云斯宁教授新能源材料研究团队取得新进展

能源危机和环境污染是当今世界人类社会面临的两大难题，可再生能源的利用是解决这一问题的关键。太阳能和生物质能作为资源量最大的可再生能源，其高效开发和利用对于能源的可再生利用和社会的可持续发展意义非凡。近年来，随着新一代太阳能电池研究热情的急剧增加，使得太阳能电池集成器件出现了新的发展趋势。

传统的集成电池组包含硅太阳能电池板和固态锂电池两个独立的部分，导致体积较大和笨重。一个能够整合捕能和储能于一体的集成器件电池组不但可以减小其体积，还可以提高能量转化率，是电动系统开发的一个重要方向。新一代太阳能电池集成系统能够将捕能器件（如硅太阳电池、薄膜太阳能电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池等）和储能器件（如锂离子电池、超级电容器等）集成在同一个系统中，实现能源捕获、转化和储存，这对于自供给系统和便携式/可穿戴电子设备的精巧使用意义重大。

染料敏化太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池由于具有良好的光伏性能和低温的可加工性，使其在器件集成方面受到越来越多的关注。近日，由我校云斯宁教授牵头，兰州大学秦勇教授、华盛顿大学Alexander R Uhl博士、瑞士联邦理工Nick Vlachopoulos博士，Anders Hagfeldt教授、中科院上海硅酸盐研究所李东栋研究员、西安交通大学韩晓刚教授等参与，合作完成的题为“基于染料敏化和钙钛矿太阳能电池的新一代集成器件”的评论文章，在环境能源领域超一流国际期刊《Energy & Environmental Science》在线发表（SCI一区，Top期刊，IF=29.518）。基于现有的研究工作，论文全面总结了集成器件目前的研究现状、最近的发展趋势、研究热点和难点，详细评估了不同集成电力系统的技术优势，讨论了成功实现市场化的机遇，展望了未来面临的挑战。将多项技术集成在一个单元中，是提高系统性能、减小系统体积和重量、扩大系统适用性的有力手段。论文提出的观点对太阳能电池集成器件的快速发展具有重要的引领和指导作用。

期刊链接：http://pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/ee#!recentarticles&adv

论文链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c7ee03165c#!divAbstract

单原子催化剂是多相催化领域一个新兴的研究热点。单原子催化剂的研究对象主要为贵金属，而非贵金属单原子催化剂却鲜有报道。Co的配合物作为分子催化剂已经广泛应用于均相催化中。而Co单原子通过与N、C配位而获得稳定的Co配合物能够形成真正的多相催化剂。研究团队博士研究生李晶开发了一种Ta-Co-C-N新材料，作为电催化剂成功应用于新一代太阳能电池。该项工作提供的策略可能使单原子催化剂真正成为均相催化和多相催化的桥梁。这项工作发表在碳材料领域一区SCI期刊《Carbon》（一区，Top期刊，IF=6.337）。

电催化剂是新一代染料敏化太阳能电池不可缺少的重要组件。早期过渡金属化合物由于具有与贵金属相似的电子结构而被广泛应用于染料敏化太阳能电池电催化剂。研究团队硕士生张太宏通过过程工艺控制，成功地合成了三种铌基化合物并首次实现其在太阳能电池和厌氧发酵系统的双功能应用。这项开创性工作不仅显著地提高了电催化性能，而且大大地改善厌氧发酵的发酵环境，提高底物利用率，降低沼渣沼液的危害。这项研究对现有铌基化合物在新能源领域（太阳能电池、锂电池、超级电容器、燃料电池等）的应用起到了很好的充实作用，同时也为其它过渡金属化合物在生物领域中的应用提供了新的研究思路。这项工作发表在电源领域一区SCI期刊《Journal of Power Sources》（一区，Top期刊，IF=6.395）。

催化活性是催化剂的本质特征，其取决于催化剂的电子结构。为进一步理解催化性能优良的物理化学起源，针对钨基氧化物、氮化物和碳化物，采用密度泛函第一性原理计算，揭示了钨基化合物催化性能优良的本征起源。计算结果不仅解释了研究团队的自己的实验结果，而且也诠释了已发表论文的实验结果。这项研究为钨基化合物的催化性能提供了关键的理论依据，同时也为其它过渡金属化合物催化性能的理论研究提供了方向。这项由研究团队硕士生刘艳芳为第一作者的工作发表在电化学领域国际SCI期刊《Electrochimica Acta》（一区，Top期刊，IF=4.798）。

