Advanced Materials：6月材料前沿十大精选科研成果（国内）

今天材料牛邀您一起来看看Advanced Materials期刊6月材料前沿精选科研成果：北京大学—有机太阳能电池新型的“合金”电子受体；中科院理化所—可用于柔性透明电极的AgNWs@iongel复合薄膜；中科院长春应化所—从金蟾卵获得灵感制备无粘结剂，高效率的柔性电极；北京航空航天大学—石墨烯/单晶介孔Nb2O5“三明治”结构钠离子电池；中国科大—通过相转变工程提高CoSe2对析氢反应的催化活性；中科院苏州纳米所—手性等离子纳米结构的自组装；北京化工大学&中科院化学所—提高析氧反应效率的超透气性碳纳米管电极；华南师范大学&中科院北京纳米能源与系统研究所—压电效应调制AlGaN/AlN/GaN异质结构微米线电子气；华南理工大学—水溶液处理光电阴极夹层用于高性能聚合物太阳能电池；清华大学—自组装PDINH超分子体系用于可见光光催化。下面就让我们一起走进曼妙的材料前沿成果吧。

1. 北京大学—有机太阳能电池新型的“合金”电子受体

 图1 PCBM与“合金”受体能量转换效率比较

有机太阳能电池（OSCs）在有效利用太阳能方面具有很大的前景，其电子受体多采用[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯 （PC61BM）或 [6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯（PC71BM ）。但PCBM存在相对较低的最低未占分子轨道（LUMO），同时易结晶和聚合的缺点，从而影响设备的稳定性，限制其广泛应用。

北京大学的占肖卫（通讯作者）带领的研究团队发现，将两种具相似结构（相似的核），但不同LUMOs（偏差在0.1~0.3eV）的受体相混合，获得的受体不仅结合了这两种受体的优点，同时显著提高了OSCs的性能。而这种受体就被称为“合金”受体。实验中，研究人员将indene-C60 bis-adduct （ICBA）与PC71BM 相混合得到“合金”受体（ICBA/PC71BM），并证实较PC71BM有着更为优异的性能，通用性好，效率高且稳定性好。

文献链接：Alloy Acceptor: Superior Alternative to PCBM toward Efficient and Stable Organic Solar Cells（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602067 ）

2. 中科院理化所—可用于柔性透明电极的AgNWs@iongel复合薄膜

图2 AgNWs@iongel复合薄膜的制备

柔性透明电极作为新一代电子及光电子设备的重要组成部分，其导电薄膜可选用碳纳米管（CNTs）、银纳米线（AgNWs）、导电聚合物和石墨烯等。其中，AgNWs基电极具有更为优异的固有电导性因而应用更为广泛，但其接触电阻较高，在生产过程中，加热与机压成型对其塑料基底也不利，重复使用过程中还会导致氧化积累。

近期，中科院理化所的江雷（通讯作者）和Liu Hongliang（通讯作者）等人报道了一种具气稳性的透明柔性电极，研究人员将AgNWs网进行无电镀焊接，并涂覆导电离子凝胶（iongel）后，置于柔性的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，得到的电极表现出很低的薄层电阻，仅为8.4 Ω sq-1，且光透射率达到86%。说明将导电的离子凝胶作为保护层，可显著提高AgNWs@iongel复合薄膜的气稳性与导电性，扩大了其作为柔性电子设备的应用。

文献链接：Highly Conductive, Air-Stable Silver Nanowire@Iongel Composite Films toward Flexible Transparent Electrodes（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201600358 ）

3. 中科院长春应化所—从金蟾卵获得灵感制备无粘结剂，高效率的柔性电极

图3 从金蟾卵获取制备灵感，制备大孔中空碳纤维正极材料

随着电子设备的发展，对具高能量及能量密度的储能系统需求也不断增加，因此，具高容量的电极材料的研究依然是当下所需。多孔碳纳米纤维由其多孔的纤维结构、良好的电子导电性及质轻的特点，从而成为最有前景的电极材料，但在制备过程中，需要控制孔径和容积达最佳以表现最优性能。

长春应化所的张新波（通讯作者）等研究人员，从金蟾产卵过程和卵呈现出的良好的形貌及结构中获得灵感，通过一种温和可控的方法制备出自立式、质轻的多级大孔活性碳纤维（MACF）电极。MACF电极具有高电导率、低成本、能量密度高、优异的机械性、热稳性及优异的吸附性和电子运输性，这些特性使其在新能源领域上有着广泛的应用前景。

