中科大潘建伟Nature，王中林、李玉良、崔屹、乔世璋、胡良兵、葛子义等成果速递丨顶刊日报20200213

纳米人

2020-02-14

今日推荐丨中国科大成功实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠

中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中科院上海微系统与信息技术研究所合作，在量子中继与量子网络方向取得重大突破。他们通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术，成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。

参考文献：

Yong Yu et al. Entanglementof two quantum memories via fibres over dozens of kilometres. Nature 2020, 578,240–245.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1976-7

1. Nat. Commun.: 机械卷绕制备的互穿型锂金属/锂锡合金箔材用作超高倍率电池负极材料

高比能锂金属电池受限于缓慢的界面锂离子扩散而很难实现高倍率应用。有鉴于此，斯坦福大学的崔屹教授与华中科技大学的孙永明教授等通过将金属锂箔与锡箔进行简单压延与折叠并结合后续自发进行的合金化反应成功地制备了一种新型互穿锂金属/锂锡合金箔材。这种三维互穿锂电极在高倍率下优异的电化学性能说明其具有在高比能高功率储能器件中实际应用的潜力。

本文要点

1）这种新型互穿锂金属锂/锂锡合金箔材由三维交联的金属锂与Li₂₂Sn₅集成的网络构成。得益于高锂离子扩散系数、高亲锂性以及Li-Sn之间适中的电压差，三维纳米结构的Li₂₂Sn₅网络为Li/ Li₂₂Sn₅界面上的快速离子传输提供了丰富的通道和强劲的驱动力。锂离子能够在丰富的Li/ Li₂₂Sn₅界面之间和互穿网络内部进行快速扩散。

2）研究人员发现，Li₂₂Sn₅网络不仅有助于电子的快速传输，而且能够作为载体缓冲金属锂沉积-剥离过程中巨大的体积变化。

3）对称Li/ Li₂₂Sn₅// Li/ Li₂₂Sn₅电池在5mAh/cm²的沉积量和30mA/cm²的超高电流密度下能够实现长达200周的稳定循环。当与1mAh/cm²载量的NCM正极匹配为全电池后，全电池在6C的高倍率下能够实现低倍率下74%的放电容量。此外，LFP// Li/ Li₂₂Sn₅全电池在4mA/cm²的电流密度下循环500周后的容量保持率高达91%。

MintaoWan et al, Mechanical rolling formation of interpenetrated lithiummetal/lithium tin alloy foil for ultrahigh-rate battery anode, NatureCommunications, 2020

DOI：10.1038/s41467-020-14550-3

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14550-3

2. Matter: 从理论和实验上揭示二维材料在锂/钠-硫电池中的研究进展

由于高能量密度和低成本，金属锂/钠-硫电池在下一代电池中具有实用的前景。但由于放电容量和长时间循环的稳定性不足，阻碍了其发展。目前研究人员通过实验和理论方法的结合，在理解硫氧化还原和金属电镀-剥离的电化学行为与电极材料的结构特性之间的关系取得了重大进展。对于金属-硫电池，二维（2D）纳米材料是一种合适的模型，可以将实验结果与理论预测相关联，并且可以用来探索结构与特性之间的关系。阿德莱德大学乔世璋课题组从理论和实验上揭示二维材料在锂/钠-硫电池中的研究进展。

本文要点:

1）通过实验和理论方法相结合的观点，探索了二维纳米材料在不同反应阶段的硫氧化还原转化率，分析二维纳米材料作为SEI和宿主材料在保护锂和钠金属负极方面的关键因素。

2）重点讨论了开发高性能金属硫电池的有前途的研究方向。指出未来的研究工作应集中在建立宏观转化动力学与电极材料的电子结构之间的相关性上。另外，由2D材料制造3D电极可能是提高Li/Na-硫电池和其他金属硫电池能量和功率密度的一种有效方法。

ChaoYe,et al. Unveiling the Advances of 2D Materials for Li/Na-S BatteriesExperimentally and Theoretically, Matter, 2020.

DOI:10.1016/j.matt.2019.12.020

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519304114

3. JACS: 水溶柔性有机框架可包裹和运送蛋白质！

多孔聚合物由于在分离、催化、负载以及输运等领域具有广阔的应用潜力因而备受关注。然而，到目前为止多孔聚合物的研究重点是构建稳定的静态共价有机框架，具有纳米孔道的水溶性聚合物框架尚未有人报道。近日，复旦大学的Yunchang Zhang、Wei Zhou、Zhanting Li以及美国劳伦斯伯克利国家实验室的Yi Liu等报道了一种能够包裹和输运蛋白质的水溶性多孔聚合物柔性框架。这种新型的水溶性柔性框架为多孔材料的发展开辟了一个新领域。其高孔隙率、高稳定性、纳米尺寸可调、易于制备等优势使其在生物材料领域具有广阔的应用潜力。

本文要点:

1）研究人员以半刚性四醛和柔性二酰胺为原料合成了四种水溶性腙基三维柔性有机框架（FOF-1-4）。¹H-NMR表征证实了水溶液中FOF-1-4的存在，动态光散射结果表明聚合物框架中存在直径范围50-120nm的孔道，孔道的具体尺寸由浓度决定。

2）研究人员利用固体样品的乙醇蒸气吸附实验以及2.3nm卟啉客体在水中的高负载量证实了该有机框架内部具有很高的孔隙率。

3）这种新型水溶性有机框架的细胞毒性很低，其固有孔隙能够快速有效地包裹牛血清白蛋白和橙色荧光蛋白等蛋白质并将其输运到细胞内部。流式细胞仪实验表明其所输运的细胞高达99.8%。

Jia-LeLin et al, Water-Soluble Flexible Organic Frameworks That Include and DeliverProteins, JACS, 2020

DOI: 10.1021/jacs.9b13263

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13263

4. JACS: 具有氧化还原响应的柔性“萘笼”

自然界中存在很多动态体系能够利用柔性折叠来发挥复杂的生物作用。人工合成的“萘笼”也具有这样的特征，能够通过萘环快速反转进行构象的转换来实现不同功能。近日，南方科技大学的蒋伟教授与柏林自由大学的Christoph A. Schalley等发现“萘笼”与四硫富瓦烯和甲基紫精这两种常见的氧化还原可调单元之间存在极强的结合力且能够发生氧化还原响应。具有柔性的萘笼分子和其内部结合的客体分子都具有氧化还原响应能力，这为氧化还原控制的客体释放或刺激响应材料中的新应用开辟了道路。

本文要点:

1）研究人员发现“萘笼”的空腔与芳香性阳离子（如四硫富瓦烯一价和二价离子以及甲基紫精离子）的尺寸并不能完全匹配，但它们之间存在强度高达10¹⁰ M^-1的结合能力。客体分子在两个萘墙之间的嵌入是通过C-H…O、C-H…π以及阳离子…π等相互作用实现的。

2）客体分子进出“萘笼”可以通过氧化还原反应进行调控。当对不含客体分子的萘笼进行氧化时会形成由一个氧化态萘嵌入另外两个萘中的稳定自由基阳离子。

3）一旦柔性“萘笼”发生氧化，被封装的客体分子就会由于结合力较弱而通过空腔被释放出来。因此可以利用主体分子的氧化-还原柔性构象变化来对主客体化学相互作用进行选择性调节。

FeiJia et al, Redox-Responsive Host–Guest Chemistry of a Flexible Cage with Naphthalene Walls, JACS,2020

DOI: 10.1021/jacs.9b11685

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b11685

5. Adv. Sci.：混合钙钛矿中的非均相过饱和

基于混合卤化钙钛矿的薄膜太阳能电池已经实现了超过24％的认证功率转换效率，已接近晶体硅。这激发了对决定其性能的机制的深入研究。已经提出了孪晶缺陷位点作为钙钛矿中陷阱的来源，但是它们的起源和对光伏性能的影响仍然不清楚。鉴于此，多伦多大学Edward H. Sargent 和国立清华大学Lih Juann Chen团队对其进行了深入研究。

本文要点：

1）孪晶缺陷（通过透射电子显微镜和X射线衍射观察到）与钙钛矿中添加的抗溶剂量相关，并且性能最高的钙钛矿光伏器件中的孪晶缺陷得到抑制。

2）讨论了异质过饱和成核作用，这是有效的基于钙钛矿的光电器件的贡献者。

ChihShan Tan et al. Heterogeneous Supersaturation in Mixed Perovskites，Advanced Science, 2020

DOI:10.1002/advs.201903166.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903166

6. Adv. Sci.：创纪录效率20.55％！无电子传输层钙钛矿太阳能电池

具有成本效益和简化设计的高效无电子传输层钙钛矿太阳能电池（ETL不含PSC）可以大大促进PSC的大面积灵活应用。但是，缺少ETL通常会导致ITO/钙钛矿界面能级不匹配，从而限制了电荷的转移和收集，并导致严重的能量损失和较差的器件性能。为了解决这个问题，宁波材料所的葛子义团队引入了极性非共轭小分子改性剂，以降低ITO的功函数，并借助固有的偶极子来优化界面能级匹配。

本文要点：

1）通过光发射光谱法和开尔文探针力显微镜研究表明，修饰后的ITO/钙钛矿接触有利于有效的电荷转移并抑制非辐射复合，从而使器件具有增强的开路电压，短路电流密度和填充因子。

2）制备的器件效率提高到了创纪录的20.55％（空白组12.81％），可与具有先进ETL的最新PSC媲美。而且，由于界面缺陷钝化和抑制的界面电荷积累，具有较小的回滞现象而优异的稳定性。

总而言之，这项工作通过界面电子结构工程和便捷的电极改性，促进了高效，灵活和可回收的无ETL的成本低廉PSC的进一步开发和应用。

LikeHuang et al. Synergistic Interface Energy Band Alignment Optimization andDefect Passivation toward Efficient and Simple‐StructuredPerovskite Solar Cell，Advanced Science, 2020

DOI: 10.1002/advs.201902656.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201902656

7. AEM：具有恒定输出电流的圆柱形直流摩擦纳米发电机

近年来，随着经济的不断增长，能源需求增长迅速，甚至出现了一定程度的能源危机。因此，世界上许多国家都在积极投资开发和利用新的绿色能源。各种形式的发电机，包括电磁发电机、压电发电机、摩擦纳米发电机等，在获取能源方面发挥着不可替代的作用。基于摩擦起电效应和静电感应效应耦合的摩擦纳米发电机（TENGs）的工作模式可分为四种：垂直接触分离模式、接触滑动模式、单电极模式和独立式摩擦电层模式。TENGs具有在低频环境下获取各种形式机械能无可比拟的优势，有望为全球能源的可持续发展做出重大贡献。在此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、Tinghai Cheng和吉林大学赵宏伟教授首次报道了一种通过相位耦合产生具有低波峰因数的几乎恒流输出的圆柱形直流摩擦电纳米发电机（DC-TENG）。

本文要点：

1）研究了相位（P）和机组数（G）对DC-TENG的影响。实验表明，电流的波峰因数随相位的增大而显著减小，输出性能随组数的增加而显著提高。

2）DC-TENG的三相五组（3P5G）单相摩擦发电单元产生的开路电压为149.5 V，短路电流为7.3 μA，在600 rpm时产生的电荷为56.7 nC。

3）在对每相输出进行整流和叠加后，DC-TENG可以产生21.6 μA的耦合电流和2.04 mW的平均输出功率。此外，输出电流的波峰因数降低到1.08，并且实现了几乎恒定直流电的高性能特性。

这项研究对于TENG在为低功耗传感器供电方面的实际应用具有重要意义。

JianlongWang, Yikang Li, Zhijie Xie, Yuhong Xu, Jianwen Zhou, Tinghai Cheng, HongweiZhao, Zhong Lin Wang. Cylindrical Direct-Current Triboelectric Nanogeneratorwith Constant Output Current. Adv. Energy Mater. 2020,1904227.

DOI:10.1002/aenm.201904227.

https://doi.org/10.1002/aenm.201904227

8. AFM：用于人体温度调节的可拉伸耐热蛋白质电子皮肤

蚕丝蛋白具有良好的生物降解性和生物相容性，是一种非常有前途的皮肤上和植入式电子器件材料，然而，其固有的脆性和较差的热稳定性限制了其应用。有鉴于此，厦门大学刘向阳、郭文熹等人利用再生丝素蛋白(SF)与聚氨酯之间的强相互作用，通过介观掺杂的方法制备出坚固耐热的丝素蛋白复合膜(SFCMs)。

本文要点：

1）所获得的SFCMs可以承受拉伸试验超过200%，热处理温度高达160°C。由于SFCMs具备这些优点，传统的微机械加工技术，如喷墨打印，可以在这种蛋白质衬底上印刷柔性电路。

