顶刊日报丨俞建勇、麦立强、杨全红、丁彬、曾海波、刘明侦等成果速递20220110
纳米人
2022-01-11
1. Chem. Soc. Rev.综述：用于电催化的多孔有机聚合物
多孔有机聚合物（POPs）是一类由有机结构单元通过共价键连接而成的轻质多孔网络材料，具有高比表面积、孔径可调、成分和结构可设计等特点。POPs作为电催化剂，由于其结构和组成保存完好，在析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）、CO2还原反应（CO2RR）、N2还原反应（NRR）、硝酸盐/亚硝酸盐还原反应、硝基苯还原反应、氢氧化反应和苯甲醇氧化反应等众多电催化反应中表现出良好的活性，并取得了长足的进展。基于此，国家纳米科学中心韩宝航研究员，丁雪松副研究员系统地综述了POPs在上述这些电催化反应中应用的最新进展。1）作者对POPs的合成工艺、组成、结构、性能以及在电催化中的作用机理进行讨论和总结，主要集中在它们的最新进展。2）尽管合理的设计和精细的合成使得POPs在众多的电催化反应中取得了一定的进展，但POPs在电催化反应中的实际应用和广泛应用仍然面临着许多困难和挑战。作者最后在现有文献的基础上，对未来面临的主要挑战和相应的可行性研究方向提出了自己的观点。本综述有望对POPs在电催化中的应用有一个详尽而深刻的认识和未来的发展方向。Dong-Hui Yang, et al, Porous organic polymers for electrocatalysis, Chem. Soc. Rev., 2022https://doi.org/10.1039/d1cs00887k
2. EES：多孔金属电极用于碳捕获溶液的高效电解
碳酸氢盐电解槽可以将富含碳酸氢盐的碳捕获溶液转化为碳产品（例如，CO），并生成氢氧化物，以便与废旧CO2进一步反应。这些电解槽可以将上游碳捕获与电化学CO2利用联系起来，而无需高温或加压步骤。近日，不列颠哥伦比亚大学Curtis P. Berlinguette报道了开发了一种碳酸氢盐电解槽，该电解槽采用独立的多孔银电极，而不是广泛应用于气态CO2电解槽中的复合碳电极。1）这种自支撑多孔金属电极相比于复合碳电极制造更简单，同时较高的亲水性有助于将3.0 M碳酸氢盐溶液有效电解成CO：在100 mA cm-2时，常压下，生产CO的法拉第效率为59% ，而在100 mA cm-2和4个大气压下，可达到95%。这些性能指标可媲美气体进料CO2电解槽的性能指标。2）这种自支撑多孔金属电极与商用电解槽中使用的电极排列更紧密，也比复合碳电极更耐用。此外，多孔金属电极对碳捕获溶液中常见的杂质也有更强的抵抗力。此外，这种基于自支撑多孔金属电极的碳酸氢盐电解槽有利于碳捕获方案，其中OH-溶液与CO2反应形成富含碳酸氢盐的溶液。Zishuai Zhang, et al, Porous metal electrodes enable efficient electrolysis of carbon capture solutions, Energy Environ. Sci., 2022https://doi.org/10.1039/d1ee02608a
3. EES：一种基于紧密堆积均匀锂形貌的高效和无负极锂金属电池
无负极锂金属电池(LMB)是实现大容量储能的理想选择，它们不需要传统的石墨电极或多余的锂金属负极。目前的无负极LMBs存在库仑效率(CE)较低的问题，其主要原因是锂的剥离效率较低。开发先进的电解液是最大限度地提高镀锂和剥离CE并将容量衰减降到最低的一条很有前途的途径。然而，人们对先进电解质改善性能的机理认识不足，这无疑阻碍了无负极LMBs的实用化发展。近日，德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram报道了结合原位同步辐射X射线技术和非原位技术，比较了电解液对具有Cu集流体的无负极LMBs中Li电镀分布和动力学的影响。1）研究了三种商用电解质：传统碳酸盐基电解质(LP57)、双盐电解质和LHCE。利用X射线衍射(XRD)图谱定量了无负极软包电池电极区晶态Li的横向分布。然后根据电化学容量和衍射法晶态锂相定量的差异，推导出总的非晶态Li（非晶态Li和SEI）。