文献链接：Macroporous Interconnected Hollow Carbon Nanofibers Inspired by Golden-Toad Eggs toward a Binder-Free, High-Rate, and Flexible Electrode（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201600012）

4. 北京航空航天大学—石墨烯/单晶介孔Nb2O5“三明治”结构钠离子电池

 图4 “三明治”结构、形貌及储存循环性

钠离子电池(SIBs)制备成本低，资源丰富且为环境友好型，因此可替代锂离子电池(LIBs)应用于能量储存。但SIBs可逆容量低，在大电流速率下循环性能差，为解决这些问题，可选用大晶格间距和纳米结构的电极材料。其中，具单晶域的介孔Nb2O5薄膜较无定形多孔Nb2O5薄膜有着更为优异的电化学性能。但如何实现温和，大规模制备依然是一个问题。

北航的毕晓昉（通讯作者）和杨树斌（通讯作者）等人设计出一个简单的制备方法来合成部分单晶介孔Nb2O5纳米薄片，中间则夹杂着石墨烯的三明治结构（G-Nb2O5）电极材料。制备过程中，利用石墨烯—二氧化硅纳米薄片为模板，氯化铌则作为气相水解过程中五氧化二铌受体。得到的G- Nb2O5纳米薄片不仅为薄层介孔结构，而且垂直（001）面为大晶格间距3.9 Å。这些特性使得G-Nb2O5存在大量开放的短通路，从而能实现对Na+的快速扩散。

文献链接：Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheets in between Graphene for Ultrafast Sodium Storage（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601723）

5. 中国科大—通过相转变工程提高CoSe2对析氢反应的催化活性

图5 利用相转变工程提高CoSe2对析氢反应的催化效率

通过分子氢和羟基离子电化学作用进行析氢反应，是重要的阴极半电池反应。贵金属可作为析氢反应催化剂，但成本高且资源稀缺。因此，需要寻找更为合适的析氢反应催化剂以提高能量转换效率。立方相的CoSe2可作为析氧反应催化剂，但很少有报道在碱性媒介中可实现对析氢反应的催化。

中国科学技术大学的吴长征（通讯作者）等人通过相转变工程来设计高效的电催化剂，成功实现在碱性条件下对析氢反应的高效催化。利用相转变过程实现对CoSe2两种相的转变，即正交晶相的CoSe2（o- CoSe2）和立方相的CoSe2（c-CoSe2）。较o- CoSe2型催化剂，c-CoSe2型催化剂极大的提高了碱性媒介中对析氢反应的催化活性。

文献链接：Phase-Transformation Engineering in Cobalt Diselenide Realizing Enhanced Catalytic Activity for Hydrogen Evolution in an Alkaline Medium（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601663）

6. 中科院苏州纳米所—手性等离子纳米结构的自组装

图6 在圆偏振光下影响等离子体纳米结构的两种物理机理

等离子体手性效应在负折射率材料、光偏振过滤器及超灵敏传感设备等领域具有潜在的应用前景。较自上而下的制备方法，自下而上的自组装方式能实现纳米级精度、平行生产、各向同性的光反应，因而对于手性等离子纳米结构是一种重要的制备方法。

中科院苏州纳米所的王强斌（通讯作者）等发表论文介绍了手性等离子纳米结构的自组装过程，也介绍了非手性模块如各向同性的金纳米粒子（AuNPs）和各向异性的金纳米棒（AuNRs）间的手性排布，以及手性-分子-金属复合物。另外介绍了关于自组装手性等离子纳米结构未来发展前景的三大方向，即手性等离子转换、手性超材料和手性纳米粒子。

文献链接：Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201600697）

7. 北京化工大学&中科院化学所—提高析氧反应效率的超透气性碳纳米管电极

图7 超透气性碳纳米管电极结构图

氧气的电化学还原反应在新一代能量储存与转换设备，如燃料电池和金属-空气电池上有着重要的应用，而限制提高其性能的主要因素则在于氧还原反应动力学的迟缓，因此可在催化剂下放置一气体扩散层，来提高氧气与催化剂的接触量。

北京化工大学的孙晓明（通讯作者）和中科院化学所的江雷（通讯作者）等人为得到高电导性与气体扩散性的电极作为析氧反应中的扩散层，制备多孔的氮掺杂的包含Co的碳纳米管（CoNCNT），并排列与碳纤维纸上。这种电极不仅电导率高，同时，因其粗糙的表面从而实现“超透气”性，扩大了氧与催化剂的接触量，提高析氢反应效率。

