崔屹AM综述:柔性储能的未来展望

近年来,随着电子技术的快速进步,越来越多的电子设备正在向着轻薄化、柔性化和可穿戴的方向发展,例如三星和LG等公司都推出了曲面屏手机,并且正在计划研制可折叠、可弯曲的新一代产品。图片来自网络目前发展柔性电子技术最大的挑战之一就是与之相适应的轻薄且柔性的电化学储能器件。传统的锂离子电池、超级电容器等产品是刚性的,在弯曲、折叠时,容易造成电极材料和集流体分离,影响电化学性能,甚至导致短路,发生严重的安全问题。因此为了适应下一代柔性电子设备的发展,柔性储能器件成为了近几年的研究热点。可伸缩储能器件发展历程,图片来源:Adv. Mater.近日,斯坦福大学的崔屹(点击查看介绍)课题组在Adv. Mater.上发表综述,总结了近年来柔性储能器件和可伸缩储能器件的发展情况。崔屹教授。图片来源:Stanford University锂离子电池能量密度高,具有良好的循环性能,稳定性好,是发展柔性储能器件最理想的候选。而超级电容器具有高功率密度,能实现大电流快速充放电,使用寿命长等优异性能,可以弥补锂电池的不足。目前,柔性锂离子电池和超级电容器面临三个问题:1)柔性电极的设计和制备;2)弯曲折叠过程中器件电化学性能的稳定性;3)高能量密度和高功率密度。本文着重介绍了锂离子电池和超级电容器在柔性化方面的最新进展和面临的挑战。▌柔性锂离子电池先来看一下商用锂离子电池的基本结构。如图,正负极由活性电极材料、导电剂(如碳黑)、粘结剂(如聚偏氟乙烯)和集流体(如铜箔、铝箔)组成。当电池弯曲时,电极材料和集流体易发生分离,轻则接触不良,重则造成短路。因此,怎么样才能防止电极材料和集流体分离是电池柔性化研究的第一步。锂离子电池示意图。图片来自网络思路1:二维“纸电极”纸张是有柔韧性的,要是能把电极材料和集流体合二为一变成一张纸,问题不就解决了么?载有活性材料的碳纸、碳纳米管(CNT)纸、石墨烯纸被纷纷报道,制备方法也是多种多样,从简单的涂布法到真空抽滤法,再到复杂的CVD、原位水热沉积等等。碳纸。图片来源:PNAS(DOI:10.1073/pnas.0908858106)CNT纸。图片来源:JMCA(DOI: 10.1039/c2ta00753c)真空抽滤法。思路2:“海绵电极”活性材料填在多孔电极的孔隙中,即不容易脱离,又能解决充放电过程中活性材料的膨胀问题。思路3:“织物电极”碳纤维织物也是良好的集流体,在表面沉积活性物质,不但能实现柔性化,还可以减少粘合剂的使用。几种二维电极虽然能解决柔性电极的问题,但提高活性比表面积和导电率进而提高电池比容量又成为了电极材料和结构设计的主要挑战。因此出现了各种具有高性能的三维电极,包括阵列结构、线型结构、多孔支架等。三维电极结构,图片来源:Adv. Mater.再来看看电解质的问题,目前广泛使用的液体电解质具有易泄漏、易燃和化学稳定性差等缺点,更使柔性电池的可弯曲性受到了很大的限制。而近年来发展起来的固体电解质恰好解决了传统的液体电解质稳定性差的问题,大大提高了锂电池的安全性,也有利于柔性锂电池的机械性能。这里,值得一提的是,Sang Young Lee的小组报道的柔性全固态电池,这种电池通过模板印刷工艺“打印”出来,可以形成复杂的几何形状。此外,锂硫电池、锂氧电池以及钠电等新型电池也加入到了柔性化的研究中。可打印柔性全固态电池制造过程示意图,图片来源:Adv. Mater.▌柔性超级电容器详细的看完柔性锂电池,我们再来简单的看看柔性超级电容器的发展。研究者从二维层间柔性电极结构、二维平面电极结构、三维电极结构三个方面总结了柔性超电的发展。其中,比较有趣的一篇是以石墨烯为基面通过等离子体刻蚀法制备的叉指型微型超级电容器。兼具柔性和透明性的微型超级电容器,图片来源:Adv. Mater.▌可伸缩锂离子电池在过去十年柔性电极发展的同时,可伸缩的基础技术也在发展。然而,直到2009年,可伸缩技术才从医学植入研究扩展到了可伸缩储能器件的研究。相比于柔性器件,可伸缩储能器件对结构和材料设计有更高的要求。通常,可伸缩器件主要有两种方式:一种是材料(电极和电解质)本身具有弹性,另一种是通过设计新型结构使刚性组分具有可伸缩能力。目前对于电池和电容器而言,后者比前者更容易实现,因为弹性有机活性物质制备的电极其电化学性能还远远无法和传统材料相比。“多孔框架结构”可伸缩电极,图片来源:Adv. Mater.设计新型结构,主要包含三种:多孔框架结构、波浪结构、螺旋弹簧结构。其中多孔框架结构的研究最多,然而最大拉伸倍率一般都不超过100%。波浪结构和螺旋弹簧结构设计难度更大,但拉伸倍率也相对大很多。2013年,美国西北大学的黄永刚教授和美国伊利诺伊大学的John A. Rogers在Nat. Commun.杂志上发表的“Stretchable batteries with self-similar serpentine interconnects and integrated wireless recharging systems”是比较早的(印象中是第一篇)这种电极结构的报道了(Nat. Commun., 2013, 4, 1543)。可伸缩电池照片及结构示意图。图片来源:Nat. Commun.从下面这个视频中我们可以看到,这种电池可以为LED灯持续供电,即使是拉伸、折叠、弯曲,甚至安装在手肘上也能照常工作。视频来源:Adv. Mater. 同样比较有名的应该属复旦大学的彭慧胜课题组的研究了。2015年在Adv. Mater.杂志上发表的工作,“A Gum-Like Lithium-Ion Battery Based on a Novel Arched Structure”通过聚合物实现了电池的伸缩性(Adv. Mater., 2014, 26, 1217)。随后,2016年,他们又在Angew. Chem. Int. Ed.和JMCA杂志上发表工作,制备了基于纤维状结构的可伸缩锂电池和铝空气电池。波浪型电池,图片来源:Adv. Mater.图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.图片来源:JMCA▌可伸缩超级电容器同样地,详细地说完可伸缩型锂电池,我们再简单的看看可伸缩超级电容器的研究。相对于锂电池,超级电容器的制备相对容易,因此新颖的电极结构迅速应用于其中,主要包括波浪/块体结构、线型结构、织物结构等。两种纱线组成的网状编织结构电池,图片来源:Adv. Mater.▌总结与展望锂离子电池和超级电容器已经广泛的应用于实际中,同时,近年来在柔性和可伸缩储能器件的材料探索、结构设计、制造方法和集成组装方面也取得很大的进展。实现柔性和可伸缩性储能器件主要可以从新结构的设计和柔性材料的探索两个方向着手。目前,碳基材料,包括CNF、CNT、石墨烯、石墨烯及其复合材料,正在取代传统的铜箔和铝箔作为集流体,并负载活性物质,用来制备可弯折的柔性锂离子电池和超级电容器。同时,“纸电极”、海绵状、多孔框架、螺旋弹簧等多种多样有趣的电极结构设计,也促进了柔性储能器件的发展。当然,要实现柔性储能器件的实际应用还有很多问题和挑战。例如探索低成本、大规模的工业生产技术,提高柔性装置的循环稳定性等等。未来柔性储能器件的发展可能会集中在以下几个方面:1)电极材料研究。通过开发新材料或者复合材料,来进一步提高电极的电导率和电化学稳定性,同时增加比容量和能量密度;2)固态电解质的开发。寻找离子迁移数高、电导率高、与电极材料相容性好的固态电解质,增强固态电解质的导电率,提高电池安全性能和机械性能;3)减少集流体、粘结剂及导电剂。不但能够提高储能器件的能量密度,还能促进柔性电极的发展;4)电极结构的设计。从简单的纸张型、织物型到复杂的弹簧型、波浪型电极,新颖的设计层出不穷;5)新的生产工艺。从传统的涂布卷绕工艺到沉积、刻蚀、喷墨打印等技术的应用,柔性储能器件正在向精细化发展。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):Flexible and Stretchable Energy Storage: Recent Advances and Future PerspectivesAdv. Mater., 2017, 29, 1603436, DOI: 10.1002/adma.201603436导师介绍崔屹教授http://www.x-mol.com/university/faculty/35078(本文由小希供稿)X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

