顶刊动态 | Adv. Mater.:9月材料前沿科研成果十大精选


学术顶级期刊Advanced Materials 2016年9月材料前沿科研成果十大精选新鲜出炉:中科院化学所等—可使聚合物太阳能电池效率超过12%的能量水平调制型小分子电子受体;北航—RuO2/CNT帮助提高Li–O2电池阴极表面Li2O2的产生与沉积;北京大学—CuSCN孔导体和钙钛矿层共沉淀简化钙钛矿太阳能电池制备;中科院化学所—S/(G-GCNs),致力提高Li-S电池的新武器;中科院理化所—半导体光催化中碳量子点的巧妙应用;南开大学—rGO–S复合薄膜—Li-S电池发展的潜力股;中科院深圳先进院—pAl/C—提高双离子电池特性新方案;电子科技大学&国立清华大学—有效催化析氢反应的核-壳状3D多级MoSe2/Mo;中山大学—具高催化活性的八足纳米架诞生;哈尔滨工业大学—具有超弹性和可调泊松比行为的自然干燥石墨烯气凝胶。下面就让我们一起走进曼妙的材料前沿成果吧。

1、中科院化学所等—可使聚合物太阳能电池效率超过12%的能量水平调制型小分子电子受体

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图1 电子受体的结构与性能测试

中科院化学所的侯剑辉(通讯作者)和北卡罗莱纳州立大学的Harald Ade(通讯作者)等人通过在小分子受体强吸电子的端基处(SMAs)进行细微的化学调制,成功实现对SMAs能量水平的调控。对两种新型SMAs(IT-M和IT-DM)的端基,1-1-氰乙烯基处进行甲基修饰,进一步降低了空分子轨道的能量水平,相应的会观测到较高的开路电压。最终聚合物太阳能电池实现12.05%的最高能量转换效率。

文献链接:Energy-Level Modulation of Small-Molecule Electron Acceptors to Achieve over 12% Efficiency in Polymer Solar Cells(Adv. Mater.,2016,DOI: 10.1002/adma.201602776)

2、北航—RuO2/CNT帮助提高Li–O2电池阴极表面Li2O2的产生与沉积

图2 RuO2/CNT的制备及性能表征

北航张瑜(通讯作者)的研究团队等在Adv. Mater.上带来新的研究成果,制备出高稳定,无粘性表面的RuO2/CNT阴极,可极大提高Li-O2电池中表面诱导、溶剂调制、微米级的放电产物Li2O2的产生与沉积。因而显著提高了电池的比容量、过电位和循环寿命。这个研究方向将帮助我们理解阴极表面是如何控制Li-O2的电化学活性。

文献链接:Cathode Surface-Induced, Solvation-Mediated, Micrometer-Sized Li2O2 Cycling for Li–O2 Batteries(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201603454)

3、北京大学—CuSCN孔导体和钙钛矿层共沉淀简化钙钛矿太阳能电池制备

图3 设备结构及能带图

由北京大学化学与分子工程学院刘志伟、卞祖强(共同通讯作者)领导的科研团队,首次在钙钛矿前体处理中采用低成本无机孔导体CuSCN作为孔传输添加剂,并通过一步法直接旋转涂覆CuSCN与MAPbI3-xClx(MA= CH3NH3)的混合前体溶液,成功共沉淀出孔导体和钙钛矿层,从而简化了钙钛矿太阳能电池的制备工艺。并通过参数优化,最终获得最大18.1%的PCE,以及零滞后的J-V曲线。

文献链接:A Strategy to Simplify the Preparation Process of Perovskite Solar Cells by Co-deposition of a Hole-Conductor and a Perovskite Layer(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201603850)

4、中科院化学所—S/(G-GCNs),致力提高Li-S电池的新武器

图4 S/(G-GCNs)复合材料的制备示意图

中科院化学所的郭玉国研究员(通讯作者)等人证实具sp2杂化碳的石墨烯骨架和石墨碳纳米笼(G-GCNs)结构是作为Li-S电池中S的理想宿主体。因其充当了一个高效的电化学纳米反应器和聚硫化物储箱。得到的携带高S含量的S/(G-GCNs)复合材料表现出极佳的高倍率放电性能(5 C下765 mA h g-1)及超过1000次的长循环寿命。

文献链接:Sulfur Encapsulated in Graphitic Carbon Nanocages for High-Rate and Long-Cycle Lithium–Sulfur Batteries(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201602913)

