2020年全球能源领域重大突破：Nature和Science精选9篇论文深度解读,js动画seo
#网络推广 发布时间： 2025-03-09
2020 年开始后的 3 个月里，全球的科学家在能源领域进行研究，那场面十分火热。重大的突破不断出现，一个接着一个。基于此情况，纳米人编辑部挑选出了与杂志相关的 9 篇论文，期望通过最短的时间，让大家对最新的技术有一定的了解。（点击标题，查看深度解读）
从环境中获取能量能够给自供电系统提供清洁能源。然而，像太阳能电池、热电装置和机械发电机这类已知技术都具备特定的环境需求，这些需求对它们的使用范围进行了限制，也对它们持续生产能源的潜力进行了限制。而无处不在的大气湿度则提供了另一种可供选择的方式。鉴于此，马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的 Jun Yao 与 Derek R. 证实了，由硫化土杆菌微生物所获得的纳米级蛋白丝制成的薄膜器件，能够在环境条件下产生连续的电能。
本文要点：
该发电机在开始自充电之前能够产生至少 20 小时的连续电流。与以往那种依靠环境和大气湿度来获取能量的技术相比，它的功率密度提升了两个数量级还多，大约为 4 毫瓦每平方厘米。
进一步研究显示，产生这种能量的动力源自一种自我维持的湿度梯度。当薄膜暴露在空气中自然存在的湿度环境中时，这种湿度梯度会在薄膜内部形成。把几个器件进行线性连接，就能够按比例地提升电压和电流，从而驱动电子设备。
这一研究结果表明了可持续能源获取策略是可行的，且不受地理位置或环境条件的限制。
Liu 等人从使用中获取力量。2020 年。
DOI:10.1038/-020-2010-9
香港城市大学的王钻开教授与美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授以及中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士展开合作，他们共同开发出了一种新型的液滴发电机，这种新型液滴发电机使得在传统方案中水滴的机械能转化为电能的功率提升了 3 个数量级。液滴发电机由三层结构组成，分别是铝（Al）电极、聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和氧化铟锡(ITO)电极。这种结构与场效应晶体管结构（FET 三极管）很相似。PTFE/ITO 电极和 Al 电极的作用如同场效应管中的源极和漏极，可用来储存、转移电荷。而动态的水滴与 FET 中的栅极门作用相似。栅极起到开关的作用，能让源极和漏极之间形成通路，大量储存于表面的电荷可以通过这个通路得以释放。
核心创新点：
电荷密度获得了数量级层面的提升；相较于传统的发电机而言，固体表面的电荷密度能够借助液滴不断地撞击或者进行离子注入而得以大幅提高。
类 FET 三极管结构设计让整个发电过程构建出了闭合回路。在这项工作里，采用了类场效应管晶体管（FET）三极管结构设计，从而形成了一个体效应，这样就能让产生的大量电荷快速地进行转移。
新型液滴发电机由于类 FET 结构和高表面电荷密度这两个因素巧妙结合，实现了 3 个数量级的功率提升，展现出超强的发电效率。仅仅一个 100 微升的水滴从 15 厘米高度撞击到装置表面，就能产生超过 140V 的电压，还能产生 200μA 的电流，并且其最大功率可达到 50.1W m⁻²，这些性能都比传统液滴发电机设计方案高几个数量级。
DOI：10.1038/-020-1985-6
在能实现快充的锂电池里，锂与负极通常会形成固溶体。在这种情形下，几乎不存在动力学势垒，借助固溶体转化能够持续容纳锂，而离子扩散是唯一的受限因素。然而，钛酸锂（）负极是个例外，在钛酸锂负极中，锂离子与两相发生相互作用，其扩散都较为缓慢，但依然具备高速率能力。这种行为很奇异，引起了科学家的关注，或许能为开发全新的快充电池开辟新的局面。
鉴于此，美国布鲁克哈文国家实验室的 Feng Wang 以及加州大学伯克利分校的 Ceder 团队，运用电子能量损失谱并结合密度泛函理论计算，对这种异常的 Li+迁移行为进行了探究。他们发现，初始材料与最后材料之间形成了扩散界面。沿两相界面的亚稳态中间体中，变形的 Li 多面体有其动力学路径。此路径能确保 Li4+快速迁移。而这正是锂离子能够快速传播的关键因素。这项研究为寻找高速率电极材料提供了新方向。
Wei Zhang 等人在 2020 年的快速研究中。该研究发表在 367 期，内容为 1030 至 1034 。
有机氧化还原液流电池由廉价且可持续的氧化还原活性材料制成，这是一种有前途的存储技术。与钒基电池相比，它更便宜且对环境危害更小。然而，这种电池在室温下的使用寿命较短，能量密度也较低。所以，需要分子水平的基础知识来改善其性能。
鉴于此，剑桥大学的 Grey 等人报道了两种用于研究氧化还原液流电池的原位核磁共振（NMR）方法，并且将这些方法应用到了两种氧化还原活性电解质当中，分别是 2,6 - 二羟基蒽醌（DHAQ）和 4,4′ - 二氧代（9,10 - 蒽醌 - 2,6 - 二基）二丁酸酯（DBEAQ）。
本文要点：
在第一种方法里，研究人员对液体电解质流出电化学电池时 1H NMR 位移的变化进行了监测；在第二种方法中，观察到了全电化学电池中正极和负极同时发生的变化。在两个基于蒽醌（AQ）的氧化还原液流电池系统中，直接观察到了自由基以及完全还原的阴离子的形成，并且它们的平衡浓度受到两个单电子转移氧化还原过程的电势控制。
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