McNeillm, R. Caruso, U. Bach, L. Spiccia and Y. Cheng

2014, 10, 10-18 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2014.08.015)

被引次數：151

旋涂法是制備薄膜太陽能電池電極的一種常用方法。旋涂時，首先將被旋涂物質分散至易揮發的溶劑中。然后將分散液滴至平整的基底上，使其均勻鋪展開。之后高速旋轉基底，利用離心力將多余或附著不牢固的液體甩掉，從而在基底上形成一層緊密附著的薄膜。本文作者們對這種傳統旋涂法稍加改良，提出了一種氣吹輔助旋涂法。該法保留了上述旋涂法的操作過程，唯一的變化是增加了一步操作：在旋轉基底的同時，在上方高速吹入氬氣流（圖9a）。氬氣的吹入加速了溶劑揮發的速度，使得溶液中同時產生大量甲胺氯化鉛小晶體。這些小晶體晶核幾乎同時長大，因而形成大小較為均一的晶體，使得制備出的薄膜厚度均勻，無明顯孔洞存在（圖9b）。而如圖9c所示，傳統的旋涂法制備的薄膜具有很多裂隙。

利用制備的高質量的鈣鈦礦薄膜為電極的太陽能電池開路電壓達到1.05 V，短路電流達到22.0 mA/cm²，填充因子高達0.74，性能優異。此外，作者們還探究了旋涂后加熱溫度對生成薄膜形貌和性能的影響。結果表明，高溫有利于大晶粒的形成，減少缺陷的濃度，獲得更高的能量轉換效率。

圖9.（a）氣吹輔助旋涂法過程示意圖。（b）氣吹輔助旋涂法制得的薄膜表面形貌。（c）傳統旋涂法制得的薄膜表面形貌。

【尾聲】

Nano Energy從創刊至今已經將近五年了。五年對于一本學術期刊而言雖然不長，但就在這五年間，Nano Energy已經成長為國際一流能源期刊。筆者堅定地認為，隨著能源、納米材料領域愈發火熱，編輯部的強大整容與高效率工作，以及期刊對文章質量的嚴格把關， Nano Energy會繼續茁壯成長，成為納米能源環境領域期刊的領頭者。

【作者簡介】

劉田宇，美國加州大學圣克魯茲分校（University of California, Santa Cruz）化學博士。2012年本科畢業于北京科技大學，于同年加入加州大學圣克魯茲分校Yat?Li（李軼）教授課題組攻讀博士學位。主要研究方向為能源轉化與存儲，包括超級電容器、半導體光解水、微生物燃料電池和各類催化劑。除以上領域外，亦關注各類離子電池、太陽能電池、生物材料、光催化、金屬-有機框架化合物（MOF），氫氣存儲和化學教育等領域。現已在多個國際同行評議期刊上發表一作論文10篇，通訊作者論文1篇。發表論文總引用量逾900次（Google Scholar）。擔任材料牛資訊網特邀編輯和資深作者，美國材料研究學會（MRS）期刊Journal of Materials Research客座編輯，2017年美國MRS春季會議現場記者和英國皇家化學會（Royal Society of Chemistry）期刊Chemical Communications，Chemical Society Reviews以及Chemical Science的在線博客撰稿人。

個人網站：http://liutianyuresearch.weebly.com/

本文由材料牛資訊網特邀作者劉田宇撰寫，材料牛編輯曉fire編輯整理。