开发稳定、低成本的电催化剂对实际水氧化反应来说是一个艰巨的挑战。近日,美国弗吉尼亚理工大学林锋教授,天津大学杜希文教授,美国阿贡国家实验室Luxi Li报道了在催化操作条件下,通过操控可逆的相分离可以恢复降解的电催化剂。本文要点:1)在析氧反应条件下,Fe在Ni-Fe氢氧化物主体晶格中发生偏析,形成FeOOH,进而在FeOOH与主体晶格之间形成界面。动态的金属溶解-再沉积过程会加速Fe的偏析和FeOOH第二相的形成,从而导致催化剂失活。2)Operando同步加速器的光谱和显微镜分析表明,在水氧化电位和催化剂还原电位之间,相分离具有可逆性。因此,开发了一种间歇性还原方法,可在操控条件下恢复催化剂的活性,从而提高催化剂的耐久性。该研究突出了一种在催化剂/电解质界面处定制相分离以恢复和稳定催化活性的重要策略。Kuai, C., Xu, Z., Xi, C. et al. Phase segregation reversibility in mixed-metal hydroxide water oxidation catalysts. Nat Catal (2020)DOI:10.1038/s41929-020-0496-zhttps://doi.org/10.1038/s41929-020-0496-z
2. Nature Catalysis:铂电氧化和溶解的原子尺度机理的结构依赖性研究
由于表面氧化而导致的铂溶解和重组是主要的电催化剂降解机制,这些机制限制了用于电化学能量转化的铂基电催化剂的寿命。近日,德国基尔大学Olaf M. Magnussen报道了通过原位高能表面X射线衍射(SXRD)、联机电感耦合等离子体质谱和密度泛函理论计算研究了Pt(100)和Pt(111)电极表面,以阐明这些过程的原子尺度机理。本文要点:1)Pt(100)氧化后溶解的铂原子的位置与Pt(111)氧化后的位置明显不同,这解释了不同表面稳定性的原因。在Pt(100)面上,溶解的Pt原子从其原始位置横向移动,并驱动第二个原子的立即溶解,导致形成带状结构。这种特定氧化带状结构的演变产生了不稳定的表面原子,这些原子容易溶解和重组,导致溶解速率高出一个数量级。同时这是一个不可逆的过程。
Fuchs, T., Drnec, J., Calle-Vallejo, F. et al. Structure dependency of the atomic-scale mechanisms of platinum electro-oxidation and dissolution. Nat Catal (2020)DOI:10.1038/s41929-020-0497-yhttps://doi.org/10.1038/s41929-020-0497-y
3. Nature Materials:锂离子电池层状富镍正极中表面重构引起的整体疲劳
富镍层状正极材料(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) 和LiNixMnyCo(1−x−y)O2 (NMC, x ≥ 0.5))是用于高能量密度锂离子电池最有前途的候选正极材料之一,但其降解机理尚不清楚。近日,英国剑桥大学Clare P. Grey 报道了利用多种表征技术来确定NMC811(LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2)正极在电化学老化后疲劳过程的起源。并进行了原位和异位测量,后者是NMR和显微镜测量以及更精细的电位控制所必需的。本文要点:1)采用具有激光减薄X射线窗口的新型纽扣电池,实现了长时间同步辐射粉末X射线衍射(SR-PXRD),保持了良好的堆压,结果显示,随着电极材料循环次数的增加,会导致疲劳相的出现和不断增加。在最高的充电状态(SOCs)处,不同锂含量的颗粒共存。2)采用固态核磁共振谱(ssNMR)研究了老化后锂的局域结构和迁移率的变化。多晶和单晶正极的结果表明,晶间开裂、动力学限制或体锂离子迁移率降低不会导致疲劳过程。相反,这一过程源于当NMC正极处于高SOCs时,体层状结构与岩盐表面重构层之间的高界面晶格应变(透射电子显微镜(TEM)图像中观察到)导致的。Xu, C., Märker, K., Lee, J. et al. Bulk fatigue induced by surface reconstruction in layered Ni-rich cathodes for Li-ion batteries. Nat. Mater. (2020)DOI:10.1038/s41563-020-0767-8https://doi.org/10.1038/s41563-020-0767-8
4. Nature Materials:具有铸态拉伸塑性的难熔高熵合金的自然混合导向设计
具有多种主要合金元素的金属合金在探索金属的性能极限和了解其潜在的物理机制方面引起了越来越多的关注。用于高温应用的难熔高熵合金(RHEAs)因其高熔点和优异的抗软化性而备受关注。即使考虑了成本和可回收性限制,其组分空间仍然很大,从而提供了大量的设计机会。然而,难熔高熵合金往往表现出明显的脆性和氧化敏感性,这仍然是其加工和应用面临的最重要挑战。近日,麻省理工学院Cemal Cem Tasan报道了利用难熔元素之间的自然混合特性,成功设计了Ti38V15Nb23Hf24 RHEAs,该合金在铸态下具有超过20%的拉伸延展性,并在高温下具有优异的物理化学稳定性。本文要点:1)研究发现,位错-β′-相相互作用对于Ti38V15Nb23Hf24 RHEA的机械性能具有关键作用。2)通过改变这种合金系统的整体组成,例如,可以改变Ti/V比,基体相稳定性和沉淀尺寸,从而导致不同的性能组合,为在RHEAs中实现最佳沉淀强化提供了可行的途径。3)所提出的组分筛选方法可以有效地指导发现具有优良机械和物理化学性能的多主元素难熔合金。
Wei, S., Kim, S.J., Kang, J. et al. Natural-mixing guided design of refractory high-entropy alloys with as-cast tensile ductility. Nat. Mater. (2020)DOI:10.1038/s41563-020-0750-4https://doi.org/10.1038/s41563-020-0750-4
Lim, H., Kani, K., Henzie, J. et al. A universal approach for the synthesis of mesoporous gold, palladium and platinum films for applications in electrocatalysis. Nat Protoc (2020).DOI: 10.1038/s41596-020-0359-8https://doi.org/10.1038/s41596-020-0359-8
Sheng-Chao Huang, et al. Probing nanoscale spatial distribution of plasmonically excited hot carriers. Nat. Commun., 2020DOI: 10.1038/s41467-020-18016-4https://www.nature.com/articles/s41467-020-18016-4
Mehrdad T. Kiani, et al, Ductile Metallic Glass Nanoparticles via Colloidal Synthesis, Nano Lett., 2020DOI:10.1021/acs.nanolett.0c02177https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02177