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    别刷朋友圈了,快来刷刷EES的“Hot article”吧!
    来源:测试GO 时间:2021-09-07 13:40:07 浏览:2011次





    期刊简介




    作为环境和能源领域的顶级学术期刊,Energy & Environmental Science(简称EES)可谓是“家喻户晓”,该期刊重点关注能源的转换和存储、新型燃料技术以及涉及环境科学的相关研究。收录主题包括但不限于:太阳能转换和存储、太阳能和人工光合作用、燃料电池、氢存储和(生物)氢生产、能源系统材料、二氧化碳的捕获和处理和处置、生物燃料及精炼、极端环境中的新材料、能源技术对环境的影响、与能源系统有关的全球大气化学和气候变化、能源系统和网络、能源政策和技术等。

    EES为月刊,一年12期,整体年发文量不大(年发文量几乎均小于500篇),这在一定程度上也反映了期刊收录文章的质量。2021年EES的最新影响因子高达38.532,可见其在能源和环境领域的地位。

    EES期刊设立了“Recent Hot Articles”主题,通常会收录近两年来的热点文章(2020年和2021年)(图1)。总结发现,2021年以来,进入该主题的文章总共有12篇,分别涉及锂离子电池(5篇)、太阳能电池(3篇)、碳中和(2篇)、燃料电池(1篇)和超级电容器(1篇)。                       

    图1 EES近期热点文章主题(2020年和2021年)

    为了带领大家一览顶刊风采,笔者特意选取了EES 2021年的热点文章主题里的部分研究成果进行了解读,希望能给相关领域的科研工作者们带来一丝启发。





    2021年热点文章解读




    1、废旧锂离子电池正极材料的绿色回收工艺设计

    锂离子电池(LIBs)作为一种可持续发展的绿色储能器件,在很大程度上缓解了当今社会所面临的能源危机和环境问题。过去几年中,LIBs的飞速发展进一步推动了电动汽车的蓬勃发展。在第一批已淘汰的电动汽车中,废旧LIBs的回收同时面临着巨大的机遇和挑战。这些废旧LIBs具有巨大的经济价值和潜在的环境危害。然而,现有的回收工艺尚不完善,仍然存在二次污染、工序复杂或成本较高等问题,因此亟需针对锂离子电池开发效率高、绿色环保且操作简单的可持续回收工艺。

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    有鉴于此,中科院化学所的万立骏院士和郭玉国教授团队[1]设计了一种极其简单但有效且环保的方法,成功地将废旧正极材料与铝箔分离。这种高效的分离方法不仅避免使用有机溶剂,而且还防止了二次污染。作者对衰减后的锂离子电池正极的微观结构演变进行了全面深入的研究,然后提出了一种有针对性的方法,利用废旧正极材料表面增加的残碱仅用纯水就能分离活性物质和集流体,并结合了固相烧结再生,实现了退役锂离子电池正极材料的绿色闭环回收。这样一种从微观结构变化出发进行回收工艺设计的策略可以为将来更有针对性的废旧电池回收提供新的研究思路。

    图2 废旧电池电极材料的演示过程与表征

    2、一种用于制备高性能分层堆积有机太阳能电池的普适性方法

    有机太阳能电池(OSC)因成本低、重量轻、可柔性制备等优点而受到广泛关注。随着材料开发和器件工程的发展,单结有机太阳能电池的能量转化效率已超过18%。在传统的本体异质结(BHJ)结构的有机太阳能电池中,给受体的随机相分离严重地影响了薄膜的形貌,从而降低了太阳能电池的效率和稳定性。近年来,将给受体逐层旋涂而制备成分层堆积结构的器件(SD)有利于控制每层薄膜的形貌,达到平衡的电荷传输,以及获得直接的传输通道,从而提升器件的稳定性和效率。因此,一系列方法包括真空沉积、薄膜转移和正交溶剂等被用来制备分层的OSC,并取得了显著的研究进展。然而,大多数该类方法都不具有普遍性,难以应用于所有的给受体体系,因此在商业化应用中存在局限性。

    有鉴于此,中国科学院大学黄辉教授团队[2]提出了一种用于制备分层堆积结构的有机太阳能电池的普适性方法,并将其命名为环境友好型溶剂保护法(ESP)。该方法利用环境友好型溶剂作为给体和受体之间的保护层,从而制备高性能的垂直相分离结构的分层堆积器件。通过研究不同保护溶剂对给体薄膜的保护作用的差异,从而筛选出最优的保护溶剂,并对其机理进行深入研究。作者分别制备了有无溶剂保护的SD器件,结果表明,在8种保护溶剂中筛选出的正辛烷具有最优的保护性能。以正辛烷为保护溶剂的SD器件具有最优的光伏性能,且该器件具有较弱的复合和较高的激子解离效率,器件的能量转化效率(PCE)达到了17.52%,对应的开路电压(VOC)为0.834 V,短路电流(JSC)为27.79 mA cm-2,填充因子(FF)为75.61%,为目前逐层旋涂法制备的OSC的最高效率。进一步研究表明,该ESP方法对富勒烯和非富勒烯的多个给受体材料体系都具有普适性,有利于将来的商业化应用。

    图3 连续沉积过程及对应的化学结构

    3、高性能氨氧化催化剂用于阴离子交换膜直接氨燃料电池

    传统的燃料电池研究主要涉及以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC),而以氨(NH3)为燃料的直接氨燃料电池(DAFC)较为少见。氨是一种以氮为基础的液体燃料,它的生产、储存、运输和分配比氢便宜,在可再生能源生产的燃料中,其成本最低,同时可避免其它液体燃料的二氧化碳排放,这种强大的燃料在未来或将成为一种经济实用的燃料用于汽车、卡车、公共汽车等交通运输工具。然而,这种值得关注的低温DAFC技术在阳极处氨氧化(AOR)的动力学过程缓慢,比氢氧化更为困难,加上氨在PEMFC中不起作用,这使得相关科研工作者对对氨燃料电池的研究困难重重。