5、中科院理化所—半导体光催化中碳量子点的巧妙应用

图5 CDs在多种光催化领域的应用

近年来,碳量子点(CDs)在作为新一代非金属光催化剂展现了其无限潜力,表现出类半导体的光电性。因其合成简单、结构特殊、成分可控、表面易功能化、优异的电子传输效率及可调节的光吸收频率等优点,在多种光电化学和光催化领域表现出极佳的性能。近期,中科院理化所张铁锐(通讯作者)等人在Adv. Mater.上发表综述,介绍了CDs基的光催化剂的合理设计及在光催化环境修复、水解离、CO2还原及有机合成等方面的最新进展。

文献链接:Smart Utilization of Carbon Dots in Semiconductor Photocatalysis(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201602581)

6、南开大学—rGO–S复合薄膜—Li-S电池发展的潜力股

图6 rGO–S复合薄膜的制备及表征图示

南开大学的牛志强(通讯作者)等人同步的在金属表面还原并组装GO薄片和S纳米颗粒,制备出柔性的还原氧化石墨烯-硫(rGO–S)复合薄膜。这种复合薄膜的纳米结构不仅为电子传输提供了有效的通道,而且还抑制了聚硫化物的扩散。进一步的,rGO–S复合薄膜可作为柔性Li-S电池的阴极材料并在该领域大展身手。

文献链接:Reduced Graphene Oxide–Sulfur Composite for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries with Unconventional Configurations(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201602262)

7、中科院深圳先进院—pAl/C—提高双离子电池特性新方案

图7 pAl/C阳极材料的制备图示

中科院深圳先进院唐永炳(通讯作者)带领的研究团队制备出具碳层包覆的3D多孔Al箔(pAl/C),可用作双离子电池(DIB)的阳极和集流器。构成的pAl/C-石墨DIB经测试表现出优异的循环稳定性和高倍率特性,在2C,超过3.0-4.95V的电压范围内,经1000次循环后,依然表现出较高的可逆容量,达到93 mAh g-1。另外,在3084W kg-1的大功率密度下,这种DIB可达到大约204 mAh g-1的能量密度。

文献链接:Carbon-Coated Porous Aluminum Foil Anode for High-Rate, Long-Term Cycling Stability, and High Energy Density Dual-Ion Batteries(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201603735)

8、电子科技大学&国立清华大学—有效催化析氢反应的核-壳状3D多级MoSe2/Mo

图8 核-壳状3D多级MoSe2/Mo的制备及在析氢反应中电荷转换图示

电子科技大学的王志明教授(通讯作者)和国立清华大学闕郁倫(通讯作者)带领研究团队首次制备出核-壳状3D多级的MoSe2/Mo纳米结构,这是在3D杂化Mo纳米结构基础上,通过低温等离子辅助的硒化过程,并利用掠射角沉积系统控制形貌生长获得材料。这种材料在催化析氢反应表现出优异的催化活性,从而推动清洁能源的发展。

文献链接:Wafer Scale Phase-Engineered 1T- and 2H-MoSe2/Mo Core–Shell 3D-Hierarchical Nanostructures toward Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201602697)

9、中山大学—具高催化活性的八足纳米架诞生

图9 OFAs制备结构图示

中山大学沈培康教授(通讯作者)的研究团队通过温和的一步合成法,合成了由3D催化表面及多活性面组成原子尺度的八足纳米架结构(OFA)。基于一定的原料配比和通用的手段,合成了复杂的纳米架。所合成的PtCu OFAs在氧还原反应中表现出出乎意料的高活性及稳定性,并且可以按比例提高其质量。

文献链接:Atomic-Scale Preparation of Octopod Nanoframes with High-Index Facets as Highly Active and Stable Catalysts(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201601687)

10、哈尔滨工业大学—具有超弹性和可调泊松比行为的自然干燥石墨烯气凝胶

图10 石墨烯气凝胶制备及性能表征

哈尔滨工业大学的徐翔(通讯作者)和李惠教授(通讯作者)等人通过加强样品初始框架的刚度和减少溶剂蒸发毛细管压力,使制备过程中不发生明显的体积收缩或结构开裂,从而实现石墨烯气凝胶自然干燥。得到的自然干燥石墨烯气凝胶(NDGA)表现出了优良的性能,包括超大可逆压缩率(99%)、高的电导率(≈1.3S•cm-1)、低的热导率(0.018Wm-1 K-1)和大范围的可调泊松比行为(−0.3<μ<0.46)。这种廉价、高效、简单、大规模的制备方法,将扩大高性能石墨烯气凝胶(GA)的商业化生产,并进一步推动石墨烯材料在软驱动器、柔性电子器件、传感器、药物释放、热绝缘体及防护材料等方面的应用。

文献链接:Naturally Dried Graphene Aerogels with Superelasticity and Tunable Poisson's Ratio(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201603079)

以上列举的仅为Adv. Mater. 期刊9月份材料前沿科研成果的代表,由于篇幅所限,还有不少优秀成果没有列入。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宝贵的意见/建议。

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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