无触碰操作、数据传输、光照充电……“科幻”级手机屏从此起步?

短短十数年时间,手机显示屏已经多次更新换代,从黑白到彩色,从纯显示到触控操作。配合着更强大的处理器、更快的通信网络以及更多的应用服务,智能手机几乎变成了生活的一部分。不过,如果说手机显示屏无需触碰就能操作,两台手机无需网络、WIFI、数据线、蓝牙……通过屏幕就可传输数据,没电时把屏幕对着光就能充电,你心里肯定以为是在讲科幻电影的情节。呃……其实你是对的,到目前为止还没有如此强大的显示屏,但是,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的Nuri Oh和Moonsub Shim等科学家近期在Science 上报道的双功能发光二极管(LEDs),让这些科幻情节有机会在不远的未来成为现实。图片来源:ScienceLEDs作为照明元件在节能灯泡和显示屏中应用相当广泛。Shim和Oh等人巧妙的把LEDs和光响应联系起来,他们利用量子点技术,设计了“双异质结”胶体半导体纳米棒,在一个LED器件中实现电致发光和基于光伏响应产生光电流两个功能,让LEDs既能发光又能检测和吸收光。Nuri Oh博士(左)和Moonsub Shim教授。图片来源:UIUC为LEDs增加一个功能,看似不怎么起眼,但这种双功能LEDs却是一系列高端功能的基础,比如显示屏的无触碰操作、屏间数据传输、以及光照充电等。视频来源:Science这里先来看一看双异质结纳米棒(Double heterojunction nanorods,DHNRs)的结构。纳米棒由CdS/CdSe组成,外层包裹一层ZnSe,形成核/壳结构,有助于提高发光效率。制备采用的是该课题组之前报道的“诱导刻蚀”法(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 10444-10451)。双异质结纳米棒光响应LEDs。图片来源:Science“诱导刻蚀”制备纳米棒。图片来源:JACS由这种纳米棒制成的LEDs不但具有高效的电致发光性能,同时还拥有光伏响应特征。在光照条件下,LEDs接受光信号,并做出响应。研究者将其做成10×10的阵列,展示了对蓝色激光笔的光响应(下图)。双功能LED阵列的光响应。图片来源:Science双功能是具备了,再来看看LEDs的响应时间。测试结果表明,LEDs从电致发光到熄灭只有约0.8微秒,比当前商业用的LCD液晶显示器的响应速度(2毫秒左右)快了三个数量级。同时,光探测器模式下的LEDs,响应时间也控制在了微秒范围之内,光电流产生和消失的时间分别为约6.5微秒和约6.6微秒。双功能LEDs的快速响应意义重大,通过施以亚毫秒时间尺度的交替正向和反向偏压,器件就可以在两个功能模式间快速转换,而这种快速转换对人眼来说根本无法察觉(这种频率下,人眼看到的就是“连续”发光),也就“同时”实现了检测信号和发光两个功能。双功能DHNR-LEDs的瞬间响应测试。图片来源:Science研究者将这种双功能LEDs应用于一个简单的控制电路,可以将检测到的光信号转换成所需的响应,比如根据环境亮度变化自动调节LED亮度(下图A),以及通过感应靠近的手指所造成的周围环境光线的遮挡而实现非接触操控(下图B)。光响应控制。图片来源:Science实事求是的说,这一工作还只是处于“概念验证”阶段,距离实际大规模应用还差很远。不过,从砖头一样只有少数人才能拥有的“大哥大”,到如今满大街的高清屏智能手机,之间的距离也不过短短二三十年。手机屏的未来,谁又说得清呢?原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Double-heterojunction nanorod light-responsive LEDs for display applicationsScience, 2017, 355, 616-619, DOI: 10.1126/science.aal2038(本文由小希供稿)X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

油滴的水中“自由泳”

通过外界化学或物理刺激实现微液体/固体颗粒的可控定向移动,在探针、传感和物质传输等诸多领域展现出巨大的应用前景,近年来引起科学家们极大的研究热情。借助不同形式的外界刺激能够实现微液滴的可控运动,从而模拟生物体行为执行简单的工作任务。目前,液滴的运动模式已能够通过调节体系的组成、物理/化学刺激等因素进行调控;但实现微液滴的精确可控运动仍然是一项挑战性工作。光响应性材料能够可逆的改变其不同状态(固体颗粒、水滴及油滴)下的表面性质,借助该类智能材料极有望实现微液滴的精确可控运动。目前,在光驱动液滴运输方面人们已经取得了诸多出色的研究成果,例如,法国Baigl博士及其合作者借助阳离子型表面活性剂中偶氮苯基团的光异构化,实现了水面毫米级油滴的可控移动(Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 9281-9284);日本的Sugawara教授研究团队借助油滴的光分解反应实现了水相中微米级油滴的趋光性运动(ChemPhysChem, 2016, 17, 2300-2303)。但是,上述诸研究成果中的微液滴趋光性运动皆是基于光照条件下体系处于平衡状态下实现的。目前,尚未见体系非平衡态下自推进趋光性运动的相关报道。毫米级油滴在水面的光控移动。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.近日,日本庆应大学的Taisuke Banno研究团队基于液滴表面界面张力的异质性引发马朗戈尼效应驱动液滴,实现了微液滴非平衡状态下的自驱动趋光性。研究人员在阳离子型双子表面活性剂分子结构中引入偶氮苯作为连接基团(CnAzo,如下图)制备了新型光响应性表面活性剂。通过将其加入到含有N-十六烷基-N,N,N-三甲基溴化铵(C16TAB)表面活性剂的乳液体系中,探究混合表面活性剂乳液体系中偶氮苯基团的顺反异构化反应引发油水界面张力变化在微液滴趋光性运动中的作用。CnAzo异构化示意图和C16TAB结构示意图。图片来源:Chem. Commun.研究人员借助相衬显微镜观察油滴(n-Heptyloxybenzaldehyde, HBA)在混合表面活性剂乳液(30 mM C16TAB, 10 mM C8Azo)中的运动轨迹。当对乳液体系进行UV光(950 mW/cm2)照射时,静止状态的HBA液滴瞬时呈现出远离光源的负趋光性行为(6 s),随后进一步呈随机运动(60 s);而当HBA液滴处于快速运动状态时,UV光照后其运动轨迹则呈现随机性。研究人员在HBA液滴运动过程中观察到了液滴内部的对流流动,表明液滴的局部运动驱动力来源于马朗戈尼效应。室温下HBA液滴UV照射下的负趋光性运动。图片来源:Chem. Commun.研究人员通过1H NMR对UV光照下混合乳液中C8Azo的偶氮苯顺反异构速率进行了表征,结果表明在1 min内偶氮苯基团的顺反异构转换超过50%。对UV光照条件下油水界面的界面张力进行测定,结果显示:光照瞬间,体系的界面张力瞬时增加,而后随着光照的进行界面张力又迅速降低,并在光照2 min左右达到最小值。这是因为偶氮苯基团顺反异构态的分子尺寸不同,当进行UV照射时,偶氮基团从大尺寸的trans转变为尺寸相对较小的cis状态时,油水相的接触面积瞬时增大,导致界面的张力的瞬时增大;而后由于cis异构体的界面张力活性高于trans异构态,所以体系的界面张力随后逐渐降低直至达到平衡状态。UV光照下偶氮基团的顺反异构速率测定及其对界面张力的影响。图片来源:Chem. Commun.随后研究人员进一步对HBA液滴的动力学与UV光照强度及表面活性剂浓度等因素之间的关系进行了系统的考察。结果表明HBA液滴混合乳液体系对不同光强、液滴尺寸及表面活性剂浓度未呈现出明显的趋光性差别。基于上述实验结果研究人员将HBA液滴混合表面活性剂乳液体系中负趋光性运行归因于界面张力不平衡引起的马朗戈尼效应。最后研究人员对液滴的反趋光性运动机理进行了探究:由于偶氮苯基团的强吸光性导致液滴表面和底面的偶氮顺反异构速率不同,从而导致液滴表面的界面张力呈现非平衡态,导致液滴的光驱运动。HBA液滴UV光照负趋光性自运动的机理示意图。图片来源:Chem. Commun.—— 总结 ——该研究首次采用光响应性表面活性进行微米级油滴的非平衡态趋光性运动研究。基于光响应性表面活性剂中偶氮苯基团的光引发顺反异构反应导致油滴表面界面张力的异质性,实现了油滴的可控运动。该滴体系具有灵敏的趋光性,能够在0.5 s内实现运动方向的转变,因此在微颗粒/液滴排列组装和传输方面具有巨大的应用前景。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Phototactic Behavior of Self-Propelled Micrometer-Sized Oil droplets in a Surfactant SolutionChem. Commun., 2017, 53, 2237-2240, DOI: 10.1039/C6CC09236E(本文由甲子湖供稿)

