王中林院士、陈军院士、韩礼元、巩金龙、冯新亮、楼雄文、李宝华等成果速递丨顶刊日报20200824
纳米人
2020-08-25
1. Science Advances：具有多功能分层图案化的自供电触觉传感器
柔性传感器非常适用于触觉传感器和可穿戴设备。以往对智能元器件的研究主要集中在柔性压力或温度传感器上。然而，实现材料识别仍然是一个挑战。近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和Ya Yang报道了一种多功能的触觉自供电传感器，可以实现对压力、温度和材料的传感。1）该结构采用多层叠层的形式：i）疏水的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作为带电层，ii）两个镀有Ag纳米线（Ag NWs）薄膜的铜片作为电极，iii）海绵状石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料作为压阻和热电效应的响应组件。2）通过对海绵材料的工程设计和优化，制造的传感器具有超过15.22 kPa-1的压力灵敏度，响应时间小于74毫秒以及响应周期大于3000次的高稳定性。在温度刺激的情况下，传感器通过热电效应具有1 K的温度传感分辨率。3）该传感器基于接触感应带电原理，在与不同平板材料物理接触后可产生输出电压信号。因此，相应的信号又可以用来推断接触材料的特性。
该多功能传感器具有成本低、材料识别等优点，为应对功能电子学的挑战提供了一种设计思路。
Yang Wang, et al, Hierarchically patterned self-powered sensors for multifunctional tactile sensing, Sci. Adv. 2020DOI: 10.1126/sciadv.abb9083http://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabb9083
2. Nature Communications：电荷穿梭用于提高摩擦电纳米发电机的电荷密度
作为一种新兴的机械能获取技术，低表面电荷密度极大地阻碍了摩擦电纳米发电机（TENG）的实际应用。近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士报道了一种基于电荷穿梭的高性能TENG（CS-TENG）。1）与传统的静电荷完全限制在介质表面的TENG不同，CS-TENG的工作原理是在导电域中聚集的电荷穿梭。在两个准对称域的相互作用的驱动下，可以实现两个镜像电荷载流子的穿梭，从而使电荷输出加倍。基于该机理，在环境条件下可获得1.85 mC m-2的超高预电荷密度。2）在CS-TENG的基础上，研究人员制造了一种高性能的水波能收集集成装置，并在水波环境中进行了测试，成功地证明了CS-TENG作为在各种实际应用中用于复杂结构的基本装置的技术可行性。
Wang, H., Xu, L., Bai, Y. et al. Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling. Nat Commun 11, 4203 (2020).DOI：10.1038/s41467-020-17891-1https://doi.org/10.1038/s41467-020-17891-1
3. Nature Communications：用于高度可逆锂金属电池的酰胺电解质的界面化学
金属锂是增加可充电锂电池能量密度的最有希望的负极。尽管已经进行了大量研究，然而金属锂与电解质的有害反应以及不可控的锂枝晶生长仍然严重阻碍了高可逆锂金属电池的发展。近日，清华大学深圳国际研究生院李宝华教授，荷兰代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker报道了在2，2，2-三氟-N，N-二甲基乙酰胺和碳酸氟乙烯（FDMA：FeC，体积比为1：1）的混合溶剂中制备了1M双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂（LiTFSI），电解质以探索其在金属锂电池中的性能。1）结果显示，在Li||Cu电池中，其镀锂/剥离的库仑效率高达99.3%，在对称的Li||Li电池的长时间循环过程中，也具有稳定的镀锂/剥离过程。2）Operando监测锂的空间分布结果表明，这种高度可逆的行为与更密集的沉积和自上而下的剥离有关，从而减少了多孔沉积和钝化锂的形成，为金属电池界面化学反应的发展提供了新的见解。3）以富镍的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）作为正极，具有酰胺基电解质的全电池具有出色的循环稳定性以及3.5 mAh cm-2的高质量负载。
