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解說頭版文章

品味智慧之光

縱使攬勝四方

我自封面大賞

——編語

催化機理

瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）Marc-Georg Willinger博士課題組及福州大學黃興教授展示了工況透射電鏡（operando TEM）表征催化機理的強大實力。研究者們以金屬銅催化氫氧生成水這一氫燃料電池的反應為例，通過工況透射電鏡觀察了原子尺度上，銅催化劑在催化過程中的變化。他們發現在450-650 °C之間，部分金屬銅會轉變為Cu₂O，進而再轉為Cu，進行著Cu?Cu₂O的振蕩氧化還原反應。該過程同時伴隨催化劑顆粒形變、融合或分裂。而相同的催化反應在更高溫度下，僅銅最表面的一層會轉變為Cu₂O。作者們認為差異來源于反應組分的化學勢不同。

工況透射電鏡技術可拓展至金屬催化劑參與的其他催化反應（如甲醇氧化），為今后闡明催化劑工作機理提供有力的表征手段。但此技術的應用前提是催化劑需要具有良好的結晶性。

金屬銅催化劑顆粒在催化氫氧生成水的過程時會發生Cu?Cu₂O的振蕩氧化還原反應過程。封面以Cu/Cu₂O小球騎車繞圈表演形象展示了這一發現。該機理的發現有賴于文章報道的工況透射電鏡技術。

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鋰金屬電池

美國韋恩州立大學（Wayne State University）Leela Mohana Reddy Arava教授課題組聯合德國耶拿·弗里德里希·席勒大學（Friedrich-Schiller-Universit?t Jena）Andrey Turchanin教授課題組報道了一種用于鋰金屬電池的隔膜材料。這種材料以商用Celgard隔膜為基底，將生長在金箔上的碳膜轉移附著在Celgard兩側而成。碳膜的前驅體為三聯苯硫醇（TPT）單分子層，經電子束照射交聯苯環，形成具有亞納米孔的單分子膜。

實驗結果表明，這種單分子碳膜覆蓋的Celgard隔膜能有效阻遏碳酸酯類電解液中鋰金屬枝晶的生長，提升鋰金屬電池的壽命與安全性（Li || LiFePO₄電池穩定運行300次充放電）。計算模擬表明亞納米孔碳膜使Li⁺更均勻地向鋰金屬表面遷移、沉積，從而避免枝晶產生。

封面展示了兩種鋰金屬電池中的鋰枝晶生長情況。遠處的電池采用傳統Celgard多孔隔膜，結果右側鋰金屬表面長出尖銳枝晶，戳破隔膜與正極接觸，發生短路（燈泡滅）。近處的電池使用亞納米孔碳膜修飾Celgard隔膜，右側鋰金屬電極形貌平整，電池正常工作（燈泡亮）。

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鋁金屬-硫族單質電池

北京工業大學尉海軍教授課題組展望了鋁金屬-硫族單質電池的發展。文章涉及Al-S、Al-Se和Al-Te電池。這三類電池都具有能量密度高的優點，但壽命不長且難以實現快充。

本展望收錄了近年來電池研究人員基于電極材料、電解液、電池隔膜三方面報道的性能改善策略，并就三種電池中涉及的電化學過程進行了總結。末尾作者們提出了推動鋁-硫族單質電池發展的研究方向：

畫面正中的透明電池內部可見鋁金屬負極和S、Se、Te正極。三種正極構成一株植物幼苗的葉子，象征鋁-硫族單質電池正顯示出蓬勃生機。背景中電池組連接輸電網和太陽能電池板、風力發電機，表明電池的應用場景。碧草藍天代表清潔能源的大背景。

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鋰金屬電池

韓國高麗大學（Korea University）Young Soo Yun教授、韓國科學技術院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）Seon Joon Kim博士及合作者研究了鋰金屬在Ti₃C₂T_x MXene上的沉積行為。表面富含氧和氟原子的Ti₃C₂T_x具有親鋰性，且其在DOL/DME（等體積混合）電解液中形成的SEI能顯著降低鋰金屬初始沉積顆粒的表面能及成核勢壘。

金屬鋰在Ti₃C₂T_x表面沉積過程無明顯枝晶形成。沉積初期形成直徑約10-20 nm的小顆粒，隨后小顆粒逐漸長大、融合，最終均勻覆蓋整片Ti₃C₂T_x。該結果說明Ti₃C₂T_x是一種優秀的金屬鋰載體。實驗結果顯示，以0.1 A/g電流密度充放電1000次后，電極電容量無明顯變化（充放電容量：1.0 mAh/cm²），充放電庫倫效率高于99.0%。

一片電池電極上灑滿了金色小球。細看可見金色小球下方是表面有顆顆隆起的金屬基底，應為已有鋰金屬成核的MXene。畫面左下方放大展示了Ti₃C₂T_x的結構示意圖。

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