高性能卟啉类电子受体材料在有机太阳能电池中的应用

卟啉分子在生物界担任重要的角色。比如在植物的光合作用中起关键作用的叶绿素a 分子的功能骨架就是卟啉环中央结合着1个镁原子,叶绿素a吸收太阳光光子通过一系列复杂的电荷转移过程将太阳能转化为化学能。这表明卟啉衍生物具有半导体性质,可以作为有机半导体应用于有机光电器件中。卟啉具有大的π共轭平面,分子间强的π-π作用使得卟啉具有优异的结晶性,通过自组装可以形成有序的堆叠结构,这对于该类材料在有机场效应晶体管中的电荷传输非常有利。此外,卟啉在可见光的蓝光区域(S带)和红光区域(Q带)有非常强的吸收,合理利用电子推-拉效应构建给受体结构可以实现卟啉分子的近红外吸收。这些优异性质使卟啉在光伏器件中得到广泛应用。在本体异质结型有机太阳能电池中,卟啉作为给体材料已经取得8%的光电转换效率。然而,目前卟啉类受体材料的性能却不尽如人意,此前的研究报道表明“卟啉-富勒烯”的受体材料可以获得3.3%的光电转化效率。2014年首次报道了卟啉类非富勒烯受体材料“卟啉-异靛蓝”,获得0.57%的光电转化效率。因此,实现高性能的卟啉类非富勒烯受体材料是一项有挑战的任务。近日,中国科学院化学研究所李韦伟研究员与王朝晖研究员、国家纳米科学中心的魏志祥研究员合作,设计并合成了以卟啉为核心、苝酰亚胺为端基、乙炔为桥联基团的星型分子,拓展了其在有机太阳能电池中的应用。该分子作为非富勒烯受体,利用卟啉分子的优势,拓宽了苝酰亚胺分子的光谱吸收,从以往的500-600 nm的吸收,拓宽到800 nm 以上。这使得该材料在匹配给体材料方面有了更多的选择。宽吸收范围也为提高太阳能电池性能打下基础。当与给体共轭高分子PBDB-T共混所制备太阳能电池时,短路电流密度达到14.5 mA cm-2,光电转化效率高达到7.4 %。这在以卟啉为核的非富勒烯受体分子中尚属首次。这表明卟啉分子在构建近红外光谱响应的非富勒烯受体方面有着广阔的前景。图为新型卟啉类受体材料的化学结构、吸收、结晶性、有机光伏性能以及封面该研究成果以Very Important Paper和封面的形式发表在Angewandte Chemie International Edition上(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612090.),第一作者为中国科学院化学研究所博士研究生张安东。该论文作者为:Andong Zhang, Cheng Li, Fan Yang, Jianqi Zhang, Zhaohui Wang, Zhixiang Wei, Weiwei Li原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):An Electron Acceptor with Porphyrin and Perylene Bisimides for Efficient Non-Fullerene Solar CellsAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612090李韦伟研究员简介李韦伟2005年毕业于中国科学技术大学,2010年于中国科学院化学研究所获得博士学位,2010 – 2011年和2011 – 2014年在加拿大阿尔伯达大学和荷兰埃因霍温理工大学从事博士后研究。2015年入选中组部“第十一批”青年千人计划。2015年起任中国科学院化学研究所研究员,博士生导师。研究组的研究兴趣是有机半导体材料及其光电器件,尤其是近红外共轭材料的设计、合成及其在有机场效应晶体管和有机太阳能电池方面的应用。详细介绍参见课题组主页http://liweiwei.iccas.ac.cn/X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

从内部功能化胶体体

胶体体(Colloidosomes)是指由胶体粒子为结构基元构筑成的微胶囊。胶体体的制备一般是通过胶体粒子在乳液液滴表面自组装而完成的。这类特别的空心材料具有多孔的外壳和功能化的结构基元,使其在生物医药、细胞移植、功能食品以及石油工业方面有着广泛的应用前景。长久以来,人们在制备不同功能胶体体的时候往往有一个固有的思路,那就是采用相应功能的胶体粒子基元构筑胶体体的外壳,很少有人尝试设计将相应功能材料引入胶体体的空腔之内。目前合成胶体体主要依靠软模板法,一般是通过胶体粒子在乳液液滴表面组装交联制备而成。软模板法不但不易控制所制备的胶体体的形貌、大小和均匀性,而且更难以向胶体体的空腔内引入功能材料形成多功能复合材料。硬模板法无疑是将功能材料颗粒引入核/壳结构的有效方法。然而,将单层胶体粒子构成的外壳包覆在各种不同类型的功能材料颗粒表面是很难办到的。复合胶束可以做为纳米结构基元通过协同自组装过程形成有序介孔材料。最近,通过嵌段共聚物/聚多巴胺球状复合胶束的自组装,一种新颖的介孔聚多巴胺纳米球被合成出来。具有酚羟基和氨基的多巴胺分子可以有效地吸附在各类有机和无机材料表面,因此聚多巴胺复合胶束也应该具有有效包覆各类功能材料颗粒的能力。新加坡南洋理工大学的楼雄文(点击查看介绍)教授团队提出了一种通用方法,可以将不同的功能材料颗粒引入到单层聚多巴胺复合胶束组成的薄膜中,而且这些聚多巴胺复合胶束基元可以被进一步热解生成均匀的纳米碳空心球。实验表明包括氧化硅、氧化铁、氧化硅/氧化钛复合材料、金属有机骨架纳米晶、聚合物球以及氧化石墨烯纳米片等一系列具有不同组成、结构和表面性能的功能材料都可以被包覆而形成胶体体复合材料。这种通用方法为合成具有功能核心的胶体体复合材料提供了新思路。图1.(a)合成示意图,扫描电镜和透射电镜照片:(b,e) SiO2@C胶体体复合材料,(c,f) Fe2O3@C胶体体复合材料,(d,g) SiO2@TiO2@C胶体体复合材料,(h) MOF@PDA胶体体复合材料的热解产物,(i) PS@PDA 胶体体复合材料的热解产物, 以及(j) GO@C胶体体复合材料。这一成果近期发表在《Advanced Materials》上,第一作者是南洋理工大学博士后关卜源博士,通讯作者是楼雄文教授。该论文作者为:Bu Yuan Guan, Le Yu, and Xiong Wen (David) Lou*原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Chemically Assisted Formation of Monolayer Colloidosomes on Functional ParticlesAdvanced Materials, 2016, 28, 9596-9601, DOI: 10.1002/adma.201603622导师介绍楼雄文http://www.x-mol.com/university/faculty/35053X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