基于固态染料敏化太阳能发展起来的钙钛矿太阳能电池，由于其效率的快速提升成为学术界理论研究与实验研究关注的热点。为了进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率，理解其优异性能的物理化学起源和机制，基于密度泛函理论的第一性原理计算显得尤为重要。云斯宁教授新能源材料研究团队、法国国家科学研究中心的Jacky Even教授及瑞士洛桑联邦理工学院的Anders Hagfeldt教授系统总结了关于钙钛矿太阳能电池第一性原理计算的重要工作，不仅深入讨论了钙钛矿材料独特光电性能背后的物理机制，还从理论与实验相结合的角度对钙钛矿材料的研究提出了新见解，指出了未来发展所面临的挑战，展望了理论研究的发展方向，这为钙钛矿材料理论计算提供了重要参考和指导。这项由研究团队硕士生周笑撰写的工作发表在化学领域超一流国际SCI期刊《Angewandte Chemie International Edition》（一区，Top期刊，IF=11.994）。

从广义上讲，生物质能也是一种太阳能。生物质废弃物厌氧发酵沼气工程是解决规模化养殖场粪污及废弃物环境污染最有效的技术手段。但目前的规模化厌氧发酵沼气工程面临诸多问题。研究团队硕士研究生李雪首次将碳化物作为促进剂应用于厌氧发酵。这项工作通过添加纳米尺度碳化物显著改善厌氧发酵环境、提高底物利用率、提高沼渣沼液的稳定性等，有望将沼渣沼液作为潜在的NPK复合肥组份使用，实现废弃物的肥料化综合利用，为其它低成本无机非金属过渡金属化合物在生物发酵领域的应用提供了新思路，对于实现循环经济理念下的废弃物的资源化综合利用意义重大。这项工作发表在国际氢能SCI期刊《International Journal of Hydrogen Energy》（二区，Top期刊，IF=3.647）。

注：我校材料学院功能材料研究所（FML）云斯宁教授新能源材料研究团队，依托该校国家战略性新型专业“资源循环科学与工程”和“功能材料”，聚焦于太阳能和生物质能的利用，开展与无机非金属材料相关的基础研究和技术应用开发，力图通过无机非金属能源材料的研究和开发，解决国家发展过程中的重大能源需求，实现资源化循环综合利用。

更多媒体对云斯宁教授新能源材料研究团队的相关报道参见以下网页：
材料人咨讯：http://www.cailiaoniu.com/55951.html
搜狐科技：http://www.sohu.com/a/121386648_472924
X-MOL 行业资讯: http://www.x-mol.com/news/10577
生命科学资讯：http://mp.weixin.qq.com/s/JhMutksnhX6oTZCMhVeDog 
新能源：http://www.cailiaoniu.com/120085.html
能源学人：http://mp.weixin.qq.com/s/00s8HqPgfh-lnbst9CSYQQ
新能源前线：http://mp.weixin.qq.com/s/ShmP_8StPbiZvxzWmgkGRQ
MaterialsViews China/Materials Views中国报道：
http://www.materialsviewschina.com/2018/01/27594/
材料前沿精选：http://www.sohu.com/a/199593647_472924
MaterialsViews中国/最前沿材料科技动态
https://weibo.com/1945345954/FDSff7qaE?type=comment#_rnd1515831388201
能源学人：http://mp.weixin.qq.com/s/hHBEXTtsX6TAClV-F8N-zg
http://xy.xauat.edu.cn/gnclyjs/listnews.asp?id=259&bh=2407
http://xy.xauat.edu.cn/gnclyjs/listnews.asp?id=259&bh=2331
http://xy.xauat.edu.cn/gnclyjs/listnews.asp?id=259&bh=2351
http://xy.xauat.edu.cn/gnclyjs/listnews.asp?id=259&bh=2401
http://xy.xauat.edu.cn/gnclyjs/listnews.asp?id=259&bh=2415