纳米前沿顶刊日报20181224

纳米人

2018-12-24

1.Nature：实验上实现芯片级拓扑纳电子机械超材料

通过稳定的物理渠道进行波导对实现可靠的信息传输至关重要。然而，由于背散射和损失的存在，能量在高频机械系统（例如信号处理器）中的传输对于缺陷以及弯折十分敏感。而凝聚态系统中的拓扑现象展现出抗缺陷能力，并具有单向传播能量的特点。拓扑机械超材料将这些性质整合到传统体系材料中，用以实现高效的声子能量运输。迄今为止，声学和机械拓扑超材料仅在较为宏观的系统中得以实现，例如作为声波散射器的摆、陀螺晶格、结构金属板构成的阵列，以及条状、罐状等结构组成的阵列。为进一步发挥其在器件应用方面的潜能，机械拓扑系统的尺寸须缩减至芯片级，以实现高效运输。

有鉴于此，加州理工学院Chiara Daraio等人从实验上实现了芯片级拓扑纳电子机械超材料，其由在高频下（10-20 MHz）运作的自支撑氮化硅纳米膜二维阵列组成。文章从实验上证实了边缘态的存在，并表征了其局域化以及类狄拉克锥频散。同时，该拓扑波导系统也能有效对抗波导畸变以及依赖于赝自旋的运输。总之，本文所实现的芯片级集成声学元件可应用于高频信号处理器中的单向波导器以及小型延迟线。

Cha J, Kim K W & Daraio C. Experimental realizationof on-chip topological nanoelectromechanical metamaterials[J]. Nature, 2018.

DOI: 10.1038/s41586-018-0764-0

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0764-0#Sec9

2.Nat. Mater.：MoS₂器件中的离子调制和离子耦合效应用于神经形态计算

耦合的离子电子效应为器件和电路的开发提供了机会。二维层状材料如MoS₂能够提供高度各向异性的离子传输性质，促进受控离子的迁移和器件之间有效的离子耦合。密歇根大学Wei D. Lu 课题组报道了MoS₂薄膜的可逆调制，通过控制Li⁺在电场中的迁移与局部2H-1T'相变保持一致，其中局部Li+浓度的增加/减少导致2H（半导体）和1T'（金属）相之间的转变，由此产生的装置显示出优异的忆阻行为。Li⁺高的面内迁移率能够允许多个器件通过局部离子交换直接相互耦合，致使观察到生物学中的突触竞争和突触合作效应。这些结果证明了通过场驱动的离子过程直接调制二维材料的潜力，并且可以用于基于耦合离子电子效应的电子和能量设备，以及人工神经网络的实现。

Zhu X, Li D, Liang X, et al. Ionic modulationand ionic coupling effects in MoS₂ devices for neuromorphic computing[J]. Nature Materials, 2018.

DOI: 10.1038/s41563-018-0248-5

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0248-5

3.Nat. Commun.：不含氟的“离子聚合物包水”电解质用于锂离子电池

研究人员通过提出一种“离子聚合物包水”类型的电解质来解决与电解质毒性和安全性相关的问题，该电解质用水代替有机溶剂，用非氟化、廉价且无毒的超吸收离子聚合物--聚丙烯酸锂代替昂贵有毒的氟化锂盐。即使其具有高的含水量，该电解质的电化学稳定性窗口也得以扩大。其中，50wt.％离聚物的凝胶表现出2.6 V的电化学稳定性窗(vs.Pt)，在20 ℃下具有6.5 mScm ^-1的电导率。结构研究表明，随着含水量的变化，电解质局部的自组织和转换结构，导致50％离聚物凝胶具有良好的导电性和弹性。使用该电解质的LiTi₂(PO₄)₃/LiMn₂O₄锂离子电池提供>1.5 V的平均放电电压和77 Wh Kg^-1的比能量，用于TiO₂/LiMn₂O₄电池中，具有增强的平均放电电压2.1 V和初始比能量124.2 Wh kg^-1。

He X, Yan B, Zhang X, et al. Fluorine-freewater-in-ionomer electrolytes for sustainable lithium-ion batteries[J]. Nature Communications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-07331-6

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07331-6

4. 王定胜&李亚栋Nat. Commun.：单原子Fe进军锌空气/燃料电池领域

设计合成高效，稳定且廉价的ORR电催化剂一直是锌空气/燃料电池领域的重要课题。有鉴于此，清华大学的李亚栋和王定胜团队成功制备出一种单原子Fe基催化剂，研究发现该催化剂在酸性电解液和碱性电解液中均表现出优异的ORR活性，同时该催化剂也有望代替Pt基催化剂应用于锌空气/燃料电池领域。

Chen Y, Wang D, Li Y, et al. Enhanced oxygen reduction with single-atomic-site ironcatalysts for a zinc-air battery and hydrogen-air fuel cell[J]. Nature Communications,2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-07850-2

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07850-2

5.崔屹Joule：会呼吸的催化剂！

受自然进化中的肺泡结构的启发，斯坦福大学崔屹教授团队设计了一种模拟呼吸过程的双向电催化体系，用于从催化剂表面产气，和气体反应物输送到催化剂表面这两种过程，与 OER和 ORR 相对应。实现这种系统的关键设计要求是：（1）能够进行气体输送和释放的有效传质，（2）拥有充足的三相接触区域用于电催化反应，和（3）在电化学工作条件下比传统碳基GDL持续更长时间的强疏水性。