大总结:高效有机小分子太阳能电池的最新进展

近十年来,有机体异质结太阳能电池得到了迅猛发展,整个领域的最高的认证光电转换效率已逼近13%。其中,单层电池器件效率从5%提高到认证效率11.6%(Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602776),叠层电池的认证效率已经达到12.7%(Nat. Photon., 2017, DOI: 10.1038/nphoton.2016.240)。然而科学家们还需要努力进一步提高效率,并改善器件的稳定性,以促进有机光伏器件的商业化应用。目前已经报道了各种各样的分子主链结构,效率也已经达到10%。与聚合物给体相比,小分子具有许多明显的优点,例如结构确定、易提纯、无批次差别等。此外小分子也避免了链以及链端缺陷。在最近五年中,科学工作者们发表了数百篇关于可溶液加工的小分子太阳能电池的论文,涉及合成、器件设计等,光电转换效率也得到了成倍的提高。作为对过去几年科研成果的回顾,最近加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的Thuc-Quyen Nguyen教授分别从分子结构、薄膜形貌、工作机制以及器件物理等方面对高效小分子给体体系做了详细的总结,并在目前的理解基础上,指出现阶段提高效率所面临的挑战,并对该领域的进一步做出了展望。Thuc-Quyen Nguyen教授。图片来源:Adv. Energy Mater.以光电转换效率9%为分界线,总体进展为:南开大学最先报道了一系列基于BDT为核或者联噻吩为核、同染料为端基的小分子给体材料,效率首先突破9%(Nat. Photon., 2014, DOI: 10.1038/nphoton.2014.269),随后华南理工大学报道了一系列宽吸收的卟啉材料,效率超过9%(Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201505645),随后国家纳米中心报道了以双氟代BT为核的小分子材料,效率超过9%(Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201600512),之后北京理工大学报道了IDT为核的小分子,效率也超过9%(J. Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b03495)。当然也有不少工作根据上述小分子结构进行化学微调,也获得了较高的效率。要想获得高效的小分子太阳能电池,除了要精心设计分子主链结构外,优化体异质结中薄膜的形貌也是至关重要的。一般的测试手段包括AFM、GIWAXS、TEM等。为了获得较高质量的薄膜,常用的加工控制手段包括TA(热处理)、SVA(溶剂退火)、添加剂等。活性层BDT2:PC71BM的形貌以及效率示意图(其中a和b是AFM;c是TEM;d和e是GIWAXS;f是J-V曲线)。图片来源:Adv. Energy Mater.DTS(PTTh2)2: PC71BM薄膜连续相示意图。图片来源:Adv. Energy Mater.从已报道的成果可以看出,高效的小分子一般具有平面的二维的结构,并能够聚集或者自组装成具有合适尺寸的相分离形貌,以实现电荷的有效分离和传输。桥原子对分子结构的重要性。图片来源:Adv. Energy Mater.基于对小分子给体材料的理解,作者提出了小分子太阳能电池未来研究所需要注重的方向,简述如下:(1)处理好化学结构以及形貌优化之间的关系;(2)液晶以及类液晶有序性促进的自组装在提高电荷传输、减小复合中的作用;(3)开发新型高效非富勒烯受体;(4)高效小分子混合薄膜器件物理更深层次的理解;(5)设计并提高器件的稳定性,以实现商业化生产。这篇共46页的综述内容很多,推荐相关领域的同仁仔细阅读。不过,要想实现有机太阳能电池的终极目标——商业化生产,科研工作者们还要继续努力,效率突破15%,才能够使有机太阳能电池有机会造福人类,帮助解决人类面临的能源危机。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Small is Powerful: Recent Progress in Solution-Processed Small Molecule Solar CellsAdv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201602242(本文由科研小顽童供稿)X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

仿生壁虎:光控制附着体系

壁虎能够“飞檐走壁”,得益于脚掌上凹凸的褶皱结构。该结构由数以万计的小刚毛构成,每根刚毛的长度约为30~130微米,直径只有数微米,约为人类头发直径的十分之一。曾有报道称,一只大守宫壁虎脚掌上的刚毛数量约为600万根,可产生高达1300牛顿(~133 kg)的附着力,理论上可承担两个普通成年人的重量(Nature, 2000, 405, 681-685)。壁虎脚上的刚毛结构及拉力测试实验,图片来源:Nature近日,受到壁虎的灵感启发,德国基尔大学的Emre Kizilkan、Anne Staubitz和Stanislav N. Gorb等人使用偶氮苯类有机物设计出一种新型的光调控微结构输送装置(BIPMTD)。在紫外光的照射下,它呈现卷曲的分子结构,可以脱离物体表面;一旦关闭光照,该装置又能恢复原状,通过范德华力牢牢地粘附在物体上。研究者在新出炉的Science子刊——Science Robotics杂志上发表了他们的研究成果。图片来源:Science Robotics先来介绍一下偶氮苯。偶氮苯基团具有热力学稳定的反式结构(trans)和亚稳定的顺式结构(cis)两种异构体。在320-380 nm波长的紫外光照射下,偶氮苯基团从反式状态转变为顺式状态(trans→cis);在420-480 nm波长的可见光照射或者加热条件下,热力学亚稳态的顺式结构又会转变为反式构态(cis→trans);整个异构化过程循环可逆。偶氮苯基团顺反异构示意图。图片来源:Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 1809-1825因此,作为光敏材料,偶氮苯类化合物在光软化、光愈合、光致形变以及模拟肌肉、光驱动机器人等领域有着广泛的应用前景。例如有研究者制作了光控制的“弹簧”。图片来源:Nature Chem., 2014, 6, 229-235德国基尔大学发明的装置(BIPMTD)具有三层结构:最上层是蘑菇状的聚甲基硅氧烷橡胶层,起到粘性作用;中间层是偶氮苯类液晶弹性体;最下层也是聚甲基硅氧烷,起到密封作用。BIPMTD的三层结构。图片来源:Science Robotics打开紫外光源开关时,可以观察到装置的弯曲,并测量出粘附力的改变。当关闭紫外光时,装置恢复原状。研究人员提供了一种简便的光控粘结装置,可应用于不同尺寸的平面和非平面物体的运输。紫外光控制BIPMTD装置。图片来源:Science Robotics原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Bioinspired photocontrollable microstructured transport deviceScience Robotics, 2017, 2, DOI: 10.1126/scirobotics.aak9454【小八卦后记】仿生学一直是研究者灵感的重要源泉,仅就模仿壁虎来说,从爬墙机器人到NASA的太空壁虎爪,都纷纷被媒体报道。这其中还有一个更有意思的,加州理工学院工程师Anthony Roy博士受壁虎的启发,设计了无肩带文胸。文胸的四周自带微小的吸盘,能够直接贴在皮肤上,对皮肤无毒无害,还可以反复使用。据说,他产生这个想法是在几年前一个晚上,他当时的女友晚上想要穿一件无肩上装出去,却哀叹于没有一条无肩带的胸罩,“她说她可不想整晚都不停地往上扯胸罩”。作为一枚忠实的男友(现已沦为丈夫),Roy决定用他的工程背景为Kellie设计一条无肩带文胸。爱情事业双丰收的理工男典范呀~~~~~~~(本文由小希供稿)X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

