今日推薦丨中國科大成功實現(xiàn)相距50公里光纖的存儲器間的量子糾纏
中國科學技術(shù)大學潘建偉、包小輝、張強等與濟南量子技術(shù)研究院和中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，在量子中繼與量子網(wǎng)絡(luò)方向取得重大突破。他們通過發(fā)展高亮度光與原子糾纏源、低噪高效單光子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)和遠程單光子精密干涉技術(shù)，成功地將相距50公里光纖的兩個量子存儲器糾纏起來，為構(gòu)建基于量子中繼的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻：
Yong Yu et al. Entanglementof two quantum memories via fibres over dozens of kilometres. Nature 2020, 578,240–245.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-1976-7
1. Nat. Commun.: 機械卷繞制備的互穿型鋰金屬/鋰錫合金箔材用作超高倍率電池負極材料
高比能鋰金屬電池受限于緩慢的界面鋰離子擴散而很難實現(xiàn)高倍率應用。有鑒于此，斯坦福大學的崔屹教授與華中科技大學的孫永明教授等通過將金屬鋰箔與錫箔進行簡單壓延與折疊并結(jié)合后續(xù)自發(fā)進行的合金化反應成功地制備了一種新型互穿鋰金屬/鋰錫合金箔材。這種三維互穿鋰電極在高倍率下優(yōu)異的電化學性能說明其具有在高比能高功率儲能器件中實際應用的潛力。
本文要點
1）這種新型互穿鋰金屬鋰/鋰錫合金箔材由三維交聯(lián)的金屬鋰與Li22Sn5集成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。得益于高鋰離子擴散系數(shù)、高親鋰性以及Li-Sn之間適中的電壓差，三維納米結(jié)構(gòu)的Li22Sn5網(wǎng)絡(luò)為Li/ Li22Sn5界面上的快速離子傳輸提供了豐富的通道和強勁的驅(qū)動力。鋰離子能夠在豐富的Li/ Li22Sn5界面之間和互穿網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行快速擴散。
2）研究人員發(fā)現(xiàn)，Li22Sn5網(wǎng)絡(luò)不僅有助于電子的快速傳輸，而且能夠作為載體緩沖金屬鋰沉積-剝離過程中巨大的體積變化。
3）對稱Li/ Li22Sn5// Li/ Li22Sn5電池在5mAh/cm2的沉積量和30mA/cm2的超高電流密度下能夠?qū)崿F(xiàn)長達200周的穩(wěn)定循環(huán)。當與1mAh/cm2載量的NCM正極匹配為全電池后，全電池在6C的高倍率下能夠?qū)崿F(xiàn)低倍率下74%的放電容量。此外，LFP// Li/ Li22Sn5全電池在4mA/cm2的電流密度下循環(huán)500周后的容量保持率高達91%。
MintaoWan et al, Mechanical rolling formation of interpenetrated lithiummetal/lithium tin alloy foil for ultrahigh-rate battery anode, NatureCommunications, 2020
DOI：10.1038/s41467-020-14550-3
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14550-3
2. Matter: 從理論和實驗上揭示二維材料在鋰/鈉-硫電池中的研究進展
由于高能量密度和低成本，金屬鋰/鈉-硫電池在下一代電池中具有實用的前景。但由于放電容量和長時間循環(huán)的穩(wěn)定性不足，阻礙了其發(fā)展。目前研究人員通過實驗和理論方法的結(jié)合，在理解硫氧化還原和金屬電鍍-剝離的電化學行為與電極材料的結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系取得了重大進展。對于金屬-硫電池，二維（2D）納米材料是一種合適的模型，可以將實驗結(jié)果與理論預測相關(guān)聯(lián)，并且可以用來探索結(jié)構(gòu)與特性之間的關(guān)系。阿德萊德大學喬世璋課題組從理論和實驗上揭示二維材料在鋰/鈉-硫電池中的研究進展。
本文要點:
1）通過實驗和理論方法相結(jié)合的觀點，探索了二維納米材料在不同反應階段的硫氧化還原轉(zhuǎn)化率，分析二維納米材料作為SEI和宿主材料在保護鋰和鈉金屬負極方面的關(guān)鍵因素。
2）重點討論了開發(fā)高性能金屬硫電池的有前途的研究方向。指出未來的研究工作應集中在建立宏觀轉(zhuǎn)化動力學與電極材料的電子結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性上。另外，由2D材料制造3D電極可能是提高Li/Na-硫電池和其他金屬硫電池能量和功率密度的一種有效方法。
ChaoYe,et al. Unveiling the Advances of 2D Materials for Li/Na-S BatteriesExperimentally and Theoretically, Matter, 2020.
