顶刊动态｜AEM/Angew/Nano Letters等一周中国学术进展汇总【第54期】

国内周报第54期摘要：华南理工大学通过处理添加剂改善聚合物太阳能电池的形貌和效率；香港科技大学等实现了多组分点击聚合——融合杂环聚合物的简易策略；北京理工大学利用石墨相氮化碳/富氮碳纳米纤维实现高效光催化析氢；北京大学制备出高度均匀的碳纳米管场效应晶体管和中等规模集成电路；厦门大学通过缺陷工程对单个碳纳米管力学性能进行可逆调谐；清华大学制备出带有鱼鳞片状石墨烯传感层的高性能应变传感器可用于人体运动的全方位检测；复旦大学等在锰氧化物纳米圆盘中实现单相态；北京科技大学等总结了用于能源与环境科学的摩擦纳米发电机驱动自供电的电化学过程。

1、Adv. Funct. Mater.：通过处理添加剂改善聚合物太阳能电池的形貌和效率

图1 PBTA-FPh、PBTA-BO和PC71BM的分子结构及器件结构示意图

目前块材异质结（BHJ）聚合物太阳能电池（PSC）已经取得了显著的进步，无论是单结器件还是多结器件其能量转换效率（PCE）都达到甚至超过了10%。

近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的黄飞（通讯作者）和应磊（通讯作者）等人设计并合成了一种新的以苯并二噻吩-苯并三氮唑交替作为主链、侧链上具有极性FPh基团的宽带隙共轭聚合物PBTA-FPh。与具有非极性烷基侧链的原始聚合物PBTA-BO相比，所得到的PBTA FPh在具有相似的光学和电化学带隙时间表现出不太明显的聚集效应。接触角的测量表明，可以通过引入FPH基元增强表面能，这使得当一定量的PBTA-FPh存在时PBTA-BO和PC71BM之间具有更好的相容性。质量比为1：1.2：0.02％的 PBTA-BO：PC71BM：PBTA-FPh的光活性层表现为纤维性的渗滤网络，这一特点已经被透射电子显微镜测量揭示。特别有趣的是聚合物太阳能电池器件光伏性能的显著提高，当器件使用PBTA FPh作为聚合物添加剂处理后其能量转换效率从6.46%提高到了7.91%。这些结果表明，引入侧链中具有极性基团的聚合物添加剂作为供体-受体可作为一种有前途的制备高性能聚合物太阳能电池的策略。

文献链接：Improved Morphology and Efficiency of Polymer Solar Cells by Processing Donor–Acceptor Copolymer Additives （Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601625）

2、Macromolecules：多组分点击聚合——融合杂环聚合物的简易策略

图2 （A）紫外光照射下的二维荧光图案；（B）紫外光照射下的三维荧光图案；（C）日光和紫外光的光照强度 （比例尺：200μm；激光波长：330-385nm）

最近，稠合杂环化合物受到越来越多的关注，科学家们也投入了大量的精力融合不同杂环聚合物。而由于杂环聚合物的复杂结构和繁琐的合成路线等，因此高效合成方法仍稀缺。所以开发简便高效的聚合路线有着重要的意义。

香港科技大学、香港科技大学深圳研究院、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室、华南理工大学-香港科技大学联合实验室的唐本忠院士（通讯作者）和香港科技大学、香港科技大学深圳研究院的Jacky W. Y. Lam（通讯作者）等人开发了一种简单高效的多组分点击聚合路线，可用于构建具有先进功能的融合杂环聚合物。室温下利用碘化亚铜和三甲胺，二炔、二磺酰叠氮和水杨醛或o-羟基苯乙酮之间的聚合反应可以高效且顺利地进行，以很高的产率（高达99%）得到高分子量的聚氨基香豆素（分子量高达64 600）。这种多元点击聚合方法兼具多组分反应和点击反应的优点，如操作简单、高的反应效率和分离收率、反应条件温以及通常基板等。所得聚合物具有优异的成膜性、高的热稳定性以及良好的形态稳定性。将四苯基乙烯发光物嵌入聚合物链中，其溶液荧光会减弱且出现强烈的聚集，这是聚集增强发射的一个典型特征。此外， 通过UV光处理薄膜处理所得到的具有亮膜发射和高灵敏度的聚合物可轻易地制作成分辨率较高的2D和3D图案。