基于此，该团队设计了一种新型电极结构，其利用聚乙烯（PE）制成的厚度为12 μm的超薄纳米多孔膜，仅有传统的气体扩散电极（即聚四氟乙烯（PTFE）涂层多孔碳膜，~400 μm）厚度的约三十分之一。该PE上具有密集分布的纳米孔道，以提供大量的三相接触界面以作为更多催化位点，同时保持很低的气体扩散阻力。研究团队利用Ag / Pt双层催化剂涂覆的alv-PE结构用于ORR反应，实现了在0.6 V下250mA·cm^-2的电流密度（在该工作中报道的所有电位均为可逆氢电极，RHE），比相同催化剂负载的平面PE结构高约25倍。在OER中，采用Au / NiFeO_x催化剂涂层的Alv-PE结构，在没有iR校正的情况下，达到10 mA·cm^-2电流密度仅需要190 mV的过电势，比相同的催化剂涂层的平面PE或碳基气体扩散电极结构的过电势还要低约90 mV。

Jun Li, Yi Cui et al. Breathing-MimickingElectrocatalysis for Oxygen Evolution and Reduction. Joule 2018.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30564-6

6. Joule：有机聚合物直接储镁实现高比能镁电池

镁电池由于金属镁负极的无枝晶特性因而能够提供更高的能量密度和安全性。然而，Mg²⁺在正极材料中的扩散动力学十分缓慢。最近人们发现有机正极材料在室温下即可实现高能量密度和高功率密度。在本文中，研究人员发现，之前的有机正极材料工作原理是对基于大量电解质的MgCl进行存储，这显著降低了电池的能量密度。然后，研究人员提出了以Mg²⁺储存为机制的醌聚合物正极材料、不含氯的电解液体系以及金属镁组成的镁电池。在支持电解质条件下，这种储镁有机正极在电解液用量只有之前的10%的前提下即可实现相同的能量密度。

Dong H, Liang Y, et al. Directing Mg-Storage Chemistry in Organic Polymers toward High-Energy Mg Batteries[J]. Joule,2018.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.022

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30571-3?rss=yes

7. 王春生Joule：使用锂化载体的高比能金属锂电池

金属锂电池凭借其超高的比容量而成为新一代高比能电池中的佼佼者。然而，锂沉积剥离过程中的低库伦效率以及由不受控的枝晶生长导致的安全性问题严重限制了其实际应用。在本文中，研究人员报道了在预锂化的Li_xSi负极上沉积金属锂能够有效地抑制死锂的形成，这是因为Li_xSi能够在比金属锂更高的电位上轻微脱锂。因此即便在较高的电流密度下进行沉积剥离也能实现超高的库伦效率。

Chen L, Fan X, et al. High-Energy LiMetal Battery with Lithiated Host[J]. Joule, 2018.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.025

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30574-9?rss=yes

8.Joule：具有折叠式电池结构的电池级高能量密度Li-O₂电池

Li-O₂电池凭借其相对传统电池的高理论比容量优势而有望成为嵌入式电池体系的替代者。然而，由于排除了其他不可缺少的电池组分，因此有关Li-O₂电池单体实际能够达到的能量密度的计算变得十分复杂。在本文中，研究人员报道了具有超薄气体扩散层、高离子电导的稳定聚离子液体隔膜和以此为基础的折叠式电池结构，这种电池结构能够有效减少其他电池组分的体积与质量。基于电池组计算的电池级能量密度高达1214 Wh/kg和896 Wh/L。研究人员利用多种模型对电池尺度的电化学现象进行了模拟，其中包括正极反应引起的氧气流动、动态孔隙率变化以及产物形成过程中阻抗的增加。电池几何特征和正极组成对于电池容量的影响十分显著。

Lee H, et al. High-Energy-Density Li-O₂Battery at Cell Scale with Folded Cell Structure[J]. Joule, 2018.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.016

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30565-8?rss=yes

9. Joule：23.5%效率，三节串联，钙钛矿/Si叠层太阳能电池

Park等人通过采用复合层作为附加接触来调控单片钙钛矿/ Si串联电池，提出了对串联电池进行全面表征的有效策略，最大限度地降低了叠层器件的复杂性。为了获得有效的器件，研究人员进行了光学工程和带隙调谐，以减少反射损耗并实现电流匹配。具有MAPb（I_0.95Br_0.05）₃的串联电池显示出23.5％效率，并且在暗态条件下2500小时后，效率仍保持初始值的97％。

Park I J, Park J H, Ji S G, et al. A Three-Terminal Monolithic Perovskite/Si Tandem Solar Cell Characterization Platform[J]. Joule, 2018.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.017

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243511830566X

10.Chem：全固态锂金属电池的实际挑战与未来展望

随着电动汽车与智能电网需求的增加，锂离子电池的基本理解与技术创新对于实现高能量密度、长循环寿命和低成本的储能器件至关重要。在发展锂金属和其他高容量正极材料的过程中，固态电解质相比传统的液态电解质在安全性方面更有优势。研究人员们做出了巨大的贡献制备出了具有高达10^-3 S/cm电导率的超离子导体固态电解质。然而，固态电解质与正极材料之间较差的相容性导致的高界面阻抗严重限制了全固态锂金属电池的实际应用，这也是本文讨论的重点。此外，本文还概括了基于嵌锂化合物、硫、空气等正极材料的全固态金属锂电池的研究进展和关键性挑战并对其未来的发展提出了自己的观点。

Xia S, et al. PracticalChallenges and Future Perspectives of All-Solid-State Lithium Metal Batteries[J].Chem, 2018.

DOI: 10.1016/j.chempr.2018.11.013

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30530-8?rss=yes