文献链接：Superaerophilic Carbon-Nanotube-Array Electrode for High-Performance Oxygen Reduction Reaction（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201504652）

8.  华南师范大学&中科院北京纳米能源与系统研究所—压电效应调制AlGaN/AlN/GaN异质结构微米线电子气

图8  AlGaN/AlN/GaN异质结构微米线的结构特征

一维半导体纳米线（NWs）如发光二极管、激光器、场效应晶体管、纳米发电机等由于其独特的结构和相应平面的一维量子限阈效出现，增加了NWs的流动性，这引起了人们对它应用的广泛关注。然而，由于带电掺杂中心的散射造成的载流子迁移率退化，长期以来一直是掺杂NWs器件实际应用不可避免的障碍。为了克服这个问题，对半导体异质结构纳米线中观察到的低维载流子（电子或空穴）气体，如Ge/Si，AlGaAs/AlGaAsh和AlGaN/AlN/GaN，进行了深入的研究。在这几种Ⅲ-氮化物异质结构中，AlGaN/GaN由于本征极化强，创造出异质结电子气（HEG），被广泛应用于高电子迁移率晶体管（HEMT）和其他高性能量子器件中。

最近，华南师范大学的李述体（通讯作者）和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林（通讯作者）等人利用压电效应改变HEG相应的物理性质和基于HEMTs的AlGaN/GaN异质结器件的电输运性质。这种方法是一种科学而又全新、应用简单的技术，在设备制造过程中不增加额外成本。这使人们对压电效应调制低维电子气异质结构纳米材料有了更加深入的理解，指明了其在HEMs和MEMS/NEMS中的潜在应用。

文献链接：Piezotronic Effect Modulated Heterojuction Electron Gas in AlGaN/AlN/GaN Heterostructure Microwire （Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601721）

9. 华南理工大学—水溶液处理光电阴极夹层用于高性能聚合物太阳能电池

图9 (a)可溶于弱酸性溶液中的PBI-Py化学结构； (b)光电导阴极夹层的工作机制，该项研究中的设备组拥有厚的光电导阴极夹层和活性层

聚合物太阳能电池（PSCs）具有很多优点如成本低、轻柔、能通过溶液法合成，因而具有很大的应用前景。但PSCs中的有机材料一般为薄层，因其电荷迁移性/电导率相对较低，因此需要发展新型的高电荷迁移性/电导率的材料作为PSCs的活性层与夹层，从而在厚膜情况下依然实现高效工作。

近日，华南理工大学陈军武（通讯作者）和解增旗（通讯作者）及德国维尔茨堡大学Frank WürTHner等在水溶液处理光电阴极夹层方面取得研究进展。研究人员在光致电荷转移方面进行了一系列研究，研究表明光致电荷转移带来很多益处，例如增加电导率和电子迁移率以及简化功函数。当阴极夹层和活性层的厚度分别达到100 nm和300 nm时其平均功率转换效率均超过10％。

文献链接：Aqueous Solution Processed Photoconductive Cathode Interlayer for High Performance Polymer Solar Cells with Thick Interlayer and Thick Active Layer （Advanced Materials ，2016 ，DOI ：10.1002/adma.201601615）

10. 清华大学—自组装PDINH超分子体系用于可见光光催化

图10 自组装PDINH超分子体系中电子能级结构及其在可见光照射（λ＞420nm）条件下光催化反应机制

有机催化剂较无机催化剂有着许多优点，如可通过化学方法协调光电性、结构轻柔、成本低且资源丰富。主要包含两种体系，有机金属复合物和共价有机聚合物。有机金属复合物会因其金属成分价格高、潜在毒性及稳定性差而限制其应用。不过目前可用于可见光催化的，由纯有机分子组成的非共价自组装超分子系统很少有报道。

近期，清华大学朱永法（通讯作者）等在自组装二萘嵌苯-3,4,9,10-苝二酰亚胺（PDINH）超分子体系的可见光光催化方面取得研究进展。该自组装PDINH超分子体系由全有机PDINH分子通过非共价反应构成，可作为高活性的可见光光催化剂。这种有机催化剂可用于污染物的光降解，同时也可作为水解催化剂。

文献链接：Self-Assembled PDINH Supramolecular System for Photocatalysis under Visible Light（Advanced Materials ，2016 ， DOI：10.1002/adma.201601168）

本文由由材料人编辑部大黑天投稿，材料牛编辑整理。

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