新型金属锂负极保护层——聚二甲基硅氧烷薄膜

在锂电池材料中,金属锂负极因为其极高的理论容量被誉为负极材料中“圣杯”,但由于其循环中严重的枝晶等问题限制了其应用发展。近日,南京大学的朱嘉(点击查看介绍)教授团队首次提出将聚二甲基硅氧烷薄膜用于保护金属锂负极的界面,极大地提高了其循环性能。过去的几十年间,广泛应用于电子便携设备中(如手机、笔记本等)的锂离子电池由于其较高的能量密度等优点逐渐成为存储领域中的“明星”。但随着电动汽车的快速发展,研究并开发更高性能的锂电池材料显得尤为关键。金属锂负极拥有极高的理论容量(3860 mAh/g),较低的密度和电位等良好的特性,使得金属锂负极成为极具前景的锂电池负极材料。然而,由于金属锂循环中会导致大量锂枝晶的生成,带来极大的安全隐患;此外金属锂负极在循环中与电解液的副反应生成固态电解质界面(SEI),由于金属锂体积的无规则的巨大变化导致此界面极其不稳定,降低了电池效率。这些问题成为了金属锂电池商业化道路上的巨大阻碍。对于这些问题,过去很多研究组提出了多种纳米结构的保护层来稳定金属锂和电解质之间的界面,从而希望提高其循环性能。试验表面,一些界面保护层确实提高了金属锂电池的循环性能,但是这些保护层的复杂合成工艺使得规模化生产成本过高,而且工艺的重复性不是很好;此外一些界面保护层所使用的材料具有较高化学活性,易与一些新型电解液发生副反应。最近南京大学朱嘉教授课题组首次提出了以常见的价格低廉的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为金属锂负极保护层。整个合成过程只包含简便的旋涂和酸处理工艺即可制备获得多孔的不同厚度PDMS 薄膜。值得注意的是,其中酸处理得到的纳米孔洞给循环中的锂离子提供了通道;由于PDMS导电性很差,所以锂并不会沉积在其表面,而是沉积在PDMS薄膜下面的电极上,PDMS很好地分隔开了金属锂和电解质,稳定了界面,抑制锂枝晶的生长。众所周知PDMS具有极好的化学惰性,所以其与各种电解液都不发生副反应,从而可以与多种电解液兼容使用。经过PDMS保护的金属锂负极,在半电池测试中200次的循环库仑效率稳定在95%左右(普通锂离子电池电解液);而使用新型的电解液,效率可以提高至98.5%;在以磷酸铁锂为正极的全电池测试中,100圈的循环后磷酸铁锂的容量仍然保持在140 mAh/g 以上,库伦效率维持在99.8%左右。该工作不仅提出了一种新型的金属锂负极界面保护层,提高了其循环性能,而且由于其简便的合成工艺和低廉的材料成本为金属锂负极的规模化生产提供了新思路。这一成果近期发表在《Advanced Materials》上,文章的第一作者是南京大学博士研究生朱斌。该论文作者为:Bin Zhu, Yan Jin, Xiaozhen Hu, Qinghui Zheng, Su Zhang, Qianjin Wang, and Jia Zhu 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Poly(dimethylsiloxane) Thin Film as a Stable Interfacial Layer for High-Performance Lithium-Metal Battery AnodesAdv.Mater., 2017, 29,1603755, DOI: 10.1002/adma.201603755导师介绍朱嘉http://www.x-mol.com/university/faculty/22073X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

Adv. Mater.:含氟苯受体单元的高性能D-A共轭聚合物

作为集成电路的基础,晶体管是20世纪的一项伟大发明。自从1986年报道了聚噻吩的第一个有机薄膜场效应晶体管后,有机场效应晶体管(OFET)引起了科学家们的研究兴趣。与无机场效应晶体管相比,有机场效应晶体管加工工艺简单,具有柔性和较大面积,并且薄膜的成膜技术多样化,可以加工成很小尺寸的器件;此外,科学家们还可以容易地通过修饰有机分子的结构来改善有机场效应晶体管的器件性能。主链中含有D-A结构的共轭聚合物在有机场效应晶体管中得到了科学家们广泛的研究和应用,给受体间不对称的电子分布诱发的偶极-偶极相互作用被看作是控制相邻分子主链取向的驱动力,并且有利于电子耦合以及电荷载流子的迁移。在以往报道的高效有机场效应晶体管聚合物中,一般包含具有很强吸电子能力的受体单元,例如DPP、IDG、BT等。这类D-A型的聚合物一般表现出双极性的电荷传输,对于制备双传输晶体管是有利的。但是在单极性晶体管的发展中,却面临着很大的挑战。一般来说,具有较浅LUMO能级的化学结构有增高的电子注入势垒,从而有利于实现P型传输。最近,加州大学圣巴巴拉分校的Guillermo C. Bazan(点击查看介绍)课题组报道了三个新型的结构简单的宽带隙聚合物(图1),并将它们应用到有机场效应晶体管中,研究受体单元的电子亲和力和电子注入能力与空穴迁移率的关系。图1. 聚合物结构示意图。图片来源:Adv. Mater.已报道研究过的聚合物CDTBTZ、聚合物PCDTPT、聚合物PDF以及聚合物P2F都具有较高的迁移率,其中具有强吸电子能力的BT、PT、氟代BT使得最终聚合物表现出低于-3.5 eV的LUMO能级,并能在有机场效应晶体管中实现电子的注入。在本文中作者通过引入苯合成了PhF0,通过单氟苯取代以及双氟苯取代得到了PhF1、PhF2,5(图1),研究了不同氟原子个数对最终材料性能以及器件效率的影响。作者通过CAM-B3LYP/6-31G(d,p)理论计算得到的模拟分子结构如图2所示,其中PhF2,5具有较PhF0和PhF1更好的平面主链结构,因此会导致更好的链与链的堆积。图2. 简单低聚物的优化结构a) PhF0,b) PhF1,c) PhF2,5。图片来源:Adv. Mater.作者还测试了不同温度下聚合物PhF0,PhF1和PhF2,5溶液状态下的吸收,发现聚合物在溶液状态下表现出一定的聚集,并且聚合物PhF2,5的链聚集驱动力比其他两个聚合物要大。图3. 聚合物PhF0,PhF1和PhF2,5在溶液以及薄膜状态下的UV-vis吸收谱图。图片来源:Adv. Mater.作者制备的有机场效应晶体管器件结构为:聚合物/Au/SAM/SiO2/Si(掺杂),OFET的输出曲线以及传输曲线见图4,其中(a)/(b)、(c)/(d)分别为没有热处理的PhF0、PhF1;(e) 200 ℃下热处理的PhF2,5 (Mn ≈ 68 kDa);(f) 200 ℃下热处理的PhF2,5 (Mn ≈ 68 kDa)(实线),PhF2,5-LM (Mn ≈ 21 kDa)(虚线)。图4. OFET输出曲线以及传输曲线。图片来源:Adv. Mater.最终器件的空穴迁移率,开关比以及阈电压见表1。此外作者还通过GIWAXS测试发现PhF2,5具有最有序的薄膜聚集状态。表1. OFET器件的平均空穴迁移率,开关比以及阈电压。图片来源:Adv. Mater.总之,在本文中作者合成了宽带隙、更浅LUMO能级的聚合物,很好的实现了电子阻挡,实现了单空穴传输。这种设计策略可以用来设计出更多更优秀的材料,实现有机光电子领域更好的发展。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Hole Mobility and Electron Injection Properties of D-A Conjugated Copolymers with Fluorinated Phenylene Acceptor UnitsAdv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201603830导师介绍Guillermo C. Bazanhttp://www.x-mol.com/university/faculty/476(本文由科研趣生供稿)X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