通过比较电池在循环寿命不同阶段的锂离子，揭示了无负极LMBs的降解机理，解释了不同电解液电池的不同电化学性能。2）此外，研究人员还设计了Operando XRD实验，研究了不同电解液镀锂过程中Cu负极上晶态Li含量的变化。进一步利用Operando光学池观察了不同电解液中锂的电镀和剥离过程，解释了Cu负极上Li的不同形貌。这项研究深入研究了电解质对LMBs性能的影响，从而有助于开发高效的无负极LMBs。Laisuo Su, et al, High-efficiency, anode-free lithium-metal batteries with a close-packed homogeneous lithium morphology, Energy Environ. Sci., 2022https://doi.org/10.1039/D1EE03103A
4. Angew: 基于可交联体CsPbBr3纳米晶体中的热载流子弛豫
在光子转换过程中，光致热载流子的快速冷却是主要的能量损失通道。电子科技大学刘明侦和墨尔本大学Trevor A. Smith等人报道了与单烷基链油胺配体相比，覆盖有交联聚硅氧烷壳的CsPbBr3纳米晶体中的热载流子冷却速率降低了 3 倍。1）热载流子的弛豫依赖于载流子-声子耦合 (CPC) 过程，它是纳米结构钙钛矿材料中耗散能量的重要通道。2）通过低温光致发光光谱测量来测量两个样品中的CPC强度。基于阻尼振荡模型阐明了有机配体对CsPbBr3纳米晶体中CPC的影响。3）这补充了传统的基于极化子的CPC模型，通过涉及配体对纳米晶格振动的阻力对CPC的阻尼效应。4）该模型还解释了观察到的CPC强度的线性温度依赖性。该工作能够预测配体在未来应用中对钙钛矿纳米晶体性能的影响。Zeng, P., Ren, X., Wei, L., Zhao, H., Liu, X., Zhang, X., Xu, Y., Yan, L., Boldt, K., Smith, T..A. and Liu, M. (2022), Control of Hot Carrier Relaxation in CsPbBr3 Nanocrystals Using Damping Ligands. Angew. Chem. Int. Ed.. DOI：10.1002/anie.202111443https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202111443
5. AM：实现高效喷墨打印钙钛矿量子点发光二极管的通用三元溶剂墨水策略
对于下一代电致发光量子点 (QD) 显示器，喷墨打印技术已被认为是最有前途的低成本和大规模制造图案化量子点发光二极管 (QLED) 的技术之一。开发高质量和稳定的量子点墨水是推动该技术走向实际应用的关键一步。针对铯铅卤化物 (CsPbX3) 钙钛矿QD及其相应的喷墨打印 QLED，南京理工大学曾海波和Bo Xu等人提出了一种通用的三元溶剂墨水策略。1）通过这种量身定制的三元无卤溶剂（环烷、正十三烷和正壬烷）配方，获得了高分散性和稳定性的CsPbX3QD墨水，其印刷适性和成膜能力远优于二元溶剂（环烷烃和正十三烷）体系，从而产生质量更好的钙钛矿量子点薄膜。2）因此，在喷墨打印的绿色钙钛矿QLED中实现了创纪录的8.54%的峰值外量子效率 (EQE) 和 43883.39 cd/m2的最大亮度，远高于基于二元溶剂系统的器件 (EQE) ～2.26%）。3）此外，三元溶剂系统在喷墨打印的红色和蓝色钙钛矿 QLED 以及镉 (Cd) 基 QLED 中表现出普遍适用性。4）这项工作展示了一种为高效喷墨打印QLED以及未来其他溶液处理电子设备量身定制通用三元溶剂QD墨水系统的新策略。Wei, C., Su, W., Li, J., Xu, B., Shan, Q., Wu, Y., Zhang, F., Luo, M., Xiang, H., Cui, Z. and Zeng, H. (2022), A Universal ternary-solvent-ink Strategy Towards Efficient inkjet-printed Perovskite Quantum Dot light-emitting Diodes. Adv. Mater.. DOI：10.1002/adma.202107798https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107798
