低碳环境材料研究所依托于国家低碳环保材料智能设计国际联合研究中心，近年来，紧密结合国家发展方针，促进社会经济健康发展，围绕碳达峰和碳中和的目标，在2021年上半年取得了一些积极进展。

一、锂硫电池材料设计及应用

锂硫电池因其超高的比容量和能量密度成为下一代具有应用前景的高能量密度电化学储能体系之一。通过电纺结合气相化学沉积方法在TiO₂纳米纤维表面构筑了一层垂直石墨烯并且原位转变为TiC,制备了TiC@VC纳米纤维复合材料，作为高效的复合电催化剂体系成功用于锂硫电池，显著提高了锂硫电池的电化学性能。为解决锂硫电池中多硫化物的转化问题，将催化引入到锂硫电池中，加快LiPSs向不溶性产物的转化率，有效抑制穿梭效应。基于此，以TiN/2H-MoS₂为原料，通过电化学原位插层方法制备了具有高效催化性能的空心氮化钛（TiN）/1T-2异质结纳米球，并以此为载体制备了TiN/1T-MoS₂异质结纳米球，在锂硫电池中具有较好的应用前景。

1、 A Flexible Metallic TiC Nanofiber/Vertical Graphene 1D/2D Hetero-Structured as Active Electrocatalyst for Advanced Li-S batteries, InfoMat, 2021, 3 (2021) 790-803.

2、 In Situ Electrochemical Intercalation‐Induced Phase Transition to Enhance Catalytic Performance for Lithium–Sulfur Battery, Small, 2021, 17 (2021) 2100065.

3、 Bio-inspired construction of electrocatalyst decorated hierarchical porous carbon nanoreactors with enhanced mass transfer ability towards rapid polysulfide redox reactions. Nano Res. 2021, https://doi.org/10.1007/s12274-021-3319-x.

二、光、电催化技术及燃料电池的应用

以钴单原子负载的氮掺杂石墨片及管的复合材料（CoSAs-NGST）为例，调控了电催化剂材料的形貌结构和缺陷结构的双重演化过程，并用于锌空电池。另外，采取高效、经济并且环保的方法制备ORR催化剂对燃料电池和金属空气电池广泛应用起到至关重要的作用。同时，开发了出了一种类似“海绵豆腐“的石墨烯基Pt-Co纳米颗粒催化剂。实验结果表明其具有优越的ORR催化活性，并且成功应用于锌空电池。此外，光催化污染物降解、杀菌、二氧化碳还原及光催化裂解水产氢都表现极大的吸引力和发展前景。传统的二氧化钛（TiO₂）半导体因其低成本、化学稳定性好及环保等优点在光催化领域展现出了极大的魅力，然而，TiO₂高的电子空穴复合率和宽带隙限制了它的应用。在中空的TiO₂球壳外表面水热生长一层二维的2H相二硫化钼纳米片之后，再通过原位氮化的手段将部分TiO₂转化为具有金属特性的氮化钛，用于提高光催化技术效率。本课题组基于CVD结合原位静电纺丝和水热工艺合成了3D分层CNFs/MoS₂/ZnIn₂S₄及CdIn₂S₄/CNFs/Co₄S₃复合材料,表现出优异的光催化析氢性能。

4、 Dual Evolution in Defect and Morphology of Single-Atom Dispersed Carbon Based Oxygen Electrocatalyst. Adv. Funct. Mater. 2021, 2010472.

5、 Sponge tofu-like graphene-carbon hybrid supporting Pt-Co nanocrystals for efficient oxygen reduction reaction and Zn-Air battery. International journal of hydrogen energy 46(2021)15561-15571.

6、 Dual-Modified Hollow Spherical Shell MoS₂@TiO₂/TiN Composites for Photocatalytic Hydrogen Production, Energy Technology, n/a (2021) 2100265.

7、 Enhancement of Interfacial Charge Transportation Through Construction of 2D–2D p–n Heterojunctions in Hierarchical 3D CNFs/MoS₂/ZnIn₂S₄ Composites to Enable High-Efficiency Photocatalytic Hydrogen Evolution, Sol. RRL 2021, 5(3), 2000722.

8、 Controllable construction of hierarchically CdIn₂S₄/CNFs/Co₄S₃ nanofiber networks towards photocatalytic hydrogen evolution. Chemical Engineering Journal, 2021, 419, 129213.

