顶刊动态丨 Adv. Mater.：7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7月材料前沿精选科研成果：广州大学&阿德莱德大学—镍纳米管涂覆特制纳米涂层获得广电位窗超级电容器；复旦大学—通过制氢钝化实现高性能水溶液的能量储存设备；长春应化所—多功能模板介导制备Fe-N掺杂的介孔碳微球作为高性能氧还原电催化剂；化学所&中国科学院大学—用于高效聚合物太阳能电池的低带隙小分子受主；化学所&中国科学院大学—采用“分子结构”和“侧链”工程相结合的高迁移率n型有机半导体；香港城市大学—多功能能量储存与转换设备；化学所等—纳米间隙电极的宏量制备及在随机存储器中的应用；四川大学&阿卜杜拉国王科技大学—钾-钠铌酸盐无铅陶瓷的优良压电性能；国立台湾大学等—小分子施主的异构性对有机光伏性能的影响；北京大学—室温下盐酸辅助一步沉积制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池。下面就让我们一起走进曼妙的材料前沿成果吧。

1、广州大学&阿德莱德大学—镍纳米管涂覆特制纳米涂层获得广电位窗超级电容器

图1 NiNTAs@PPy的制备过程图示

对环保型可再生能源日益增长的需求也促进了能量存储与转换技术的发展，超级电容器具备快速充放电能力、循环寿命长及成本低的优点，可以作为能量存储设备的候选者。但是，超级电容器的发展和实际应用却往往会受限于它的低能量密度。

聚吡咯（polypyrrole, PPy）电容量高、导电性好、电位窗宽，可以作为超级电容器的电极材料。但是PPy作为阴极时，电位窗却会很低，且循环稳定性较差。为解决这个问题，来自广州大学的刘兆清（通讯作者）和阿德莱德大学的Tian Yi Ma（通讯作者）带领研究团队设计了一种自下而上的合成方法，通过电聚合使多孔的经高氯酸盐掺杂的PPy覆在Ni纳米管上，从而制造出高性能的NiNTAs@PPy，实验表明，这能大大提高材料的电容性能和循环稳定性，同时能提供稳定的宽电位窗。

文献链接：A Porous Perchlorate-Doped Polypyrrole Nanocoating on Nickel Nanotube Arrays for Stable Wide-Potential-Window Supercapacitors（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201601781）

2、复旦大学—通过制氢钝化实现高性能水溶液的能量储存设备

图2 密度泛函理论计算和用于析氢的PNFE分子图示

水溶液可充电型锂离子电池（ARLIBs）可作为新一代的能量储存设备，具高的理论能量密度、高离子电导率、耐燃性和低成本的优点。但是较非水溶液电池，ARLIBs却易受限于它的电化学电位窗较窄及能量密度低的缺点。

复旦大学的郑耿锋（通讯作者）和龚新高（通讯作者）带领研究团队研发出一种制备聚亚胺/碳纳米管网络的方法，旨在钝化电极中分子结构的析氢机制，从而能促进水溶液能量储存能力。在电池充电过程中，通过与Li+联系，聚亚胺固有的低析氢活性能进一步钝化，导致更宽的电位窗和更优异的能量储存能力。

文献链接：Achieving High Aqueous Energy Storage via Hydrogen-Generation Passivation（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201602583）

3、长春应化所—多功能模板介导制备Fe-N掺杂的介孔碳微球作为高性能氧还原电催化剂

图3 Fe-NMCSs催化剂制备图示

因为其固有的动力学缓慢，氧还原反应（ORR）会限制许多电化学转换和储存设备，如燃料电池和金属-空气电池的效率。铁-氮掺杂的碳材料（Fe-N-C）是最具发展前景的非贵金属ORR催化剂，Fe和N原子的掺杂会导致不均匀的电荷分配从而提高O2吸收与还原。然而，为获得良好形貌且高性能的Fe-N-C微球，温和有效的合成方法也依然是一个挑战。

来自中国科学院长春应用化学所究所的张新波（通讯作者）带领的研究团队设计了一种新型的原位复合与聚合的合成方法，来合成Fe-N掺杂的介孔碳微球（Fe-NMCSs）。这种材料可以协同Fe-N-C的高催化活性和结构微球结构下的快速的质量传输这两者的优点。较传统的Pt/C催化剂，Fe-NMCSs在氧还原反应过程中表现出更佳的电催化活性、选择性及耐受性。