DOI:10.1016/j.matt.2019.12.020
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519304114
3. JACS: 水溶柔性有機框架可包裹和運送蛋白質(zhì)！
多孔聚合物由于在分離、催化、負載以及輸運等領(lǐng)域具有廣闊的應用潛力因而備受關(guān)注。然而，到目前為止多孔聚合物的研究重點是構(gòu)建穩(wěn)定的靜態(tài)共價有機框架，具有納米孔道的水溶性聚合物框架尚未有人報道。近日，復旦大學的Yunchang Zhang、Wei Zhou、Zhanting Li以及美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Yi Liu等報道了一種能夠包裹和輸運蛋白質(zhì)的水溶性多孔聚合物柔性框架。這種新型的水溶性柔性框架為多孔材料的發(fā)展開辟了一個新領(lǐng)域。其高孔隙率、高穩(wěn)定性、納米尺寸可調(diào)、易于制備等優(yōu)勢使其在生物材料領(lǐng)域具有廣闊的應用潛力。
本文要點:
1）研究人員以半剛性四醛和柔性二酰胺為原料合成了四種水溶性腙基三維柔性有機框架（FOF-1-4）。1H-NMR表征證實了水溶液中FOF-1-4的存在，動態(tài)光散射結(jié)果表明聚合物框架中存在直徑范圍50-120nm的孔道，孔道的具體尺寸由濃度決定。
2）研究人員利用固體樣品的乙醇蒸氣吸附實驗以及2.3nm卟啉客體在水中的高負載量證實了該有機框架內(nèi)部具有很高的孔隙率。
3）這種新型水溶性有機框架的細胞毒性很低，其固有孔隙能夠快速有效地包裹牛血清白蛋白和橙色熒光蛋白等蛋白質(zhì)并將其輸運到細胞內(nèi)部。流式細胞儀實驗表明其所輸運的細胞高達99.8%。
Jia-LeLin et al, Water-Soluble Flexible Organic Frameworks That Include and DeliverProteins, JACS, 2020
DOI: 10.1021/jacs.9b13263
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13263
4. JACS: 具有氧化還原響應的柔性“萘籠”
自然界中存在很多動態(tài)體系能夠利用柔性折疊來發(fā)揮復雜的生物作用。人工合成的“萘籠”也具有這樣的特征，能夠通過萘環(huán)快速反轉(zhuǎn)進行構(gòu)象的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)不同功能。近日，南方科技大學的蔣偉教授與柏林自由大學的Christoph A. Schalley等發(fā)現(xiàn)“萘籠”與四硫富瓦烯和甲基紫精這兩種常見的氧化還原可調(diào)單元之間存在極強的結(jié)合力且能夠發(fā)生氧化還原響應。具有柔性的萘籠分子和其內(nèi)部結(jié)合的客體分子都具有氧化還原響應能力，這為氧化還原控制的客體釋放或刺激響應材料中的新應用開辟了道路。
本文要點:
1）研究人員發(fā)現(xiàn)“萘籠”的空腔與芳香性陽離子（如四硫富瓦烯一價和二價離子以及甲基紫精離子）的尺寸并不能完全匹配，但它們之間存在強度高達1010 M-1的結(jié)合能力。客體分子在兩個萘墻之間的嵌入是通過C-H…O、C-H…π以及陽離子…π等相互作用實現(xiàn)的。
2）客體分子進出“萘籠”可以通過氧化還原反應進行調(diào)控。當對不含客體分子的萘籠進行氧化時會形成由一個氧化態(tài)萘嵌入另外兩個萘中的穩(wěn)定自由基陽離子。
3）一旦柔性“萘籠”發(fā)生氧化，被封裝的客體分子就會由于結(jié)合力較弱而通過空腔被釋放出來。因此可以利用主體分子的氧化-還原柔性構(gòu)象變化來對主客體化學相互作用進行選擇性調(diào)節(jié)。
