氮化硼Nature Electronics丨顶刊日报20230210
纳米人
2023-02-13
1. Nature Electronics：用于增强石墨烯器件阵列的多层六方氮化硼的大面积合成和转移
多层六方氮化硼（hBN）可用于在器件结构中保持其他二维材料的固有物理性质。然而，由于难以合成高质量的大面积多层hBN并将其与相同规模的其他二维材料层结合，因此将该材料集成到大规模二维异质结构中仍然具有挑战性。近日，来自九州大学全球创新中心的Hiroki Ago等人发现厘米级多层hBN可以通过化学气相沉积在铁镍合金箔上合成。1) 该研究合成的hBN可以用作石墨烯场效应晶体管的衬底和表面保护层，并且研究还开发了一种集成的电化学转移和热处理方法，使得能够创建高性能石墨烯/hBN异质结；2) 此外，通过常规和可扩展方法制造的石墨烯场效应晶体管阵列显示，当hBN用作绝缘衬底时，室温载流子迁移率会显著提高，并且在石墨烯被另一个hBN片封装时，可以进一步增加到10,000 cm2·V−1·s−1。
Fukamachi, S., Solís-Fernández, P., Kawahara, K. et al. Large-area synthesis and transfer of multilayer hexagonal boron nitride for enhanced graphene device arrays. Nat Electron (2023).DOI: 10.1038/s41928-022-00911-xhttps://doi.org/10.1038/s41928-022-00911-x
2. Nature Communications：通过表面晶格约束效应直接观察加速氢溢出
揭示氢转移的方式以及哪些因素控制固体表面上的氢电导率对于提高含氢反应的催化性能十分关键，然而，粉末催化剂的结构复杂性尤其是氧化物催化剂，极大限制了相关的研究。鉴于此，来自中国科学院大连化学物理研究所的傅强，中国科学院大连化学物理研究所Rentao Mu等人在Pt（111）衬底上构建了条状MnO（001）和栅格状Mn3O4（001）单层，并研究了顶部的氢溢出。1) 该研究的原子尺度可视化表明，Pt中的氢物种沿着MnO（001）上的条纹单向扩散，而在Mn3O4（001）中呈现各向同性路径，H2气氛中的动态表面成像显示，氢在MnO上的扩散速度比在Mn3O4上的扩散快4倍，这是由一维表面晶格约束效应促进的；2) 此外，理论计算表明，均匀和中等的O-O距离有利于氢扩散，而低配位表面O原子则抑制氢扩散，们的工作说明了氧化物催化剂对氢溢出的表面晶格限制效应，并为提高氢溢出效率提供了一条有希望的途径。
Liu, Y., Zhang, R., Lin, L. et al. Direct observation of accelerating hydrogen spillover via surface-lattice-confinement effect. Nat Commun 14, 613 (2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36044-8https://doi.org/10.1038/s41467-023-36044-8
3. Nature Communications：用于自主连接微纤维的自纺长丝
丝状束结构在自然界中无处不在，通过各种中尺度超分子元件的组装可以实现高度适应性功能和结构完整性。合成、拓扑集成模拟物的工程路线通常需要精确协调控制多个细丝的形状和位置，这在没有复杂机械或劳动密集型加工的情况下是一个极大的挑战。鉴于此，来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的Alfred J. Crosby，Gregory M. Grason，Todd Emrick等人开发了一种光褶皱设计，从而可以将局部曲率和扭曲编码为中尺度聚合物细丝，使其能够编程转换为目标三维几何结构。1) 该研究发现，细丝阵列的图案化光褶皱可以驱动自主纺纱，以形成高度缠结且结构坚固的连接细丝束，在单个细丝中，光折痕则解锁了通向空间中任意三维曲线的路径；2) 该研究开发的光折痕介导的捆绑建立了一种变革范式，使智能的自组装介观结构能够模拟自然界（如肌腱和肌肉纤维）和宏观工程世界（如绳索）中的性能差异结构。
Barber, D.M., Emrick, T., Grason, G.M. et al. Self-spinning filaments for autonomously linked microfibers. Nat Commun 14, 625 (2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36355-whttps://doi.org/10.1038/s41467-023-36355-w
4. Joule: 二聚体小分子受体实现高效稳定的有机太阳能电池
