Science：复旦大学/哈尔滨工业大学等机构在材料学等领域取得重大进展

来源：iNature

可再充电的碱性锌空气电池具有较高的能量密度和安全性，但其四电子（e-）/氧（O2）化学反应缓慢，需要水的参与，并且由于腐蚀性电解质和大气中的碳引起的反应而产生电化学不可逆性二氧化碳。

2021年1月1日，德国明斯特大学，复旦大学，华中科技大学等多单位合作，王飞，Wang Chunsheng等人共同通讯在Science 在线发表题为“A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry”的研究论文，该研究报告了一种在非碱性水电解质中通过2e- / O2过程进行的锌-O2 /过氧化锌（ZnO2）化学反应，该反应可在锌空气电池中实现高度可逆的氧化还原反应。

疏水性三氟甲磺酸根阴离子在空气阴极上形成的贫水且富含锌离子（Zn2 +）的内部亥姆霍兹层使这种ZnO2化学成为可能。这样构造的非碱性锌-空气电池不仅可以耐受环境空气中的稳定运行，而且还比碱性电池具有更好的可逆性。

另外，2021年1月1日，香港大学，复旦大学等多单位合作，张翔作为通讯在Science 在线发表题为“Direct observation of Klein tunneling in phononic crystals”的研究论文，该研究实验表明，Klein隧道效应发生在较宽的声频频带上。

对声子晶体中的Klein隧道的直接观察可以发现其在信号处理，超准直波束和通信中的应用。2021年1月1日，香港城市大学，哈尔滨工业大学，麻省理工学院等多单位合作，陆洋，李巨，朱嘉琦及Alice Hu共同通讯在Science 在线发表题为“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”的研究论文，该研究在室温下沿[100]，[101]和[111]方向对长度约1微米，宽度约100纳米的单晶金刚石桥结构进行了微加工，并在单轴拉伸载荷下获得了样品范围内的均匀弹性应变。该研究还展示了金刚石微桥阵列的深弹性应变。

超大的，高度可控的弹性应变可以从根本上改变金刚石的体带结构，包括可计算出的约2电子伏特的带隙降低。该研究突出了深弹性应变工程在光子学，电子学和量子信息技术中的巨大应用潜力。金属空气电池为下一代储能系统提供了诱人的解决方案，其中锌空气电池（ZAB）因其潜在的低成本，高安全性，环境友好性和高能量密度而备受关注。以前的大多数工作都集中在碱性水性电解质中的锌阳极和多孔碳质空气阴极。

自19世纪以来，作为一种不可充电的化学物质，碱性ZAB一直为人们所熟知，其在医疗和电信应用中具有成功的商业产品，例如微型助听器和无线消息传递设备。但是，可逆ZAB的关键挑战来自强碱性电解质，该电解质对活性阴极材料（周围的空气）化学不稳定，并在很大程度上导致Zn金属阳极的电化学不可逆性。

碱性环境中的锌金属容易形成高表面积的树枝状晶体以及消耗电解质的持久腐蚀。为了解决这个问题，必须使用过量的Zn，从而导致其理论容量的充分利用不足。

在阴极侧，空气中碱性电解质与CO2之间的反应产生了不可溶的碳酸盐，该碳酸盐不可逆地消耗了电解质，并在物理上阻塞并化学钝化了多孔空气阴极。改善ZAB的可逆性的努力集中在开发用于空气阴极的双功能催化剂或通过电极体系结构设计或电解质添加剂来延长Zn阳极寿命。

最近的努力表明，接近中性的水性电解质可以抑制锌枝晶和碳酸盐的形成。在某些超浓缩电解质中也实现了高度可逆的Zn电沉积和电溶解。然而，在阴极处缓慢的4e-途径氧还原反应（ORR）所带来的挑战仍未探索。在大多数使用碱性电解质和金属（例如锌，镁，铁和铝）的金属空气电池中，H2O总是通过4e-途径参与ORR反应，生成OH-，这是可逆性差的根源。

相比之下，在某些非水金属-空气电池（例如，以Li2O2为产物的Li-O2电池）中，另一种2e-ORR反应被称为主导途径，其中4e-ORR被抑制。超浓缩电解质在水性和非水性领域之间提供了过渡区域。该研究报告了一种在非碱性水电解质中通过2e- / O2过程进行的锌-O2 /过氧化锌（ZnO2）化学反应，该反应可在锌空气电池中实现高度可逆的氧化还原反应。疏水性三氟甲磺酸根阴离子在空气阴极上形成的贫水且富含锌离子（Zn2 +）的内部亥姆霍兹层使这种ZnO2化学成为可能。这样构造的非碱性锌-空气电池不仅可以耐受环境空气中的稳定运行，而且还比碱性电池具有更好的可逆性。