石墨相C3N4的化学剪裁:可逆自组装与选择性吸脱附应用

碳材料的成键方式和几何结构对其性质有着重要的影响。石墨相氮化碳(C3N4)可看成是一种N原子有序替代石墨中C原子的二维层状材料,具有优良的半导体特性,已被广泛应用于人工光合成和基于光/电信号转换的分析传感等领域。然而,体相C3N4材料微米级的尺寸、较惰性的界面性质以及在大多数溶剂中难以溶解和分散的性质,限制了其在更广阔领域中的应用。图1. 体相氮化碳(C3N4)化学剪裁示意图(a),在碱性溶液中剪裁前(b)后(c)的透射电镜图。图片来源:ACS Nano近期,东南大学张袁健教授(点击查看介绍)课题组提出通过水解的方法制备了表面修饰的氮化碳纳米纤维。由于具有较小的尺寸和表面丰富的氨基和羟基,氮化碳纳米纤维在CO2存在的条件下能够组装成三维凝胶网络结构,并且通入N2可以实现可逆地恢复至初始的溶胶状态。进一步实验表明,以染料分子为模型化合物,发现C3N4凝胶对染料分子展现出高选择性的吸附行为,其选择性是π-π相互作用和静电效应共同作用的结果。同时,利用C3N4纳米纤维的可逆组装行为,被吸附的染料分子可以被可逆地释放。与三维石墨烯和活性炭等常见吸附剂相比,C3N4凝胶不仅具有相当的吸附容量(402 mg/g),并且还展现出高选择性和低能耗的再生优势。这一发现,有望进一步推动氮化碳材料应用于分析物的高选择性富集和特异性检测。图2 氮化碳凝胶的三维网络结构和对染料的选择性吸附。图片来源:ACS Nano张袁健教授课题组一直致力于富碳材料结构调控在分析化学等领域的应用基础研究,该论文发表于ACS Nano,该工作得到中组部“青年千人计划”、国家自然科学基金委等基金的大力资助。该论文作者为:Yuye Zhang, Zhixin Zhou, Yanfei Shen, Qing Zhou, Jianhai Wang, Anran Liu, Songqin Liu, and Yuanjian Zhang*原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Reversible Assembly of Graphitic Carbon Nitride 3D Network for Highly Selective Dyes Absorption and RegenerationACS Nano, 2016, 10, 9036-9043, DOI: 10.1021/acsnano.6b05488导师介绍张袁健 http://www.x-mol.com/university/faculty/19298课题组简介http://YZhang.info

JACS封面:半导体金属有机框架构筑全新类型晶体管

金属有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一类由有机配体和无机金属离子/金属簇自组装形成的新型晶态多孔材料,在气体吸附与分离、催化、分子识别等领域具有巨大的潜在应用价值。最近,具有电子导电性质的MOFs获得极大的关注和发展。不同于常规的有机半导体和无机半导体,导电MOFs是新出现的一类无机-有机杂化分子基半导体材料,集多孔性与半导体特性于一体。其丰富可设计的晶体结构和可调节的电子能带结构等优势使得导电MOFs在新型半导体器件领域具有很高的研究价值和应用潜力。作为一类重要的半导体器件,场效应晶体管(Field-Effect Transistors, FETs)是众多电子产品的基本单元器件,不仅在逻辑电路、平板显示、存储器等传统微电子领域具有举足轻重的作用,在可穿戴式电子产品、仿生电子器件、柔性/透明电子器件等新兴领域也极具重要的应用潜力。利用半导体MOF构筑FET器件,不仅可以把MOF材料所具有的晶态结构和骨架结构丰富、孔道的大小和形状可调、孔道内部可修饰等结构上的优势赋予FET器件,实现FET器件更广泛的功能;还可以通过丰富的晶态结构设计和精确的能带调控促使我们从分子水平去理解、设计和优化材料的半导体特性,从而构筑高性能新型分子基FET器件。然而目前为止,利用半导体MOF构筑多孔MOF-FET器件却未见报道。近日,中科院福建物构所的徐刚(点击查看介绍)团队与广东工业大学的何军教授(点击查看介绍)合作,成功研制出高性能多孔MOF-FET器件。由于FET器件对界面具有较高的要求,如何制备高质量的半导体MOF薄膜是成功研制多孔MOF-FET器件的关键。该研究团队巧妙地利用界面限域效应在液-气界面处自组装获得平整连续的晶态半导体MOF, Ni3(HITP)2薄膜。由于自组装Ni3(HITP)2薄膜的上表面非常光滑(平均粗糙度仅为1 nm左右),为了充分利用其光滑的上表面与Si/SiO2基底接触形成高质量的半导体/栅介质界面,该团队采用此前发展的“印章法”(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 16524;J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 7438)可方便地把Ni3(HITP)2薄膜高质量地转移到Si/SiO2衬底上,并成功制作出多孔MOF-FET器件。器件的电学测试结果表明,益于界面自组装高质量的Ni3(HITP)2薄膜,Ni3(HITP)2与介电层间的界面缺陷浓度仅为8.2×1012cm-2。该类多孔MOF-FET器件是典型的P型FET,全部器件的空穴迁移率都在30 cm2V-1·s-1以上,最高达48.6 cm2V-1·s-1,这一数值高于绝大多数基于溶液法制备的有机或无机FET器件的场效应迁移率。由于Ni3(HITP)2薄膜是二维类石墨烯结构的半导体MOF,其存在面内Ni与配体间σ-π共轭和面间分子的π-π共轭两种导电通道,其两者协同作用可能是其高迁移的原因所在。该MOF-FET器件的成功研制为MOF材料在电学器件方面的研究开拓了新方向,同时为传统半导体器件注入新的材料和功能,也为研究MOFs电学性能提供了有效的新工具。这一成果发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1360-1363), 论文第一作者是副研究员吴国栋与硕士研究生黄家鸿,被选为封面,并被JACS以题为“Electrifying New Application for Metal–Organic Frameworks”进行Spotlights亮点报道。该研究得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、福建省杰出青年基金等项目经费的支持。该论文作者为:Guodong Wu, Jiahong Huang, Ying Zang, Jun He, Gang Xu原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Porous Field-Effect Transistors Based on a Semiconductive Metal–Organic FrameworkJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1360-1363, DOI: 10.1021/jacs.6b08511Spotlights亮点报道链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b00784导师介绍徐刚http://www.x-mol.com/university/faculty/22986 课题组简介http://www.fjirsm.ac.cn/xugang/ 何军http://www.x-mol.com/university/faculty/27522 X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