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    有鉴于此,纽约州立大学布法罗分校武刚教授团队[3]报道了一种简单的超声化学合成策略,成功制备出氧化物和碳复合材料负载的PtIrZn三元合金纳米催化剂PtIrZn/CeO2-ZIF-8,该催化剂不仅在碱性电解液中表现出优异的AOR催化活性,更在阴离子交换膜DAFC中显示出优异的高功率密度(峰值达314 mW cm-2)。这项工作中的催化剂设计和制备、DAFC性能测试、DFT理论计算分析可为未来AOR阳极催化剂的构筑和DAFC研究提供指导和借鉴,有利于推动DAFC在未来的实际应用。

    图4 PtIrZn/CeO2-ZIF-8合成示意图

    4、-30℃下可拉伸的超级电容器

    可拉伸超级电容器(SSCs)因具有功率密度高、充放电时间段和循环寿命长的优势而被广泛研究。迄今为止,大多数SSCs都在具有潜在可拉伸结构的电极上工作,例如电极呈波浪形、桥岛形、孔形、螺旋形和弹簧形等。然而,它们通常会遭受预先设计电极与凝胶电解质之间的机械失配,或者由于添加额外可拉伸基材而没有电容贡献而导致体积/质量增加的问题。此外,随着传统水凝胶电解质在冰点以下逐渐冻结,SSCs在低温(如-30℃)下往往会失去柔性和延展性。

    有鉴于此,北京理工大学张志攀教授等[4]首次以交联聚丙烯酰胺(PAM)网络为基础,在乙二醇(EG)/水(W)/硫酸(H2SO4)浸渍的抗冷冻有机水凝胶聚电解质上,通过一步原位生长聚苯胺(PANI)电极,首次制备了一种抗冻和高拉伸性超级电容器(AF-SSC。与传统通过人工组装正负电极材料和电解质来制造超级电容器的方法不同,该方法促进了电极和电解质之间的完全接触,并显著降低了离子传输的界面电阻。同时,得益于其整体结构,当电流器件经受诸如弯曲、扭曲和拉伸之类的大变形时,仍可提供稳定的能量输出。此外,与采用额外可拉伸基材或潜在可拉伸结构制备的常规SSCs相比, AF-SSC器件更易于制造且更易于控制。结果表明,AF-SSC在-30℃下拉伸200%时仍可保持89.4%的电容。当电流密度增加20倍时,在-30℃时,电容保持率达到73.1%优于先前报道的室温下基于赝电容材料的可拉伸SSCs。在50 mV s-1和-30℃下循环100000次后,该器件具有91.7%电容保留的超长寿命,超过了先前报道的所有可拉伸SSCs

    图5 AF-SSC的构建及原理图

    5、在碳中和的欧洲通过生物能源碳捕获和储存评估二氧化碳的去除潜力

    生物能源碳捕获和储存(BECCS)是一种二氧化碳去除(CDR)技术,可能是实现全球二氧化碳净零排放目标的关键。为了评估欧洲的BECCS潜力,苏黎世联邦理工学院Marco等人[5]考虑了7种不需要专门种植的生物能源种植园的BECCS技术,对生物CDR的潜力进行了量化。结合过程工程和地理空间评估,作者发现2018年欧洲5%的二氧化碳排放(即每年约2亿吨),都可以通过来自BECCS的生物CDR缓解。然而,该值也仅仅只是勉强达到欧洲CDR需求范围的下限。

    从地缘政治的角度来看,只有少数欧洲国家通过BECCS达到或超过其CDR需求。那些无法利用国内生物质资源实现碳中和的国家,可能需要诉诸其他CDR策略或从国外进口生物质。从地理角度来看,排放源和存储地点的距离分布相当不合理。根据定量评估,作者得出以下结论:由于不合理的源汇距离分布,要有效利用2亿吨CO2是具有挑战性的,且在欧洲需要更多和距离分布更合理的CO2储存地点,此外,要真正实现碳中和,需要在欧洲范围内构建二氧化碳的运输网络。总而言之,这项工作有助于确定生物CDR在欧洲可持续发展方面的作用。

    图6 不同BECCS技术下的生物源二氧化碳含量和去除效率

    参考文献

    [1] Min Fan, Xin Chang, YuJie Guo, et al. Increased residual lithium compounds guided

    design for green recycling of spent lithium-ion cathodes. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 1461. DOI: 10.1039/d0ee03914d.

    [2] Yanan Wei, Jianwei Yu, Linqing Qin, et al. A universal method for constructing high efficiency organic solar cells with stacked structures. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 2314. DOI: 10.1039/d0ee03490h.

    [3] Yi Li, Hemanth Somarajan Pillai, Teng Wang, et al. High-performance ammonia oxidation catalysts for anion-exchange membrane direct ammonia fuel cells. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 1449. DOI: 10.1039/d0ee03351k.

    [4] Xuting Jin, Li Song, Hongsheng Yang, et al. Stretchable supercapacitor at -30℃. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3075. DOI: 10.1039/d0ee04066e.

    [5] Lorenzo Rosa, Daniel L. Sanchez, and Marco Mazzotti. Assessment of carbon dioxide removal potential via BECCS in a carbon-neutral Europe. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3086. DOI: 10.1039/d1ee00642h.

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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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