文献链接：Multicomponent Click Polymerization: A Facile Strategy toward Fused Heterocyclic Polymers（Macromolecules，2016，DOI: 10.1021/acs.macromol.6b01217）

3、Angew. Chem. Int. Ed.：石墨相氮化碳/富氮碳纳米纤维实现高效光催化析氢

图3 3D g-C3N4@C的实验制作程序-C3N4@C

通过光催化水制氢实现太阳能向化学能转换被认为是最干净的可再生资源策略，石墨相氮化碳（g-C3N4）由于具有良好的化学稳定性、抗光腐蚀、和独特的电子和光学性质，可以在可见光下将水分解成氢和氧，因此引起了广泛关注。

最近，北京理工大学化学学院的曲良体（通讯作者）等人已成功制备在原位合并富氮碳的介孔C3N4石墨纳米纤维的互联结构。纳米纤维独特的成分和结构以及其组件间的强耦合，赋予了纳米纤维高效捕光性能、高效电荷分离、和多维电子传输路径，从而提高产氢性能。其中所获得的催化剂具有1688μmol/(h*g)的高析氢率并且在420nm没有任何助催化剂情况下有着高达14.3%的显著表观量子效率，该催化剂的高析氢率和显著表观量子效率高于大多数报道的以g-C3N4为基甚至基于Pt助催化剂的光催化剂。这项研究在光电、光催化和光电催化的应用中对设计界面有效紧密连接提供了一个简单的方法。

文献链接：Graphitic Carbon Nitride/Nitrogen-Rich Carbon Nanofibers: Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution without Cocatalysts （Angewandte Chemie International Edition ，2016，DOI:10.1002/anie.201605591）

4、Nano Letters：高度均匀的碳纳米管场效应晶体管和中等规模集成电路

图4 4-bits的碳纳米管加法器

碳纳米管（CNTs）被认为是优秀的构建场效应晶体管（FET）沟道材料，可用于为未来的集成电路（IC），其具有很多令人兴奋的优点，如高速、低功耗以及用于柔性或瞬态电子学的潜力。

近期，北京大学的彭练矛（通讯作者）和张志勇（通讯作者）等人通过碳纳米管（CNT）溶液中获得的CNT网络状薄膜，进而批量制备顶栅p型场效应晶体管（FET）。这一方案展现了高的产率和高均匀性，其具有标准差为34 mV的窄阈值电压分布。根据场效应管的特性，设计了不同的逻辑门和算术门、移相器和D锁存器电路，而且显示了满摆幅输出。特别是，展示了一个由140个p型碳纳米管场效应晶体管组成的4位加法器，其具有与之前报道的基于碳纳米管薄膜的集成电路相比更高的组装密度和低的供电电压，这暗示着基于碳纳米管的集成电路可以达到中等规模。此外还首次实现了2位乘法器。得益于碳纳米管场效应晶体管的高均匀性和合适的阈值电压，所有基于碳纳米管场效应晶体管的电路可以由一个小至2V的单片电压来驱动。

文献链接：Highly Uniform Carbon Nanotube Field-Effect Transistors and Medium Scale Integrated Circuits （Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02046）

5、Nano Letters：通过缺陷工程对单个碳纳米管力学性能进行可逆调谐

图5 碳纳米管谐振腔的缺陷工程

现实世界的碳纳米管（CNTs）不可避免地存在一些结构缺陷，但是通常是不希望出现这些缺陷的，因为他们打破了结构的完美并可能导致碳纳米管性能的大幅退化。另一方面，故意引入缺陷可以提供调节碳纳米管机械性能的可能性。

厦门大学的王鸣生（通讯作者）等人提出了使用原位透射电子显微镜（TEM）实现完全可控的技术来处理缺陷。碳纳米管的杨氏模量、共振的品质因数和抗拉强度是可控的、可逆的并可以反复调节。结构缺陷的并行高分辨率可视化表明性能调节圈的存在主要是由于在原子尺度上缺陷的可逆转换：缺陷来源于电子辐照下的空位和间隙原子的形成，通过电流感应退火间隙和空位发生重组而消失。对于实际运用而言，如可逆的频率调谐碳纳米管谐振器，这种缺陷工程技术被证明是非常精确的；频率可调谐到0.1% /分钟的精度，与现有的方法相比提高了1个数量级。