浒苔变身新型多孔碳储能材料

注:文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析浒苔是绿潮爆发的主要元凶,浒苔的泛滥成灾已经严重危害到了沿海城市渔业、旅游业的发展,如何有效利用浒苔资源,已成为改善生态环境、提高海藻综合利用率的重要课题。近日,青岛大学环境科学与工程学院杨东江教授(点击查看介绍)团队与北京大学郭少军教授(点击查看介绍)合作,通过将浒苔进行高温碳化活化处理,制备了一种富含多级孔结构的储能活性碳材料。浒苔属绿藻纲,石莼科藻类植物,由单层细胞组成,广泛分布于全世界各海洋中。正常情况下与菌类一起共同保持着自然水体中的有机物与无机盐、水质的清洁与污浊、上下游食物链等海洋生态平衡。浒苔本身无毒,但是由于人类社会污水的肆意排放、海水养殖业使用饲料无度以及全球变暖、海水升温等因素导致浒苔大规模爆发,在世界范围内引发多次绿潮灾害。大量繁殖的浒苔遮蔽阳光直接影响海底藻类的生长;同时死亡的浒苔会消耗海水中的氧气,影响到其他海洋生物的生存;浒苔在海边集聚严重影响景观;随水温升高,浒苔便开始腐烂,散发臭味,干扰旅游观光。据了解,仅青岛市每年打捞浒苔就近百万吨之多。如何在短时间内消耗大量的浒苔,将浒苔变废为宝是拯救海洋生态环境的一个重大课题。青岛大学环境科学与工程学院杨东江教授团队在浒苔的新应用这一课题上提出了新思路、新方法,以海洋污染物“浒苔”为原材料,充分利用浒苔的细胞结构,通过引入气凝胶的制备流程、改善碳化、活化的制备工艺,成功制备了具有高比表面积,富含微孔、介孔、大孔三种孔结构的活性碳材料。此新型活性炭材料不仅在双电层超级电容器中显示了卓越的性能,在锂离子电池负极中也有不俗的表现,不仅具有超高的比容量,而且也具备很好的循环寿命。于此同时,还可做为基底与其他金属氧化物复合,制备性能更高的储能材料。该研究不仅为解决浒苔的污染问题提供了一种方法,并且对多孔碳储能材料的开发与应用找到了更为绿色环保的路径。该材料的卓越性能不仅体现在简单的实验测试,在组成有软包器件后,仍然体现其良好的超级电容器性能。该软包器件可塑性高,可广泛应用于可穿戴器件的储能装备。该研究成果近期发表在《Advanced Functional Materials》上,文章的第一作者是青岛大学的硕士研究生崔金峰。该论文作者为:Jinfeng Cui, Yunlong Xi, Shuai Chen, Daohao Li, Xilin She, Jin Sun, Wei Han, Dongjiang Yang Shaojun Guo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):Prolifera-Green-Tide as Sustainable Source for Carbonaceous Aerogels with Hierarchical Pore to Achieve Multiple Energy StorageAdv. Funct. Mater., 2016, 26, 8487-8495, DOI: 10.1002/adfm.201603933杨东江教授简介杨东江,青岛大学环境科学与工程学院特聘教授。2006年7月毕业于中科院山西煤炭化学研究所并获得物理化学博士学位。2006年8月赴澳大利亚昆士兰科技大学(Queensland Universityof Technology)和格里菲斯大学(Griffith University)从事博士后研究。现主要从事海藻基新能源储存与转换材料的合成研究。已在化学和材料学的顶级期刊上(如Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater.等)发表SCI论文90多篇。http://www.x-mol.com/university/faculty/35079http://www.escience.cn/people/ydjgroup/40692.html科研思路分析Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?A:近年来能源问题与环境问题一直备受关注,环境的恶化,能源的枯竭,对能源新材料提出了更高的要求。开发和制造低成本、环保的储能材料对能源的开发与利用以及环境保护等方面具有深远的影响。利用生物质材料制备高效储能材料是近几年的研究热点之一,而近几年青岛大规模爆发的浒苔污染引起了我们的高度重视。一方面,浒苔本身的结构特殊,可以提供很好的孔结构;另一方面,浒苔产量巨大,原材料来源广,价格低,对废物利用、改善环境也很有意义。Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?A:本项研究中最大的挑战是如何控制浒苔的碳化活化过程,找到最优的碳化活化工艺,从而获得比表面积大,孔隙发达的浒苔多孔碳材料。在这个过程中,我们团队在碳化工艺方面积攒了丰富的经验,在此基础上,摸索出合理的活化工艺是比价困难的。此外,我们希望所做材料能够应用于实践,在软包超级电容器的组装这方面我们也存在基本工艺的不成熟。在此,还得感谢本文的共同第一作者,吉林大学的席云龙博士在这方面的帮助与支持。未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?A:本研究成果最主要的应用就是浒苔的废物利用了。如果将每年的浒苔绿潮全部转化为高比表面积多孔碳,将带来很客观的经济效益。而且本研究,关于气凝胶工艺以及碳化活化工艺的探索,对制造活性碳材料的企业可能会有帮助。高比表面积多孔碳材料作为一种商用的储能材料市场需求量大,产品相对稳定,是储能材料中很难取代的材料。碳材料的研究与发展仍然任重而道远,我们相信这项研究成果为相关碳材料的设计与制备提供了一种绿色环保可持续的方法,将对相关领域的发展产生推动作用。X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

加拿大研制出碳基有机电池

加拿大卡尔加里大学化学系的研究团队基于有机磷组分,研制出一种碳基有机电池,这种电池无毒、轻便,比基于金属离子的电池更稳定、便宜。相关研究成果发表在近期的《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)杂志上。 最近手机电池频繁爆炸的新闻,让人们困惑是否有可能制造出更好的电池,该团队试图解决这个问题。碳基电池中的有机成分使其成为一个更稳定和更可持续的选择。研究人员开发出能够提供可持续能源的材料,将能源转化成不同形式,并用于不同过程。研究的另一方向是“有机”电子学,在电池中添加的碳基(有机)塑料材料可用作活跃的电子元件,代替昂贵的金属材料。 该团队研制的电池可最终避免电池使用中的不稳定和有毒材料(如锂、水银、钴和镉等)。这种创新性产品不仅制造起来更便宜,而且易于大量生产。 http://www.most.gov.cn/gnwkjdt/201701/t20170120_130634.htm

RSC主编推荐:材料领域精彩文章快览(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“材料领域”,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!Materials Horizons (IF: 9.095)1. Ultrafast colorimetric humidity-sensitive polyelectrolyte coating for touchless control Mater. Horiz., 2017, Advance Article DOI: 10.1039/C6MH00317F Researchers in Australia, China and Canada have shown a simple and cheap touchless control system that is sensitive to humidity change. The system uses a polyelectrolyte multilayer coating that can rapidly change colour depending on changes in the local humidity. This modulation of outputted light can be converted to an input electrical signal of a touchless system. The approach offers straightforward device control using, for example, human breath or the close proximity of a fingertip, and it opens a new potential route to convenient, user-friendly and hygienic touchless systems, with applications in a wide variety of areas, from the automotive industry to smart buildings.澳大利亚、中国和加拿大的研究人员展示了一种感应湿度变化的非接触控制系统,此方法既简单又经济有效。该系统采用聚电解质的多层涂层,能根据本地湿度的变化而迅速改变颜色。调制输出的光又被转换为电信号输入到非接触式系统中。该系统可应用于直接控制设备中,比如利用人的呼吸或是指尖靠近来进行控制。这为生产方便、卫生、用户友好的非接触系统提供了一个新的潜在途径,并拥有从自动化生产到智能建筑在内的广阔应用空间。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Chemical Science (IF: 9.144)1. Aggregation-induced emission of silolesChem. Sci., 2015, 6, 5347-5365 DOI: 10.1039/C5SC01946JIn this Minireview, scientists in Guangzhou and Hong Kong scrutinise the impacts of substituents on aggregation-induced emission activity and shed light on the structure–property relationship of siloles, to help promote future designs of AIE-active functional materials.香港科技大学唐本忠教授和华南理工大学赵祖金教授的研究团队仔细考察了取代基对聚集诱导发光(AIE)活性的影响,揭示了噻咯类结构与性能的关系,为AIE活性功能材料未来的设计提供了帮助。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. Embedding electron-deficient nitrogen atoms in polymer backbone towards high performance n-type polymer field-effect transistors Chem. Sci., 2016, 7, 5753-5757 DOI: 10.1039/C6SC01380EScientists from Peking University have developed a donor–acceptor (D–A) conjugated polymer AzaBDOPV-2T with a low LUMO level, with sp2-nitrogen atoms embedded in an isatin unit, providing high electron mobilities tested under ambient conditions. These results demonstrate that embedding electron-deficient sp2-nitrogen in conjugated backbones is an effective approach to develop n-type polymer semiconductors with high performance.北京大学裴坚教授课题组开发了一种低LUMO能级的供体-受体(D-A)型共轭聚合物AzaBDOPV-2T,其中sp2杂化氮原子嵌入靛红,使其在室温测试条件下具有高的电子迁移率。研究结果表明,在共轭骨架上引入缺电子sp2氮原子是获得高性能n型半导体聚合物的有效方法。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X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