6. AEM：一种应变松弛红磷自支撑负极用于非水系钾离子电池
红磷(RP)作为一种很有前途的钾离子电池负极材料，因其理论容量高、氧化还原电位低、天然资源丰富而受到广泛关注。然而，由于巨大的体积膨胀和较差的电子导电性，RP表现出明显的容量衰减和快速的结构退化。基于此，武汉理工大学麦立强教授，吴劲松教授，罗雯报道了开发了一种应变松弛自支撑柔性RP/碳电极，通过蒸发-冷凝（V-C）方法将非晶态RP封装到三维互联的多通道硫和氮共掺碳纳米纤维中。1）由于S-N共掺杂的协同作用，碳基体对RP具有更强的吸附能，可有效缓解RP体积变化引起的巨大应力。原位透射电子显微镜(TEM)研究和化学力学模拟表明，多孔碳基质可为RP在钾化过程中的体积变化提供空间，钾化晶体聚集释放应力和快速屈服应变弛豫。原位拉曼和非原位x射线衍射(XRD)和密度泛函理论(DFT)计算揭示了RP@S-N-CNFs的单电子钾化/脱钾机理和更快的动力学。2）作为KIBs的自支撑负极，RP@SN-CNFs电极表现出高的可逆容量、优异的倍率性能和非凡的耐久性（以2 A g−1循环2000次后为282 mAh g−1）。结果表明，该方法不仅克服了合金化型电极的上述局限性，更重要的是揭示了界面亲和性磷碳负极的应力松弛行为，为大体积膨胀负极的应用提供了新的思路。Wencong Feng, et al, A Strain-Relaxation Red Phosphorus Freestanding Anode for Non-Aqueous Potassium Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202103343https://doi.org/10.1002/aenm.202103343
7. AEM：液态金属补救硅微粒以实现高稳定、出色性能的体积锂存储
作为锂离子电池负极的硅微粒材料（SiMP）比昂贵的纳米颗粒材料具有更高的体积容量和更少的界面反应。然而，其实际应用面临的最大挑战是在循环过程中的膨胀和粉化，导致电气断开和电极极化。近日，天津大学杨全红教授，吴士超副教授报道了使用液态金属（LM）作为导电介质在电化学循环过程中连接粉碎的SiMP。1）首先，LM，即共晶镓铟合金(EGaIn)和被包围的SiMP被包裹在一个碳壳中，形成Si/LM@C胶囊，在该胶囊中，可流动的LM穿透简单的裂纹，并在破碎的Si碎片之间重新建立强大的电连接。这种内部修复消除了循环过程中产生的“死”硅。2）其次，以甲烷为原料，通过化学气相沉积(CVD)在LM催化剂上生长了超长的碳纳米纤维(CNF)网络，实现了Si/LM@C胶囊的互连。这些CNF在Si/LM@C胶囊之间提供了导电网络。缠绕在一起的碳纳米纤维结合了Si/LM@C胶囊，对电极变形起到了缓冲作用。3）该复合材料（Si/LM@C-CNF）具有优异的机械和电学完整性，表现出出色的储锂动力学、低的电极电阻和高倍率/循环性能。获得了4.15 g cm−3的极高材料密度和1.75 g cm−3的高电极密度，实现了超高体积容量。在5 A g−1的高电流密度下循环150次，在1 A g−1下循环200次，体积容量分别达到936 mAh cm−3和1578 mAh cm−3。这些结果为具有较高体积能量密度的SiMPs实用化紧凑型锂电池的开发铺平了道路。Ziyun Zhao, et al, Liquid Metal Remedies Silicon Microparticulates Toward Highly Stable and Superior Volumetric Lithium Storage, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202103565https://doi.org/10.1002/aenm.202103565
8. Nano Lett.：分层设计的纺织品中Janus润湿性和热传导的集成用于全天个人辐射冷却