文献链接：Reactive Multifunctional Template-Induced Preparation of Fe-N-Doped Mesoporous Carbon Microspheres Towards Highly Efficient Electrocatalysts for Oxygen Reduction（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201602490）

4、化学所&中国科学院大学—用于高效聚合物太阳能电池的低带隙小分子受主

图4 (a) J–V曲线，(b) 电池的EQE曲线.，(c) 光强度的依赖性，(d) 光电流-有效电压曲线

在过去两年，非富勒烯聚合物太阳能电池的光电性能已经赶超了富勒烯基太阳能电池。由于聚合物施主和低带隙非富勒烯受主的结合可以形成一个低带隙的体异质结，因此，低带隙非富勒烯受主的设计和合成成为了一个热点。

最近，中国科学院化学研究所和中国科学院大学的侯剑辉（通讯作者）课题组设计并合成了一种低带隙的受主材料（IEICO），这种材料由于引入了烷氧基，使得带隙只有1.34 eV。以PBDTTT-E-T作为施主，IEICO材料作为受主的非富勒烯基聚合物太阳能电池的转换效率达到了8.4%，开路电压为0.82V，其串联电池的效率高达10.7%。这种材料为低带隙、非富勒烯基、高开路电压的受主的分子设计提供了可能。

文献链接：Design and Synthesis of a Low Bandgap Small Molecule Acceptor for Efficient Polymer Solar Cells（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201602642）

5、化学所&中国科学院大学—采用“分子结构”和“侧链”工程相结合的高迁移率n型有机半导体

图5 2DQTTs分子示意图

从上世纪末和本世纪初开始，有机半导体材料研究引起了业界的广泛重视，使有机半导体器件的实验室制作水平得到大幅提高，并逐步进入当前的商品发展阶段。“分子结构”和“侧链”工程相是高性能有机半导体的有效设计方法。

中国科学院化学研究所的狄重安（通讯作者）、中国科学院化学研究所和中国科学院大学的朱晓张（通讯作者）等人基于2DQTTs，对分子结构之间的关系、薄膜的微观结构和有机薄膜晶体管（OTFT）的电荷输运特性进行了研究。2DQTT-o-B材料表现出了突出的电子迁移率，这打破了原有材料的记录。

文献连接：Pursuing High-Mobility n-Type Organic Semiconductors by Combination of “Molecule-Framework” and “Side-Chain” Engineering（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201602598）

6、香港城市大学—多功能能量储存与转换设备

图6 四种在聚合材料中进行自我修复的基本方法示例

在智能与相互作用的模式下，多功能能量储存与转换设备具有许多新奇的特点和功能，因而在商业产品中也占有一席之地，如移动电子设备、医疗保健设备、人工智能、电动车、智能家居及太空卫星等。合适的材料、设备设计与性能对能量电子设备的发展都是重要的，能赋予设备多样的智能功能。

香港城市大学的支春义（通讯作者）等最近发表了一篇综述，对目前多功能能量储存与转换设备的重要前沿发展方向与广阔的应用进行论述。具体论述了可自主修复的能量储存与转换设备、电致变色能量储存与转换设备、形状记忆能量储存与转换设备、可用于光电探测的能量储存与转换设备及温敏性能量储存与转换设备这六大类，并进一步介绍了每一大类下的几个重要分支，并对这些设备的发展和应用前景进行了展望。

文献链接：Multifunctional Energy Storage and Conversion Devices（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601928）

7、化学所等—纳米间隙电极的宏量制备及在随机存储器中的应用

图7 纳米间隙电极阵列的制备过程图示

在半导体储存市场，闪存的性能在过去的时间得到很大的提高，但却又在进一步缩小尺寸时带来很多缺点。因此，可替代当前闪存的候选设备要在小尺寸下依然表现高密度的存储。铁电随机存储器（FeRAM）表现出超低的能量消耗和极佳的持久性，是极有前景的随机存储器。但是，FeRAM中的铁电材料在极薄尺寸下会丧失其固有的铁电性。因此，需要选择其他的材料。