可机洗的人体织物传感器

技术的不断进步给传统织物带来了新的能力,使得我们有可能改变与我们的衣服以及其他纺织产品交互的方式。“智能织物”可以与穿戴者或者环境进行数据跟踪和交流,这在健康监控、健身、以及公共安全等领域都具有非常广泛地应用前景。近日,北京大学的胡又凡团队和香港理工的郑子健团队合作开发了一种新型的织物传感器,可以捕捉人体的微弱运动。在目前“智能织物”这种技术的发展中,仍然存在几个巨大的挑战,特别是与现有纺织工业技术的兼容性以及织物自身的可洗涤性。前者对于智能织物的大规模生产和真正进入应用至关重要,而后者是作为日常穿着织物的一个基本要求。这两点实际上对织物电子器件在材料选择、器件设计和制造工艺上提出了极为苛刻的要求。北京大学和香港理工联合团队开发出来的新型织物传感器,同时解决了上述两个问题。首先选取了纺织工业常用的涤纶纱线作为加工基本单元,通过聚合物辅助沉积的方法得到了表面镀铜的涤纶纱线,以及以此为内芯表面覆盖聚酰胺的纱线。由于两种纱线都具有很好的机械强度,并且可以量产,因此可以在商用的纺织机上利用两种纱线通过平纹纺织的方式得到织物电子器件。这种织物电子器件充分利用了织物自身的结构特点,当发生形变时,在每一个两根纱线交叉的地方,两种性质不同的表面产生摩擦,并且诱发感应电荷。在不断发生形变的过程中,机械能可以转变为电能。通过这种方式得到的织物与普通织物类似,非常柔软,可以感受到人体的微弱运动,将其与心率带结合,佩戴在胸腔外围,实现了人体呼吸速率和深度的监测。除此之外,基于机械性能良好的构建材料和巧妙的器件设计,得到的织物可以通过了标准的工业洗涤测试。与纺织工业的兼容性,所展示的可机洗性,以及对微弱运动的敏感性,使得该类型的织物电子器件未来在运动监测、医疗监控甚至公共安全方面都具有巨大的应用潜力。该工作发表在《先进材料》(Adv. Mater., 2016, 28, 10267-10274),并被杂志选为Frontispiece。北京大学为第一单位,硕士研究生赵至真和Casey Yan为第一作者。该论文作者为:Zhizhen Zhao, Casey Yan, Zhaoxian Liu, Xiuli Fu, Lian-Mao Peng, Youfan Hu, Zijian Zheng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):Machine-washable Textile Triboelectric Nanogenerators for Effective Human Respiratory Monitoring through Direct Weaving of Metallic YarnsAdv. Mater., 2016, 28, 10267-10274, DOI: 10.1002/adma.201603679X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

棒状病毒与多四苯乙烯基大环的多级自组装——聚集诱导发光的新途径

从动物细胞的中心粒,到变色龙的皮肤,各向异性纳米粒子构筑的精细多级自组装结构广泛存在于自然界,且具有独特的光学、电学、机械性能。烟草花叶病毒(TMV)作为一种一维棒状植物病毒,由2130个相同的衣壳蛋白围绕单链RNA作螺旋状排列构成。它具有单分散的形貌及尺寸(长300 nm,直径18 nm,内空腔直径4 nm)、丰富的表面化学基团、复杂的表面物化性质,因而成为多级自组装结构的理想构筑基元。然而,如何实现其自组装过程的可视化及可逆性、实现病毒从组装体的重新释放是一个巨大的挑战。近日,中国科学院理化技术研究所生物材料与应用技术研究中心牛忠伟研究员(点击查看介绍)的研究团队,联合美国犹他大学Peter J. Stang教授课题组,首次利用TMV与多四苯乙烯基有机铂金属大环(TPE-Pt-MC)构建了可逆且具有发光效应的多级自组装生物复合体。该研究利用TMV在中性环境时表面所带的负电荷,将带有多个正电荷的TPE-Pt-MC作为“分子胶水”,通过多静电相互作用,构筑了三维空间规整、紧密排列的多级自组装生物复合体。同时,利用TMV紧密排列所提供的纳米限域效应,驱动大环中四苯乙烯的聚集诱导发光,在温和条件下表现出强烈的荧光增强现象。此外,通过四丁基溴化铵对大环结构及多正电性的破坏,可实现此生物复合体的解组装与TMV的释放。该方法不仅提供了聚集诱导发光的另一种新颖的诱导发光模式,并且为功能性有机-无机生物复合材料的构建提供了崭新的思路。图1. TMV与TPE-Pt-MC自组装示意图 图2.(a, b)TMV与TPE-Pt-MC组装结构的透射电子显微镜照片,图b为图a红框区域放大图。(c)由动态光散射测得的TMV与不同浓度TPE-Pt-MC自组装结构的水合半径。(d)TPE-Pt-MC与不同浓度TMV自组装的荧光发射光谱,左上插图为手提紫外灯照射下,TMV浓度分别为0(左)及0.6 mg/mL时TPE-Pt-MC与TMV自组装溶液的照片该研究成果发表于化学领域顶级期刊J. Am. Chem. Soc.,论文的第一作者为中科院理化技术研究所的田野副研究员以及犹他大学的Xuzhou Yan博士后。相关研究工作得到国家重点基础研究发展计划(973)、国家自然科学基金和中科院理化技术研究所所长基金的大力支持。该论文作者为:Ye Tian, Xuzhou Yan, Manik Lal Saha, Zhongwei Niu*, Peter J. Stang*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):Hierarchical Self-Assembly of Responsive Organoplatinum(II) Metallacycle–TMV Complexes with Turn-On FluorescenceJ. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12033-12036, DOI: 10.1021/jacs.6b07402牛忠伟研究团队简介牛忠伟研究员的研究团队主要从事烟草花叶病毒的组装、功能化以及生物医用领域的研究,近年来取得了系列研究成果,如利用其纳米限域效应模拟绿色荧光蛋白(Chem. Commun.2015, 51, 15122),通过基因工程构筑功能性规整蛋白组装体(Chem. Commun.2014, 50, 4007)以及用于药物输送体系(Biomacromolecules2013, 14, 4032;Adv. Healthcare Mater.2015, 4, 413;Sci. Rep.2016, 6, 24567;ACS Appl. Mater. Interfaces2016, 8, 10800)等。曾受邀在Chem. Soc. Rev.上撰写相关综述(Chem. Soc. Rev.2012, 41, 6178),并受邀在著作《Nanoparticles for Biotherapeutic Delivery》及《Virus derived Nanoparticles: Methods and Protocols》上分别撰写图书章节。http://www.x-mol.com/university/faculty/15680  相关文章链接:1.http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/CC/C5CC05751E#!divAbstract2.http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/CC/c3cc49137d#!divAbstract3.http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/bm401129j4.http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adhm.201400508/full5.http://www.nature.com/articles/srep245676.http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b028017.http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/CS/c2cs35108k#!divAbstractX-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