虽然基于小分子受体（SMA）的有机太阳能电池（OSC）功率转换效率（PCE）得到显著提高，但其长期稳定性不足以实现商业化。近日，庆尚大学Yun-Hi Kim、Bumjoon J. Kim、韩国科学技术院Bumjoon J. Kim利用二聚体小分子受体实现高效稳定的有机太阳能电池。1) 作者发现SMA的二聚化可以显著增强基于SMA的OSC的稳定性，并且二聚SMA（DYBO）可以获得具有高PCE（>18%）的OSC，这使得它们能够超越基于其单体对应物MYBO（PCE=17.1%）的OSCs。此外，基于DYBO的OSC具有优异的热稳定性和光稳定性。2) DYBO基OSC即使在100°C下连续暴露6000小时仍保持其初始PCE的80%以上，而MYBO基OSCs在36小时内降解至其初始PCC值的~80%。DYBO基OSC的高稳定性主要归因于DYBO具有179°C的高玻璃化转变温度（Tg）（MYBO的Tg=80°C）和改善的共混混溶性，从而在热应力下稳定了其共混物形态。
Sun Cheng, et al. Dimerized small-molecule acceptors enable efficient and stable organic solar cells. Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.01.009https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.01.009
5. EES: 全方位超分子两性离子水凝胶电解质实现环境适应性无枝晶水锌离子电容器
具有水凝胶电解质（HEs）的水性锌离子电容器（ZIC）具有高可持续性、高安全性、高能量/功率密度和优异力学性能等优点，长期以来一直被认为是极具潜力的大规模柔性储能技术。然而，锌阳极受到水电解质中枝晶失效、腐蚀和H2析出的挑战，从而阻碍了柔性ZIC在各种复杂情况下的应用。在此，北京林业大学Yang Jun利用全方位超分子两性离子水凝胶电解质实现环境适应性无枝晶水锌离子电容器。1) 作者利用分子工程策略设计了具有快速离子穿梭特性的全方位超分子两性离子水凝胶电解质（SZHE），其具有优异的机械界面环境鲁棒性、优异的离子电导率（48 mS cm−1）、优异的Zn2+转移数（0.86）和自我修复能力。此外，SZHEs具有原位修复循环引起的裂纹和调节Zn2+溶剂化结构的能力，还可以引导均匀Zn沉积和在Zn/电解质界面处建立贫H2O界面，从而可以保护Zn免受枝晶生长和副反应的影响。2) 作者通过理论模拟和实验表征发现，由于这些特性的共同作用，使得所组装的ZIC在容量、能量密度和自−20至60 ℃的循环寿命方面都优于目前 生物医学设备和在恶劣环境中工作的可穿戴电子设备。该工作为开发无枝晶和环境适应性锌基储能系统的SZHEs提供新的见解。
Qingjin Fu, et al. All-Around Supramolecular Zwitterionic Hydrogel Electrolytes Enabling Environmentally Adaptive Dendrite-Free Aqueous Zinc Ion Capacitors. EES 2023https://doi.org/10.1039/D2EE03793A
6. EES: 通过全溶液工艺实现具有高效和机械坚固性的可拉伸半透明有机光伏
具有高效率和高透明度的可拉伸有机光伏（OPV）仍然是可穿戴应用的巨大挑战。近日，香港理工大学Li Gang通过全溶液工艺实现具有高效和机械坚固性的可拉伸半透明有机光伏。1) 作者报道了一种用于半透明OPV的完整解决方案处理设备框架， 即通过AZO@silver纳米线（AgNWs）@AZO（AAA）复合材料形成了背面可拉伸的透明电极（STE），它不仅为有效的电荷传输和收集提供了3D长距离传输路径，还增强了界面稳定性。基于AAA的OPV具有12.8%的功率转换效率（PCE），并且平均可见光透射率为26.7%。2) 此外，作者将热塑性聚氨酯嵌入AgNWs作为前STE，并基于全溶液工艺的半透明OPV具有10.9%的PCE。OPV还具有优异的机械稳定性，其在500次10%拉伸释放循环后保持初始PCE的76.5%。该工作为构建可穿戴应用和皮肤类电子产品中半透明OPV奠定了基础。
Huang Jiaming, et al. Intrinsically Stretchable, Semi-transparent Organic Photovoltaics with High Efficiency and Mechanical Robustness via Full Solution Process. EES 2023https://doi.org/10.1039/D2EE03096A
7. Angwe: 单原子Rh多相催化剂上通过氢氨基烷基化实现C-N偶联
C-N偶联对化学工业中精细化学品的合成和药物开发具有重要意义。近日，堪萨斯大学Franklin (Feng) Tao在单原子Rh多相催化剂上通过氢氨基烷基化实现C-N偶联。1) 烯烃的加氢氨基烷基化是C-N偶联的串联反应，其首先通过烯烃的加甲酰化生成醛，然后通过醛的还原胺化生成胺。作者报道了一种负载型催化剂（命名为Rh1/P25），即固定在P25纳米颗粒上单一分散的Rh1原子。2) 烯烃和胺的六次氢氨基烷基化反应表明其对C-N偶联具有高催化活性，并且叔胺的选择性为90-100%。P25上单分散的Rh1O4具有比分子催化剂[Rh（cod）2]BF4更高的氢氨基烷基化活性和选择性。与分子催化剂相比，基于Rh的单原子Rh非均相催化（Rh1/P25）可以容易地从反应物和产物中分离出来，并可重复用于多次氢化氨基烷基化，以及可以以低成本回收。
