SusMat 第二期正式上线(含新闻导读)

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SusMat 是Wiley和四川大学联合创办的开放获取式Open Access期刊,刊名是可持续发展材料(Sustainable Materials)的简写,是Wiley旗下“Mat”系列高端期刊成员之一,旨在为与可持续发展材料主题相关的各类研究及应用领域科研人员提供高质量的学术成果发布与交流平台。


SusMat “材料创新驱动可持续发展”(Materials Innovation for Sustainable Development)为主旨,关注材料科学前沿研究,聚焦推动可持续发展的研究工作与技术创新。期刊涵盖范围广泛,包括但不限于以下领域及相关交叉学科:


清洁能源

绿色催化

环境友好材料

污染治理


SusMat 全部文章均为开放获取,读者可免费阅读及下载所有论文。欢迎访问期刊主页2021年第1卷第2期:


https://onlinelibrary.wiley.com/toc/26924552/2021/1/2


2021年SusMat文章及封面均为免费发表,欢迎可持续发展材料相关研究领域广大专家学者投稿


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SusMat 第1卷第2期封面


SusMat第1卷第2期上线综述及研究型论文共8篇,包括清洁能源、绿色催化、环境友好材料、功能材料与器件四大主题,具体内容如下:

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Part 01

清洁能源


1. 中科院金属研究所李峰研究员团队Renewable biomass-derived carbons for electrochemical capacitor applications

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生物质资源丰富、可再生、可持续、绿色,是制造碳材料的优良原料。借助于生物质结构和形态的多样性,可以获得具有不同结构和性能的碳材料。此外,获得生物质衍生碳(BDCs)是硬碳,具有多孔形态、结构稳定、硬度/强度优越的特点。生物质中含有N、S、P和O元素,因此衍生碳自掺杂N、S、P和O,具有独特的内在结构。在用于电化学电容器(ECs)时表现出良好的循环性能,同时兼具可持续性、可更新性、来源丰富和成本低的优势。


中国科学技术大学&中国科学院金属研究所李峰研究员与海南大学&佛山科学技术学院陈永教授团队共同报道了有关用于电化学电容器的生物质衍生碳的最新综述。首先,作者介绍了双电层电容器(EDLCs)的电荷存储原理和影响因素,接着介绍了生物质衍生碳在电化学电容器方面的应用及特点,然后总结了生物质衍生碳的不同制备方法。随后,作者综述了影响生物质衍生碳的电化学性能的几个因素,包括孔隙结构和比表面积、杂原子掺杂、石墨化程度、缺陷以及形态结构。最后作者对生物质衍生碳在能源存储领域面对的挑战进行了总结,并展望了生物质衍生碳广泛的应用前景。


文章链接:

Renewable biomass-derived carbons for electrochemical capacitor applications

Xianyou Luo, Shaorui Chen, Tianzhao Hu, Yong Chen*, Feng Li*. SusMat. 2021; 1: 211–240.

https://doi.org/10.1002/sus2.8

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2.中国科学院化学研究所郭玉国研究员团队:Progress in the sustainable recycling of spent lithium-ion batteries

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由于具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点,锂离子电池在消费电子产品,电动汽车 (EV) 和电网领域得到广泛应用。然而,锂离子电池的蓬勃发展也引发了一系列潜在问题。首先,锂离子电池需求增长将导致锂和过渡金属等金属资源的过渡消耗,一旦资源枯竭将从源头上切断锂离子电池的发展。其次,废弃锂离子电池的报废和积累对生态环境造成大量负面影响。同时,废弃锂离子电池带来的潜在安全风险也不容忽视。因此,实现金属的回收再利用、合理处理废弃锂离子电池、最大限度的提升废弃锂离子电池的经济附加价值,是保证锂离子电池健康稳定发展的关键。


中国科学院化学研究所郭玉国研究员对锂离子电池回收利用可持续发展策略的最新研究进展进行了综述。从传统湿法冶金回收技术中酸/碱替代品的探索、绿色创新回收策略的多样化发展以及回收原料的多元化应用等方面对废弃锂离子电池回收利用的可行性进行了总结。作者指出,以上策略在回收效率、成本降低、污染控制等方面都有了很大的提高,但距离产业化应用还有一段距离。开发商业化锂离子电池的通用化回收策略、深入开展机理研究,建立理论基础、确保锂离子电池的回收利用跟上锂离子电池的制造发展是实现废弃锂离子电池可持续回收利用的关键挑战。


文章链接:

Progress in the sustainable recycling of spent lithium-ion batteries. Min Fan, Xin Chang, Qinghai Meng*, Li-Jun Wan*, Yu-Guo Guo*. SusMat. 2021; 1: 241-254. 

https://doi.org/10.1002/sus2.16

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3.清华大学贺艳兵教授团队:Grain boundaries contribute to highly efficient lithium-ion transport in advanced LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 secondary sphere with compact structure