FeiJia et al, Redox-Responsive Host–Guest Chemistry of a Flexible Cage with Naphthalene Walls, JACS,2020
DOI: 10.1021/jacs.9b11685
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b11685
5. Adv. Sci.：混合鈣鈦礦中的非均相過飽和
基于混合鹵化鈣鈦礦的薄膜太陽能電池已經(jīng)實現(xiàn)了超過24％的認證功率轉(zhuǎn)換效率，已接近晶體硅。這激發(fā)了對決定其性能的機制的深入研究。已經(jīng)提出了孿晶缺陷位點作為鈣鈦礦中陷阱的來源，但是它們的起源和對光伏性能的影響仍然不清楚。鑒于此，多倫多大學Edward H. Sargent 和國立清華大學Lih Juann Chen團隊對其進行了深入研究。
本文要點：
1）孿晶缺陷（通過透射電子顯微鏡和X射線衍射觀察到）與鈣鈦礦中添加的抗溶劑量相關(guān)，并且性能最高的鈣鈦礦光伏器件中的孿晶缺陷得到抑制。
2）討論了異質(zhì)過飽和成核作用，這是有效的基于鈣鈦礦的光電器件的貢獻者。
ChihShan Tan et al. Heterogeneous Supersaturation in Mixed Perovskites，Advanced Science, 2020
DOI:10.1002/advs.201903166.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903166
6. Adv. Sci.：創(chuàng)紀錄效率20.55％！無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池
具有成本效益和簡化設(shè)計的高效無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池（ETL不含PSC）可以大大促進PSC的大面積靈活應用。但是，缺少ETL通常會導致ITO/鈣鈦礦界面能級不匹配，從而限制了電荷的轉(zhuǎn)移和收集，并導致嚴重的能量損失和較差的器件性能。為了解決這個問題，寧波材料所的葛子義團隊引入了極性非共軛小分子改性劑，以降低ITO的功函數(shù)，并借助固有的偶極子來優(yōu)化界面能級匹配。
本文要點：
1）通過光發(fā)射光譜法和開爾文探針力顯微鏡研究表明，修飾后的ITO/鈣鈦礦接觸有利于有效的電荷轉(zhuǎn)移并抑制非輻射復合，從而使器件具有增強的開路電壓，短路電流密度和填充因子。
2）制備的器件效率提高到了創(chuàng)紀錄的20.55％（空白組12.81％），可與具有先進ETL的最新PSC媲美。而且，由于界面缺陷鈍化和抑制的界面電荷積累，具有較小的回滯現(xiàn)象而優(yōu)異的穩(wěn)定性。
總而言之，這項工作通過界面電子結(jié)構(gòu)工程和便捷的電極改性，促進了高效，靈活和可回收的無ETL的成本低廉PSC的進一步開發(fā)和應用。
LikeHuang et al. Synergistic Interface Energy Band Alignment Optimization andDefect Passivation toward Efficient and Simple‐StructuredPerovskite Solar Cell，Advanced Science, 2020
DOI: 10.1002/advs.201902656.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201902656
7. AEM：具有恒定輸出電流的圓柱形直流摩擦納米發(fā)電機