新型光刻胶,以鸡蛋清为原料

光刻胶是指通过紫外光、深紫外光、电子束、离子束、X射线等光照或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料,是光刻工艺中的关键材料,主要应用于集成电路和半导体分立器件的细微图形加工。而国产商用光刻胶尚无能力与国际主要制造商进行抗衡,有数据显示进口光刻胶占据国内87%的市场份额,自给率低。同时传统的光刻需要繁琐复杂的步骤,并且在制备和使用过程中会使用有毒化学品。为了提高我国在光刻胶领域的自主话语权并保护环境,另辟蹊径开发新型基于天然生物材料的光刻胶以代替基于化石源的合成化学品将有利于我国战略乃至人类社会的可持续发展。鸡蛋是我们生活中的一种常见食物,但是你能想象鸡蛋可以变成光刻胶吗?这听起来像是在变魔术。近期,在国家自然科学基金委的支持下(51673112, 21374057, 51303100),陕西师范大学杨鹏(点击查看介绍)课题组开发了一种使用鸡蛋清制备的并且可用水显影的光刻胶。鸡蛋清是一种非常常见的天然生物材料,它只是取自鸡蛋这样一种我们的日常食物,这使得它具有极大的自然丰度和低成本。杨鹏领导的科研团队发现鸡蛋清具有对紫外光(UV)和电子束(EBL)辐照的双重敏感性,因此具有形成光刻胶的基本条件。与传统的光刻胶不同,基于鸡蛋清的光刻胶非常的便宜而且绿色环保,制备过程简单并且使用的都是无毒溶剂,从而为将该技术从实验室推广到大规模工业化应用提供了关键条件。图1 鸡蛋清光刻胶的制备鸡蛋清中的主要蛋白成分是多种蛋白质的混合物,其通常在外部能量照射下发生断裂或聚集。在这种情况下,由于多种蛋白间力(例如交联、疏水和静电相互作用)以及二硫键的形成,蛋白质分子在辐照后会变成更有序的β-折叠结构形成变性聚集体。经过辐照的蛋白聚集后不溶于水,在经过水的漂洗后选择性地保留下来,其他未收到辐照的蛋白质涂层则被洗去,最终得到负型图案。但是当鸡蛋清中掺入甘油之后,就具备了从负型图案转变为正型图案的能力。通过对红外及多种测试手段的结果分析,研究人员发现甘油的加入会促进鸡蛋清中蛋白质的构象保持,从而降低蛋白质的聚集,在辐照时更容易被降解成小分子。在水中进一步显影以冲洗曝光区域中的断裂分子碎片后,可以最终获得正型图案。通过UV或EBL辐照制成的光刻胶可以将微/纳米图案转移至基底(Si、SiO2、Au和Cu),从而可应用在电子和半导体工业中。图2 鸡蛋清光刻胶应用于电子束光刻图3 鸡蛋清光刻胶在金属/半导体刻蚀方面的应用以上研究发表于最新一期的《先进材料界面》(Advanced Materials Interfaces, DOI: 10.1002/admi.201601223)上。并申请了中国发明专利(申请号:2016109353027)。该论文作者为:Bojing Jiang, Jie Yang, Chen Li, Liangliang Zhang, Xu Zhang, Peng Yang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Water-Based Photo- and Electron-Beam Lithography Using Egg White as a ResistAdv. Mater. Interfaces, 2017, DOI: 10.1002/admi.201601223导师介绍杨鹏http://www.x-mol.com/university/faculty/12394 X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

新型可充电镁-溴电池

镁金属被视为下一代能量存储系统负极材料的极佳选择,其优越性主要来自于其两倍于锂金属的体积能量密度、非枝晶沉积所带来的安全性以及廉价属性。但长期以来,由于镁离子在固态中扩散难度较大,传统嵌入式正极材料对镁离子的存储容量偏低并且循环性能较差,制约了镁金属电池的发展。来自Boston College化学系的王敦伟教授(点击查看介绍)研究组突破了这种来自于固态正极的限制,创新性地实现了可溶性的Br3-/Br-转换正极与镁金属负极的匹配,成功地展示了镁-溴电池的潜力, 测得此电池体系平衡开路电压为3.0 V,并可实现275 mAh/gMgBr2 放电容量 (理论值为298mAh/gMgBr2), >96%的库仑效率及20次以上的可逆充-放电循环。传统溴正极的使用被局限于水溶液中,使其无法与低电势金属负极(如锂、镁等)组合使用,只能与锌、氢气等负极组合,限制了电池的输出电压(< 1.2 V)。近年来,随着锂离子固态电解质的发展,高电压的锂-溴电池得以以有机相-固态电解质-水相混合电解质的形式得以实现。然而对于镁-溴电池,受限于室温镁离子固态电解质的匮乏,同样的方法难以适用,非水相溶剂成为容纳溴正极的不二选择。经过筛选,离子液体(PYR14TFSI,1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)展示出了对溴最高的相容性。并且由于在此体系中,Br3- 拥有极高的平衡常数(K >  106),当Br- 离子趋于浓度饱和时,溶液中自由态Br2的浓度变低,进一步降低了溴的挥发性并提高了电解液系统的稳定性。与之相匹配,镁金属负极采用了混合醚作为电解液(0.1M Mg(TFSI)2  in Monoglyme and Diglyme 1:1)并通过多孔玻璃隔膜与正极电解液联通实现离子交换,最终实现了可充电的非水相镁-溴电池。此电池体系实现了镁金属负极和转换式溴正极的结合,避免了镁离子在固态中扩散的动力学难题,从而能够承受较大的充放电电流,有望在对低电极成本和高安全性要求能量存储领域中获得应用。对于此电池体系的优化仍在持续进行以进一步提高循环性及循环效率。这一成果近期发表在《Nano Energy》上,文章第一作者为Boston College化学系博士研究生要夏晖,通讯作者为王敦伟教授。该论文作者为:Xiahui Yao, Jingru Luo, Qi Dong, Dunwei Wang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):A Rechargeable Non-Aqueous Mg-Br2 BatteryNano Energy, 2016, 28, 440-446, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.003导师介绍王敦伟教授http://www.x-mol.com/university/faculty/2156 X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

