侯剑辉、沈国震、丁轶、董晓臣、宁志军、支春义等成果速递丨顶刊日报20210507
纳米人
2021-05-08
2. Angew.: 静电相互作用对高效供体-受体光伏共混物中整体形态的影响
包含混合供体（D）和受体（A）材料的块状异质结已被证明是有机光伏（OPV）电池最有效的器件结构。此类电池的整体形态在电荷产生，复合和运输中起着至关重要的作用，从而决定了器件的性能。尽管许多研究已经讨论了这些细胞的形态性能关系，但设计具有所需形态的OPV材料的方法仍不清楚。中科院化学所侯剑辉和姚惠峰等人以分子静电势分布为指导，在化学结构和整体形态之间建立了联系。1）研究表明，通过修饰官能团可以有效地调节D‐A界面处的分子方向和共混物中的域纯度。此外，增强D‐A相互作用有利于电荷产生。然而，在与局部激发态的混合中，所得到的低域纯度和增加的电荷转移率导致严重的电荷复合。2）该工作提出了一种分子设计策略，该策略可以微调体形以实现平衡的电荷产生和重组，这对于进一步提高OPV电池的效率至关重要。Ma, L., Yao, H., Wang, J., Xu, Y., Gao, M., Zu, Y., Cui, Y., Zhang, S., Ye, L. and Hou, J. (2021), Impact of electrostatic interaction on bulk morphology in efficient donor‐acceptor photovoltaic blends. Angew. Chem. Int. Ed..https://doi.org/10.1002/anie.202102622
3. Angew：通过模板生长的低维无机钙钛矿太阳能电池
基于对晶体生长动力学的精确控制，对尺寸和纳米结构的调控促进了钙钛矿光电材料和器件的蓬勃发展。维度调控结构促进了有机-无机杂化锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）的效率和稳定性的发展。高晶格能的低维无机钙钛矿的探索为进一步提高TPSC的稳定性和效率提供了另一个机会。但是，到目前为止，还没有关于制造低维无机钙钛矿太阳能电池的报道。上海科技大学的宁志军等人制备了具有2D和3D混合结构的低维无机卤化钙钛矿型CsSnBrI2-x(SCN)x。
1）动力学研究表明，Sn(SCN)2和碘化苯乙铵可以形成2D钙钛矿结构，该结构充当3D结构的钙钛矿CsSnBrI2-x(SCN)x生长的模板。该薄膜表现出面外取向和较大的晶粒尺寸，从而降低了缺陷密度，提高了热稳定性和抗氧化性。2）基于这种低维薄膜的太阳能电池的效率为5.01％，这是CsSnBrxI3-x钙钛矿太阳能电池的最高值。此外，该电池在环境空气中显示出增强的稳定性。低维无机结构为高效，稳定的卤化钛钙钛矿太阳能电池的开发提供了一条途径。Li, H., Jiang, X., Wei, Q., Zang, Z., Ma, M., Wang, F., Zhou, W. and Ning, Z. (2021), Low dimensional inorganic tin perovskite solar cells by a template growth. Angew. Chem. Int. Ed..https://doi.org/10.1002/anie.202104958
4. AM：二维Honeycomb‐Kagome聚合物用作高效无金属光解水催化剂
半导体2D聚合物材料具有多孔且高度有序的骨架，多样的拓扑结构和电子结构，是光催化水分解的良好候选者。但是，尽管这些2D材料中的大多数可以催化析氢反应（HER），但只有少数可以光催化析氧反应（OER）。近日，南京林业大学Yu Jing，德累斯顿工业大学Thomas Heine等在第一性原理计算的基础上，探索了将以杂原子为中心的triangulene衍生物制成的二维Honeycomb‐Kagome聚合物用于光催化水分解的潜力。1）作者设计的二维聚合物的间接带隙在1.80–2.84 eV范围内，并且在太阳光谱的紫外线和可见光区域显示出明显的光吸收。2）研究发现，聚合物N和B中心可以产生足够的光子激发电子和空穴，以分别激活氢和氧的析出反应。3）晶格固有的能带特征（flat bands）与化学功能化（由于杂原子引起的电位移动）的结合，使得构建具有抑制的电子/空穴愈合的串联电池成为可能，从而实现了高效的全解水。Yu Jing, et al. 2D Honeycomb‐Kagome Polymer Tandem as Effective Metal‐Free Photocatalysts for Water Splitting. Adv. Mater., 2021DOI: 10.1002/adma.202108645https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008645
5. AM：卤化物钙钛矿：溶液法制备电子器件的新纪元
