能源与材料化学

吴凯，张国俊

1北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

2国家自然科学基金委员会化学科学部，北京 100085

能源与材料化学关乎人类的社会生活与文明进步。材料化学是推动人类文明的物质基础，而能源化学则是人类社会活动的动力来源。随着纳米科学与技术的飞速发展，人们已经可以合成出种类繁多、性能各异的材料。从物理学角度来说，材料的成份和结构一俟确定，该体系的薛定谔方程求解就给出了其物理和化学性质。这些基本性质无外乎热、光、电、磁等诸多方面。限于材料成份与结构的复杂性，人们对于材料控制合成背后的基本科学原理认识依然有限，而在原子和分子层次上揭示这些材料的成份-结构-性能关系则面临着巨大挑战。

国家自然科学基金委化学科学部于2019年12月在广州组织了“第一届能源化学青年学者学术交流研讨会”。会后，我们酝酿在《物理化学学报》上出版一期“能源与材料化学专刊”。能源化学和材料化学是两大研究领域，显然一期特刊不可能涉及这两个领域的方方面面。为此，我们邀请了从事能源与材料化学研究的部分与会学者介绍他们近年来在相关领域的研究进展，主要涉及低维材料的控制合成及其在锂电池、氢能源、化学能源以及碳中和等方面的应用。希望这些研究能够引起广大读者的浓厚兴趣。本期共收录论文11篇，包括通讯、论文和综述三大类。现予刊发，以飨读者。

锂金属是具有超高理论容量和低氧化还原电位的最具前途负极材料之一。针对锂枝晶生长和“死锂”等问题，吴忠帅等人1采用石墨烯负载的氧配位钴单原子(Co-O-G SA)作为锂沉积载体调节锂的成核和生长。在对称电池中，Co-O-G SA锂负极(Co-O-G SA/Li)在1 mA·cm-2的电流密度下，电压稳定在18 mV，寿命达到780 h；利用硫正极组装的全电池在0.5C条件下获得1002 mAh·g-1的比容量，1000次循环后的容量衰减率仅为0.036%。该工作为实现无枝晶锂负极提供了重要参考。

质子可渗透单层石墨烯，其它原子和分子则不可。针对文献报道的催化活化石墨烯膜质子传输的光效应问题，宫建茹等人2发现入射光激发的热电子在与透过石墨烯的质子反应之前已驰豫到较低能态；当金属与石墨烯强烈作用时，电子被俘获在正极附近。光照射时，这些电子被激发到亚稳激发态，寿命更长。据此，作者提出质子通过催化活化石墨烯膜的巨大光效应归因于较长寿命的热载流子和快速的质子传输速率。该研究提出了催化剂在提高光(电)催化反应效率的一种新微观机制。

如何消弭固态电解质和电极活性物质间的界面问题是提升固态电池电化学性能的关键之所在。为此，王家钧等人3总结了固态电池界面研究所面临的挑战、改善策略和表征方法，展望了固态电池发展中的关键方向与趋势。

二维材料层间弱结合的特性为人们利用范德华间隙来调控体系性能提供了可能性。宫勇吉等人4综述了插层法改变层间距和层间耦合的研究进展，系统阐述了二维材料范德华间隙的调控方法及该类材料的性能和应用的影响。

黄佳琪等人5总结了固体电解质界面(SEI)的研究进展，介绍了SEI在初次充放电阶段对电位的依赖性、形成机理、结构与化学组成、锂离子的传导机制、以及界面膜的影响因素和调控策略，最后对SEI的未来研究进行了展望。

锂离子电池的正极材料晶格会与局域分布的电子耦合将形成极化子，导致其导电性差。郑家新、潘锋等人6从理论出发，介绍了极化子的基本物理概念，综述了极化子的理论计算判别方法，总结了极化子对常见类型正极材料导电性能的影响与调控，指出了当前研究中存在的一些理论难题，并从理论和应用两方面对正极材料的极化子研究进行了展望。

很显然，高比能和高稳定正极材料是锂离子电池研究的重点，事关其稳定性和安全性。曹安民等人7对影响正极材料结构稳定性和电化学稳定性等诸多因素进行了梳理分析，再从目前改善材料结构稳定性的有效策略入手，对表面限域掺杂这一特殊稳定策略的实现途径、稳定机制进行了总结和分析，并结合现有不同表面修饰方法进行分析和评述，对高比能正极稳定性提升的可能策略及方向进行了展望。

丁炜、魏子栋等人8综述了利用原子和分子尺度限域特性对电催化剂的分子构型、配位结构、电荷转移填充、介观调控、催化剂表面能量场的调控机制与方法，以及在燃料电池和物质能源转换中的应用，并对未来发展方向进行了展望。

在金属有机氢化物储氢材料方面，何腾、Hui Wu等人9采用球磨法和湿化学法制备了吡咯锂和吡咯钠两种物质，并利用综合分析技术对材料进行了细致表征。研究发现吡咯锂为单斜晶系，属于P21/c(14)空间群，有别于文献中的理论预测结构。

Fe@SiO2催化剂在甲烷无氧直接转化生成乙烯的反应中表现出优异的性能，单该反应的分子机理一直不清楚。常春然等人10采用反应力场方法模拟了近反应条件下甲烷无氧直接转化的气相机理，发现难以高选择性地生成乙烯，据此推断催化剂表面在甲烷活化和转化过程中起着至关重要的作用。

彭扬、陆永涛等人11以Cu-NBDC MOF为前驱体制备了锚定在氮掺杂多孔碳上的Cu2O/Cu催化剂(Cu2O/Cu@NC)，有效抑制了副反应HER，提高了电还原二氧化碳反应的整体催化活性；随着Cu-N含量的增加，显著提高了乙烯和甲烷的选择性。