给血液分离膜一双“慧眼”

目前临床医疗认为应对重大疾病最有效的方式就是提早发现病症。而疾病的临床检验中,血液检测是目前已知检测手段中最可靠的方法之一,但这样的检测耗时较长且无法即时报告生理指标,导致人们通常不会主动选择进行疾病筛查,是否能有一种技术能实现快速的临床检验及疾病诊断呢?近日,南京工业大学材料化学工程国家重点实验室的金万勤教授(点击查看介绍)团队通过调控无机材料在陶瓷表面的纳米自组装行为,制备出了可用于血液快速分离并同时精准检测的分离传感膜。分离膜自20世纪60年代起已作为人工脏器的核心材料在医疗领域广泛应用,如人工肾、人工肝、人工肺等,其对血液的分离作用并不稀奇。然而,在临床应用中,血液生理指标变化却无法在分离过程中实现即时检测。如果能将传感功能嫁接在分离膜上,赋予其可以监控指标浓度的一双“眼睛”,则可极大地加速临床诊断效率,特别是对于急救过程中的紧急输血筛查具有重要的临床意义。该团队以具有优异电催化活性、生物相容性的普鲁士蓝(Prussian Blue)为单一膜材料,采用真空自组装技术,在氧化铝中空纤维支撑体的外表面及孔道内同步生长出不同纳米结构的晶体膜层。其中外表面由交互生长的无定形纳米颗粒组成分离膜层,能实现全血中的血细胞及纤维蛋白原的完全去除,仅允许纯净的血清进入孔道;而孔道内则由200nm大小规则的普鲁士蓝立方晶体构成传感层,能够将血清中的生理物质电催化以产生电流信号,实现传感功能。所制备的分离传感膜对血清的产率达0.27ml/min,同时可对血糖、血乳酸及血谷氨酸等进行精准检验,大大简化了传统血液临床检验步骤。该技术将分离及传感两种功能进行巧妙的集成,高效地同步实现血液中组分筛分及电催化检测功能。这一技术可以在患者抽血的过程中原位获得血清样本及生理指标数据,将加速医生的诊断效率,减少患者的就医等待时间,有望实现重大疾病及传染疾病的快速诊断及筛查。这一成果近期以内封底形式发表在《Chemical Communications》上,论文的第一作者是南京工学大学储震宇博士。该论文作者为:Zhenyu Chu, Linlin Li, Gongping Liu, Wanqin Jin原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):A novel membrane with heterogeneously functionalized nanocrystal layers performing blood separation and sensing synchronouslyChem. Commun., 2016, 52, 12706-12709, DOI: 10.1039/C6CC05334C导师介绍金万勤教授http://www.x-mol.com/university/faculty/11665X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

RSC主编推荐:能源领域精彩文章快览(免费阅读原文)

英国皇家化学会(RSC)是一个拥有175年历史的面向全球化学家的非营利会员制机构,旗下拥有43种期刊,其中很多在化学领域有很高影响力。为了进一步帮助广大读者追踪科技前沿热点,X-MOL团队与英国皇家化学会合作,推出英国皇家化学会期刊主编推荐的精彩文章快览,本期文章属“能源领域”,英文点评来自英国皇家化学会期刊的主编。如果大家对我们的解读有更多的补充和点评,欢迎在文末写评论发表您的高见!Chemical Science (IF: 9.144)1. One-Dimensional Porous Carbon-Supported Ni/Mo2C Dual Catalyst for Efficient Water SplittingChem. Sci., 2017, Advance Article DOI: 10.1039/C6SC03356C Scientists from the Hefei Science Center of CAS have developed a new porous carbon-supported Ni/Mo2C (Ni/Mo2C-PC) composite catalyst derived by thermal treatment of nickel molybdate nanorods coated with polydopamine. This catalyst affords low onset potentials of -60 mV for the hydrogen evolution reaction and 270 mV for the oxygen evolution reaction for overall water splitting – an improvement on most Ni- and Mo-based catalysts.通过热处理涂有聚多巴胺的钼酸镍纳米棒,来自中国科技大学的俞书宏教授研究团队开发出一种新的多孔碳负载的Ni/Mo2C(Ni/Mo2C-PC)复合催化剂。这种催化剂可在完全分解水过程中实现析氢反应和析氧反应的低起始电位,分别为-60 mV和270 mV,与大多数镍基和钼基催化剂相比,这是一个重要的进步。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或者点击这里2. Molecular engineering of Ni–/Co–porphyrin multilayers on reduced graphene oxide sheets as bifunctional catalysts for oxygen evolution and oxygen reduction reactionsChem. Sci., 2016, 7, 5640-5646 DOI: 10.1039/C6SC02083F Scientists from China and Australia have developed Ni– and Co–porphyrin multilayers on reduced graphene oxide (rGO) sheets as novel bifunctional catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) and the oxygen reduction reaction (ORR), highlighting the potential for the fabrication of efficient electrocatalysts via molecular design.来自中国和澳大利亚的科学家开发了一种催化析氧反应和氧还原反应的新型双功能催化剂,这种催化剂包括还原氧化石墨烯片层以及其上的多层镍-卟啉和钴-卟啉。这充分说明了分子设计在制备高效电催化剂方面有很大潜力。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或者点击这里Energy & Environmental Science (IF: 25.427)1. Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe battery and electrolyser  Energy Environ. Sci., 2017, Advance Article DOI: 10.1039/C6EE02923JA novel integrated battery-electrolyser (‘battolyser’) that efficiently stores electricity as a nickel–iron battery and can split water into hydrogen and oxygen as an alkaline electrolyser.The battolyser may enable efficient and robust short-term electricity storage and long-term electricity storage through production of hydrogen as a fuel and feedstock within a single, scalable, abundant element based device.本文介绍了一种新型的集成式电池-电解器(“电池解器”),即能够作为镍-铁电池来高效储存电能,也可以作为碱性电解器来分解水为氢气和氧气。这种电池解器利用可放大、基于丰富元素的单一装置来生产可作为燃料及原料的氢气,从而实现高效的短期及长期电能储存。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或者点击这里2. Modelling the morphology and thermomechanical behaviour of low-bandgap conjugated polymers and bulk heterojunction filmsEnergy Environ. Sci., 2017, Advance Article DOI: 10.1039/C6EE03456JThis paper describes the use of molecular dynamics (MD) to predict the nanoscale morphology and thermomechanical behavior of three low-bandgap semiconducting polymers and their blends with PC71BM.The results of this study suggest the promise of MD simulations in determining the ways in which molecular structure influences the morphology and mechanical properties of bulk heterojunction films for solar cells and other organic electronic devices.本论文介绍了利用分子动力学的方法来预测三种低带隙半导体聚合物以及它们与PC71BM共混物的纳米尺寸形貌和热力学行为。结果表明,在确定分子结构对于太阳能电池和其他有机电子器件的体异质结薄膜的形貌和力学性能的影响方面,分子动力学模拟有很好的应用前景。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或者点击这里3. Indirect to direct bandgap transition in methylammonium lead halide perovskiteEnergy Environ. Sci., 2017, Advance Article DOI: 10.1039/C6EE03474HMethylammonium lead iodide perovskites are considered direct bandgap semiconductors. Here we show that in fact they present a weakly indirect bandgap 60 meV below the direct bandgap transition. Pressure-induced change experiments suggest epitaxial and synthetic routes to higher efficiency optoelectronic devices.甲铵碘化铅钙钛矿被认为是直接带隙半导体材料。这篇论文中作者们证明实际上该材料在直接带隙跃迁以下表现出一个60 meV的弱间接带隙。压力诱导的变化实验表明一些晶体外延和合成的方法可用于获得更高效的光电器件。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或者点击这里4. Biomimic electron transport via multiredox shuttles from photosystem II to photoelectrochemical cell for solar water splittingEnergy Environ. Sci., 2017, Advance Article DOI: 10.1039/C6EE03401BA CdS–PSII hybrid photoelectrochemical (PEC) cell is proposed for overall water splitting, where PSII and the CdS-based PEC cell are connected by an ordered multi-step electron transfer pathway comprising two redox shuttles quinone/hydroquinone and ferricyanide/ferrocyanide coupled by a graphite-based galvanic cell. This work may inspire new approaches to achieve Z-scheme water splitting in the field of artificial photosynthesis.自然光合作用是转化太阳能到化学能的典范,其科学原理可以启发人工光合成体系的发展。利用太阳能进行人工光合成分解水制氢是科学界最具有挑战性的课题之一。来自中科院大连化物所的李灿研究员团队从自然光系统PSII和PSI之间电子传递链的原理获得启发,在自然-人工杂化太阳能光合体系中引入了两对氧化还原电对,并借鉴液体电池的原理,成功构筑了自然体系和人工光阳极之间有效的电子传递链,实现了太阳光驱动完全分解水。合理设计杂化光电池从CdS到PSII的叠层太阳能吸收,避免了PSII在短波长下的光破坏,提高了太阳能吸收效率。在AM-1.5G 模拟太阳光下取得了0.34%的太阳能到氢能转化效率,H2和O2自然分离。该研究为构建高效人工光合成分解水体系提供了的新的思路。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或者点击这里5. Interpretation of inverted photocurrent transients in organic lead halide perovskite solar cells; proof of the field screening by mobile ions and determination of the space charge layer widthsEnergy Environ. Sci., 2017, 10, 192-204 DOI: 10.1039/C6EE02914KIn Methyl Ammonium Lead Iodide (MAPI) perovskite solar cells, screening of the built-in field by mobile ions has been proposed as part of the cause of the large hysteresis observed in the current/voltage scans in many cells. We show that photocurrent transients measured immediately (e.g. 100 μs) after a voltage step can provide direct evidence that this field screening exists. Using a new photocurrent transient experiment, we show that the space charge layer thickness remains approximately constant as a function of bias, as expected for mobile ions in a solid electrolyte. We also discuss additional characteristics of the inverted photocurrent transients that imply either an unusually stable deep trapping, or a photo effect on the mobile ion conductivity.不少甲铵碘化铅钙钛矿太阳能电池在电流/电压扫描中会出现迟滞效应,而移动离子所致的内建电场屏蔽被认为是原因之一。本文作者们在电压阶跃之后立即(100 μs)测量到了光电流瞬变,这可作为直接证据证明电场屏蔽的存在。同时新的光电流瞬变实验表明,作为偏压函数的空间电荷层厚度保持近似恒定,这与对固体电解质中移动离子的预期一致。作者们还讨论了反向光电流瞬变的额外特性,或意味着异常稳定的深度捕获,或意味着对移动离子电导率的光效应。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或者点击这里

水蒸发,能发电?Nature子刊报道中国科学家的突破

水蒸发是生活中再常见不过的自然现象,水从周围环境中吸收热能,并从液态转化为气态,小学生们都能把这里的原理讲清楚。科学家们关注的更多,比如水蒸发这一现象背后的能量转移过程,以及如何利用这种能量转移。此前,已经有课题组将此现象应用于纳米结构的合成(Adv. Funct. Mater., 2009, 19, 1759)以及能量收集装置的制作(Nat. Nanotech., 2014, 9, 137; Nat. Commun., 2015, 6, 7346)。日前,中国科学家在这一领域做出了新的突破。华中科技大学周军教授(点击查看介绍)、南京航空航天大学郭万林教授(点击查看介绍)以及中山大学邓少芝教授和陈建教授领导的研究团队发现,在纳米结构的碳材料表面进行水蒸发,能够产生电压。他们借助于廉价的碳黑片层材料,利用水蒸发可以在常温条件下产生近1 V的可持续电压。相关研究成果发表于Nature Nanotechnology 杂志上。周军教授(左)和郭万林教授(右)。图片来源:华中科技大学、南京航天航空大学研究人员首先将由多壁碳纳米管制作的两个电极印在石英基底上,接着通过简单的乙醇火焰在两电极之间生长上碳黑片层,再经退火和等离子体处理,最后经环氧树脂包封,得到由两个多壁碳纳米管电极和碳黑片层组成的装置。装置的制作过程。图片来源:Nature Nanotech.通过电镜表征可以看出,装置中碳黑片层厚度约70 μm,由直径约为20 nm的洋葱状的纳米粒子组成。在高倍电镜下可以看出这些粒子本质是松散堆积的无规则的石墨烯片,呈多孔性。而退火与等离子处理使得碳黑表面引入丰富的官能团,同时使其拥有亲水性。装置的电镜表征图。图片来源:Nature Nanotech.接着,研究人员将此装置部分浸入到去离子水中,惊奇地发现在室温条件下两电极之间能产生开路电压,并且逐渐升高到1 V。在长达8天的实验中,该装置的开路电压能稳定维持住1 V左右,短路电流在150 nA左右。研究人员进一步证实可持续电压是由碳黑片层上的水蒸发引起的,并猜想产电机理是水分子与碳材料之间的相互作用,特别是蒸发引起的多孔碳膜中的水流。通过计算模拟、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱等实验,研究人员发现退火与等离子处理引入的官能团对产电起到了关键作用。利用水蒸发产电示意图。图片来源:Nature Nanotech.后续,研究人员通过实验证实了产电的机理,由于水的持续蒸发会引起水流入到多孔的碳黑片层中,即电解质溶液在带电荷的绝缘表面流动,将会产生一种电动现象,科学家称之为流动电位。最后,研究人员通过搭建简单的串联装置,能够轻松地将输出电压提高到4.8 V,并成功地为液晶显示屏供能。串联装置为液晶显示屏供电。图片来源:Nature Nanotech.研究人员提到,利用震动能、太阳能、风能、海洋能等发电,必须依赖于相应的复杂环境,而利用水蒸发能直接将室温环境中的热能转化为电能。与传统的利用外在压力梯度、温度梯度或是化学浓度梯度产生的流动电位相比,这种方法利用自然现象即可产电,而不需要外在的机械作用及能量输入。研究人员计划将下来设计出更强的产电装置,来完成诸如除菌、水纯化及脱盐的工作。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materialsNature Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2016.300导师介绍周军教授http://www.x-mol.com/university/faculty/37830郭万林教授http://www.x-mol.com/university/faculty/37831(本文由冰供稿)

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