梭形多孔微纳结构设计:更稳定的高性能富锂正极材料

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析锂离子电池以其能量密度高、循环寿命长和工作电压宽,被广泛用于现代通讯、空间技术、信息技术、国防等高科技领域,被誉为高效的绿色能源。其中,正极材料是决定锂离子电池性能和成本的关键因素。然而,传统的正极材料其放电比容量低很难满足高容量、高能量密度电子产品的需求。近年来,富锂层状正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M=Mn, Ni, Co, etc.)由于其比容量高,充放电电压范围宽,环境友好等优点受到了广泛的关注。然而,该材料存在首次库伦效率低、高电压下循环寿命短、大倍率充放电性能差、振实密度低等缺陷,阻碍了其商业化的步伐。湘潭大学王先友(点击查看介绍)团队设计和提出了一种温和而简单的共沉淀法,合成了具有梭形多孔微纳结构的富锂锰基正极材料。这种由角形框架结构组成的梭形微纳结构具有极高的电化学稳定性,为材料的循环性能提供保障。同时,多孔结构能有效提高活性粒子的比表面积,增大活性粒子与电解液的接触面积,进而缩短了锂离子和电子的扩散路径,提高锂离子传输速率,有效改善材料的倍率性能。综合以上优势,该富锂锰基正极材料在2.0-4.6 V,0.5 C(1 C=200 mA g-1)条件下循环200次后,其放电比容量仍有220.6 mAh g-1,容量保持率高达87.1%。此外,在10 C的大倍率充放电条件下,其放电比容量仍可高达139.5 mAh g-1,显示出极佳的倍率性能。这一研究为富锂锰基正极材料面临的循环稳定性和倍率性能差的问题提供了一种新的解决方法,对于发展高性能锂离子电池具有重要意义。这一成果近期发表在《Journal of Materials Chemistry A》上,文章的第一作者是湘潭大学硕士研究生王钢。该论文作者为:Gang Wang, Xianyou Wang*, Liling Yi, Ruizhi Yu, Meihong Liu, Xiukang 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):Preparation and performance of 0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 with fusiform porous micro-nano structureJ. Mater. Chem. A, 2016, 4, 15929-15939, DOI: 10.1039/C6TA06435C王先友教授简介王先友教授现任湘潭大学研究生院院长,二级教授、博士生导师,National Autonomous University of Mexico(UNAM)教授,享受国务院政府特殊津贴专家,首届湖南省先进科技工作者,湘潭市产业科技领军人才,2014、2015能源领域中国高被引学者。“新能源装备及储能材料与器件国家国际科技合作基地”主任,“新型储能电池关键材料制备技术国家地方联合工程实验室”主任,“电化学能源储存与转换湖南省重点实验室”主任。主要从事新型化学电源及先进储能材料的研究,出版了中国第一部锂离子电池专著--《锂离子电池》(合著),获国家发明授权专利18项,发表SCI论文240多篇,其中8篇进入ESI前1%。获中国产学研促进奖、湖南省技术发明二等奖、第12届中国专利优秀奖、湖南省国防科学技术进步一等奖等省部级奖励。http://www.x-mol.com/university/faculty/14262近期论文:R. Yu, G. Wang, M. Liu, X. Zhang, X. Wang*, H. Shu, X. Yang, W. Huang, Mitigating voltage and capacity fading of lithium-rich layered cathodes by lanthanum doping, Journal of Power Sources, 35, 65, (2016).R. Yu, X. Wang*, Y. Fu, L. Wang, S., M. Liu, B. Lu, G. Wang, D. Wang, Q. Ren, X. Yang, Effect of magnesium doping on properties of lithium-rich layered oxide cathodes based on a one-step co-precipitation strategy, Journal of Materials Chemistry A, 4, 4941, (2016).R. Yu, G. Wang, X. Wang,* D. Wang, W. Wen, Hongbo Shu, X. Yang, Design and Preparation of a Lithium-rich Layered Oxide Cathode with a Mg-Concentration-Gradient Shell for Improved Rate Capability, ChemElectroChem, 2, 1346, (2015).R. Yu, X. Wang,* D. Wang, L. Ge, H. Shu, X. Yang, Self-assembly synthesis and electrochemical performance of Li1.5Mn0.75Ni0.15Co0.10O2+δ microspheres with multilayer shells, Journal of Materials Chemistry A, 3, 3120, (2015).D. Wang, X. Wang*, R. Yu, Y. Bai, G. Wang, M. Liu, X, Yang, The control and performance of Li4Mn5O12 and Li2MnO3 phase ratios in the lithium-rich cathode materials, Electrochimica Acta, 190, 1142, (2016).D. Wang, M. Liu, X. Wang*, R. Yu, G. Wang, Q. Ren, X. Yang, Facile synthesis and performance of Na-doping porous lithium-rich cathodes for lithium ion batteries, RSC Advances, 6, 57310, (2016).D. Wang, R. Yu, X. Wang*, L. Ge, X. Yang, Dependence of structure and temperature for lithium-rich layered-spinel microspheres cathode material of lithium ion batteries, Scientific Reports, (2015), 5,DOI: 10.1038/srep08403.D. Wang, X. Wang*, X. Yang, R. Yu, L. Ge, H. Shu, Polyaniline modification and performance enhancement of lithiumrich cathode material based on layered-spinel hybrid structure, Journal of Power Sources, 293, 89, (2015).X. Yang, R. Yu, L. Ge, D. Wang, Q. Zhao, Xi. Wang,* Y. Bai, H. Yuan, H. Shu, Facile synthesis and performances of nanosized Li2TiO3-based shell encapsulated LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2 microspheres, Journal of Materials Chemistry A, 8362, 2, (2014).X. Yang, D. Wang, R. Yu, Y. Bai, H. Shu,* L. Ge, H. Guo, Q. Wei, L. Liu, X. Wang*, Suppressed capacity/voltage fading of high-capacity lithium-rich layered materials via the design of heterogeneous distribution in the composition, Journal of Materials Chemistry A, 2, 3899, (2014).G. Wang, W. Wen, S. Chen, R. Yu, X. Wang*, X. Yang, Improving the electrochemical performances of spherical LiNi0.5Mn1.5O4 by Fe2O3 surface coating for lithium-ion batteries, Electrochimica Acta, 212, 791, (2016).G. Wang, X. Wang∗, L. Yi, L. Wang, R. Yu, M. Liu, D. Wang, Q. Ren, X. Yang, The effects of LiTi2(PO4)3 modification on the performance of spherical Li1.5Ni0.25Mn0.75O2+δ  cathode material, RSC Advances, 6, 46325, (2016). 科研思路分析Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?A:众所周知,锂离子电池已广泛各种便携式电子设备,但是其能量密度不能满足当前大型电动汽车及智能电网等领域的需求,因此,课题组针对富锂锰基正极材料倍率性能不佳及循环寿命差等问题,通过对材料的结构、形貌进行设计和优化,赋予其特殊的结构和几何特性来提高材料的电化学性能。所制备的具有梭形多孔微纳富锂层状氧化物作为锂离子电池正极材料显示出了优异的电化学性能,这为高性能的锂离子正极材料的大规模生产提供了一条新的途径。Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?A:本项目研究中最大的挑战是如何制备出形貌、尺寸及孔径大小可控的前驱体材料,以及随后的固相反应工艺参数的控制,以获得具有优异电化学性能的梭形多孔微纳结构的富锂正极材料。在这个过程中,我们团队在富锂锰基正极材料的形貌调控及结构设计方面的经验积累起了至关重要的作用。X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

低维钙钛矿及其光电子器件

作为近几年来光伏领域最具竞争力的材料之一,有机-无机杂化钙钛矿受到了越来越广泛的研究重视。在短短的6年时间内,钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经从3.8%提高到22.1%,超过多晶硅太阳能电池,这在光伏领域是前所未有的。与此同时,由于具有极高的荧光量子产率、超长的载流子迁移路径以及较高的载流子迁移速率,钙钛矿同样在其它光电子器件领域(如光探测器、LED,光波导与光调制器、纳米激光器等)取得了巨大进展,有望在下一代新型信息功能光电子器件领域发挥重要作用。随着研究的不断深入,越来越多的研究重心不断从钙钛矿三维多晶薄膜材料转移到低维单晶材料中,如零维量子点、一维纳米线和二维纳米片等。这是因为,一方面低维钙钛矿材料有助于我们更为深入地解析材料中潜在的物理机制如光与物质相互作用以及光电转换机制等基础性科学问题;另一方面,由于低维钙钛矿材料独特的结构特征与量子限域效应,有助于我们进一步开发出具有高性能高效率的光电子器件。基于此,近年来钙钛矿零维量子点、一维纳米线及二维纳米片被相继制备出来并被应用于多种光电子器件中。近期,澳大利亚蒙纳什大学(Monash University)材料科学与工程系Qiaoliang Bao教授(点击查看介绍)团队在低维钙钛矿及其光电器件领域取得了一系列重要进展,不但研发出基于溶液和化学气相沉积两步法的低维钙钛矿制备技术(ACS Nano, 2016, 10, 3536; ACS Nano, 2016, 10, 7031),还构建了基于石墨烯/钙钛矿纳米颗粒的高增益光探测器(Advanced Optical Materials, 2015, 3, 1389),并发现多晶钙钛矿纳米线具有与单晶半导体材料相媲美的光波导和光调制性能(Nanoscale, 2016, 8, 6258.)。针对现阶段低维钙钛矿材料的研究进展,Qiaoliang Bao教授团队在Chemical Communications上发表了关于低维钙钛矿的制备、性质及光学应用的约稿综述性论文,重点回顾了低维钙钛矿的制备与性质,以及一些新近发现的在光电子器件领域中的代表性应用,主要包括以下几个方面:1. 低维钙钛矿材料的制备与性质。此章节重点回顾了低维钙钛矿材料的制备方法,例如,配位辅助重结晶法和热注入法制备钙钛矿量子点,溶液法和化学气相沉积法制备钙钛矿纳米线和纳米片等。在此基础上,进一步分析了各种方法的优劣势以及通过对应方法获得的低维钙钛矿材料所具有的独特性能特点,例如,钙钛矿量子点中的荧光偏振效应,一维、二维钙钛矿中优异的光学增益和相干光发射效应,二维钙钛矿中随厚度可调的能带结构及发光特性等。2. 低维钙钛矿材料在光电子器件中的应用。低维钙钛矿材料独特的性能特点,使其在太阳能电池、LED、宽波段光探测器、光波导与光调制、纳米激光器等光电子器件与应用领域具有广阔的应用前景。因此,本章节系统阐述了基于低维钙钛矿的光电子器件的材料选择特点、结构特点以及性能特点等方面,例如,在光探测器部分,主要综述了加州大学洛杉矶分校段镶锋教授及Qiaoliang Bao教授团队等在低维钙钛矿异质结光探测方面的研究进展;在激光器部分,重点综述了加州大学伯克利分校杨培东教授和新加坡南洋理工大学熊启华教授等近年来利用低维钙钛矿材料作为光学共振腔和放大增益介质,产生激光的系列工作。3. 在结论与展望部分,作者提出了构建基于低维钙钛矿材料的片上集成光电子系统的远景目标。与此同时,总结了目前低维钙钛矿材料在其应用过程中的瓶颈问题及潜在的解决途径,主要包括:(1)原子尺度的生长机制:在材料生长制备方面,还需要进一步系统研究各种方法的制备机理及过程,解释低维钙钛矿材料的制备规律和结构控制关键因素,实现对结构、质量和组分的精确调控。(2)毒性和不稳定性:钙钛矿材料中含有铅,这是一种对人体和环境有极大危害的元素。同时,钙钛矿材料极不稳定,当晶体遇水或高温条件时极易分解,它很有可能扩散对环境产生威胁。因此,开发出新型钙钛矿材料,使用Sn、Ge、Bi等元素取代Pb元素具有重要的实际意义。然而,此类无铅钙钛矿材料还处于研发初级阶段,目前在性能上还无法与含铅钙钛矿相媲美,因此在未来也还有足够的发展空间。另外,采用表面配位修饰或钝化,无机壳层保护等方法同样可以很大程度上提高低维钙钛矿材料的稳定性。(3)光与物质相互作用与光电转换机制:在现阶段还需要系统地探索低维钙钛矿体系中载流子迁移路径与迁移率等参数,建立微结构、界面和内部畴结构、缺陷等与光生载流子的分布和迁移之间的对应关系,为其光电子的发展提供理论支持。这一成果近期发表在《Chemical Communications》上,文章的第一作者是澳大利亚Monash大学材料科学与工程系博士后张豫鹏博士。该论文作者为:Yupeng Zhang, Jingying Liu, Ziyu Wang, Yunzhou Xue, Qingdong Ou, Lakshminarayana Polavarapu, Jialu Zheng, Xiang Qi, Qiaoliang Bao*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):Synthesis, properties, and optical applications of low-dimensional perovskitesChem. Commun., 2016,  52, 13637-13655, DOI: 10.1039/C6CC06425FQiaoliang Bao教授简介2007年获武汉大学物理系博士,2006-2008年南洋理工大学博士后,2011年被授予新加坡国立大学“李光耀博士后研究员”,2012-2016年,入选中组部“青年千人”,荣获基金委“优秀青年”和科技部青年973首席科学家称号,2016年荣获澳大利亚未来奖学金(ARC Future Fellowship)并担任澳大利亚蒙纳什大学材料科学与工程系副教授。担任Journal of Selected Topics in Quantum Electronics和Optical Communications杂志客座编辑。自2008年起从事石墨烯和二维材料光电子器件应用研究,在Nature Photonics, Nature Chemistry 和Nature Communications等高影响因子杂志发表论文120余篇,论文总引用次数超过10000次,H-因子为42,一篇论文引用次数超过1000,5篇论文引用次数500,26篇论文引用次数超过100。获美国发明专利权1项,中国发明专利5项,撰写约稿综述8篇,中文专著章节2部,英文专著/章节3部。http://www.x-mol.com/university/faculty/30809X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

罕见的高稳定性磺酸基MOF应用于CO2的捕获与转化

金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)因其可功能化的孔道在气体分离与储存和催化领域受到广泛关注。经典羧酸类MOFs中金属-羧酸基的配位模式往往使最终的多孔材料具有非极性孔道的特征。为避免这一短板,当前许多研究从配体的修饰着手,通常需要较为复杂的合成手段,局限于一小部分稳定性较高的官能团,且会显著降低孔隙率。近日,同济大学费泓涵(点击查看介绍)课题组另辟蹊径,选用常被忽视的磺酸类配体,采用1,2-乙烷二磺酸和4,4’-联吡啶构筑高稳定性的三维多孔金属-有机框架材料TMOF-1。TMOF-1具有MOF材料中典型的简单立方拓扑结构,且有出色的稳定性,不仅可在pH范围3到10的水溶液中保持稳定,而且可在沸腾的强极性溶剂如甲醇中轻松保持24小时无损。值得一提的是TMOF-1拥有稳定的永久孔道,这在磺酸类MOFs中是较为罕见的。单齿配位的磺酸基团中两个未配位氧原子仍集中了一定的负电荷,这些强极性基团直接暴露在孔道表面,大幅提升了材料对二氧化碳客体分子的吸附力。在室温、一个大气压和0℃、一个大气压条件下,材料对二氧化碳吸附量分别为62.0 mg/g和98.6 mg/g,与和TMOF-1具有相同的金属中心、吡啶配体和穿插结构但由对苯二甲酸参与构筑的MOF-508b(Cu)相比,吸附量分别提升了180%和160%。作者对二氧化碳在材料中的吸附位做了理论计算,结果表明二氧化碳最适吸附位处于四个磺酸基团中央,每个单胞可捕获4个二氧化碳分子。在室温、一个大气压下,实测二氧化碳吸附量达到理论最大值的80%,这证实了磺酸基团对二氧化碳分子的强作用力。基于TMOF-1的高二氧化碳储存性能,作者进一步将材料应用于催化二氧化碳与环氧乙烷衍生物的环加成反应。结果表明TMOF-1具有较高催化活性,对于小分子底物环氧丙烷、环氧丁烷等,四小时反应产率接近100%;随着底物分子尺寸增大,反应产率逐渐降低,这体现了MOFs材料孔道对底物分子尺寸的选择性。综上所述,TMOF-1开拓三维多孔磺酸基MOFs材料的合成手段,克服了传统经典羧酸类MOFs材料孔道极性低和稳定性差的缺点,且同时实现了二氧化碳的捕获与催化转化。考虑到MOFs材料在很多潜在应用领域的发展,该项成果不仅是对当前磺酸类配体配位模式与磺酸基 MOFs构筑规律的理论空白的重要填充,更具有重要的现实意义。该论文作者为:Guiyang Zhang, Guangfeng Wei, Zhipan Liu, Scott R. J.Oliver, Honghan Fei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 Robust Sulfonate-Based Metal–Organic Framework with Permanent Porosity for Efficient CO2 Capture and ConversionChem. Mater., 2016, 28, 6276-6281, DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b02511导师介绍费泓涵教授http://www.x-mol.com/university/faculty/35075 X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

氧化物晶体-非晶界面的电子重构—黑色TiO2高性能的关键

二氧化钛(TiO2)作为一种重要的功能材料,在光催化、太阳能电池、透明导电薄膜、传感器和锂离子电池等领域都受到了广泛的关注和研究。在能量转换和存储相关应用中,需要TiO2具备优异的光吸收和电子传输能力。然而,TiO2宽的带隙(>3.0 eV)和低的载流子迁移率大幅限制了其在上述领域的应用,为此,科研人员通过化学掺杂、半导体复合和纳米结构设计等方法来对TiO2进行优化改性。近年来,黑色TiO2纳米粒子的出现和发展进一步拓展了其在能源领域的应用潜力。黑色TiO2可以通过高压氢化和铝还原等方法获得,经过处理的材料具有特殊的核壳结构——外壳为缺氧的非晶层,内核为原来的晶体相。与常规TiO2相比,黑色TiO2显示出明显增强的光吸收和电子传输能力,光吸收的增强是由缺陷态和中间带引起的,而对于电子传输能力提升的主要机理一直存在很大争议,这在很大程度上是由粉体材料的复杂性导致的,颗粒的形状、尺寸分布和晶界等都对传输性能有影响。为了弄清楚这一问题,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科研人员及其合作者通过将黑色TiO2的结构薄膜化,避免了上述干扰因素,从而成功揭示了高电子传输能力的内在机理。该团队利用脉冲激光沉技术积构建了TiO2的同质节薄膜,该薄膜由TiO2晶体层和其上的缺氧非晶层组成(图1左),来模拟黑色TiO2的结构和功能。通过构建这样一个晶体-非晶界面,可以同时获得高的电子浓度和载流子迁移率,在常温下的电阻率为5.9 × 10-3 Ω cm(图2 左),电阻率比单层的晶体和非晶薄膜分别降低了五个和两个数量级。更有意思的是,该同质节薄膜在温度变化过程中显示出金属的传输特性。研究人员通过霍尔电阻、太赫兹光谱和界面电子能量损失谱等测试表征手段对界面高效电子传输的机理进行了系统的论述,发现TiO2晶体-非晶界面电子重构是引起高电子浓度和高载流子迁移率的原因(图1右),而高的电子浓度和迁移率是黑色TiO2电子传输能力提升的主要因素。图1. 左)TiO2薄膜界面设计示意图;右)界面电子重构前后的能带结构示意图。图2. 左)TiO2薄膜的电子传输性能;右)界面电子能量损失谱(EELS)。相关工作近期发表在《Nano Letters》上,吕旭杰博士为该文章的第一作者。该论文作者为:Xujie Lü*, Aiping Chen, Yongkang Luo, Ping Lu, Yaomin Dai, Erik Enriquez, Paul Dowden, Hongwu Xu, Paul G. Kotula, Abul K. Azad, Dmitry A. Yarotski, Rohit P. Prasankumar, Antoinette J. Taylor, Joe D. Thompson, and Quanxi Jia*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):Conducting interface in oxide homojunction: understanding of superior properties in black TiO2Nano Lett., 2016, 16, 5751-5755, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02454X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

气凝胶国产化取得突破性进展

日前,一座年产能超1万立方米的气凝胶大规模产业化工厂在武汉市新洲区正式落成,它将成为我国气凝胶原材料的最大生产厂家,约占全球产能的1/8,从而改写该领域长期由外国公司主导的局面。气凝胶是物理世界中最轻的固体、导热系数最低的材料,在航空航天、节能环保、国防军工、石油化工、轨道交通等领域应用广泛,是各国竞相投入研发的新材料。投资建设这家气凝胶生产工厂的是弘大科技公司,其董事长李光武表示,弘大科技用独创的低成本减压干燥技术制出了高品质的气凝胶,使年产100立方米气凝胶的生产设备投资由5000万元降到200万元,产品价格下降了80%,对于在我国快速推广气凝胶这一新型材料有着重要意义。http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2017-01/18/nw.D110000renmrb_20170118_7-10.htm