Li Yuting, et al. C-N Coupling through Hydroaminoalkylation on a Single-Atom Rh Heterogeneous Catalyst. Angew. Chem. Int. Ed. 2023DOI: 10.1002/anie.202214332https://doi.org/10.1002/anie.202214332
8. Nano Lett.: Au纳米粒子在各向异性ReS2上的定向迁移和快速聚结
界面原子构型及其演化在混合零维（0D）金属纳米颗粒（NP）和二维（2D）半导体的结构稳定性和功能性中起着关键作用。而通过原子分辨率原位观察界面演化是一种重要的方法。近日，北京科技大学王荣明、 孙颖慧报道了Au纳米粒子在各向异性ReS2上的定向迁移和快速聚结。1) 作者通过像差校正透射电子显微镜原位研究了Au NP在各向异性ReS2上的定向迁移和结构演化。作者发现，直径小于3nm的Au NP在ReS2上的迁移优先沿着b轴方向。并通过密度泛函理论计算表明，较低的扩散能垒可以实现定向迁移。2) 作者将Au-NPs的聚结动力学由颈部半径（r）和时间（t）的关系来定量描述，表示为r2=Kt。该工作为研究金属/2D材料的界面结构演变提供了一种原子分辨动态分析方法，这对研究基于混合维纳米材料的纳米器件稳定性至关重要。
Yadi Cao, et al. Directional Migration and Rapid Coalescence of Au Nanoparticles on Anisotropic ReS2. Nano Letters 2023DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04278https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04278
9. Nano Lett.: 高可逆镁电池中溴化镁添加剂调节无钝化固体电解质界面
高可逆镁电池化学需要与当前电极高度兼容的合适电解质配方。通常，常规电解质在镁阳极上形成钝化层，而使用的MgCl2添加剂会导致电池组件的严重腐蚀和阳极稳定性低。近日，新加坡科技研究局Zhi Wei She通过溴化镁添加剂调节无钝化固体电解质界面。1) 作者对一系列卤化镁作为常规双（六甲基二硅肼）镁基电解质中的潜在电解质添加剂进行了比较研究。其中包含MgBr2的新型电解质配方在镁电镀/剥离中表现出优异性能，即在0.5mA/cm2和0.5mAh/cm2的1000次循环中，平均库仑效率为99.26%。2) 进一步分析表明，其在原位形成了坚固的镁阳极-电解质界面，从而导致了镁–Mo6S8电池在100次循环中无枝晶镁沉积和稳定的循环性能。该研究证明了新型MgBr2基电解质配方的合理性，并且该电解质具有3.1V的高阳极稳定性，从而证明其具有广阔的应用前景。
Deviprasath Chinnadurai, et al. A Passivation-Free Solid Electrolyte Interface Regulated by Magnesium Bromide Additive for Highly Reversible Magnesium Batteries. Nano Letters 2023DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00033https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00033
10. Nano Lett.：具有弹性和抗穿刺性的Si3N4纳米纤维海绵
陶瓷纳米纤维海绵由于具有超高的孔隙率、较低的导热系数、较大的比表面积和化学稳定性而引起了人们的广泛关注。从纤维本身的调节到3D网络的构建方法，人们正在努力改善陶瓷海绵的力学性能，以满足实际应用。迄今为止，通过结构设计已经实现了陶瓷纳米纤维海绵的弹性压缩，但在更复杂的应力状态下，它们仍然表现出脆性断裂。近日，西安交通大学Lei Su，Hongjie Wang采用旋转化学气相反应法制备了可伸缩的超轻α-Si3N4纳米纤维海绵。1)这种柔而坚固的Si3N4纳米纤维沿着旋转的上升气流生长，形成了高度排列和良好互连的结构，具有弹性可伸缩性、可压缩性和抗穿刺性的独特组合。2）研究人员系统地跟踪了Si3N4纳米纤维海绵的形成过程。通过优化制备工艺参数，最终制备出多功能Si3N4纳米纤维海绵。3）海绵具有独特的柔韧性(弯曲、扭曲和剪切可逆)、抗拉性(断裂伸长率>80%)、弹性拉伸(20%)和压缩(60%)、抗穿刺性、高空气过滤效率(>99.8%)和低压降(棉纤维的38%)，使陶瓷海绵成为一种有望在复杂压力条件下应用的高性能多孔材料，例如可穿戴的呼吸器，以保护人们免受PM2.5的污染和可能的微生物。
Mingzhu Li, et al, Resilient and Antipuncturing Si3N4 Nanofiber Sponge, Nano Lett., 2023DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04475https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04475
