十月nature science 汇总 国内斩获5篇

本文梳理了10月份在science和nature正刊上发表的材料领域的文章，其中来自国内的作者发文5篇，分别出自中国科学技术大学、华中科技大学、中国科学院金属研究所、武汉大学和上海科技大学、北京大学和厦门大学。

1. Science：气相辅助沉积实现高效稳定的α相FAPbI3太阳能电池

在钙钛矿太阳能电池中，阳离子/卤化物与甲酰亚胺碘化铅（FAPbI₃）的混合可以提高电池效率，但同时也会造成挥发性methylammonium（MA）的损失和相分离，从而导致材料吸收发生蓝移和长期稳定性问题。为了解决这一问题，关键是要制备高纯度α相FAPbI₃。然而，150°C以下的α相FAPbI₃非常容易转变成黄色的δ相(一种六角形的非钙钛矿晶相)，严重限制了钙钛矿太阳能电池的性能。

针对这一问题，洛桑联邦理工学院的Michael Grätzel、Anders Hagfeldt联合复旦大学的Yiqiang Zhan、Lirong Zheng（共同通讯作者）等人报道了基于MA thiocyanate（MASCN）或者FASCN气相处理的新型沉积策略，利用该策略可以将δ相FAPbI₃钙钛矿薄膜转变成高纯度的α相FAPbI₃。在该项工作中，研究人员利用NMR定量了材料框架中的MA吸收量，并利用分子动力学模拟揭示了硫氰酸根阴离子能够在热力学相转变温度以下提高α-FAPbI₃的形成和稳定性。检测显示，由这类低缺陷密度α-FAPbI₃薄膜制作而成的太阳能电池具有超过23%的能量转换效率和长期的运行/热稳定性。2020年10月02日，相关成果以题为“Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI₃ perovskite solar cells”的文章在线发表在Science上。

文献链接：Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI₃ perovskite solar cells（Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb8985）

2. Science：黑磷复合材料助力锂离子电池快充技术

锂离子电池（LIBs）在包括电动汽车在内的各种应用中越来越重要。但是当今的电池只能提供有限的功率密度（例如，电池级的功率密度约为100至300 W kg^-1），并且通常需要较长的充电时间才能安全运行。能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池，因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键；另一方面，单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。为此，必须开发一种同时具有高理论容量、快速充电所必需的优异电子传导性和Li⁺扩散性的电极材料，用于开发具有快速充电能力的大容量锂离子电池。

近日，中国科学技术大学季恒星教授与加州大学洛杉矶分校段镶锋教授联合在新型锂离子电池电极材料研究方面取得了重大突破：通过采用“界面工程”策略将黑磷和石墨通过共价键连接在一起，在稳定材料结构的同时提升了黑磷石墨复合材料内部对锂离子的传导能力。通过将轻薄的聚合物凝胶做成防尘外衣“穿”黑磷石墨复合材料的表面，使得锂离子可以顺利进入电极材料。结果表明，电极片充电9分钟即可恢复约80%的电量，2000次循环后认可保持90%的容量。该全新设计的黑磷复合材料使兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能。该文章近日以题为“Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage”发表在知名期刊Science上。

文献链接：Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage (Science, 2020, doi: 10.1126/science.aav5842)

3. Science：用于低热回收的增强型液体热电池

大量的低温热能（低于373K）分布在工业过程（废热）、环境（太阳能和地热能）和人体中，但是由于成本效益较低而被大量浪费。液态热电池（LTCs）是一种廉价、可扩展的热电器件，它将热量转化为能量，可以回收低温热量。热电器件的性能是通过器件的优值系数（Z=S_e²σ/κ）来评估的，该值取决于Seebeck系数（S_e）、电导率（σ）和热导率（κ）。在热电器件中，传统的固态热电电池是研究最多的。然而，由于众所周知的固体热电材料中S_e、σ和κ之间的强相互依赖性，它们在室温下的效率仅略有提高。这对于不含稀有元素的低成本材料尤其成问题。

近日，华中科技大学周军团队利用温敏结晶工艺，在不破坏σ的情况下，显著提高Seebeck系数（S_e），抑制热导率（κ），使LTCs在室温附近的卡诺相关效率（ηr）高达11.1%。因此，获得的LTCs的成本-性能指标大幅降低，并与当前发电技术相媲美，这表明它具有廉价和高效收集低温废热能的潜力。该文章近日以题为“Thermosensitive crystallization–boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”发表在知名期刊Science上。

文献链接：Thermosensitive crystallization–boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting (Science, 2020, doi: 10.1126/science.abd6749)

4. Science：通过在非欧几里得表面上生长而实现层状材料的超扭曲螺旋

二维（2D）范德华层状材料提供了一个理想的平台，通过垂直堆叠不同层来创造具有独特性能的人工结构。调整叠层双层之间的扭曲角导致莫尔图案的形成和电子态的操纵，从而导致对量子现象的观察，包括非常规的超导性、莫尔激子和可调谐的莫特绝缘体态。扭曲结构是通过精细的机械堆叠不同的层，以一次性和低通量的方式制造的。最近的理论研究也表明在不断扭曲的多层结构有趣的现象被称为“3D twistronics”。尽管Eshelby扭曲最近在层状锗(II)硫化物的螺旋分散纳米线上被证明，但对于大面积的二维材料，每层的扭曲量是相当小的。因为Eshelby扭曲角与横向横截面积成反比。因此，需要一种不同的方法来直接生长扭曲的2D材料并控制层间扭曲。尽管缺陷或晶格失配会引起变形，但通常在堆叠的层中发生层状材料的生长，这会导致应变变形。但是，这些影响通常很小，并且无法控制。欧几里得几何是经典晶体学的基本数学框架。传统上，层状材料生长在平坦的衬底上，在非欧几里得表面上生长的欧几里得晶体很少被研究。

近日，美国威斯康星大学麦迪逊分校金松教授（通讯作者）提出了一个通用的模型，描述了在非欧几里得表面上具有螺旋位错的层状材料的生长，并表明它导致了连续扭曲的多层上部结构，证明了合成二维材料的多层的可能性，该多层材料由于存在螺旋位错和弯曲的衬底表面而在层之间具有一定的扭曲。通过改变非平面性的数量和表面的特征（圆锥形或双曲线），可以实现不同的扭转角。通过生长二硫化钨（WS₂）和二硒化钨（WSe₂）覆盖在螺旋中心附近的纳米粒子上。微观结构分析表明，晶格扭曲与层的几何扭曲一致，从而导致原子层之间出现莫尔超晶格。相关研究成果以“Supertwisted spirals of layered materials enabled by growth on non-Euclidean surfaces”为题发表在Science上。

文献链接：Supertwisted spirals of layered materials enabled by growth on non-Euclidean surfaces (Science，2020，10.1126/science.abc4284)

5. Science：二维材料薄膜质子快速传输最新进展

纳米流体由于在分子尺度的特殊行为使其在许多领域得到了重要应用。质子交换膜作为燃料电池最核心部分，为质子传输提供快速通道，降低质子传输内阻，直接决定着燃料电池的整体性能。目前，常见质子交换膜材料包括高分子材料，全氟磺酸聚合物（Nafion）；二维材料，氧化石墨烯（GO）及其衍生物；金属有机框架材料（MOF）和生物材料。其中，Nafion是目前最常见的商用材料，在相对湿度（RH）的环境下，其质子传输率性能可达到0.2 S cm^-1。但是Nafion存在诸多问题，例如质子传输率性能依然较低；高于80 ℃或者在低相对湿度的环境下容易脱水，造成其质子交换率性能的严重下降。近几年，除石墨烯以外的氧化石墨烯（GO），过渡金属硫化物(TMDCs)、MXene材料、层状双金属氢氧化物（LDH）、六方氮化硼（h-BN）等二维材料相继被提出和制备，二维材料可分散、易组装等特点推进了其在薄膜研究领域的发展。对于二维材料层状薄膜而言，薄膜纳米通道内的离子官能团可以与水分相互作用，连接成二维氢键网络，可以促进质子的移动，从而实现高质子交换率。以氧化石墨烯薄膜为例，因GO纳米片背面上丰富的含氧官能团，例如环氧（-O-）、羧基（-COOH）和羟基（-OH），可以提供质子，并与水分子相互作用，在两层GO中纳米通道中，形成二维水分子通道，促进质子传输，这些特点和Nafion的特点非常类似，因此，GO薄膜被认为在质子交换膜领域有巨大的潜能。但是，以石墨烯基薄膜为代表的二维材料薄膜质子交换率低，无法远低于商用Nafion质子交换膜；GO薄膜中低含量不均匀的含氧官能团分布导致低表面电荷，离子选择性差。因此，开发制备新型的高性能离子交换膜材料是解决质子传输率低，高温、低湿度环境下容易脱水等问题的重要途径之一。

近日，中国科学院金属研究所的成会明院士与任文才研究员(通讯作者)团队报道了在空位诱导二维材料薄膜中质子快速传输应用方面取得的重要进展。他们提出了一种新型的含过渡金属空位的过渡金属磷硫化物（CdPS₃）纳米片自组装薄膜，Cd空位的存在使得薄膜具有超高的质子传输性能，克服了传统二维材料薄膜质子交换率性能远低于商用Nafion薄膜的缺点以及Nafion薄膜在高温（＞80°C）、低湿度下脱水引起质子传输率降低等问题。其中，在90℃、98%相对湿度条件下，Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15薄膜的质子传输率高达0.95 S cm^-1，是目前已报道的水相质子传输材料中性能最高的。这种性能主要是由于Cd空位的存在，为质子传输贡献了大量的质子，质子易脱附，保持薄膜良好的亲水性，以及低质子传输活化能等特点。在此基础上，还发展了Cd_0.85PS₃Li_0.3和Mn_0.77PS₃Li_0.46两种高性能锂离子传输薄膜。该工作不仅设计了一种新型的、含Cd空位的具有超高的质子、锂离子传输率二维CdPS3薄膜，还验证了含空位的过渡金属磷硫化物薄膜具有高离子传输性能的普适性，而且为离子传输薄膜大家族增添了新的成员，为设计新型离子传输薄膜提供了新的思路。相关研究成果以“CdPS₃ nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”为题于2020年10月30日在线发表于Science上。论文第一作者为钱希堂博士。

文献链接：CdPS₃ nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies（Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb9704）

6. Nature：可用于化学合成的同轴液体反应器

近年来，关于设计可支持多步化学过程系统的研究引起了越来越多的关注。这类系统的建立基于反应器的集合或者流动化学（flow chemistry）设计，虽然无需进行中间产物的人工添加，但需要花费巨大的工作量进行系统设置和控制。

韩国国立蔚山科学技术院的Bartosz A. Grzybowski（通讯作者）等人设计了一种新型非平衡系统，在这一系统中，不同的反应区（reaction zones）可进行自组织以控制整个工艺流程的进展。研究人员将多种或者成对互不相容液体放置到旋转装置中，通过离心过程可主导液体表面张力，并由于各液体密度不同，从而可促使液体形成同轴层。这一同轴层非常稳定，同时又可以通过对离心进行加减速来实现内部组分的混合；不仅如此，同轴层的每一层都可以被单独进行添加、取样或者撤出等操作。文章证明了基于这一独特的系统，可以实现小分子的多步合成、同步的酸碱提取以及复杂混合物的选择性分离。研究认为这一同轴液体反应器可以成为发展新型微尺度过程化学的工具。2020年09月30日，相关成果以题为“Concentric liquid reactors for chemical synthesis and separation”的文章在线发表在Nature上。

文献链接：Concentric liquid reactors for chemical synthesis and separation（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2768-9）

7. Nature：纳米级螺旋磁体中的电磁感应现象实现电感器体积小约一百万倍

电感是现代电子器件中最基本的电路元件之一，其产生的电压与输入电流的时间导数成正比。电感在当代电子产品中无处不在，用于模拟电路和信息处理，在变压器、滤波器和谐振器中得到广泛使用。传统的电感通常由螺旋线圈组成，并遵循法拉第电磁感应定律，传统的电感或基于经典电磁学的感应线圈存储磁能LI²/2（其中L为电感，I为输入电流），并产生与d I/d t成比例的电压。由于电感的大小与线圈的绕组数及其横截面的乘积成正比，因此很难在保持L的同时减小器件的尺寸。在超导体中，另一种称为动力学电感的电感机制，提供的电感与截面成反比。然而，在电子器件中使用超导体仍然是一项具有挑战性的工作，可用电流密度受到超导基态临界电流密度的限制。因此，探究电感器的新原理是非常可取的。

近日，日本理化学研究所新兴材料研究中心（CEMS）Yoshinori Tokura教授团队展示了量子力学起源的电感，它是由磁体中自旋螺旋的电流驱动动力学引起的电场产生的。在具有纳米级自旋螺旋的微型矩形磁性器件中，观察到典型的电感高达-400nH，其大小可与商用电感器相媲美，但体积却小约一百万倍。所观察到的电感由于电流的非线性而增强，并且显示出非单调的频率依赖性，这两者都是由自旋螺旋结构的电流驱动动力学引起的。与传统的电感器相比，电感的大小随着器件横截面的减小而迅速增加。本文的发现可能为基于与量子力学几何相位有关的新兴电磁学的微型，简单形状的电感器铺平道路。相关研究成果以“Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet”为题于2020年10月7日在线发表于Nature上。

文献链接：Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet(Nature，2020，10.1038/s41586-020-2775-x)

8. Nature：TiO₂填充MOF中孔用于CO₂光还原

金属有机骨架（MOF）以与气体分子的特殊相互作用而闻名。这与它们丰富而有序的孔隙度相结合，使它们成为将气体分子光催化转化为有用产品的有希望的候选者。但是，尝试使用MOF或基于MOF的复合材料进行CO₂光还原通常会导致二氧化碳转化效率远低于从最新的固态催化剂或分子催化剂获得的CO₂转化效率，即使在牺牲试剂的帮助下也是如此。

武汉大学邓鹤翔教授、昝菱教授，上海科技大学Osamu Terasaki通过在基于对苯二甲酸铬的MOF（MIL-101）及其衍生物的不同孔中生长TiO₂，在MOF晶体内部创建“分子隔室”。这使得光吸收/电子产生的TiO₂单元与MOF骨架中的催化金属簇之间具有协同作用，因此有助于光催化还原CO₂，同时产生O₂。在由MIL-101衍生物中的42％TiO₂组成的复合物中，即42％-TiO₂-in-MIL-101-Cr-NO₂中，观察到在350纳米波长处CO₂光还原的表观量子效率为11.3％。该复合材料中一种隔室中的TiO₂单元的活性是另一种隔室中的TiO₂单元的44倍，强调了该系统中TiO₂精确定位的作用。

文献链接：Filling metal–organic framework mesopores with TiO₂ for CO₂ photoreduction（Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2738-2）

9. Nature：15℃超高压下室温超导的首次实现

美国罗彻斯特大学、英特尔公司和内华达大学的联合研究团队首次实现了15 ℃下的室温超导。该团队将富氢材料与有机超导这两条路径相结合，用碳来代替金属元素。他们运用一种绿色的光化学合成方式，在硫化氢体系中掺杂了一种自然界最廉价、最普通的元素——碳，在超高压下实现了15 ℃下的室温超导。

该研究团队的实验方案设计如下：1）将碳和硫以1比1摩尔比混合，球磨成5微米以下的颗粒，随后装载到一种称为“金刚石砧座”的装置中；2）氢分子充入其中，扮演反应物和传压介质的双重角色；3）利用两颗金刚石挤压，给样品施加4 GPa的压强，并用波长532 nm的紫外光照射数小时；4）在压力和辐射的双重作用下，驱动S-S键的光分解，形成硫自由基，并与氢分子反应生成硫化氢；5）迅速微调压强和激光位，最终制出均匀透明的C–S–H晶体结构。然后研究人员通过对电阻、磁化率、电输运和拉曼光谱的测量，观察到C–S–H晶体在267±10 GPa压强下，临界温度约288 K时，具有零电阻、在施加的磁场下临界温度的降低、冷却时从材料内部排出磁场（迈斯纳效应）等三个超导体特征，并证实了从分子到金属以及超导的一系列结构和电子相变。这充分说明，有机衍生的C-S-H在267±10 GPa压强下取得了约15℃的超导临界温度，创造了新的世界纪录。

此外，研究人员还指出，可以通过在更低压强下交换分子，微调C-S-H三元体系的组分，有望实现大气压下稳定或亚稳定的高温超导体。论文的合作者，内华达大学拉斯维加斯分校的物理学家Ashkan Salamat表示，添加第三个元素可以大大拓宽未来寻找新超导体的范围，这项工作开辟了一个全新的探索区域。

文献链接：Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z）

10. Nature：表面配位层钝化铜氧化过程

铜具有高的热导率和电导率，同时其还具有延展性和无毒性的特点，被广泛应用于日常生活和工业生产，例如抗氧化技术领域。然而，目前广泛使用的抗氧化技术如合金、电镀等经常会削弱材料的关键物理性质（如热/电导率以及外观颜色），并且引入一些有害元素（如铬和镍）。针对这类问题，尽管也有一些新兴的研究致力于发展利用有机分子/无机材料/碳基材料作为抗氧化剂的表面钝化技术，但这些新型技术的规模应用一直颇具挑战。

北京大学的江颖以及厦门大学的傅钢、郑南峰（共同通讯作者）等人发现，在甲酸钠存在下，利用溶剂热处理的铜能够在其表面进行晶体重构并形成超薄的表面配位层。在此前的研究中，该联合团队已经发现利用甲酸盐作为还原剂能够通过溶剂热方法合成可在空气中稳定存在的铜纳米片。而此次的研究不仅揭示了这一表面改性策略可以赋予铜在空气、盐雾以及碱性条件的抗氧化性能，还发现表面改性并不会影响铜的热/电导率。此外，研究还引入了烷硫醇配体与缺陷位点进行配位，从而能够进一步提高铜表面的抗氧化性能。最后，研究还阐释了这一温和的改性方式使用于制备各种形式（包括箔、纳米线、纳米颗粒等）的空气稳定铜材料。因此，研究人员也期待该项工作发展的新型表面钝化技术能够进一步拓展铜的工业应用。2020年10月14日，相关成果以题为“Surface coordination layer passivates oxidation of copper”的文章在线发表在Nature上。