有机-无机混合卤化物钙钛矿已成为具有优异光电性能的优异材料，适用于从太阳能电池到发光二极管和光电化学装置的众多应用。最近的工作通过改善材料设计，加工和设备稳定性，展示了用于电子器件应用的混合钙钛矿的巨大潜力。新南威尔士大学Tom Wu和香港城市大学Jr‐Hau He等人对混合钙钛矿电子学进行了全面的最新综述，重点是晶体管和存储器。
1）首先，这些应用得到混合钙钛矿半导体基本材料特性的支持，例如可调带隙，双极性电荷传输，合理的迁移率，缺陷特性和溶液可加工性。然后，回顾了基于钙钛矿的晶体管的最新进展，涵盖了制造工艺，图案化技术，接触工程，2D与3D材料选择以及器件性能等方面。2）此外，提出了钙钛矿在非易失性存储器和人工突触装置中的应用。还讨论了混合钙钛矿的环境不稳定性以及解决该瓶颈的策略。最后，重点介绍了将钙钛矿基电子技术开发为具有竞争力和可行性的技术的前景和机遇。Younis, A., et al, Halide Perovskites: A New Era of Solution‐Processed Electronics. Adv. Mater. 2021, 2005000.https://doi.org/10.1002/adma.202005000
6. AM：基于三维有序黑磷@Mxene薄膜的柔性自供电集成传感系统
在不需要外部电源的情况下，准确、连续地检测生理信号是实现可穿戴电子器件成为下一代生物医学设备的关键技术。近日，吉林大学韩炜教授，中科院半导体研究所沈国震研究员，Lili Wang报道了通过将柔性压力传感器与激光直写微型超级电容器和太阳能电池相结合，成功设计出一种基于MXene/黑磷（BP）的自供电智能传感器系统。1）研究人员采用逐层(LBL)自组装工艺形成周期性交错的MXene/BP层状结构，使激光直写微型超级电容器具有较高的储能性能，以驱动传感器的工作，补偿光照的间歇性。2）将MXene/BP作为柔性压力传感器的敏感层，在最佳弹性模量为0.45 MPa时，器件的压力灵敏度可提高到77.61 kPa-1。此外，该智能传感器系统具有较快的响应时间（10.9 ms），能够实时检测人体在生理条件下的心脏状态。这项基于MXene材料设计和集成的研究将为下一代自供电电子学提供一个通用的平台。Yupu Zhang, et al, Flexible Self-Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus@MXene Thin-Films, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202007890https://doi.org/10.1002/adma.202007890
7. AEM：MoC上活性位点配位环境的优化用于高效甲烷生产
尽管调控催化剂表面活性中心的配位环境是开发高效催化剂和控制催化反应的关键。然而，这同样是一个极具挑战性的过程。近日，天津理工大学丁轶教授，罗俊教授，美国加州大学欧文分校忻获麟教授，布鲁克海文国家实验室Radoslav R. Adzic报道了成功地在原子水平上修饰了MoC纳米颗粒表面活性中心的配位环境，其中多孔石墨烯的吡啶基N原子环被锚定在空位附近的Mo原子上。1）根据密度泛函理论（DFT）计算，N原子环被用来产生静电力，从而将*OH中间体中带负电的O原子从活性中心排斥出来，导致中心空位的钝化和Mo顶部中心的活化。研究人员利用原子分辨成像、高分辨电子断层扫描、同步加速器软X射线光谱和电化学红外光谱都很好地证实了这种原子级修饰。2）实验结果表明，在室温下，CO2ECR在水溶液中转化为CH4的FE从16%提高到89%。此外，在50 h内，其活度损失也可以忽略不计。因此，这种原子环调节策略为提高金属碳化物金属基活性中心的活性、修饰活性中心以防止OH的过度吸附、控制带电中间体以促进催化反应开辟了一条新的途径。Lili Han, et al, Modification of the Coordination Environment of Active Sites on MoC for High-Efficiency CH4Production, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202100044https://doi.org/10.1002/aenm.202100044
8. AFM：锂和钠电池中的钝化层：电位分布、稳定性和电压降