近年來，隨著經(jīng)濟的不斷增長，能源需求增長迅速，甚至出現(xiàn)了一定程度的能源危機。因此，世界上許多國家都在積極投資開發(fā)和利用新的綠色能源。各種形式的發(fā)電機，包括電磁發(fā)電機、壓電發(fā)電機、摩擦納米發(fā)電機等，在獲取能源方面發(fā)揮著不可替代的作用。基于摩擦起電效應和靜電感應效應耦合的摩擦納米發(fā)電機（TENGs）的工作模式可分為四種：垂直接觸分離模式、接觸滑動模式、單電極模式和獨立式摩擦電層模式。TENGs具有在低頻環(huán)境下獲取各種形式機械能無可比擬的優(yōu)勢，有望為全球能源的可持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻。在此，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、Tinghai Cheng和吉林大學趙宏偉教授首次報道了一種通過相位耦合產(chǎn)生具有低波峰因數(shù)的幾乎恒流輸出的圓柱形直流摩擦電納米發(fā)電機（DC-TENG）。
本文要點：
1）研究了相位（P）和機組數(shù)（G）對DC-TENG的影響。實驗表明，電流的波峰因數(shù)隨相位的增大而顯著減小，輸出性能隨組數(shù)的增加而顯著提高。
2）DC-TENG的三相五組（3P5G）單相摩擦發(fā)電單元產(chǎn)生的開路電壓為149.5 V，短路電流為7.3 μA，在600 rpm時產(chǎn)生的電荷為56.7 nC。
3）在對每相輸出進行整流和疊加后，DC-TENG可以產(chǎn)生21.6 μA的耦合電流和2.04 mW的平均輸出功率。此外，輸出電流的波峰因數(shù)降低到1.08，并且實現(xiàn)了幾乎恒定直流電的高性能特性。
這項研究對于TENG在為低功耗傳感器供電方面的實際應用具有重要意義。
JianlongWang, Yikang Li, Zhijie Xie, Yuhong Xu, Jianwen Zhou, Tinghai Cheng, HongweiZhao, Zhong Lin Wang. Cylindrical Direct-Current Triboelectric Nanogeneratorwith Constant Output Current. Adv. Energy Mater. 2020,1904227.
DOI:10.1002/aenm.201904227.
https://doi.org/10.1002/aenm.201904227
8. AFM：用于人體溫度調(diào)節(jié)的可拉伸耐熱蛋白質(zhì)電子皮膚
蠶絲蛋白具有良好的生物降解性和生物相容性，是一種非常有前途的皮膚上和植入式電子器件材料，然而，其固有的脆性和較差的熱穩(wěn)定性限制了其應用。有鑒于此，廈門大學劉向陽、郭文熹等人利用再生絲素蛋白(SF)與聚氨酯之間的強相互作用，通過介觀摻雜的方法制備出堅固耐熱的絲素蛋白復合膜(SFCMs)。
本文要點：
1）所獲得的SFCMs可以承受拉伸試驗超過200%，熱處理溫度高達160°C。由于SFCMs具備這些優(yōu)點，傳統(tǒng)的微機械加工技術(shù)，如噴墨打印，可以在這種蛋白質(zhì)襯底上印刷柔性電路。
2）在此基礎(chǔ)上，成功地在SFCMs的兩側(cè)構(gòu)建了Ag納米纖維和Pt納米纖維網(wǎng)絡(luò)，分別用作加熱器和溫度傳感器。此外，集成的基于蛋白質(zhì)的電子皮膚(PBES)具有很高的熱穩(wěn)定性和溫度敏感性(0.205%°C?1)。
3）陣列式PBES可實現(xiàn)加熱和溫度分布的檢測，在疏通血管緩解關(guān)節(jié)炎方面具有潛在的應用前景。這種PBES不會引起炎癥，透氣性良好，因此可以直接貼在人體皮膚上進行長期的熱處理。
JianiHuang, et al. Stretchable and Heat‐Resistant Protein‐Based Electronic Skin forHuman Thermoregulation, Adv. Funct. Mater., 2020.