Wang, Q., Yao, Z., Zhao, C. et al. Interface chemistry of an amide electrolyte for highly reversible lithium metal batteries. Nat Commun 11, 4188 (2020).DOI：10.1038/s41467-020-17976-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-17976-x
4. PNAS：具有超高面负荷锂离子电池电极的双连续相分离
电池厚电极设计极具吸引力，其可以减少不活跃电池部件（例如集电器和隔膜）的比例。然而，厚电极难以干燥，在实际制备过程中容易破裂或剥落。此外，离子和电子传输能力较差以及容量快速衰减等严重限制了厚电极的电化学性能。近日，英国剑桥大学Michael De Volder报道了一种用于制造锂离子电池厚电极的热诱导相分离（TIPS）工艺，该工艺将电解质直接掺入电极中，从而减轻了干燥电极的需要。1）TIPS工艺可分别构建具有优异离子和电子传输能力的双连续电解质和电极网络。因此，500 μm的电池厚电极（∼18 mg/cm2的活性材料）具有比活性质量负载低得多的传统电极（5∼10 mg/cm2）更好的倍率性能。此外，由1 mm厚的负极和正极组装的全电池在500次循环后容量保持率达到87%。2）研究人员通过优化电极配方，获得了超过30 mAh/cm2的面容量，此外，通过在中试规模的Roll-to-Roll（R2R）涂布机连续涂布TIPS厚电极，验证了TIPS工艺的可扩展性。
Jung Tae Lee, et al, Bicontinuous phase separation of lithium-ion battery electrodes for ultrahigh areal loading, PNAS, 2020DOI：10.1073/pnas.2007250117www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2007250117
5. Matter：用于纵向眼动追踪的多模式智能眼镜
使用熟悉的服装或配饰对多个生理信号进行连续的测量，可以深入了解健康和行为。在脸上或脸附近记录这些信号很有挑战性，因为大多数受试者对放在脸上或头上的工具很敏感。于此，马萨诸塞大学阿默斯特分校Trisha L. Andrew等人通过织物电极和服装设计策略协同使用，提供了一个无干扰的平台，Chesma，用于从用户面部纵向采集生理信号。•启动化学气相沉积可在织物上提供可重复使用的水凝胶电极•Chesma是一种轻巧的可定制面罩，可同时跟踪眼睛的运动和脉搏1）Chesma包含两种基于织物的新型电极：水凝胶电极（tAgTrode），在多次使用/洗涤后仍保持其离子特性，不会引起皮肤刺激，并且可以连续工作8小时以上而不会失去信号完整性。第二种是离子导电织物压力传感器（Press-ION），它捕捉脉冲波形。2）当这些电极缝在一个轻便的眼罩上时，这些电极同时收集互补的眼电图和心脏数据，从而可以进行睡眠质量和心理研究，并提高VR耳机的准确性和可用性。
S. ZohrehHomayounfar, et al., Multimodal Smart Eyewear for Longitudinal Eye Movement Tracking. Matter 2020.https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.07.030
6. Angew：石墨烯量子点系链设计通用策略用于合成单原子催化剂
由于单原子具有较高的表面能，会导致严重的团聚，因此设计通用的策略在不同载体上合成多种单原子催化剂（SACs）仍然是一项具有挑战性的工作。近日，南开大学陈军院士报道了一种通用的石墨烯量子点系链设计策略来合成SACs。1）首先将Ni阳离子与GQD络合，形成稳定的GQD-金属配位复合物。金属阳离子和含O基团之间的强相互作用可以有效地防止金属前体聚集。然后，将生成的金属络合物通过π-π相互作用与碳纳米管（CNT）组装，GQD的π共轭结构确保了碳载体与GQD之间的强相互作用。最后，将表面改性的CNT在NH3/Ar气氛下于500 °C加热。GQD的大量缺陷位点可以协助CNT进行N掺杂，从而通过形成M-Nx来锚定形成的金属原子。2）该策略适用于不同金属（Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn）和载体（0D碳纳米球、1D碳纳米管、2D石墨烯纳米片和3D石墨泡沫），金属负载量为3.0-4.5wt%。3）透射电镜成像和X射线吸收光谱分析结果证实了金属原子在碳载体中的原子分散。4）CNT负载的Ni SACs对CO2RR具有极高的电催化活性，CO选择性接近100%。该通用策略有望为合成用于多种电催化应用的SACs开辟新的途径。Song Jin, et al, A Universal Graphene Quantum Dot-Tethering Design Strategy to Synthesize Single-Atom Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI：10.1002/anie.202008422https://doi.org/10.1002/anie.202008422