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近年来,锂离子电池(LIBs)的应用领域已经从移动终端扩展到电动汽车/插电式混合动力汽车(EV/PHEV)和固定储能领域。为了满足电动汽车对高功率和能量密度的要求,下一代锂离子电池正极材料应具备更高的能量密度、更长的循环寿命和更好的安全性能等特性。传统的层状结构LiCoO2由于其安全性能差且容量相对较小(高达160 mAh g–1),不适合EV/PHEV的大规模应用。LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)二次粒子具有高振实密度,在高体积能量密度锂(Li)离子动力电池领域具有巨大应用潜力。然而,结构致密的NCA材料的离子传导机制仍然是一个不明了,尤其是晶界的作用。


中国深圳清华大学深圳国际研究生院材料研究所(iMR)深圳Geim石墨烯中心贺艳兵教授团队通过系统对比由单晶初级晶粒密集生长构成的二次球形NCA (PNCA)以及球磨法得到的 NCA (MNCA) 纳米颗粒的锂离子传输行为,揭示了晶界对锂离子传导的作用机制。研究表明,PNCA 和 MNCA 具有相当的锂离子扩散系数和倍率性能。高分辨率透射电子显微镜和电子能量损失光谱结果指出,在快速锂化过程中,锂离子沿着 PNCA 二次粒子的晶界在低荷电状态 (SOC) 下发生消耗,在高 SOC 下发生聚集。以上研究表明,晶界可以构建互连的锂离子传输网络,助力高振实PNCA二级微球中高效的锂离子传输,从而实现其优异的倍率性能。


文章链接:

Grain boundaries contribute to highly efficient lithium-ion transport in advanced LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 secondary sphere with compact structure. Cheng Liu, Heyi Xia, Yinping Wei, Jiabin Ma, Lin Gan*, Feiyu Kang, Yan-Bing He*. SusMat. 2021; 1: 255–265. 

https://doi.org/10.1002/sus2.18

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Part 02

绿色催化

1. 复旦大学赵东元院士、李伟教授团队:Recent advances in TiO2-based catalysts for N2 reduction reaction

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氨(NH3)是现代社会不可缺少的化学物质,在生产肥料、染料、炸药和聚合物方面起着至关重要的作用。此外,NH3由于氢气含量高,储存条件方便,被认为是未来氢能的清洁来源。在温和条件下固氮是一种很有前途的绿色NH3生产方法。在过去的几十年里,人们通过电催化和光催化过程制造了各种先进的催化剂来实现这一目标。其中,TiO2基催化剂具有活性高、成本低、化学稳定性好、无毒等优点,被认为是很有前途的催化剂。


复旦大学赵东元院士、李伟教授团队综述了近年来在温和条件下基于TiO2基催化剂的电催化和光催化N2还原反应(NRR)方面的最新研究进展。文章首先从电催化和光催化NRR的基本原理,包括反应机理、N2的吸附和活化以及竞争性的析氢反应(HER)等方面进行了详细的介绍。然后,从合成策略、物理化学性质和性能等方面综述了近年来NRR用TiO2基催化剂的设计、研究进展。最后,对目前存在的主要瓶颈进行了总结,并对用于NRR的新型TiO2基催化材料的合理设计进行了展望。


文章链接:

Recent advances in TiO2-based catalysts for N2 reduction reaction. Jiayin Chen, Wei Zhang, Haoze Li, Wei Li*, Dongyuan Zhao*. SusMat. 2021; 1: 174–193. 

https://doi.org/10.1002/sus2.13

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2. 加拿大国立科学研究院孙书会教授团队:Engineering of electrocatalyst/electrolyte interface for ambient ammonia synthesis


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氨气不仅是工业和农业上重要的化学品,而且还是一种新型的载能分子。传统的Haber-Bosch方法合成氨会消耗大量的能量和天然气(氢资源),同时释放温室气体,如二氧化碳。近年来,电化学固氮正在成为一类有前景的策略,有望取代传统的合成氨工业。电化学合成氨(即氮还原反应,NRR)的主要挑战包括两个方面,一个是氮气中N≡N键极稳定、不易断裂,另一个在水溶液体系中极易发生竞争的析氢反应。这两个方面造成了电化学合成氨的生产速率和法拉第效率不高。电催化剂/电解质界面的合理设计和调控对于解决这些挑战至关重要。


加拿大国立科学研究院孙书会教授团队对催化剂/电解质界面工程的最新成果进行了综述,提供了提高产率和法拉第效率的见解和展望。本文对各类典型NRR催化剂的生产速率和法拉第效率(FE)指标进行了详细介绍和比较,为提高产率和法拉第效率提供了可行的方法与途径,对电化学固氮反应从理论到实践进行了展望。


文章链接:

Engineering of electrocatalyst/electrolyte interface for ambient ammonia synthesis. Lei Du, Lixin Xing, Gaixia Zhang*, Xianhu Liu, Diane Rawach, Shuhui Sun*. SusMat. 2021; 1: 150–173. 

https://doi.org/10.1002/sus2.7

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3. 北京大学郭少军教授团队:Recent progress on precious metal single atom materials for water splitting catalysis