2）在此基础上，成功地在SFCMs的两侧构建了Ag纳米纤维和Pt纳米纤维网络，分别用作加热器和温度传感器。此外，集成的基于蛋白质的电子皮肤(PBES)具有很高的热稳定性和温度敏感性(0.205%°C⁻¹)。

3）阵列式PBES可实现加热和温度分布的检测，在疏通血管缓解关节炎方面具有潜在的应用前景。这种PBES不会引起炎症，透气性良好，因此可以直接贴在人体皮肤上进行长期的热处理。

JianiHuang, et al. Stretchable and Heat‐Resistant Protein‐Based Electronic Skin forHuman Thermoregulation, Adv. Funct. Mater., 2020.

DOI:10.1002/adfm.201910547

https://doi.org/10.1002/adfm.201910547

9. EnSM：用于钒流电池的多孔三维木基电极

钒流电池（VFB）以其设计灵活、循环寿命长、安全性高等优点，被广泛认为是最可靠的大规模储能技术之一。然而，仍然需要通过进一步降低成本来制备具有合适结构的VFB新型电极，以扩大其在储能市场的应用。有鉴于此，马里兰大学胡良兵与中国科学院大连化学物理研究所Tao Liu通过对地球上资源丰富、廉价、可持续的木材进行简单的打孔和碳化改性，制备了一种用于VFBs的多孔三维（3D）木基电极。

本文要点：

1）3D木基电极继承了原始木材固有的垂直排列通道（即低弯曲度结构），为液流电池系统提供了畅通的电解质传输路径。此外，研究人员在3D木基电极上沿垂直方向钻了小孔（约1.3 mm）以连接平行通道，从而加速电极中的离子交换并降低了流动阻力。

2）通过对电极的改性，显著降低了其在充/放电过程中的浓差极化。3D木基电极的多孔结构具有216.77 m² g⁻¹的高比表面积且具有含氧官能团，可为钒阳离子提供足够的反应位点，从而增强VFB的电化学活性。结果，3D木基电极在VFB中显示出可观的电化学性能，如高电压效率（10 mA cm⁻²下为91.77％）和稳定的循环性能。

3D木基电极的优越结构保证了其在VFBs中的可行性，通过对地球上丰富的生物材料进行造孔工程，为开发液流电池电极提供了一个有前景的方向。

MiaolunJiao et al. Holey Three-Dimensional Wood-based Electrode for Vanadium FlowBatteries. Energy Storage Materials 2020.

DOI:10.1016/j.ensm.2020.02.008

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.02.008

10. ACR: 石墨炔在电化学能源中的基础和应用

石墨炔（GDY）GDY是第一种同时具有用于电子2D快速传输通道和用于离子3D通道的碳材料。二维富电子全碳性质赋予GDY相当大的电导率和可调节的电子特性，而面内空穴使其具有固有的选择性和对电化学活性金属离子的可及性。此外，它在温和条件下易于制备，很好地弥补了传统的sp2杂化碳材料（碳纳米管，石墨烯和石墨）在高效合成和加工中的缺点，可用于潜在的电化学应用。最近十年中，它在基础科学研究和前瞻性应用方面均已取得了许多启发性和创新性的进步。中科院化学所李玉良院士与北京化工大学Weidong Zhou等人概述了在高质量制备和电化学应用中一些最近报道的有趣现象。

本文要点：

1）该综述主要讨论了电化学应用的最新进展：在电化学界面中构建新概念和新功能，以实现在水分解和氧还原反应领域中的高活性电化学催化剂；建立高度稳定的导电网络和电化学界面实现可逆的能量存储。

2）对于电化学催化领域，基于当前对结构优势和优异性能的研究，由于富电子石墨炔对金属原子的固定和电子转移能力，利用锚定在GDY中的金属原子进行原子催化是非常有意义的。

3）对于高能电池领域，全碳GDY在各种电池电极上的原位生长能够解决关键的实际问题（安全性，寿命，功率），而这些问题主要归因于界面稳定性差。此外，还介绍了GDY在更广泛的界面修饰中的应用，为解决各种储能设备中的界面挑战带来了新的选择。

YunchengDu, et al,. Fundament and Application of Graphdiyne in Electrochemical Energy,Acc. Chem. Res., 2020

DOI:10.1021/acs.accounts.9b00558

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.9b00558