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別刷朋友圈了，快來刷刷EES的“Hot article”吧！

來源：測試GO 時間：2021-09-07 13:40:07 瀏覽：4272次

期刊簡介

作為環境和能源領域的頂級學術期刊，Energy & Environmental Science（簡稱EES）可謂是“家喻戶曉”，該期刊重點關注能源的轉換和存儲、新型燃料技術以及涉及環境科學的相關研究。收錄主題包括但不限于：太陽能轉換和存儲、太陽能和人工光合作用、燃料電池、氫存儲和（生物）氫生產、能源系統材料、二氧化碳的捕獲和處理和處置、生物燃料及精煉、極端環境中的新材料、能源技術對環境的影響、與能源系統有關的全球大氣化學和氣候變化、能源系統和網絡、能源政策和技術等。

EES為月刊，一年12期，整體年發文量不大（年發文量幾乎均小于500篇），這在一定程度上也反映了期刊收錄文章的質量。2021年EES的最新影響因子高達38.532，可見其在能源和環境領域的地位。

EES期刊設立了“Recent Hot Articles”主題，通常會收錄近兩年來的熱點文章（2020年和2021年）（圖1）。總結發現，2021年以來，進入該主題的文章總共有12篇，分別涉及鋰離子電池（5篇）、太陽能電池（3篇）、碳中和（2篇）、燃料電池（1篇）和超級電容器（1篇）。

圖1 EES近期熱點文章主題（2020年和2021年）

為了帶領大家一覽頂刊風采，筆者特意選取了EES 2021年的熱點文章主題里的部分研究成果進行了解讀，希望能給相關領域的科研工作者們帶來一絲啟發。

2021年熱點文章解讀

1、廢舊鋰離子電池正極材料的綠色回收工藝設計

鋰離子電池（LIBs）作為一種可持續發展的綠色儲能器件，在很大程度上緩解了當今社會所面臨的能源危機和環境問題。過去幾年中，LIBs的飛速發展進一步推動了電動汽車的蓬勃發展。在第一批已淘汰的電動汽車中，廢舊LIBs的回收同時面臨著巨大的機遇和挑戰。這些廢舊LIBs具有巨大的經濟價值和潛在的環境危害。然而，現有的回收工藝尚不完善，仍然存在二次污染、工序復雜或成本較高等問題，因此亟需針對鋰離子電池開發效率高、綠色環保且操作簡單的可持續回收工藝。

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有鑒于此，中科院化學所的萬立駿院士和郭玉國教授團隊[1]設計了一種極其簡單但有效且環保的方法，成功地將廢舊正極材料與鋁箔分離。這種高效的分離方法不僅避免使用有機溶劑，而且還防止了二次污染。作者對衰減后的鋰離子電池正極的微觀結構演變進行了全面深入的研究，然后提出了一種有針對性的方法，利用廢舊正極材料表面增加的殘堿僅用純水就能分離活性物質和集流體，并結合了固相燒結再生，實現了退役鋰離子電池正極材料的綠色閉環回收。這樣一種從微觀結構變化出發進行回收工藝設計的策略可以為將來更有針對性的廢舊電池回收提供新的研究思路。

圖2 廢舊電池電極材料的演示過程與表征

2、一種用于制備高性能分層堆積有機太陽能電池的普適性方法

有機太陽能電池（OSC）因成本低、重量輕、可柔性制備等優點而受到廣泛關注。隨著材料開發和器件工程的發展，單結有機太陽能電池的能量轉化效率已超過18%。在傳統的本體異質結（BHJ）結構的有機太陽能電池中，給受體的隨機相分離嚴重地影響了薄膜的形貌，從而降低了太陽能電池的效率和穩定性。近年來，將給受體逐層旋涂而制備成分層堆積結構的器件（SD）有利于控制每層薄膜的形貌，達到平衡的電荷傳輸，以及獲得直接的傳輸通道，從而提升器件的穩定性和效率。因此，一系列方法包括真空沉積、薄膜轉移和正交溶劑等被用來制備分層的OSC，并取得了顯著的研究進展。然而，大多數該類方法都不具有普遍性，難以應用于所有的給受體體系，因此在商業化應用中存在局限性。

有鑒于此，中國科學院大學黃輝教授團隊^[2]提出了一種用于制備分層堆積結構的有機太陽能電池的普適性方法，并將其命名為環境友好型溶劑保護法（ESP）。該方法利用環境友好型溶劑作為給體和受體之間的保護層，從而制備高性能的垂直相分離結構的分層堆積器件。通過研究不同保護溶劑對給體薄膜的保護作用的差異，從而篩選出最優的保護溶劑，并對其機理進行深入研究。作者分別制備了有無溶劑保護的SD器件，結果表明，在8種保護溶劑中篩選出的正辛烷具有最優的保護性能。以正辛烷為保護溶劑的SD器件具有最優的光伏性能，且該器件具有較弱的復合和較高的激子解離效率，器件的能量轉化效率（PCE）達到了17.52%，對應的開路電壓（VOC）為0.834 V，短路電流（JSC）為27.79 mA cm^-2，填充因子（FF）為75.61%，為目前逐層旋涂法制備的OSC的最高效率。進一步研究表明，該ESP方法對富勒烯和非富勒烯的多個給受體材料體系都具有普適性，有利于將來的商業化應用。