个人冷却纺织品是应对严重的热相关公共健康威胁和提高工业工人生产率的一种有前途途径。当前的冷却策略主要集中在被动的白天辐射上，缺乏对利用协同辐射、传导和蒸发散热的全天冷却方法的研究。基于此，东华大学丁彬教授，俞建勇教授，王先锋研究员报道了通过可扩展的静电纺丝方法，然后进行单面亲水等离子体处理，制备了具有Janus润湿性和热传导性的分级聚氨酯/氮化硅纤维膜（PU/Si3N4-FM）。1）PU/Si3N4-FM辐射冷却纺织品集导热畅通、定向输水和蒸发性能于一体。值得注意的是，Si3N4由于其高折射率和热导率是一种很有前途的散射体，而PU由于其良好的弹性和太阳透过率而被用作基质。2）PU/Si3N4复合材料基体(PU/Si3N4-FM -CM，固体结构，无孔)和纤维结构的分层设计获得了91%的强HBIR发射率（ε(—)HBIR），同时，聚合物/无机基体的本征Si−N，C−O和N−H键振动提供了93%的高ε(—)HBIR。3）与传统的棉衣皮肤模拟器相比，PU/Si3N4-FM覆盖的皮肤模拟器在阳光直射下的温度下降了21.9 °C，夜间的温度下降了2.8 °C。PU/Si3N4-FM覆盖的皮肤模拟器降温所需的最低出汗量为0.5 mL h−1，远低于典型活动者的出汗率。由于其出色的冷却性能和可扩展的制造工艺，这种分层设计的PU/Si3N4-FM有望对个人冷却纺织品实现革命性改进。Dongyang Miao, et al, Integration of Janus Wettability and Heat Conduction in Hierarchically Designed Textiles for All-Day Personal Radiative Cooling, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03801https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03801
9. Nano Lett.: 铅卤化物钙钛矿纳米晶体作为自旋激光增益介质
自旋极化电荷不仅赋予了传统激光器新的功能，而且由于自旋简并性的提升，还降低了激光阈值。II-VI和III-V 半导体作为自旋激光增益介质已被广泛研究；然而，极化程度受到轻空穴和重空穴简并性的限制。中国科学技术大学Fengjia Fan和Jiangfeng Du等人评估了CsPbBr3纳米晶体的应用潜力。1）CsPbBr3这种纳米晶体具有低带边简并性，因此由于能带倒置结构和大自旋轨道耦合而具有高度极化——作为自旋激光器的增益介质。 2）该实验和数值模拟结果表明，在自旋弛豫寿命内，可以通过使用圆偏振光激发来极化电荷来降低光学增益阈值。同时，实现自旋激光器需要延长自旋弛豫寿命。Beibei Tang, et al. Evaluating Lead Halide Perovskite Nanocrystals as a Spin Laser Gain Medium, Nano Lett. 2022DOI：10.1021/acs.nanolett.1c03671https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c03671
10. ACS Nano：一种自回弹弧形摩擦电纳米发电机阵列用于运动分析中的自供电传感
在具有挑战性和危险性的马术运动中，基于分布式、便携、实时传感技术的运动学分析和损伤预防尤为重要。基于此，内蒙古工业大学Ding Nan，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所,Baodong Chen等研究人员报道了开发了一种柔性自回弹弧形摩擦电纳米发电机（SRC-TENG），解决了上述问题，并展示了其在运动学分析中的自供电传感方面的应用。1）通过简单有效的设计，普通材料通过自回弹弧形结构发展成为一种具有3000次以上耐久性和优异回弹稳定性等力学性能的微型生物力学能量采集器。在4.52 cm2的尺寸下，在60 MΩ的外部负载电阻下，功率密度可达1.25 mW/m2。2）进一步，为了给骑手和教练员提供实时的统计数据和跌倒预测，将传统马术运动推向先进水平，研究人员研制了一套响应时间为16 ms的自供电骑行特性传感系统。这项工作不仅可以促进摩擦电纳米发电机在微型生物机械能量采集方面的发展，而且还扩大了自供电系统在智能运动监控和辅助方面的应用范围。Yutao Hao, et al, Self-Rebound Cambered Triboelectric Nanogenerator Array for Self-Powered Sensing in Kinematic Analytics, ACS Nano, 2022DOI：10.1021/acsnano.1c09096https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09096