DOI:10.1002/adfm.201910547
https://doi.org/10.1002/adfm.201910547
9. EnSM：用于釩流電池的多孔三維木基電極
釩流電池（VFB）以其設(shè)計靈活、循環(huán)壽命長、安全性高等優(yōu)點，被廣泛認為是最可靠的大規(guī)模儲能技術(shù)之一。然而，仍然需要通過進一步降低成本來制備具有合適結(jié)構(gòu)的VFB新型電極，以擴大其在儲能市場的應用。有鑒于此，馬里蘭大學胡良兵與中國科學院大連化學物理研究所Tao Liu通過對地球上資源豐富、廉價、可持續(xù)的木材進行簡單的打孔和碳化改性，制備了一種用于VFBs的多孔三維（3D）木基電極。
本文要點：
1）3D木基電極繼承了原始木材固有的垂直排列通道（即低彎曲度結(jié)構(gòu)），為液流電池系統(tǒng)提供了暢通的電解質(zhì)傳輸路徑。此外，研究人員在3D木基電極上沿垂直方向鉆了小孔（約1.3 mm）以連接平行通道，從而加速電極中的離子交換并降低了流動阻力。
2）通過對電極的改性，顯著降低了其在充/放電過程中的濃差極化。3D木基電極的多孔結(jié)構(gòu)具有216.77 m2 g?1的高比表面積且具有含氧官能團，可為釩陽離子提供足夠的反應位點，從而增強VFB的電化學活性。結(jié)果，3D木基電極在VFB中顯示出可觀的電化學性能，如高電壓效率（10 mA cm?2下為91.77％）和穩(wěn)定的循環(huán)性能。
3D木基電極的優(yōu)越結(jié)構(gòu)保證了其在VFBs中的可行性，通過對地球上豐富的生物材料進行造孔工程，為開發(fā)液流電池電極提供了一個有前景的方向。
MiaolunJiao et al. Holey Three-Dimensional Wood-based Electrode for Vanadium FlowBatteries. Energy Storage Materials 2020.
DOI:10.1016/j.ensm.2020.02.008
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.02.008
10. ACR: 石墨炔在電化學能源中的基礎(chǔ)和應用
石墨炔（GDY）GDY是第一種同時具有用于電子2D快速傳輸通道和用于離子3D通道的碳材料。二維富電子全碳性質(zhì)賦予GDY相當大的電導率和可調(diào)節(jié)的電子特性，而面內(nèi)空穴使其具有固有的選擇性和對電化學活性金屬離子的可及性。此外，它在溫和條件下易于制備，很好地彌補了傳統(tǒng)的sp2雜化碳材料（碳納米管，石墨烯和石墨）在高效合成和加工中的缺點，可用于潛在的電化學應用。最近十年中，它在基礎(chǔ)科學研究和前瞻性應用方面均已取得了許多啟發(fā)性和創(chuàng)新性的進步。中科院化學所李玉良院士與北京化工大學Weidong Zhou等人概述了在高質(zhì)量制備和電化學應用中一些最近報道的有趣現(xiàn)象。
本文要點：
1）該綜述主要討論了電化學應用的最新進展：在電化學界面中構(gòu)建新概念和新功能，以實現(xiàn)在水分解和氧還原反應領(lǐng)域中的高活性電化學催化劑；建立高度穩(wěn)定的導電網(wǎng)絡(luò)和電化學界面實現(xiàn)可逆的能量存儲。
2）對于電化學催化領(lǐng)域，基于當前對結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和優(yōu)異性能的研究，由于富電子石墨炔對金屬原子的固定和電子轉(zhuǎn)移能力，利用錨定在GDY中的金屬原子進行原子催化是非常有意義的。
3）對于高能電池領(lǐng)域，全碳GDY在各種電池電極上的原位生長能夠解決關(guān)鍵的實際問題（安全性，壽命，功率），而這些問題主要歸因于界面穩(wěn)定性差。此外，還介紹了GDY在更廣泛的界面修飾中的應用，為解決各種儲能設(shè)備中的界面挑戰(zhàn)帶來了新的選擇。
YunchengDu, et al,. Fundament and Application of Graphdiyne in Electrochemical Energy,Acc. Chem. Res., 2020
DOI:10.1021/acs.accounts.9b00558
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.9b00558