圖3 連續沉積過程及對應的化學結構

3、高性能氨氧化催化劑用于陰離子交換膜直接氨燃料電池

傳統的燃料電池研究主要涉及以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池（PEMFC），而以氨（NH₃）為燃料的直接氨燃料電池（DAFC）較為少見。氨是一種以氮為基礎的液體燃料，它的生產、儲存、運輸和分配比氫便宜，在可再生能源生產的燃料中，其成本最低，同時可避免其它液體燃料的二氧化碳排放，這種強大的燃料在未來或將成為一種經濟實用的燃料用于汽車、卡車、公共汽車等交通運輸工具。然而，這種值得關注的低溫DAFC技術在陽極處氨氧化（AOR）的動力學過程緩慢，比氫氧化更為困難，加上氨在PEMFC中不起作用，這使得相關科研工作者對對氨燃料電池的研究困難重重。

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有鑒于此，紐約州立大學布法羅分校武剛教授團隊^[3]報道了一種簡單的超聲化學合成策略，成功制備出氧化物和碳復合材料負載的PtIrZn三元合金納米催化劑（PtIrZn/CeO₂-ZIF-8），該催化劑不僅在堿性電解液中表現出優異的AOR催化活性，更在陰離子交換膜DAFC中顯示出優異的高功率密度（峰值達314 mW cm^-2）。這項工作中的催化劑設計和制備、DAFC性能測試、DFT理論計算分析可為未來AOR陽極催化劑的構筑和DAFC研究提供指導和借鑒，有利于推動DAFC在未來的實際應用。

圖4 PtIrZn/CeO₂-ZIF-8合成示意圖

4、-30℃下可拉伸的超級電容器

可拉伸超級電容器（SSCs）因具有功率密度高、充放電時間段和循環壽命長的優勢而被廣泛研究。迄今為止，大多數SSCs都在具有潛在可拉伸結構的電極上工作，例如電極呈波浪形、橋島形、孔形、螺旋形和彈簧形等。然而，它們通常會遭受預先設計電極與凝膠電解質之間的機械失配，或者由于添加額外可拉伸基材而沒有電容貢獻而導致體積/質量增加的問題。此外，隨著傳統水凝膠電解質在冰點以下逐漸凍結，SSCs在低溫（如-30℃）下往往會失去柔性和延展性。

有鑒于此，北京理工大學張志攀教授等^[4]首次以交聯聚丙烯酰胺（PAM）網絡為基礎，在乙二醇（EG）/水（W）/硫酸（H₂SO₄）浸漬的抗冷凍有機水凝膠聚電解質上，通過一步原位生長聚苯胺（PANI）電極，首次制備了一種抗凍和高拉伸性超級電容器（AF-SSC）。與傳統通過人工組裝正負電極材料和電解質來制造超級電容器的方法不同，該方法促進了電極和電解質之間的完全接觸，并顯著降低了離子傳輸的界面電阻。同時，得益于其整體結構，當電流器件經受諸如彎曲、扭曲和拉伸之類的大變形時，仍可提供穩定的能量輸出。此外，與采用額外可拉伸基材或潛在可拉伸結構制備的常規SSCs相比， AF-SSC器件更易于制造且更易于控制。結果表明，AF-SSC在-30℃下拉伸200%時仍可保持89.4%的電容。當電流密度增加20倍時，在-30℃時，電容保持率達到73.1%，優于先前報道的室溫下基于贗電容材料的可拉伸SSCs。在50 mV s^-1和-30℃下循環100000次后，該器件具有91.7%電容保留的超長壽命，超過了先前報道的所有可拉伸SSCs。

圖5 AF-SSC的構建及原理圖

5、在碳中和的歐洲通過生物能源碳捕獲和儲存評估二氧化碳的去除潛力

生物能源碳捕獲和儲存（BECCS）是一種二氧化碳去除（CDR）技術，可能是實現全球二氧化碳凈零排放目標的關鍵。為了評估歐洲的BECCS潛力，蘇黎世聯邦理工學院Marco等人^[5]考慮了7種不需要專門種植的生物能源種植園的BECCS技術，對生物CDR的潛力進行了量化。結合過程工程和地理空間評估，作者發現2018年歐洲5%的二氧化碳排放（即每年約2億噸），都可以通過來自BECCS的生物CDR緩解。然而，該值也僅僅只是勉強達到歐洲CDR需求范圍的下限。

從地緣政治的角度來看，只有少數歐洲國家通過BECCS達到或超過其CDR需求。那些無法利用國內生物質資源實現碳中和的國家，可能需要訴諸其他CDR策略或從國外進口生物質。從地理角度來看，排放源和存儲地點的距離分布相當不合理。根據定量評估，作者得出以下結論：由于不合理的源匯距離分布，要有效利用2億噸CO₂是具有挑戰性的，且在歐洲需要更多和距離分布更合理的CO₂儲存地點，此外，要真正實現碳中和，需要在歐洲范圍內構建二氧化碳的運輸網絡。總而言之，這項工作有助于確定生物CDR在歐洲可持續發展方面的作用。

圖6 不同BECCS技術下的生物源二氧化碳含量和去除效率

參考文獻

[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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