顶刊日报丨孙世刚院士、唐本忠院士、杨阳、刘生忠、张强、颜河、陆俊等成果速递20201108

1. Nat. Rev. Mater.综述：用于太阳能转化为化学能的聚合物光催化剂

从太阳能到化学能的转换以产生高能化学品是寻求可持续能源的最可行的解决方案之一。有机聚合物光催化剂虽然长期以无机半导体为主，但由于其分子上精确的骨架结构，其光电和表面催化性能具有广阔的分子水平的设计空间。近日，德国马克斯·普朗克固态研究所Bettina V. Lotsch综述了用于太阳能转化为化学能的聚合物光催化剂的研究进展。

本文要点：

1）作者回顾和重新评估了传统无机半导体光催化剂固有的概念，以研究控制有机聚合物材料中光催化过程的基本原理。然后总结了不同的聚合物光催化剂，包括氮化碳、共轭聚合物、共价三嗪骨架和共价有机骨架。

2）作者分析了影响聚合物体系中光催化过程的各种材料性质，并总结了基于光物理和物理化学方面的研究，提出了在这一新兴的“软光催化”领域的设计原则和未来潜在的研究方向。

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Banerjee, T., Podjaski, F., Kröger, J. et al. Polymer photocatalysts for solar-to-chemical energy conversion. Nat Rev Mater (2020).

DOI：10.1038/s41578-020-00254-z

https://doi.org/10.1038/s41578-020-00254-z

2. Nature Communications：基于RuNi的高活性，稳定且低成本的无铂阳极催化剂用于氢氧化物交换膜燃料电池

由于缺乏高性能、低成本的阳极氢氧化反应催化剂，这严重制约了高性价比氢氧化物交换膜燃料电池的开发。近日，北京化工大学庄仲滨教授，Yushan Yan，Wei Zhu报道了一种Ru₇Ni₃/C无铂催化剂，其在旋转圆盘电极和膜电极组件的测试中都表现出了优异的氢氧化反应活性。

本文要点：

1）研究人员采用简单的水热法制备了RuxNiy纳米颗粒（NPs）。所得NPs的Ru/Ni比可以通过Ru和Ni金属源的比例来控制。形貌表征显示，这些NPs的平均尺寸约为22 nm，并且由约5 nm的较小的NPs组成。研究人员将as-Ru₇Ni₃ NPs负载在高比表面积碳上，然后在200 ℃的空气中煅烧得到负载型催化剂Ru₇Ni₃/C。

2）旋转圆盘电极实验测得Ru₇Ni₃/C催化剂的氢氧化反应质量活性和比活性分别是Pt/C的21倍和25倍，是PtRu/C的3倍和5倍。采用Ru₇Ni₃/C阳极的氢氧化物交换膜燃料电池在H₂/O₂中，95 °C时的峰值功率密度可达2.03 W cm⁻²以及在H₂/Air（无CO₂）的1.23W cm⁻²，超过了使用PtRu/C阳极催化剂时的峰值功率密度，且具有良好的耐久性，在100 h以上的电压损失小于5%。

3）研究发现，Ru与Ni的合金化削弱了Ru的氢键结合，表面Ni氧化物的存在增强了水的吸附，使Ru₇Ni₃/C具有较高的氢氧化反应活性。

通过使用Ru₇Ni₃/C催化剂，阳极成本可以比目前最先进的PtRu/C降低85%，使其在经济型氢氧化物交换膜燃料电池中具有良好的应用前景。

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Xue, Y., Shi, L., Liu, X. et al. A highly-active, stable and low-cost platinum-free anode catalyst based on RuNi for hydroxide exchange membrane fuel cells. Nat Commun 11, 5651 (2020).

DOI: 10.1038/s41467-020-19413-5

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19413-5

3. Nature Communications：高效非富勒烯有机太阳能电池中长寿命以及无序电荷转移态实现的吸热电荷分离

基于非富勒烯受体的有机太阳能电池可以在接近零的供体-受体能量偏移量的情况下表现出很高的电荷产生率，从而驱动电荷分离，克服电子和空穴之间的库仑相互吸引。近日，香港科技大学Philip C. Y. Chow，颜河教授，英国剑桥大学Akshay Rao，Richard H. Friend报道了一系列光伏损耗小、电荷产生量子产率高的非富勒烯OSC体系的电荷分离动力学。

本文要点：

1）研究人员首先使用双脉冲(泵浦-探测；PP)瞬态吸收光谱来探测光生激子到CTE和自由电荷的转换。然后，使用三脉冲(泵浦-推-探测；PPP)瞬态吸收来选择性地监测限制在供体-受体界面的CTE的数量。

2）研究人员基于这些光学方法的结合，获得了激发态动力学随时间和温度的变化的详细结果，揭示了在具有小能量偏置的非富勒烯OSC体系中，自由电荷如何有效地与抑制的非辐射复合损耗分离。

光电器件学术QQ群：474948391

Hinrichsen, T.F., Chan, C.C.S., Ma, C. et al. Long-lived and disorder-free charge transfer states enable endothermic charge separation in efficient non-fullerene organic solar cells. Nat Commun 11, 5617 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-19332-5

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19332-5

4. Nature Communications：甲胺辅助的毫米级单轴取向钙钛矿薄膜生长

钙钛矿型薄膜的颗粒内部和晶界缺陷会导致显著的非辐射复合能量损失，因此，晶度可控、颗粒粗大的钙钛矿型薄膜对于提高钙钛矿型太阳能电池的光伏性能和稳定性具有重要意义。近日，中科院化学所宋延林研究员，蒋克健副研究员，天津大学周雪琴副教授采用甲胺(MA0)气体辅助晶化法制备了甲基碘化铅（MAPbI₃）钙钛矿薄膜。

本文要点：

1）在此过程中，研究人员通过控制MA0气体分子从液体中间相MAPbI₃·xMA⁰中释放而形成钙钛矿型薄膜。所得到的钙钛矿薄膜具有(110)单轴取向的毫米级晶粒，低的陷阱密度、长的载流子寿命以及良好的环境稳定性。

2）相应的钙钛矿型太阳能电池的功率转换效率（PCE）达到了21.36%，是MAPbI₃基器件中的最高值。

该方法为制备低成本、高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的高质量钙钛矿薄膜提供了重要途径。

光电器件学术QQ群：474948391

Fan, H., Li, F., Wang, P. et al. Methylamine-assisted growth of uniaxial-oriented perovskite thin films with millimeter-sized grains. Nat Commun 11, 5402 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-19199-6

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19199-6

5. Nature Communications：环境空气中二维材料和范德华异质结界面粘附性的直接测量

界面粘附能是二维层状材料和范德华异质结构的一个基本性质，由于其固有的超高表面积体积比，使得粘附力在许多与含有2D晶体的器件的制造、集成和性能相关的工艺中非常强。然而，在纳米尺度上，新鲜和老化的均质/异质界面的粘附行为的直接定量表征仍然难以捉摸。近日，美国密歇根大学吕炜教授报道了使用原子力显微镜技术，通过针尖附着的2D晶体纳米颗粒与2D晶体和SiO_x衬底的精准相互作用，进行了环境空气中的精确粘附测量。

本文要点：

1）研究人员量化了不同水平的短程、色散和长程静电相互作用对空气污染物和湿度在热退火时的响应。

2）研究发现，简单但非常有效的预冷处理可以保护2D晶体衬底免受空气污染物的侵害，从而提高相似和不同范德华异质结界面的粘附性。

3）实验和计算相结合的分析揭示了过渡金属二卤属化物和石墨/二氧化硅异质结构中除了被广泛接受的范德华相互作用之外的独特的界面行为。

研究人员对2D材料和vdW异质结中弱的层间vdW键的精确纳米量化不仅为理论计算提供了可靠的依据，而且对现代电子器件中这类有前途的材料的大规模生产和持续发展具有重要的基础和技术意义。

二维材料学术QQ群：1049353403

Rokni, H., Lu, W. Direct measurements of interfacial adhesion in 2D materials and van der Waals heterostructures in ambient air. Nat Commun 11, 5607 (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-19411-7

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19411-7

6. Joule：具有高指数面高表面能的金属和金属氧化物纳米晶高效催化剂

从化工生产、材料转化再到清洁能源转化，高效稳定催化剂的开发和应用对现代工业具有重要意义。在过去的十年中，具有高指数面和高表面能的纳米晶由于其优异的催化性能，在电催化、光催化和多相催化等领域引起了极大的关注。有鉴于此，厦门大学孙世刚院士，田娜教授，英国拉夫堡大学Wen-Feng Lin从高指数面和高表面能的基本原理、可控合成、相关生长机理以及在催化中的应用等方面综述了高指数面纳米催化剂(包括金属和金属氧化物)的最新进展。

本文要点：

1）作者首先阐明了高指数面和高表面能的基本原理。FCC金属高指数面的最大特点是表面台阶密度高，配位数(CN)低。因此，与紧密堆积的{111}和{100}低指数面相比，其更加开放。而低配位的表面原子具有丰富的悬挂键，因此它们可以很容易地与反应物相互作用，成为催化活性中心，从而显著提高了催化活性。由于低配位表面原子密度高，高指数面通常比低指数面具有更高的表面能。

2）具有高指数面的金属和金属氧化物催化剂的可控合成进展包括合成方法和相应的机理的理解。合成方法包括通过吸附控制表面能，动力学控制以及其他综合策略。此外，HRTEM，STM，AFM可用来表征高指数面。

3）表面结构催化功能是合理设计高性能催化剂的基础。传统上，必须通过使用块状单晶平面作为模型催化剂，基于此作者总结了一些纳米催化剂模型的研究进展。

4）作者总结了基于高指数面催化剂的电催化作用（燃料电池的电催化（小型有机分子的电氧化和氧还原反应），二氧化碳还原反应和氮还原反应），异相催化，光催化作用（水分解以及二氧化碳还原反应）。

5）作者最后指出了高指数面纳米催化剂研究中未来所面临的挑战和发展方向。

电催化学术QQ群：740997841

Xiao et al., High-Index-Facet- and High-Surface-Energy Nanocrystals of Metals and Metal Oxides as Highly Efficient Catalysts, Joule (2020)

DOI：10.1016/j.joule.2020.10.002

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.10.002

7. Matter：共价有机骨架上构筑精确的亲锂位点用于均匀的锂沉积

锂(Li)金属是构建高能量密度充电电池最有前途的负极材料之一。然而，锂枝晶生长的不可控，寿命有限以及严重的安全隐患等，严重阻碍了锂金属电池的发展。研究发现，在锂金属电池中引入锂主体可以有效地抑制枝晶生长，而亲锂中心的进一步构建将显著促进锂金属电池稳定循环过程中锂的均匀沉积。有鉴于此，清华大学张强教授报道了使用了一种含硼氧的共价有机骨架（COF-1）来构建亲锂主体，用于抑制金属锂电池中的枝晶生长。

本文要点：

1）以石墨烯（G）为模板剂，采用溶剂热法合成了G@COF-1。然后用SEM和TEM对G@COF-1的形貌进行了表征。结果显示，COF-1纳米片的平均直径为30 nm，均匀分布在G基片上，没有自聚集，确保了硼氧杂多酸的导电性和充分暴露。HAADF-STEM的进一步的表征显示，与G衬底相比，COF-1纳米薄片的对比度更高，其形貌与扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)的图像相似。此外，通过能量色散X射线能谱结合定量的线扫描和图谱分析进一步确定了COF-1纳米薄片的化学成分。

2）研究发现，硼氧杂多酸具有理想的亲锂活性，可以降低锂成核势垒，而COF-1的有序骨架结构使亲锂中心分布均匀。因此，基于COF-1的锂离子电池在半电池和全电池中的常规负极寿命都增加了一倍以上。即G@COF-1电极在240次循环中表现出98%的稳定库仑效率（CE），而G@COF-1-Li负极在LiFePO₄(LFP)和LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）正极中表现出优异的稳定性。

这项工作展示了将先进的骨架材料应用于基本能源相关过程的应用前景。

多孔材料学术QQ群：813094255

Song et al., Covalent Organic Frameworks Construct Precise Lithiophilic Sites for Uniform Lithium Deposition, Matter (2020)

DOI：10.1016/j.matt.2020.10.014

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.10.014

8. Matter：硬到软：从废弃贻贝壳中提取的生物吸收海绵状材料

贻贝壳是可再生碳酸钙的来源，可以从水产养殖废水中获得。废弃贝壳的有价化减轻了垃圾填埋场的压力，符合循环经济的目标。近日，加拿大纽芬兰纪念大学Francesca M. Kerton报道了在温和的条件下，以废贻贝壳为原料制备了一种吸水性软方解石材料（SC），并对其进行了表征。

本文要点：

1）方解石是SC中唯一存在的多晶型矿物，尽管壳中存在文石。与壳层中高度有序的方解石不同，SC具有类似巢的形态。核磁共振波谱表明，SC是由方解石棱柱重新组装而成，并可能被来自原始壳层的有机基质“胶”粘合在一起。

2）这种无机海绵SC可以吸附水溶液中1-24 wt%的染料，而染料和SC可以在甲醇中完全解吸回收。也可以吸附海水中的原油，并在十次重复使用中表现出良好的可回收性。

该研究工作展示了如何以可持续的方式修改自然结构，以生产出更有价值的材料。

仿生材料学术QQ群：111658060

Murphy et al., Hard to Soft: Biogenic Absorbent Sponge-like Material from Waste Mussel Shells, Matter (2020)

DOI：10.1016/j.matt.2020.09.022

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.09.022

9. Angew: 多色荧光聚合物水凝胶

多色荧光聚合物水凝胶（MFPH）是具有可调发射色的三维交联亲水聚合物网络。与主要用于干燥固态或溶液的经典荧光材料不同，MFPHs以高度水溶胀的准固体形式存在。因此，它们呈现出固体和溶液的许多有前途的特性，包括类似组织的机械性能、固有的柔软和湿润性质、出色的生物相容性以及响应的体积、形状和荧光色变化。这些有利的特性在许多应用中具有巨大潜力，例如传感，生物成像，信息编码，加密，仿生致动器和软机器人。

 

本文要点：

1）于此，香港科技大学唐本忠院士、中科院宁波材料研究所陈涛、路伟等人综述了多色荧光聚合物水凝胶地最新进展，特别着重于多种构造方法和重要的示范应用。还讨论了多色荧光聚合物水凝胶的当前挑战和未来观点。

仿生材料学术QQ群：111658060

Wei, S., et al. (2020), Multicolor Fluorescent Polymeric Hydrogels. Angew. Chem. Int. Ed..

DOI:10.1002/anie.202007506

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202007506

10. AFM: 多功能分子助力稳定钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSC）具有高达25.5％的认证效率，然而在其商业化之前，必须解决严重的不稳定性问题。在理论计算的帮助下，陕西师范大学的刘生忠和Zhike Liu等人选择了合适的多功能分子2,2-二氟丙烷二酰胺（DFPDA）来缓解所有不稳定性问题。

 

本文要点：

1）DFPDA中的羰基与Pb²⁺形成化学键并钝化配位不足的Pb²⁺缺陷。因此，降低了钙钛矿的结晶速率，并生产了具有更少缺陷的高质量薄膜。氨基不仅与碘化物结合以抑制离子迁移，而且增加了羰基上的电子密度以进一步增强其钝化效果。

2) 此外，DFPDA中的氟基团既对钙钛矿形成了有效的屏障以改善其水分稳定性，又在钙钛矿和HTL之间形成了桥梁，以实现有效的电荷传输。此外，它们在HTL中显示出有效的掺杂效果，可改善其载流子迁移率。借助这些基团在DFPDA中的综合作用，具有DFPDA添加剂的PSC可获得22.21％的最佳效率，并显著提高了对水分，热量和光的稳定性。

光电器件学术QQ群：474948391

Yuan Cai et al. Multifunctional Enhancement for Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells, Advanced Functional Materials，2020.

DOI: 10.1002/adfm.202005776.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202005776

11. AFM: 聚合物界面层，稳定钙钛矿太阳能电池

绝大多数高性能钙钛矿太阳能电池（PSC）均基于结合了甲基铵（MA）和溴化物（Br）的多阳离子混合阴离子组合物。但是，MA的热不稳定性和混合卤化物组成的相偏析趋势限制了PSC的长期稳定性。但是，无MA和/或无Br成分的研究目前仍很少见，因为它们的性能通常较差。加州大学洛杉矶分校杨阳, 大连理工大学Jiming Bian和成均馆大学Jin‐Wook Lee等人提出了一种策略，以实现完全不含铯（Cs），不含MA和不含Br的高效，稳定的PSC。

 

本文要点：

1）使用反溶剂淬火工艺原位沉积聚合物界面层，以促进相纯的FAPbI3钙钛矿晶体的生长，并降低了缺陷密度，并有助于光激发电荷的提取。所开发的PSC在此类组合物中表现最佳。此外，PSC在连续暴露于照明和85°C的条件下均显示出卓越的稳定性。

光电器件学术QQ群：474948391

Minhuan Wang et al. Stable and Efficient Methylammonium‐, Cesium‐, and Bromide‐Free Perovskite Solar Cells by In‐Situ Interlayer Formation, Advanced Functional Materials，2020.

DOI: 10.1002/adfm.202007520

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202007520

12. ACS Nano：超越体积变化：铋纳米线中各向异性突出的锂化

通过合金化反应储能的材料比目前的石墨负极具有更高的能量密度，是二次锂离子电池(LIB)中很有前途的负极候选材料。迄今为止，这种电极颗粒在锂化过程中的体积膨胀被认为是循环导致的结构失效的唯一原因。近日，美国阿贡国家实验室陆俊教授，伊利诺伊大学芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar，Vitaliy Yurkiv报道了使用单晶铋纳米线作为合金化基负极的不同结构失效机制。

本文要点：

1）研究发现，Li−Bi合金化过程经历了两步转变，即Bi−Li₁Bi和Li₁Bi−Li₃Bi。有趣的是，Bi−Li₁Bi相变不仅发生在块体Bi纳米线中，而且发生在颗粒表面，表现出其特有的行为。

2）研究人员发现，块体合金化动力学有利于Bi-(012)促进的各向异性锂化，并通过密度泛函理论计算对其机理和能量进行了进一步研究。更重要的是，各向异性Li−Bi合金化导致的Li₁Bi纳米颗粒突起主导了Bi颗粒的表面形貌。

3）研究人员通过两种不同的控制机制，即Bi/Li₁Bi界面位错辅助的应变弛豫和支持Li₁Bi脱铋生长的Bi的短程迁移，从原子上阐明了Li₁Bi突起的生长动力学。基于松散地扎根于主体衬底并且容易剥离并分离到电解液中，这些在电池循环过程中形成的纳米级突起被认为是导致这种合金化负极在电极水平上容量衰减的一个重要因素。

电池学术QQ群：924176072

Yifei Yuan, et al, Beyond Volume Variation: Anisotropic and Protrusive Lithiation in Bismuth Nanowire, ACS Nano

DOI: 10.1021/acsnano.0c06597

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c06597

信息来源：纳米人

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