Nature Mater.:梯度带隙钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池近几年取得了飞跃式发展,最明显的是其光电转换效率(PCE)几年内快速增长,已经翻了几番,而且还在不断刷新记录。新的一年,单层稳定效率很有可能会很快超越25%,而叠层(如与硅太阳能电池叠层)则有可能超越30%。钙钛矿-钙钛矿叠层电池的效率普遍较低。Snaith和McGehee等人近期发表于Science的钙钛矿-钙钛矿叠层电池算是个不小的突破,两端叠层器件效率可达17%,四端叠层器件效率则可以提高到20%(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf9717,点击阅读详细)。另一种进一步提高太阳光谱利用的方法是梯度带隙太阳能电池,原则上电子-空穴收集效率可以大幅度提高,导致较高的输出电压及较大的输出电流。相对于叠层电池,其另外的优势是不需要复杂的连接层,但是复杂的离子混合却使得这种策略实施起来也并非易事。目前并没有基于钙钛矿的梯度带隙太阳能电池被成功报道。近日,加州大学伯克利分校的Alex Zettl(点击查看介绍)团队终于解决了这个难题,他们在Nature Materials报道了一种梯度带隙钙钛矿太阳能电池,光电转换效率平均为18.4%左右(最高21.7%),填充因子达到约75%,短路电流密度达到42.1 mA cm−2。图一 器件示意图。图片来源:Nature Mater.在该梯度带隙钙钛矿太阳能电池中(示意图如图一所示),关键的六方氮化硼(hexagonal boron nitride,h-BN)与石墨气凝胶(graphene aerogel,GA)已清晰的展示出来。电池是按照如下方法制备:室温下,在GaN上,应用溶液制备CH3NH3SnI3与CH3NH3PbI3-xBrx,中间用单层h-BN隔开防止离子混合,之后旋涂上空穴传输层以及电流收集层(金),与GaN接触的是Ti/Al/Ni/Au手指电极。图二 有/无连接层h-BN或者GA的钙钛矿电池。图片来源:Nature Mater.h-BN及GA对于这一结构十分关键。如图二黑线所示,同时含有h-BN及GA的荧光光谱范围较宽且有多组峰,表明形成了梯度带隙。含有Sn的半导体带隙会降低,而遇到拉力后,则带隙会更低,所以GaN/钙钛矿界面处的应力会导致带隙明显的移动,这使得带隙变得最小接近1 eV,使得光响应超过1250 nm。图三 a 不同条件下的EQE曲线;b不同条件下的电流电压曲线。图片来源:Nature Mater.对于同时存在h-BN以及GA,其影响可以达到1400 nm左右,其理论短路电流可以达到50 mA cm−2。没有h-BN以及GA的电池展现出了非常差的光谱相应,而且随着时间流逝而降低,这证实h-BN以及GA的重要性。从图三b可以看出短路电流的范围是从∼25 mA cm−2至∼45 mA cm−2,如此大的电流可能是出现了载流子增殖,比如由于期间中较强的内建电场形成的离子化,多激子的形成都对电流的提高起到了关键作用。电流-电压趋势表明,尽管含有h-BN以及GA的梯度带隙的形成可以提供有效的内建电场,有利于电子-空穴的收集效率但是却降低了开路电压。开路电压的范围为∼0.64V到∼0.9V,由器件的最小带隙而确定。图四 a随着时间的电池效率变化;b不同效率的电池数目分布;c最高效率的电池的J-V曲线。图片来源:Nature Mater.正常情况下,钙钛矿电池启用后过小段时间再启用,效率会下降(图四a),而此梯度带隙钙钛矿电池可以稳定于21%左右。同样结构的40组电池,器件的平均光电转换效率为18.4%左右(图四b),其中最高“稳定”效率为21.7%,短路电流为42.1 mA cm−2,开路电压0.688 V,填充因子约为75%(图四c)。随后作者研究了不同的连接层的作用,其中h-BN对于形成梯度带隙至关重要;GA对于电池的湿度耐受起到关键作用,而且对于钙钛矿结晶的生成及生长起到重要作用;GaN则是可以调节界面形貌,提高电子传输特性。梯度带隙的思路是一个非常好的提高效率的方法,但是其配方不易寻找,下一个问题就是能否找到简单办法以快速获得较好的配方?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):Graded bandgap perovskite solar cellsNature Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4795导师介绍Alex Zettl教授http://www.x-mol.com/university/faculty/35070(本文由科研趣生供稿)X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

《Chemical Reviews》探寻功能化石墨烯基复合材料在生物学及医学领域的新兴高端应用

石墨烯是由碳原子sp2杂化构成的一种新型二维纳米材料,由于其独特的物理化学结构,石墨烯具有独特优良的电学、光学和力学性质。这些性质使得石墨烯在很多领域都具有极大地应用价值,例如量子物理学、纳米电子学、能源存储和转换研究、新型催化材料、纳米复合材料以及纳米生物材料。由于其上述广泛的应用前景,近年来,石墨烯及其衍生物的研究已在多个领域成为备受瞩目的研究热点。 目前有关石墨烯及其衍生物的研究,主要集中在其物理,化学,以及其材料学方面的性质,而石墨烯在生物学及医学领域的研究工作才刚刚开始。石墨烯及其衍生物在生物学及医学等领域的研究主要涉及到生物检测、疾病诊断、靶向药物和基因载体、肿瘤的光热治疗,抗菌和抗病毒、生物成像、组织工程等。研究热点也多集中在石墨烯的生物功能性及生物安全性及其衍生物的合成与制备。由于石墨烯高的比表面积,强亲疏水界面作用,使得其具有非常高的药物及功能分子装载能力,利用其较强的近红外光吸收能力,功能化纳米石墨烯可以进一步结合光热治疗实现高效抗肿瘤。石墨烯同时具有优异的光学和磁学性质,可以用作细胞及医学检测成像研究。苏州大学刘庄教授课题组较早的开展了功能化纳米石墨烯的抗肿瘤及细胞显影与纳米安全性方面的研究,该课题组于2013年在《Chemical Society Reviews》发表了相关领域的综述,该综述论文系统的总结了纳米石墨烯在生物医学尤其是肿瘤诊疗方面近年来的重要工作进展。1除了靶向药物和基因载体、肿瘤的光热治疗及生物成像,石墨烯及其功能化衍生物还在生物电极,疾病诊断,细胞及组织信号监测,可植入导电支架材料,微生物燃料电池等生物学及医学领域逐渐显现出各种优异性能。这些领域的研究虽然内容上千差万别,但是其最根本的内部联系在于石墨烯及其复合材料可以极大的促进材料界面跟生物体的相互作用,例如促进蛋白吸附,加快细胞及微生物粘附速度,提供电学及力学刺激等。例如在导电支架及微生物燃料电池阳极材料的研究中,石墨烯改性后的生物支架可以加快材料界面对细胞外基质蛋白的吸附速度,从而促进细胞外基质的形成速度,最终加快了细胞或者微生物的附着速度,并为细胞及微生物的生长提供更好的外部微环境。除此之外,石墨烯杂化的复合材料还能通过其特异的物理及化学性质来影响细胞的信号机制及生物学功能性。例如南京理工大学冯章启副教授利用石墨烯包裹的电纺丝支架的高导电性及三维纤维化结构成功实现了对神经细胞的增殖和分化的电刺激调控。2 另外又如上海交通大学附属第六人民医院的邹德荣教授及澳大利亚莫纳什大学(Monash University)的李丹教授联合发表了利用化学还原石墨烯凝胶薄膜加快支架材料的蛋白吸附,细胞粘附及羟基磷灰石沉积,从而加速创伤骨组织的愈合速度。3上述石墨烯及其衍生物在生物学及医学领域的新兴研究内容,不仅拓宽了石墨烯的应用范围,同时又具有非常鲜明的多学科交叉特点,将会催生更多新型研究领域和研究成果。尽管上述领域已经有较多创新性研究成果,但是相关领域一直还未有相对全面的综述文章对其进行全面总结性报道。2017年1月11日,Chemical Reviews在线发表德国柏林自由大学程冲(Chong Cheng)博士后及Rainer Haag教授(点击查看介绍)和美国密歇根大学Nicholas Kotov教授(点击查看介绍)等人联合撰文的长篇综述“Functional Graphene Nanomaterials Based Architectures: Biointeractions, Fabrications, and Emerging Biological Applications”。4该综述首先介绍了功能化石墨烯的种类、化学结构、改性方式等基本概念,然后概述了石墨烯及其功能化复合物与生物体的相互作用机制,然后总结了目前常用的制备二维及三维石墨烯复合材料的物理化学策略。最后详细讨论了石墨烯基复合材料在细胞及病原体检测,组织监测、植入体材料、干细胞诱导、组织再生及微生物燃料电池阳极材料等方面应用发展现状。当功能化石墨烯应用于生物学及医学领域时,由于其高的比表面积及强亲疏水作用等因素,复合材料界面最先发生的相互作用就是吸附各种生物高分子,特别是非特异性的蛋白吸附。石墨烯表面很快会富集大量的蛋白,从而使得复合材料显示出新的界面特性。大量蛋白吸附后也将极大的增加复合材料的生物学活性,例如提升细胞粘附、生长甚至分化能力等。另一方面,蛋白吸附也可能引起材料的免疫学反应或者降低材料的导电性等。目前关于石墨烯与细胞的相互作用主要是集中在石墨烯的纳米毒性方面,其主要毒性机理来自于石墨烯纳米片跟细胞膜的直接相互作用,这可能导致细胞膜的直接物理损伤或者引起细胞的氧化应激反应增强,从而导致细胞凋亡。但当石墨烯被复合到其他材料内部,其与细胞膜的“edge-to-face” 接触模式将变为“face-to-face” 模式。这就意味着,石墨烯基复合材料比石墨烯纳米分散液具有更加优异的细胞相容性,在复合材料未降解阶段,材料的生物学毒性会非常低。而关于石墨烯跟干细胞的相互作用,主要是得益于其较好的细胞外基质蛋白粘附能力,多变的物理化学性质及微纳米形貌。其可以通过影响干细胞的粘着斑生长,也会存在电信号传递,硬度,褶皱及多孔结构等影响干细胞的形态及生物学活性。此外石墨烯基材料还能富集环境中的生长因子等从而调节或强化干细胞的分化过程,蛋白及基因表达等。 除此之外,石墨烯纳米分散剂还与细菌,病毒等有较强的相互作用,使得其可以用于细菌或病毒的体外检测,或者用于细菌及病毒的抑制剂。而当石墨烯被复合到阳极支架后,则会促进微生物的粘附和生长,可用于设计高性能微生物燃料电池。该综述进一步的总结了目前常用的制备二维及三维石墨烯复合材料的物理化学策略。在二维复合材料方面,主要有(1)原子级别的CVD沉积石墨烯薄膜;(2)单层及多层的溶液薄膜组装,主要方法有旋涂,喷涂,浸渍,电泳,Langmuir-Blodgett 及层层自组装;(3)自支撑的石墨烯基柔性薄膜,例如抽滤法,模板法,界面组装干燥法,层层组装交联法,原位生长法。而在三维石墨烯基复合材料方面,主要有(1)自组装的石墨烯水凝胶及气凝胶,如水热还原法,多重非共价组装法等;(2)共价交联石墨烯基水凝胶,化学交联剂直接凝胶化,或自由基聚合交联凝胶化;(3)冰模板及冷冻干燥法制备有序多孔石墨烯气凝胶;(4)三维骨架界面自组装方法;(5)基于CVD的石墨烯三维泡沫;(6)三维打印制备精确结构的石墨烯支架;(7)功能化石墨烯-细胞或细菌杂化材料;(8)其他三维石墨烯基复合材料,如蜂窝状石墨烯,石墨烯微球,褶皱石墨烯,湿法纺丝微米纤维,仿贻贝螺旋纤维等结构。不同的二维或者三维石墨烯基复合材料显示出各异的物理化学性质,在讨论完每个种类材料后,该综述也对每种材料的典型生物及医学应用做了总结。 接着该综述详细全面的介绍和归纳了石墨烯基复合材料在细胞及病原体检测、组织器官信号监测、植入体材料、干细胞诱导、组织再生及微生物燃料电池阳极支架等方面的应用发展现状和面临的问题。该部分内容较多,就不再一一赘述,请详细阅读该综述的介绍。最后该综述还总结了目前石墨烯基复合材料在上述新兴研究领域所面临的研究难点和未来发展趋势。例如在细胞及病原体检测及组织器官信号监测领域,制备具有更加优异的电化学,光学及力学等性能的石墨烯基电极仍然是未来的主要研究趋势,构建具有更加特异性,高灵敏度以及实时监测能力的石墨烯基电极对于病原体及疾病的检测和治疗具有重要意义,例如高灵敏度可植入的柔性神经或心脏监测电极。在干细胞工程领域,进一步的探究导电基材如何诱导干细胞分化及内在信号传递机制将会极大的促进该领域的发展,特别是在单个细胞或者亚细胞结构水平上的研究。进一步设计各种不同类型的石墨烯基导电基材,探究这些纳米导电界面对不同类型干细胞的诱导分化效应也非常有必要。 尽管石墨烯基复合材料在组织修复领域已经取得较大的研究进展,但目前的研究主要集中在体外模型上,进一步探明其在体内的环境下的长期效果显得尤为重要,特别是长达6个月以上的动物实验,由于石墨烯具有难生物降解的特点,长期系统的生物学观察将会对其全面的生物毒性研究起到重要作用。而在微生物燃料电池阳极领域,进一步开发高微生物粘附,高导电性,低成本的石墨烯基电极将会是人们的不懈追求。传统电极材料往往只具有二维结构,构建三维连续孔道结构的石墨烯电极,将极大的促进单位体积的微生物负载量,同时将这些电极与高导电集流体进行复合,如不锈钢网等,也将进一步提升其产电效率。总之,石墨烯及其衍生物在生物学及医学领域的研究还处在起步阶段,大多数都处于初步阶段,以体外细胞实验居多,体内实验较少,要走向实际应用及临床还有很多实验数据要补充。尤其是体内生物学评价、不可降解性能及其在体内的毒副作用还有待进一步的系统性研究。以石墨烯为平台的生物传感方面和疾病诊断方面,虽然灵敏度达到了实际要求,但是其可靠性、重现性和稳定性还需要进一步的实验研究,才能制备出相应的器件设备,实现其实际应用。同时考虑到石墨烯较高的生成成本,在未来的研究中,各种功能化石墨烯基复合材料还是需要有针对性的找到符合自己物理化学特性的独一无二的高端应用才行。参考文献:(1) Yang, K.; Feng, L.; Shi, X.; Liu, Z. Nano-Graphene in Biomedicine: Theranostic Applications. Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 530-547.(2) Feng, Z.-Q.; Wang, T.; Zhao, B.; Li, J.; Jin, L. Soft Graphene Nanofibers Designed for the Acceleration of Nerve Growth and Development. Adv. Mater., 2015, 27, 6462-6468.(3) Lu, J.; Cheng, C.; He, Y. S.; Lyu, C.; Wang, Y.; Yu, J.; Qiu, L.; Zou, D.; Li, D. Multilayered Graphene Hydrogel Membranes for Guided Bone Regeneration. Adv. Mater., 2016, 28, 4025-4031.(4) Cheng, C.; Li, S.; Thomas, A.; Kotov, N. A.; Haag, R. Functional Graphene Nanomaterials Based Architectures: Biointeractions, Fabrications, and Emerging Biological Applications. Chem. Rev., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00520.该论文作者:Chong Cheng, Shuang Li, Arne Thomas , Nicholas A. Kotov, and Rainer Haag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):Functional Graphene Nanomaterials Based Architectures: Biointeractions, Fabrications, and Emerging Biological ApplicationsChemical Reviews, 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00520Rainer Haag教授http://www.x-mol.com/university/faculty/3419课题组链接http://akhaag.userpage.fu-berlin.de//index.htmlNicholas Kotov教授http://www.x-mol.com/university/faculty/35073课题组链接http://www.umkotov.com/X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

石墨烯大单晶阵列的快速制备

石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化而成的蜂窝状二维原子晶体,自2004年被发现以来,以其独特的能带结构和优异的光学、电学等性质成为了新一代明星材料1。各行各业的研究人员也在如火如荼地开展各种有关石墨烯性质和应用的研究,期望发挥石墨烯杀手锏式的作用。然而,石墨烯的高效利用必须依托其高效、规模化的制备方法。目前,以铜箔为基底的化学气相沉积方法(CVD)因其具备大面积、低成本等优势成为了当前制备石墨烯的主流方法之一 2。然而,多晶铜箔表面的高密度台阶,晶界,缺陷以及较大的粗糙度均降低了石墨烯的成核势垒,从而导致石墨烯随机成核的概率急剧增加,随之引起石墨烯的畴区尺寸受到限制,最终这些取向不一致的微小石墨烯畴区会拼接而成具有高密度晶界的石墨烯薄膜3。研究发现,晶界的存在会大大降低石墨烯的电学和机械等性质4,从而严重限制了石墨烯的应用。因而,如何增加石墨烯的单晶畴区尺寸是铜箔上石墨烯CVD生长所面临的主要挑战之一。目前已涌现出多种制备大尺寸石墨烯单晶的方法,其主要的制备方法可以分为:1) 在单晶基底上外延生长晶格取向一致的石墨烯单畴,然后这些单畴再无缝拼接形成石墨烯大单晶5。2) 对铜箔基底进行长时间复杂的预处理,再利用较低的碳源浓度降低石墨烯的成核密度,进而再延长时间得到较大尺寸的石墨烯单晶6,7。前者所利用的单晶基底价格均比较昂贵,且不利于石墨烯的大规模生产;而后者不仅处理铜箔的工艺通常比较复杂,而且所获得的毫米级石墨烯单晶的生长速度普遍低于70 微米/分钟,制备时间更会长达数小时乃至几十小时,如此低的生长速度和制备效率显然不适合石墨烯的规模化生产和应用。针对这一问题,北京大学化学与分子工程学院刘忠范院士(点击查看介绍)与彭海琳教授(点击查看介绍)课题组成功发明了石墨烯“分子流”模式的CVD生长方法,在单晶化的铜箔表面实现了毫米级石墨烯单晶阵列的快速批量生长,相关结果最近的《Advanced Materials》上发表,并申请了专利。他们先把数片工业铜箔堆垛成叠层结构或把长条铜箔卷积成卷筒状后置于管式炉CVD生长系统中,通入微量的氧气后在高温下退火,利用氧的化学吸附诱导和氢气后还原的方法使堆垛的多晶铜箔表面快速转化为大面积铜单晶表面,从而为后续毫米级石墨烯单晶的生长提供了高质量、平整的单晶基底。然后,通入甲烷进行石墨烯单晶的成核和生长,当甲烷通入10分钟,就可获得单一晶畴达3毫米的石墨烯单晶的大面积阵列,石墨烯大单晶阵列的生长速度达到300 微米/分钟。研究人员认为,在堆垛铜箔间隙距离约10~30微米,远小于生长压力下气体分子的平均自由程。因而这一受限的间隙内,反应气体甲烷和氢气的运动状态为“分子流”模式,促使甲烷、氢气在面对面的催化剂铜箔基底之间来回碰撞,碰撞效率显著提升,从而增加了甲烷在铜箔催化剂表面的碳氢活化和分解效率,局域的碳源碎片浓度提升;另一方面,单晶化的平坦铜箔基底可以有效地抑制石墨烯的成核密度,并形成阵列化的单晶石墨烯晶核,进而在基底和碳源的双重作用下,实现了毫米级石墨烯单晶阵列的快速生长,延长生长时间后即可实现大面积高品质石墨烯薄膜的制备。值得一提的是,该制备方法不仅使得石墨烯生长速度快,而且前期处理工艺也比较简单,使得毫米级石墨烯单晶的制备时间大大缩短,显著降低了能耗和成本,同时还可以通过改变铜箔的构型来实现石墨烯单晶薄膜的规模化制备。这一研究结果不仅提供了一种高效、低廉的工业铜箔表面单晶化处理方法,从而为石墨烯的生长提供高质量的基底,而且还发展了一种高效、规模化制备高品质石墨烯薄膜的方法,无论是生长速度、品质和产能,都优于石墨烯大单晶的传统制备方法,有力地推动了石墨烯薄膜的工业化应用。该论文作者为:Huan Wang, Xiaozhi Xu, Jiayu Li, Li Lin, Luzhao Sun, Xiao Sun, Shuli Zhao, Congwei Tan, Cheng Chen, Wenhui Dang, Huaying Ren, Jincan Zhang, Bing Deng, Ai Leen Koh, Lei Liao, Ning Kang, Yulin Chen, Hongqi Xu, Feng Ding, Kaihui Liu, Hailin Peng, Zhongfan Liu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):Surface Monocrystallization of Copper Foil for Fast Growth of Large Single-Crystal Graphene under Free Molecular FlowAdv. Mater., 2016, 28, 8968-8974, DOI: 10.1002/adma.201603579参考文献(1) Geim, A. K. Science, 2009, 324, 1530-1534. doi: 10.1126/science.1158877(2) Li, X. S.; Cai, W. W.; An, J. H.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D. X.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S. K.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science, 2009, 324, 1312-1314. doi: 10.1126/science.1171245(3) Wood, J. D.; Schmucker, S. W.; Lyons, A. S.; Pop, E.; Lyding, J. W. Nano Lett., 2011, 11, 4547-4554. doi: 10.1021/nl201566c(4) Huang, P. Y.; Ruiz-Vargas, C. S.; van der Zande, A. M.; Whitney, W. S.; Levendorf, M. P.; Kevek, J. W.; Garg, S.; Alden, J. S.; Hustedt, C. J.; Zhu, Y.; Park, J.; McEuen, P. L.; Muller, D. A. Nature, 2011, 469, 389-392. doi: 10.1038/nature09718(5) Lee, J. H.; Lee, E. K.; Joo, W. J.; Jang, Y.; Kim, B. S.; Lim, J. Y.; Choi, S. H.; Ahn, S. J.; Ahn, J. R.; Park, M. H.; Yang, C. W.; Choi, B. L.; Hwang, S. W.; Whang, D. Science, 2014, 344, 286-289. doi: 10.1126/science.1252268(6) Hao, Y. F.; Bharathi, M. S.; Wang, L.; Liu, Y. Y.; Chen, H.; Nie, S.; Wang, X. H.; Chou, H.; Tan, C.; Fallahazad, B.; Ramanarayan, H.; Magnuson, C. W.; Tutuc, E.; Yakobson, B. I.; McCarty, K. F.; Zhang, Y. W.; Kim, P.; Hone, J.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science, 2013, 342, 720-723. doi: 10.1126/science.1243879(7) Yan, Z.; Lin, J.; Peng, Z. W.; Sun, Z. Z.; Zhu, Y.; Li, L.; Xiang, C. S.; Samuel, E. L.; Kittrell, C.; Tour, J. M. ACS Nano, 2013, 7, 2872-2872. doi: 10.1021/nn303352k导师介绍刘忠范院士http://www.x-mol.com/university/faculty/8703彭海琳教授http://www.x-mol.com/university/faculty/8679X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

基于液态金属纳米颗粒的柔性超导电路

相信每个科技爱好者都对电影《终结者2》中的机器人T1000印象深刻,在电影中T1000由一种特殊液态金属材料构成,它可以在固态和液态之间随意转换,当它受伤或中弹之后,会像液体那样自动恢复,可以随时改变自己的形状和容貌,甚至将身体局部瞬间变形为尖锐的攻击利器。虽然用液态金属制造T1000一样的机器人还很遥远,但是关于液态金属的研究已经屡见报道。由于其特殊的结构和较低的熔点,液态金属有着其他金属所不具备的诸多特性。其应用主要包括一次浇筑成型、柔性电子器件和自驱动马达等。最近澳大利亚伍伦贡大学超导与电子材料研究所的科学家通过进一步探索,发现镓基液体金属的另外一个令人惊喜的特性-超导。一直以来,对于现今发现的大部分超导材料来说,都有着易碎不利于精细加工的短板,这导致研究者们无法把超导材料很好的应用于微纳器件中,也无法有效的实现真正的超导小型器件甚至柔性器件。澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong)超导与电子材料研究所在窦世学院士的带领下,致力于发现新型超导材料并极力推进超导材料的实用化。最近,在该研究所徐迅研究员、杜轶研究员的探索和努力下,并与北京航空航天大学江雷院士合作下,通过调节镓基液体金属的成分比例,成功得到了超导转变温度稳定于6.6K的超导材料,这一超导温度高于液氦温度(4.2 K)。而该液体金属的熔点低于室温,利用该特性,研究者们希望将液体金属进一步纳米化以便于印刷和制备电路。在尝试多种手段之后,研究者最终找到有效的纳米化液体金属的方法,并制备出了尺寸均一的纳米颗粒,令人兴奋的是,这些纳米颗粒依旧维持与块体液体金属一致的超导特性。将其有效分散于各种水性或有机分散剂中,便得到了可直接用于喷墨打印的超导纳米颗粒油墨,可以直接打印和刻蚀出指定形状和尺寸的微纳电路,这些微纳电路不仅有着优异的机械柔性,而且在超导转变温度以下有着电阻为零的神奇超导特性。高于液氦温度的超导液体金属及其超导纳米油墨的实现,不仅揭示出液体金属材料另一非常重要的特性,而且将极大的推动超导实用化进程,研究者们预期这一成果可直接用于开发微型核磁共振仪、微纳超导线圈以及可穿戴柔性超导电子器件等应用上。这一突破将为超导器件小型化以及柔性超导器件的应用提供重要而直接的科学基础和技术指导,或将开辟超导应用的新格局。这一成果近期发表在《Advanced Functional Materials》上,文章的第一作者是澳大利亚伍伦贡大学博士研究生任龙和庄金呈。该论文作者为:Long Ren, Jincheng Zhuang, Gilberto Casillas, Haifeng Feng, Yuqing Liu, Xun Xu, Yundan Liu, Jun Chen, Yi Du, Lei Jiang, Shi Xue Dou 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):Nanodroplets for Stretchable Superconducting Circuits Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 8111-8118, DOI: 10.1002/adfm.201603427科研思路分析Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?A:超导材料一直是我们伍伦贡大学(University of Wollongong)超导与电子材料研究所研究方向之一,我们一直致力于发现新型超导材料并极力推进超导材料的实用化。对于现今发现的大部分超导材料来说,都有着易碎不利于精细加工的短板,虽然这些材料可以用于制备大型的超导线材中,但我们无法把超导材料很好的应用于微纳器件中,也无法有效的实现真正的超导小型器件甚至柔性器件。我们的研究目的就是想扩宽超导在电子器件,特别是微型,柔性电子器件中的应用,解决和弥补传统超导材料不易于精细加工的缺点。Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?A:本项研究中最大的挑战是如何调控液体金属的比例,使得其不仅保持液态特性,且易于分散,能够打印成微电路。而且还要保证其超导使用温度至少高于液氦温度,方能实现真正意义上的可打印的超导微型电路。Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?A:该成果将极大的推动超导实用化进程,可直接用于开发微型核磁共振仪、微纳超导线圈以及可穿戴柔性超导电子器件等应用上。我们相信,通过后期更深入研究,可在该工作基础上将超导使用温度进一步提高,对超导材料产业化起到更大的积极作用。而对于广大的电子器件研发机构来说,将超导特性引入其产品中,将会极大的提高相关产品的效率。X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

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