11. ACS Nano：一种通过并联电路由磁定向导电复合材料制成的柔性和超高灵敏度触觉传感器
开发具有高性能和多功能传感功能的柔性电子皮肤，对于从医疗监护到人工智能等领域的应用都具有重要意义。为了模仿和超越人体皮肤的高规系数传感特性，传感器的结构设计和合适的材料选择必不可少。基于此，中科院宁波材料所Hua Yang Li，中科院北京纳米能源与纳米系统研究所Guang Zhu等研究人员报道了展示了一种由磁性排列的导电复合材料实现的超高灵敏度的触觉传感器。1）研究人员将镀镍碳纤维(NICF)定向嵌入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片上，在磁场作用下组装成磁对准导电复合材料压阻式传感器(MAPS)。更具体地说，为了提高地图的灵敏度，用具有随机分布的尖晶石结构的砂纸模具来修饰PDMS表面。因此，该MAPS显示了15525 kPa−1的异常压力灵敏度，是前人工作的200倍。2）MAPS的超高灵敏度有助于形成并联电路和随机分布的尖晶面，从而扩大了压力载荷下的电阻范围。3）这些MAPS可以用来监测不同频率和强度的水波，并识别由鱼游泳而引起的波浪。4）使用磁性排列的NICF和尖晶石表面结构，研究人员成功地提供了一种提高批量生产的整合传感器灵敏度的范例，展示了在触摸显示器、医疗保健监测和机器人人工智能中应用超高灵敏度MAPS触觉传感器的巨大潜力。Yang Jiang, et al, A Flexible and Ultra-Highly Sensitive Tactile Sensor through a Parallel Circuit by a Magnetic Aligned Conductive Composite, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c08273https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08273
12. ACS Nano：一种通过低缺陷工程石墨烯的仿生多功能石墨烯−环氧防腐涂层
尽管石墨烯被认为是最理想的抗腐蚀填料。然而，迄今为止，一些重要问题仍未解决，包括分散性差、排列无序、结构缺陷和电偶腐蚀，从而阻碍了其在金属防护中的潜在应用。基于此，中科院宁波材料所Jiheng Ding，Haibin Yu报道了设计并制备了一种具有交替的“珍珠状”结构的复合涂层，以突出环氧涂层和工程石墨烯的最佳特性。1）聚多巴胺(PDA)作为“缝合剂”，基于苯环与石墨烯骨架的相似性，用于修复石墨烯的结构缺陷，赋予石墨烯优异的不渗透性和分散性。2）采用环氧层和PDA-G层交替喷涂的方法制备了生物激励复合涂层(I-PDA-G-EP)，其中PDA可以将石墨烯层与环氧层作为胶水结合，形成“互锁”结构，增强界面相互作用，保证涂层的完整性和致密性。3）研究人员通过电化学和盐雾试验，研究了环氧树脂、共混复合材料和生物激发复合涂层保护的钢的腐蚀行为。结果表明，仿生涂料的防腐性能远高于环氧和共混复合涂料(PDA-G-EP)。此外，交替层赋予生物激发涂层高度各向异性的导热性和导电性。这一受生物启发的策略旨在为石墨烯基防腐涂层的高性能和功能特性的集成提供一条潜在的途径。Jiheng Ding, et al, Bio-inspired Multifunctional Graphene−Epoxy Anticorrosion Coatings by Low-Defect Engineered Graphene, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c08228https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08228