钝化层是防止材料对环境产生不必要反应的涂层。它们在金属腐蚀领域中起着至关重要的作用，应避免氧化（主要是形成氧化物或硫化物）。大多数关于钝化层的基本热力学和动力学研究都是在这一背景下进行的。然而，钝化层不仅发生在气相，而且发生在凝聚相，对于稳定液体或固体电解质对电极的界面至关重要。有鉴于此，马普固体研究所Joachim Maier等人分析了电池中决定性热力学势的分布，重点分析了形成的固体电解质界面（SEI）钝化层。1）现实的钝化层相当复杂。然而，了解理想情况下的动力学和热力学是必不可少的。首先讨论了对生长和化学稳定性的影响。区分了人工SEI和热力学完全定义的原位SEI的极端情况：（i）人工SEI，除了允许离子传输是完全惰性的；（ii）与相邻相完全热力学相容的天然SEI相。这些简化的情况在此处以适当的准确度进行了考虑。2）分析还包括SEI/电解质组合上的开路电压降。对于假定的简化条件(恒定的输运系数、伪一维几何、没有空间电荷区和结构复杂性)，该处理方法是严格的。得到的电化学、化学和电势可以作为理解和优化锂或钠基电池钝化层的指南。3）在最后一节中，在较少量化的级别上解决了更现实的情况。该结果还可以应用于燃料电池或电解槽。对复杂性较高的案例的处理是在一个更定性的水平上，但尽管如此，相信人们会获得比目前文献中更深层次的理解。Chuanlian Xiao et al. Passivation Layers in Lithium and Sodium Batteries: Potential Profiles, Stabilities, and Voltage Drops. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100938.DOI: 10.1002/adfm.202100938.https://doi.org/10.1002/adfm.202100938
9. AFM：离子液体-分子溶剂混合电解质的参数设计，实现Li-O2电池中锂金属的稳定循环
锂金属电极的有效利用对于最大化锂氧（Li-O2）电池的比能量至关重要。许多支持Li–O2正极工艺的常规电解质（例如，二甲基亚砜，DMSO）与锂金属不兼容。有鉴于此，利物浦大学Alex R. Neale和Laurence J. Hardwick等人探索了一系列基于溶剂、盐和离子液体（IL）的三元溶液，以了解如何调整配方，以提高DMSO在锂金属电极上的稳定性和性能。1）优化后的配方促进了稳定的锂电镀/剥离性能，库伦效率>94％，并改善了Li-O2全电池的性能。对Li表面的表征揭示了在优化的配方中，抑制了枝晶沉积和腐蚀以及对界面上分解反应的调节。2）这些观察结果与局部溶剂化环境的光谱表征和模拟相关，表明DMSO-Li+阳离子相互作用的持续重要性。其中，稳定性仍然取决于溶液中的重要摩尔比，并且对应于这些系统中理想配位体的溶剂-盐比（4：1）对于这些三元配方至关重要。3）重要的是，引入这种稳定的、非挥发性的IL对Li+和DMSO之间关键稳定相互作用的破坏作用可忽略不计，因此，可以谨慎地引入以调整Li-O2电池其他关键电解质的性能。Alex R. Neale et al. Design Parameters for Ionic Liquid–Molecular Solvent Blend Electrolytes to Enable Stable Li Metal Cycling Within Li–O2 Batteries. Adv. Funct. Mater. 2021, 2010627.DOI: 10.1002/adfm.202010627https://doi.org/10.1002/adfm.202010627
10. Nano Lett.: 通过同时生成原子空位和Pt团簇活化二维PtSe2基面以高效析氢
二维（2D）PtSe2由于其出色的催化活性和电导率已成为一种有前途的超薄电催化剂。然而，PtSe2基面对析氢反应(HER)是惰性的，这极大地限制了其电催化性能。有鉴于此，清华大学焦丽颖副教授和北京邮电大学卢鹏飞教授等人，根据理论计算，设计了一种简单的方法，通过在温和的Ar等离子体处理中同时引入Se、Pt和Pt团簇的原子空位来激活二维PtSe2基面。1）理论计算表明，在二维PtSe2基面上引入空位和Pt原子，可以降低吸附氢的绝对吉布斯自由能值(|ΔGH|)，从而大大增加2D PtSe2上的活性位点数量。为了通过实验引入这些预测的活性位点，用温和的Ar等离子体处理了2D PtSe2，并确认了在等离子体蚀刻的早期产生了原子空位，然后通过结合各种光谱学和微观表征，通过长时间蚀刻形成了Pt簇。2）对不同处理阶段的PtSe2薄片的电化学测量表明，Se和Pt空位的形成明显提高了二维PtSe2的HER活性，并且可以通过生成Pt团簇进一步提高性能。3）在优化条件下处理的2D PtSe2的基面显示出显著增加的电催化活性，电流密度为10 mA/cm2所需的过电位为11 mV（vs RHE）,Tafel斜率约为48 mV/dec，优于各种2D TMDCs电催化剂。总之，该工作证明了活化2D PtSe2作为HER超薄催化剂的巨大潜力，并为2D电催化剂的合理设计提供了新的见解。Xiaofan Ping et al. Activating a Two-Dimensional PtSe2 Basal Plane for the Hydrogen Evolution Reaction through the Simultaneous Generation of Atomic Vacancies and Pt Clusters. Nano Lett., 2021.DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00380https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00380