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近年来,电化学水裂解制氢吸引了人们的广泛关注,因为其为能源的可持续发展和避免环境问题提供了新的途径。贵金属单原子催化剂(PMSACs)因其最大的原子利用率以及独特的电子结构在降低金属含量的同时保持高的催化活性而被广泛用于水裂解催化领域。


北京大学郭少军教授团队总结了基于优异性能的贵金属单原子在电化学水裂解催化方面的最新研究进展。首先对PMSACs的合成策略进行分类和介绍,包括高温热解法、电化学法、光化学还原法、湿化学法等。然后,简单的介绍了SACs的表征技术,主要涉及像差-校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)和X-射线吸收光谱(XAS)。特别是,根据理论和实验结果讨论了贵金属原子位点的电子结构与水裂解性能之间的关系。最后,对开发适用于电化学水分解应用的新型贵金属单原子催化剂所面临的主要挑战和机遇进行了展望。


文章链接:

Recent progress on precious metal single atom materials for water splitting catalysis. Lei Zhou, Shi-Yu Lu, Shaojun Guo*. SusMat. 2021; 1: 194–210.

https://doi.org/10.1002/sus2.15

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Part 03

环境友好材料


1. 清华大学危岩教授团队:Cellulose-based hydrogels regulated by supramolecular chemistry

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水凝胶是一种与水和生物组织类似的典型软材料,而具有良好的生物降解性、仿生性和适应性的水凝胶在仿生材料、药物传递、组织工程等方面得到了广泛的应用。合成水凝胶的组成和结构可控,机械性能可调,然而,由于缺乏良好的生物相容性,合成水凝胶在生物医学领域的应用受到限制。考虑到生物降解性、生物相容性和无毒性,以纤维素为基础的水凝胶材料得到了快速发展,实现了水凝胶材料在生物医学领域的应用。


清华大学危岩教授团队综述了近十年来纤维素基超分子水凝胶的设计、发展和应用,并对其局限性和未来发展方向做出了讨论。首先,作者从超分子之间的相互作用类型出发,分别从氢键相互作用、静电相互作用、主客体相互作用以及其他的共价相互作用四个方面对纤维素基水凝胶的设计和结构进行了综述。随后,作者介绍了水凝胶材料在自修复、形状记忆以及药物输送领域的应用。最后,作者强调了纤维素基水凝胶在水凝胶发展中的重要意义,提出了纤维素基水凝胶需要面对的重要问题,并对纤维素基水凝胶的后续应用领域作出了展望。


文章链接:

Cellulose-based hydrogels regulated by supramolecular chemistry. Danning Hu, Min Zeng, Yafei Sun, Jinying Yuan*, Yen Wei*. SusMat. 2021; 1: 266– 284. 

https://doi.org/10.1002/sus2.17

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Part 04

功能材料与器件


1. 新加坡南洋理工大学Pooi See Lee教授团队:Sustainable wearable energy storage devices self-charged by human-body bioenergy

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为了满足可穿戴传感器和治疗设备可持续工作需求,电化学可充电储能装置已迅速发展成可穿戴形式。考虑到人体的曲线性、安全性和特定的应用场景,可穿戴储能设备的多功能特性一直是可穿戴储能设备研究热点。考虑到人类代谢活动的无休无止的性质,用人体运动、生物液体和体温的生物能来充电可穿戴储能装置,对于构建自力的人体磨损电子设备具有巨大的潜力。为了填补人体生物能量与电能储存之间的空白,可穿戴摩擦电/压电纳米发电机(TENGs/PENGs)、生物燃料电池(BFCs)、热电发电机(TEGs)分别被成功应用于从人体运动、生物流体和人体热量中获取能量。此外,研究人员探索了利用生物能俘能器为可穿戴超级电容器和电池充电的各种策略,以缓解甚至完全消除外部发电站的充电过程,从而使可穿戴电子产品更加可持续、自主和方便用户。


新加坡南洋理工大学Pooi See Lee教授团队综述了利用不同的人体生物能俘能器对可穿戴电化学储能装置充电的研究进展,包括利用人体运动产生能量的TENGs/PENGs,BFCs从生物流体中提取能量,以及TEGs从人体热中收集能量。首先,作者对多功能可穿戴储能装置与人体能量俘能器的简单集成方面的进展进行详细介绍;然后重点总结了可穿戴电子设备自充电人体能量采集存储系统的集成策略,用人体的能量来充电可穿戴的电化学储能装置具有缓解甚至消除固定电站频繁充电的潜力。同时,可穿戴储能装置可以缓冲人体能量俘能器不规则或不稳定的输出,并将其作为固定的电源释放。最后,从材料和结构设计方面讨论阻碍人体能量俘能器广泛应用的挑战和前景。


文章链接:

Sustainable wearable energy storage devices self-charged by human-body bioenergy. Jian Lv, Jian Chen, Pooi See Lee*. SusMat. 2021; 1: 285–302. 

https://doi.org/10.1002/sus2.14

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参考文献: