能源生成和转换技术的进步

《Materials Advances》：Advances in energy generation and conversion technologies

本特刊综述了能源生成与转换技术的最新进展，涵盖材料科学、电化学、纳米技术及环境工程领域，展示了高效、可扩展及环境友好的能源解决方案。

　　

该内容提供了图形摘要。

我们很高兴推出这份题为“能源生成与转换技术的进步”的《材料进展》（Materials Advances）专题合集。该合集精选了通过材料科学、电化学、纳米技术和环境工程的创新来应对全球能源挑战的当代研究成果。随着世界向更可持续的能源系统转型，新型材料和转换技术的发展仍然是科学和技术进步的核心。本专题合集收录了十篇高质量的研究论文，展示了现代能源研究的多元化特点。这些论文涵盖了广泛的方法论、材料体系和应用领域，从光催化氢气生产与电催化到柔性光伏、钠离子电池以及可持续材料工程。总体而言，这些论文为克服长期存在的挑战提供了新的见解，即实现高效、可扩展且环保的能源生成。

例如，Srivastava等人探讨了利用磁分离和催化降解策略从水生和陆地环境中去除微塑料的方法。这种双功能方法不仅提高了分离效率，还减少了塑料废物的长期环境影响（https://doi.org/10.1039/D4MA01242A）。Kwati等人开发了一种可扩展的 tape-casting 方法，用于在中等温度下制造耐用的质子电解半电池。这些电池采用了致密的 BaZr_0.44Ce_0.36Y_0.2O_3?δ 电解质和 NiO–SrZr_0.5Ce_0.4Y_0.1O_3?δ 燃料电极，表现出稳定的性能且缺陷极少。这项研究促进了高效质子传导电解电池的低成本制造（https://doi.org/10.1039/D5MA00028A）。Dhanka等人的另一项研究调查了 Ag/CeO₂ 纳米复合材料的电催化性能，他们发现有意引入氧空位可以显著降低氧进化反应（OER）和氢进化反应（HER）的过电位（https://doi.org/10.1039/D5MA00321K）。这些发现为提高水分解系统效率的双功能电催化剂领域做出了贡献。

Dhanasekar等人在光伏领域的成果也被收录其中。他们展示了在柔性基底上使用低温常压等离子体喷射（APPJ）打印 Kesterite（Cu₂ZnSnS₄）的技术，这是轻质柔性异质结太阳能电池制造方面的一个重大进展（https://doi.org/10.1039/D5MA00207A）。低成本材料与适应性加工技术的结合为可持续的卷对卷太阳能电池生产开辟了新途径。

在光催化领域，Jaksani等人报道了一种嵌入 CuBTC 金属-有机框架（MOF）中的双金属 Ni 和 Co 系统，在光照下表现出优异的氢气生成性能。两种金属与 MOF 架构之间的协同作用增强了电荷分离和氧化还原动力学，为绿色氢气生产提供了一种可扩展的方法（https://doi.org/10.1039/D4MA01243G）。Yadav 等人还进行了一项全面的研究，使用 Li_0.44Mn_0.89Ti_0.11O₂ 制备了具有前景的低成本锂离子电池负极材料，通过改善 Li⁺ 的扩散性和反应动力学提升了其电化学性能。结构分析证实 Ti 的成功掺入并未破坏原有框架，实现了固溶体氧化还原机制（https://doi.org/10.1039/D5MA00455A）。

另一项创新方法是由 Husaain 等人提出的，他们使用 Pd 共催化剂修饰金红石 TiO₂ 并形成肖特基结以引导电荷流动，从而提高了光催化氢气生成效率。贵金属与异质结界面的结合为调节表面能级和催化活性提供了有效策略（https://doi.org/10.1039/D4MA01288G）。

Kumar 等人的工作进一步丰富了电催化领域的研究，他们研究了二维单层钼（iv）碲化物（TMD），这种过渡金属硫属化合物在氢进化反应中表现出高催化活性。单层结构确保了较高的表面积与体积比和有利的电子特性，使其成为未来电化学能源设备的理想候选材料（https://doi.org/10.1039/D4MA00892H）。

Na 等人的论文扩展了计算方法的应用范围，展示了如何将大型语言模型（LLM）驱动的数据挖掘技术应用于钠离子电池的层状负极材料。这种人工智能与材料发现的结合加速了有前景电极化学性质的识别，为电池研究带来了范式转变（https://doi.org/10.1039/D5MA00004A）。

合集的最后部分由 Prajapat 等人的研究组成，他们研究了花青素敏化的掺铜 TiO₂ 纳米颗粒在染料敏化太阳能电池（DSSCs）中的应用。这些基于天然染料的系统不仅减少了环境影响，还提供了比传统太阳能收集材料更具成本效益的替代方案（https://doi.org/10.1039/D4MA01297F）。

该专题合集还涵盖了新兴研究领域，如微生物燃料电池、从废物中提取的碳基电催化剂，以及在能源系统中使用可持续的生物衍生材料。科学界越来越关注能够同时实现能源生产和废水处理的微生物燃料电池设计。同样，将农业废弃物、食物垃圾和车辆烟尘转化为功能性碳基电催化剂，既实现了废物的价值化，又实现了可持续的能源转换。下一代技术也得到了重点研究，包括固态电池、锂硫电池和铝离子电池的创新，以及钙钛矿和叠层太阳能电池的发展。纳米材料（如石墨烯、MXenes 和超材料）的集成继续推动能源系统在效率、可扩展性和适应性方面的革命。总体而言，这份专题合集旨在涵盖能源材料领域的广泛研究群体，包括纳米材料、能源生成和转换技术。

我们还要衷心感谢英国皇家化学学会的助理编辑 Lu Zifei 博士在编辑过程中的贡献。

这些研究成果共同体现了材料科学与可持续能源交叉领域研究的活力、深度和跨学科特性。我们希望这份合集能够激发未来的合作，加速开发出更清洁、更安全的下一代解决方案。

代表《材料进展》（Materials Advances）的客座编辑和编辑委员会，我们感谢所有作者、审稿人和读者的奉献和支持，使得这份专题合集得以问世。