7. EES: 正丙基碘化铵预处理改善锡基钙钛矿太阳能电池效率
锡基钙钛矿太阳能电池是一种最有前景的无铅钙钛矿太阳能电池，但是含有大量缺陷的锡基钙钛矿材料的晶化较为困难，抑制了其性能的优化。有鉴于此，上海交通大学韩礼元、王言博等报道了对FASnI3基钙钛矿材料，通过旋涂一层正丙基碘化铵后，再合成FASnI3薄膜，实现了沿着（100）晶面定向生长的FASnI3钙钛矿薄膜，并实现了11.22 %效率，并且在最大功率点连续工作1000小时后保持了95 %的效率。1）SEM表征结果显示，正丙基碘化铵预处理改善了锡基钙钛矿中间体状态，因此在晶界处起到模板作用，改善了结晶过程。X射线衍射结果显示，结晶性显著提高。2）通过旋涂一层正丙基碘化铵，有效的抑制了锡基钙钛矿中的缺陷浓度，但是其中的缺陷位点浓度仍然高于铅基钙钛矿，并导致锡基钙钛矿太阳能电池的效率低于铅基钙钛矿太阳能电池。
Xiao Liu, et al. Templated Growth of FASnI3 Crystals for Efficient Tin Perovskite Solar Cell, Energy Environ. Sci., 2020,https://doi.org/10.1039/D0EE01845G
8. EES：用于电催化的Operando表征技术
能源危机和气候变化对人类社会的威胁与日俱增。以太阳能和风能为能源的燃料电池和电解槽为替代目前的化石燃料有望实现无碳和可持续的能源未来。稳固高效的电催化剂是燃料电池和电解槽实际应用的基石。然而，由于缺乏对电催化剂活性位点结构、反应途径和降解机理的了解，阻碍了对其进行合理设计。因此揭示电催化过程在工作条件下电极-电解质-气体界面的operando特性具有重要意义。有鉴于此，天津大学巩金龙教授综述了针对各种纳米、分子和单原子电催化剂的各种operando表征技术。1）作者总结了用于电化学过程中的各种Operando表征技术，包括：X射线吸收（XAS）、X射线发射光谱（XES）、穆斯堡尔光谱、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱和红外光谱、(扫描)透射电子显微镜（(S)TEM）、XRD以及X射线计算机层析成像。重点总结了通过这些operando技术在揭示电催化剂的结构活性关系方面所取得的研究进展以及存在的局限性。2）作者最后指出，尽管在利用operando技术研究电催化方面取得了令人印象深刻的进展，但仍有多种因素阻碍了对电催化过程的深刻理解。主要包括：i）设备(燃料电池和电解槽)和为特定技术专门设计的operando电池之间的差异；ii）缺乏模型催化剂；iii)缺乏实时分辨技术来捕捉反应中间体寿命内由吸附物种或潜在偏差引起的活性位点的动态变化，并对其进行检测；iv)催化活性、选择性和稳定性受多种结构因素控制。Jingkun Li, Jinlong Gong, Operando Characterization Techniques for Electrocatalysis, Energy Environ. Sci., 2020https://doi.org/10.1039/D0EE01706J
9. AM：共轭乙炔聚合物接枝氧化亚铜作为高效Z-方案异质结用于光电化学水分解
共轭聚合物（如共轭乙炔聚合物[CAPs]）作为光电化学析氢反应（PEC HER）极具吸引力的材料，由于光生电子和空穴的严重复合，仍然表现出较差的PEC HER性能。有鉴于此，德国德累斯顿工业大学冯新亮教授，上海交通大学张荻教授报道了利用纳米铜在铜纤维素纸（CP）上催化Gaser偶联反应原位转化为Cu2O的特点，提出了一种用于PEC水分解的CAPs/Cu2O Z型异质结一步制备的一般策略。1）所获得的CAPs/Cu2O异质结构的PEC HER性能取决于CAPs Ev和Cu2O Ec之间的能量差。与纯pDET和Cu2O相比，pDET/Cu2O Z方案异质结中的光生电子和空穴被更有效地分离。2）在0.1 M Na2SO4水溶液中，制备的聚(2，5-二乙炔并[3,2-b]噻吩)（pDET)/Cu2O Z型异质结在0.3 kV电压下相对于可逆氢电极的载流子分离效率为16.1%，比pDET和Cu2O的载流子分离效率分别提高6.7倍和1.4倍。3）与RHE相比，pDET/Cu2O Z方案异质结在0.3 V时的光电流达到≈520 μA cm-2，远高于pDET（≈80 μA cm-2），Cu2O（≈100 μA cm-2） ，以及最先进的不含助催化剂的有机或有机半导体异质结/同质结光电阴极（1-370 µA cm-2）。这项工作推动了基于聚合物的Z方案异质结和高性能有机光电电极的设计。
Hanjun Sun, et al, Conjugated Acetylenic Polymers Grafted Cuprous Oxide as an Efficient Z-Scheme Heterojunction for Photoelectrochemical Water Reduction, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002486https://doi.org/10.1002/adma.202002486