11. Nano Energy：一种分层结构Ti3C2Tx MXene纸用于高容量Li-S电池
由于锂硫（Li-S）电池的硫密度较低，而且大部分碳基材料被用作导电网络和多硫化锂（LiPS）主体材料，其实际体积能量密度几乎无法与锂离子电池相媲美。近日，南京工业大学董晓臣教授，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef报道了一种具有独特的三维层次结构、较高的电子电导率、丰富的活性结合位点、较快的离子传输能力和对LiPS的高亲和力的Mxene（Ti3C2Tx）基膜，是提高Li-S电池电化学性能的一种新的基质材料。1）强粘附的聚多巴胺（PDA）可以很容易被包裹到S球上，从而具有正电。通过静电相互作用，带负电的碎裂的Ti3C2Tx（C-Ti3C2Tx）具有丰富的表面端基（-OH，-O和-F），可以高效而均匀地包裹在带正电的PDA包覆的S球上（S@PC）。值得注意的是，带正电的PDA层可以防止C-Ti3C2Tx纳米片的重堆积，为高性能Li-S电池保留足够数量的活性位点。此外，L-Ti3C2Tx的平均尺寸为1-3 μm，远大于C-Ti3C2Tx纳米片（20-100 nm），因此L-Ti3C2Tx可以作为导电支架，通过真空过滤过程紧密容纳S@PC球，从而为Li-S电池提供坚固、独立的S@PDA@C-Ti3C2Tx/L-Ti3C2Tx（S@PCL）膜。2）实验结果显示，含4.0 mg cm−2硫的S@PCL正极在200次循环后可提供2.7Ah cm−3的高容量。非原位和原位实验结果表明，层次化的S@PCL提供的丰富的表面活性中心可以通过硫代硫酸盐/多硫酸盐氧化还原转化和Lewis酸碱相互作用的双重固定机制有效地抑制LiPS的穿梭效应。此外，研究人员证实了在充电过程中存在稳定的充电阶段产物α-S8，并揭示了其在有效限制LiPS形成和减少活性质量损失方面的关键作用。Wenli Zhao, et al, Hierarchically Structured Ti3C2Tx MXene Paper for Li-S Batteries with High Volumetric Capacity, Nano Energy, (2020)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106120https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106120
12. EnSM：H2PO4-与Al3+络合用于抑制水电解质中铝负极钝化以及一种电致变色Al离子电池
水系铝离子电池（AIBs）是一种极具吸引力的后锂离子电池替代储能技术。然而，由于Al电极表面形成的钝化层以及Al3+离子与主体材料之间强烈的静电相互作用，导致的短寿命严重阻碍了AIBs的发展。近日，松山湖材料实验室支春义教授，Hongfei Li报道了开发了一种以三(三氟磺酸)铝（Al(TOF)3）和磷酸（H3PO4）为基础的复合电解质，其可以有效地缓解钝化，并表现出优异的稳定性。1）基于该电解质和聚苯胺（PANI）正极的全水系AIB显示出破纪录的3850次循环寿命和出色的倍率性能。机理研究表明，Al3+离子与H2PO4-和TOF-均形成络合离子Al(H2PO4-)x(TOF-)y+(H2O)n，从而降低了三价Al3+的强电荷密度，从而有利于快速反应动力学。此外，原位研究表明，PANI正极在充放电过程中经历了Al(H2PO4-)x(TOF-)y+(H2O)n、TOF-和H+的共插层/脱嵌过程，可逆性和稳定性较高。2）作为概念验证，研究人员制作了一种电致变色Al//PANI电池，其结合了电致变色和储能，在630 nm波长下的着色效率（CE）高达84 cm2 C-1。这项工作为开发长寿命Al/PANI水系电池提供了一种有效而简便的策略，并有望促进具有电致变色功能的AIBs的应用。Haiming Lv , et al, Suppressing passivation layer of Al anode in aqueous electrolytes by complexation of H2PO4−to Al3+ and an electrochromic Al ion battery, Energy Storage Materials (2021)DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.044https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.044