三、电池材料理论设计

基于材料基因组方法，通过调整六方卤化物Li₃YCl₆的晶格结构，设计了有吸引力的卤化物电解质Li_1.75Y_0.75Cl₄，Li_2.125Y_0.625Cl₄，Li_2.5Y_0.5Cl₄，从典型的密排六方结构相转变为尖晶石相立方结构，这为探索具有理想构型的新型卤化物提供了策略。这种新型电解质还具有4.0 V以上的高氧化电位，可以搭配高压正极材料。由于锂的自然储量有限，固态钠离子电池受到了广泛的关注。实现高性能全固态钠离子电池的一个主要材料是超快钠离子电解质。本课题组结合氮掺杂直立石墨烯（NVG）特有结构，在直立石墨烯中引入相对有序、且连续，并完全暴露的活性位点，通过原子层沉积修饰表面，设计并制备出新型石墨烯基钠离子负极材料，提高电极/电解液以及电极内部电荷与质子传递。

9、First-principles formulation of spinel-like structured Li_(4-3x)Y_xCl₄ as promising solid-state electrolytes to enable superb lithium ion conductivity and matching oxidation potentials to high-voltage cathodes. J. Mater. Chem. A, 2021, 9,14969.

10、Transport of sodium ions in solids: progress in first-principle theoretical formulation of potential solid sodium ion electrolytes. Batteries & Supercaps 10.1002/batt.202000320.

11、Planar Li growth on Li₂₁Si₅ modified Li metal for the stabilization of anode. Journal of Materials Science & Technology 76 (2021) 156–165.

12、“Mechanical–electrochemical” coupling structure and the application as three-dimensional current collector for lithium metal anode[J]. Applide Surface Science, under reviewed.

13、Atomic Layer Coated Al₂O₃ on Nitrogen Doped Vertical Graphene Nanosheets for High Performance Sodium Ion Batteries. Energy Environ. Mater. 2021, 0, 1–10.

四、薄膜材料技术及高性能涂层

Nb掺杂不仅可以调节SnO₂薄膜的载流子浓度，而且在合适的掺杂水平下，载流子浓度的增加不会造成迁移率的降低，从而可以促进电子转移、改善钙钛矿层中的内置空间电场以增强电荷载流子分离。通过ETL载流子浓度调整pn结器件中空间电荷区度对电荷分离、短路电流增益、光伏效率的提高具有重要意义。使用远程等离子体溅射技术沉积Nb掺杂SnO₂薄膜，并将其作为电子传输层 (ETLs) 应用于全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池中。海洋生物污损是指海洋中的微生物及动植物在船体及水下设施设备表面附着的现象。Ti合金面临的严峻的海洋生物污损问题严重威胁Ti合金装备的服役效能、可靠性及耐久性，极大制约Ti合金在海洋工程的广泛应用。通过发展基于微米尺度异质Cu/X叠层结构的Cu²⁺可控缓释及自抛光新机制，实现基于Cu/X间微电偶溶解均匀释放Cu²⁺的环保、长效、高性能防污体系协同设计。

14、Significant Performance Enhancement of All-inorganic CsPbBr₃ Perovskite Solar Cells Enabled by Nb Doped SnO₂ as Effective Electron Transport Layer. Energy & Environmental Materials, DOI: 10.1002/EEM2.12213.

15、Effect of coating composition on the micro-galvanic dissolution behavior and antifouling performance of plasma-sprayed laminated-structured Cu–Ti composite coating. Surface & Coatings Technology 410 (2021) 126963.

16、Tailoring the micro-galvanic dissolution behavior and antifouling performance through laminated-structured Cu-X composite coating. Journal of Thermal Spray Technology, DOI: 10.1007/s11666-021-01211-0.

17、Durable self-polishing antifouling Cu-Ti coating by a micron-scale Cu/Ti laminated microstructure design. Journal of Materials Science & Technology 79 (2021) 62-74.

低碳环境材料研究所在前期学术积累的基础上，创办了国际期刊《Energy & Environmental Materials》，今年斩获首个影响因子，数值为15.122，在材料学科335种期刊中排名第23位，JCR分区为Q1区，是国家材料综合类T1期刊。据悉，低碳环境材料研究所的研究工作受到了国家自然科学基金、河南省杰出科学家工作室、国防科工等的支持，为一流学科建设和国际化做出了贡献。（供稿人：赵艺阁）

（期刊链接：https://onlinelibrary.wiley.com/journal/25750356）