10. AM：笼中CdS粒子的制备用于可见光照射下高效光催化产氢
半导体光催化剂先进结构的设计是一种高效的增强其在太阳能转化为化学能方面性能的方法。空心和框架状结构具有更大的表面积，更短的电荷转移距离，更强的光吸收能力和更高的质量转移能力，这光催化反应的具有优势。近日，新加坡南洋理工大学楼雄文等开发了一种简便的两步硫化策略，以制造用于光催化产氢的独特的笼中CdS颗粒。1）作者首先将基于Cd的普鲁士蓝类似物（Cd-PBA）立方块转换为Cd-PBA 立方块在CdS笼中纳米粒子，然后将其进一步转换为笼中CdS粒子。2）得益于新颖的框架结构，所获得的CdS光催化剂在可见光照射下表现出高的光催化活性，氢生成速率为13.6 mmol h-1 g-1，与CdS立方块和CdS笼相比，其活性大大提高。该工作报道的合成策略可能为具有先进结构的高性能光催化剂的设计和建造以用于进行太阳能到化学能的转换提供新的启示。
Peng Zhang, et al. Fabrication of CdS Frame‐in‐Cage Particles for Efficient Photocatalytic Hydrogen Generation under Visible‐Light Irradiation. Adv. Mater., 2020DOI: 10.1002/adma.202004561https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004561
11. Nano Lett.：具有高开/关比和光响应性的铁电门控InSe光电探测器
硒化铟（InSe）具有高电子迁移率和可调节的直接带隙，使其有可能应用于电子和光电设备。近日，湖南大学Zhihui Qin，中科院物理研究所Lihong Bao等报道了使用铁电聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））共聚物膜作为顶栅电介质，制造了具有高开/关比和超高光响应性的InSe光电探测器。1）作者通过调节铁电P（VDF-TrFE）共聚物膜中的三种不同的偏振态，InSe光电探测器中的暗电流被成功抑制至〜10-14A。2）同时，作者使用六方氮化硼（h-BN）作为基底，以改善绝缘基底与InSe沟道之间的界面。结果，获得服软铁电共聚物门控的InSe光电探测器不仅显示出超过108的高开/关比，而且即使在极化状态没有栅极电压的情况下，也能显示高达14250 AW-1的高光响应性和高达1.63×1013 Jones的检测率。此外，测得的光电流的上升时间（tr）和下降时间（tf）分别为600μs和1.2 ms。该工作报道的结果体现了铁电P（VDF-TrFE）在调节InSe载流子传输中的作用，并可能为基于InSe的光电探测器的开发提供一条途径。
Li Liu, et al. Ferroelectric-Gated InSe Photodetectors with High On/Off Ratios and Photoresponsivity. Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02448https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02448
12. Nano Lett.：黑磷集成硅光子波导用做中红外发光二极管
基于III–V / II–VI材料的发光二极管（LEDs）在中红外（mid-IR）区域具有出色的性能，从而在传感领域具有广泛的应用，包括环境监测，防御和医学诊断。人们正在努力通过将中红外发射器异质集成到硅光子芯片上，以实现芯片传感器。但是，这种方法受到与异质集成过程相关的高成本和界面应变的限制。近日，台湾清华大学ChangHua Liu，华盛顿大学Arka Majumdar等报道了一种基于黑磷（BP）的范德华（vdW）异质结构被用作室温LEDs。1）在偏置电压下，高密度的电流可以从石墨稳定地注入BP，从而导致线性偏振的中红外光发射，这与BP的直接窄间隙（〜0.3 eV）和各向异性的光电性能有关。基于黑磷（BP）的范德华（vdW）异质结构的设备发出线性偏振光，光谱覆盖了技术上重要的中红外大气窗口。2）此外，BP LEDs具有快速的调制速度和出色的操作稳定性。测得的峰值外部量子效率可与III–V / II–VI中红外LEDs媲美。3）通过利用vdW异质结构的可集成性，作者进一步演示了集成了硅光子波导的BP LED。
Tian-Yun Chang, et al. Black phosphorus mid-infrared light emitting diodes integrated with silicon photonic waveguides. Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02818https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02818