中国科学院化学研究所、天津大学、天津化学化工协同创新中心的胡文平（通讯作者）和中国科学院化学研究所的董焕丽（通讯作者）带领研究团队通过结合原子层沉积、粘附与化学腐蚀，制备出纳米间隙电极阵列。这种纳米间隙电极具有单极的非易失性电阻转换储存性，表现出稳定、耐用和多位储存性，在极高密度储存领域表现出很好的应用前景。在电阻转换后，Si导电纤维的形成和分布及Au原子的迁移则是主要的工作机制。

文献链接：Mass Production of Nanogap Electrodes toward Robust Resistive Random Access Memory（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201603124）

8、四川大学&阿卜杜拉国王科技大学—钾-钠铌酸盐无铅陶瓷的优良压电性能

图8 (a)比较压电陶瓷的d33和Tc值，(b)比较KNNS-BZ-BKH、其他无铅材料和PZT材料的d33值，(c)KNN基陶瓷在数年来d33的变革

压电陶瓷在技术发展过程中一直占据着重要的地位，此前，含铅压电陶瓷广泛应用在多种压电设备中，材料中的添加剂不同，也会表现出不同的压电特性。当然，为了减少对环境和人体健康的危害，无铅压电陶瓷的研究才是顺应发展潮流的。

四川大学的吴家刚（通讯作者）和阿卜杜拉国王科技大学的Xixiang Zhang（通讯作者）带领的研究团队报道了一种性能优异的压电陶瓷材料—（1-x-y）K1-WNaWNb1-ZSbZO3-yBaZrO3-xBi0.5K0.5HfO3，压电系数高（d33=570 ± 10 pC/N），是目前所报道的钾-钠铌酸盐基陶瓷中的最高值。高的d33值归因于“纳米尺度的应变域”（1-2nm）和铁电畴壁飞高密度的共存，因此，三元KNN-基陶瓷的应用前景也是巨大的。

文献链接：Superior Piezoelectric Properties in Potassium–Sodium Niobate Lead-Free Ceramics（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601859）

9、国立台湾大学等—小分子施主的异构性对有机光伏性能的影响

图9 (a)antiBTDC和synBTDC的分子结构，(b)分子轨道转变时，能量密度的变化，(c) antiBTDC和synBTDC的晶体堆积结构

在太阳能和电能转换领域，有机光伏电池被广泛研究，较传统的Si基光伏，具有低廉、质轻和柔性的优点。在多种有机材料中，小分子材料由于易于纯化，同时可通过气相技术来进行沉积，因此在有机光伏领域是最有发展前景的。

国立台湾大学、中央研究院的Ken-Tsung Wong（通讯作者）和密歇根大学的Stephen R. Forrest（通讯作者）带领研究团队合成d-a-a’（ Donor - Acceptor - Acceptor’）型结构的小分子施主，并研究其结构异构性对有机光伏设备产生的影响，进一步对材料在有机光伏中结构-性质-性能相互之间的联系进行研究。这个分子包含有anti和syn两种非对称的并苯来作为BTDC的杂环施主，以此来用于研究当有机光伏中混有富勒烯受体时，分子的异构性对有机光伏的性能影响。

文献链接：Regioisomeric Effects of Donor - Acceptor - Acceptor’ Small-Molecule Donors on the Open Circuit Voltage of Organic Photovoltaics（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601957）

10、北京大学—室温下盐酸辅助一步沉积制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池

图10 (a)电池的SEM截面图，(b) J-V曲线，(c)25 s内电流密度和转换效率的变化，(d)电池的外量子效应曲线，(e)大面积电池的J-V曲线

近些年来，钙钛矿太阳能电池的效率已经从3%提升到20%以上，目前最大的难题是电池的稳定性。虽然覆盖一层多孔层或者致密的电荷提取层可以有效地提高其在空气中的稳定性，然而，钙钛矿层本身在空气中还是不稳定的。

最近，北京大学徐东升教授（通讯作者）课题组发明了一种可以在室温下利用盐酸辅助和旋涂的方法制备具有大晶粒、平滑、覆盖率高的钙钛矿薄膜。该薄膜使得钙钛矿太阳能电池的效率达到17.9%并且具有优异的稳定性，在空气中存储30天后效率仍可保持16.9%。这个制备方法由于其简便和制得薄膜的高稳定性有望投入实际应用，并且室温下进行的工艺也有望应用于柔性衬底。

文献链接：Room-Temperature, Hydrochloride-Assisted, One-Step Deposition for Highly Efficient and Air-Stable Perovskite Solar Cells（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601881）

本文由材料人编辑部学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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