精彩绝伦！Advanced系列能源转换与存储类封面大赏（8月第2期）

解说头版文章

品味智慧之光

纵使揽胜四方

我自封面大赏

——编语

催化机理

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）Marc-Georg Willinger博士课题组及福州大学黄兴教授展示了工况透射电镜（operando TEM）表征催化机理的强大实力。研究者们以金属铜催化氢氧生成水这一氢燃料电池的反应为例，通过工况透射电镜观察了原子尺度上，铜催化剂在催化过程中的变化。他们发现在450-650 °C之间，部分金属铜会转变为Cu₂O，进而再转为Cu，进行着Cu⇌Cu₂O的振荡氧化还原反应。该过程同时伴随催化剂颗粒形变、融合或分裂。而相同的催化反应在更高温度下，仅铜最表面的一层会转变为Cu₂O。作者们认为差异来源于反应组分的化学势不同。

工况透射电镜技术可拓展至金属催化剂参与的其他催化反应（如甲醇氧化），为今后阐明催化剂工作机理提供有力的表征手段。但此技术的应用前提是催化剂需要具有良好的结晶性。

金属铜催化剂颗粒在催化氢氧生成水的过程时会发生Cu⇌Cu₂O的振荡氧化还原反应过程。封面以Cu/Cu₂O小球骑车绕圈表演形象展示了这一发现。该机理的发现有赖于文章报道的工况透射电镜技术。

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锂金属电池

美国韦恩州立大学（Wayne State University）Leela Mohana Reddy Arava教授课题组联合德国耶拿·弗里德里希·席勒大学（Friedrich-Schiller-Universität Jena）Andrey Turchanin教授课题组报道了一种用于锂金属电池的隔膜材料。这种材料以商用Celgard隔膜为基底，将生长在金箔上的碳膜转移附着在Celgard两侧而成。碳膜的前驱体为三联苯硫醇（TPT）单分子层，经电子束照射交联苯环，形成具有亚纳米孔的单分子膜。

实验结果表明，这种单分子碳膜覆盖的Celgard隔膜能有效阻遏碳酸酯类电解液中锂金属枝晶的生长，提升锂金属电池的寿命与安全性（Li || LiFePO₄电池稳定运行300次充放电）。计算模拟表明亚纳米孔碳膜使Li⁺更均匀地向锂金属表面迁移、沉积，从而避免枝晶产生。

封面展示了两种锂金属电池中的锂枝晶生长情况。远处的电池采用传统Celgard多孔隔膜，结果右侧锂金属表面长出尖锐枝晶，戳破隔膜与正极接触，发生短路（灯泡灭）。近处的电池使用亚纳米孔碳膜修饰Celgard隔膜，右侧锂金属电极形貌平整，电池正常工作（灯泡亮）。

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铝金属-硫族单质电池

北京工业大学尉海军教授课题组展望了铝金属-硫族单质电池的发展。文章涉及Al-S、Al-Se和Al-Te电池。这三类电池都具有能量密度高的优点，但寿命不长且难以实现快充。

本展望收录了近年来电池研究人员基于电极材料、电解液、电池隔膜三方面报道的性能改善策略，并就三种电池中涉及的电化学过程进行了总结。末尾作者们提出了推动铝-硫族单质电池发展的研究方向：

画面正中的透明电池内部可见铝金属负极和S、Se、Te正极。三种正极构成一株植物幼苗的叶子，象征铝-硫族单质电池正显示出蓬勃生机。背景中电池组连接输电网和太阳能电池板、风力发电机，表明电池的应用场景。碧草蓝天代表清洁能源的大背景。

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锂金属电池

韩国高丽大学（Korea University）Young Soo Yun教授、韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）Seon Joon Kim博士及合作者研究了锂金属在Ti₃C₂T_x MXene上的沉积行为。表面富含氧和氟原子的Ti₃C₂T_x具有亲锂性，且其在DOL/DME（等体积混合）电解液中形成的SEI能显著降低锂金属初始沉积颗粒的表面能及成核势垒。

金属锂在Ti₃C₂T_x表面沉积过程无明显枝晶形成。沉积初期形成直径约10-20 nm的小颗粒，随后小颗粒逐渐长大、融合，最终均匀覆盖整片Ti₃C₂T_x。该结果说明Ti₃C₂T_x是一种优秀的金属锂载体。实验结果显示，以0.1 A/g电流密度充放电1000次后，电极电容量无明显变化（充放电容量：1.0 mAh/cm²），充放电库伦效率高于99.0%。

一片电池电极上洒满了金色小球。细看可见金色小球下方是表面有颗颗隆起的金属基底，应为已有锂金属成核的MXene。画面左下方放大展示了Ti₃C₂T_x的结构示意图。

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