文献链接：Reversible Tuning of Individual Carbon Nanotube Mechanical Properties via Defect Engineering （Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02287）

6、ACS Nano：带有鱼鳞片状石墨烯传感层的高性能应变传感器用于人体运动的全方位检测

图6 （a）FSG应变传感器制备示意图；（b）FSG应变传感器实物图；FSG应变传感器（c）顶视和（d）横截面SEM图像

在电子皮肤和健康监测系统的潜在应用中，应变传感器由于强伸缩性、广泛监测范围、高灵敏度等特性引起了极大的关注。

最近，清华大学化学系的石高全教授（通讯作者）等人研究了一种具有鱼鳞片状石墨烯传感层的高性能应变传感器。这种应变传感器能够通过拉伸/释放还原氧化石墨烯和弹性带复合薄膜制作，且制作过程具有简单、廉价、节能和可扩展等优点。这种应变传感器可用于检测大形变范围 （高达82%的应变）的拉伸与弯曲，其灵敏度高（应变灵敏度因数为16.2到150）、检测极限很低（<0.1%的应变）并且有着良好的可靠性和稳定性。因此它在全方位检测人体运动的实际应用中引起了极大关注并且有着很好的应用前景。

文献链接：High-Performance Strain Sensors with Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human Motions（ASC Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03813）

7、PNAS：在锰氧化物纳米圆盘中实现单相态

图7 纳米圆盘的形貌及磁结构表征

由于自旋、电荷、轨道和晶格之间的强耦合，不同的电子相往往在强关联材料中共存，这被称为电子相分离（EPS）。电子相分离对材料整体的磁性及输运性质起着至关重要的作用，但对在相分离的临界尺寸之下的材料性质表征却少有研究和报道。

最近，复旦大学应用表面物理国家重点实验室和物理系、人工微结构科学与技术协同创新中心的沈健（通讯作者）和殷立峰（通讯作者）以及路易斯安那州立大学的E. W. Plummer（通讯作者）等人用锰氧化物制备了不同尺寸的纳米圆盘，并在EPS临界尺寸之下的圆盘上观察到了单一的铁磁相，并通过不同磁场和温度下的材料行为探究EPS的形成机制。 这项工作不仅对EPS成因的研究有着重要的借鉴意义，也使今后纳米级别的电子元器件应用有着更多依据和可能性。

文献链接：Emerging single-phase state in small manganite nanodisks （PNAS, 2016, DOI: 10.1073/pnas.1609656113）

8、Adv. Energy Mater.：用于能源与环境科学的摩擦纳米发电机驱动的自供电电化学过程

图8 摩擦电纳米发电机的四种基本模式及相应的器件

自从2012年王的团队发现摩擦纳米发电机（TENG）以来，相继在摩擦纳米发电机的基本机制以及实现自供电系统等方面出现突破。摩擦纳米发电机（TENG）已经在应用于传感器和便携式器件的微尺度的能量收集上显示出许多优势。作为一个自给自足的电源，TENG可以结合电化学反应，设计出自供电的电化学而不使用外部电源。

近期，北京科技大学的王宁（通讯作者）和美国佐治亚理工学院的王中林（通讯作者）等人的一篇review总结了目前TENGs用于高效能量转换和自供电的电化学系统的进展，目前TENGs主要应用于分解水、海水淡化、空气污染净化、降解有机污染物、重金属离子收集以及更多的其他运用。而对于环境科学中的大规模应用而言，不使用外部电源利用TENG进行自供电的电化学系统的理念可能是十分有帮助的。

文献链接：Triboelectric Nanogenerators Driven Self-Powered Electrochemical Processes for Energy and Environmental Science （Advanced Energy Materials，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600665）

以上我们列举的仅为过去一周内（7.28-8.3）我国材料研究最新进展的代表，由于篇幅所限，还有不少国内优秀成果没有列入。整理过程中难免存在疏忽，还望各位读者谅解并诚挚欢迎大家提出意见/建议。

本期周报由国内材料周报小组昝菲、高依飞、房驰和周健撰写，材料牛编辑整理。

材料人网尊重所有进行知识传播的媒体，转载请联系tougao@cailiaoren.com