1. Photonics Research：三維泡沫石墨烯光熱電效應(yīng)打造紫外-微波超寬譜光電探測器
高性能，超寬譜光電探測器在生物成像、光通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、遙感等諸多光電子系統(tǒng)中起著重要的作用。然而，由于太赫茲和微波區(qū)域的光子能量過低，無法激發(fā)傳統(tǒng)半導(dǎo)體(如硅)中的電荷躍遷，因此，利用單一器件很難實現(xiàn)由紫外到微波波段的超寬譜光電探測。光熱電效應(yīng) (也稱為塞貝克效應(yīng))，通過光誘導(dǎo)溫度變化從而產(chǎn)生熱電轉(zhuǎn)換。基于光熱電原理的探測器，不受探測波長的限制，探測頻段較寬，且能實現(xiàn)室溫下探測。然而，較低的響應(yīng)度是制約光熱電探測器廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
三維泡沫石墨烯是由單層石墨烯組成的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其吸光度，光電性能以及熱電性能遠高于單層石墨烯。同時，其自身具有的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對太赫茲能夠起到耦合增強的效果，提高探測靈敏度。近期，針對上述技術(shù)問題和挑戰(zhàn)，天津大學(xué)姚建銓院士和張雅婷副教授等人利用三維泡沫石墨烯制備了非對稱電極型光電器件，實現(xiàn)了紫外-太赫茲-微波超寬光譜探測。
本文要點：
1) 研究結(jié)果表明：三維泡沫石墨烯光電探測器件在405 nm至 1.36 mm波長范圍內(nèi)的多波段激光輻照下展示出穩(wěn)定且可重復(fù)的光開關(guān)特性，隨著輻照光波長的增加，光響應(yīng)度降低。不同偏壓下的光響應(yīng)結(jié)果顯示，在寬光譜范圍內(nèi)，增加器件兩端的偏壓，能夠提高器件響應(yīng)度。
2) 此外，該器件表現(xiàn)出最高為103 A·W?1的光響應(yīng)度，43 ms的響應(yīng)時間和80Hz的-3db帶寬。該研究實現(xiàn)了高性能，寬光譜光熱電探測器的制備，為未來在室溫下工作的超寬帶、高靈敏度新型光電探測器研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
Yifan Li, etal. Ultraviolet-to-microwave room-temperature photodetectors based onthree-dimensional graphene foams. Photonics Research. 2020
DOI: 10.1364/PRJ.380249
https://doi.org/10.1364/PRJ.380249
2. Chem. Soc. Rev.: 聚陰離子型鈉離子電池正極材料
室溫鈉離子電池憑借豐富的原料來源和低廉的成本等優(yōu)勢而被視為智能電子設(shè)備以及大規(guī)模儲能系統(tǒng)的首選。相比傳統(tǒng)的過渡金屬層狀氧化物正極材料，聚陰離子型正極材料由于具有較高的工作電壓以及穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)框架等優(yōu)勢而備受矚目。不過，聚陰離子型正極材料的電子電導(dǎo)率較低且容量十分有限，這使得其商品化發(fā)展面臨著瓶頸。在這篇綜述中，南開大學(xué)的焦麗芳教授等對近年來聚陰離子型正極材料在鈉離子電池中的研究進展進行了全面地總結(jié)概括。
本文要點：
1) 文章首先對聚陰離子型電極材料NaxMy(XO4)n (X= S, P, Si, As, Mo, W; M = 過渡金屬)的結(jié)構(gòu)進行簡單介紹。作者將聚陰離子型正極的特征總結(jié)為高氧化還原電勢、高熱穩(wěn)定性和低電子電導(dǎo)三方面。高氧化還原電勢源自于聚陰離子的誘導(dǎo)效應(yīng)。優(yōu)異的熱穩(wěn)定性得益于氧原子的共價鍵聯(lián)作用而電子電導(dǎo)則受限于晶體結(jié)構(gòu)。
2) 文章的主體部分是聚陰離子型電極材料在鈉離子電池中的相關(guān)研究進展。作者對磷酸鹽、焦磷酸鹽、氟代聚陰離子化合物、混合磷酸鹽、硫酸鹽以及硅酸鹽等幾大類典型的聚陰離子正極材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)反應(yīng)機制進行了詳細梳理并針對每種材料的特點給出了電化學(xué)性能改善的相關(guān)策略。
3)作者在文章最后對鈉離子電池中聚陰離子型電極材料發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)進行了總結(jié)：（1）本征電子電導(dǎo)率低導(dǎo)致鈉離子擴散動力學(xué)緩慢：需要利用與導(dǎo)電碳復(fù)合、降低晶體尺寸、優(yōu)化形貌等措施提高電子電導(dǎo)；(2)一些高壓聚陰離子型正極材料缺乏相適配的電解液體系；（3）由于質(zhì)量較大的非活性原子存在因而需要折中高電壓和高穩(wěn)定性；（4）很多聚陰離子電極材料含有有毒元素容易造成環(huán)境污染；（5）實際放電容量與理論比容量之間仍存在著差距。
TingJin et al, Polyanion-type cathode materials for sodium-ion batteries, Chem.Soc. Rev. 2020
DOI: 10.1039/C9CS00846B
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/CS/C9CS00846B#!divAbstract
3. Chem：單晶內(nèi)DNA指導(dǎo)的蛋白質(zhì)包裝
揭示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能通常依賴于蛋白質(zhì)晶體。但是，蛋白質(zhì)是大型，復(fù)雜且動態(tài)的分子，可能難以結(jié)晶。此外，控制晶體中的蛋白質(zhì)組織也具有挑戰(zhàn)性，但可以允許設(shè)計利用高度特異性蛋白質(zhì)功能的材料。于此，美國西北大學(xué)Chad A. Mirkin等人通過在GFP表面添加DNA來修飾單晶內(nèi)包裝的綠色熒光蛋白（GFP）。
本文要點：
1）研究人員證明了DNA的相互作用，長度和附件位置會大大地影響晶體內(nèi)的GFP的組織。DNA與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用一起發(fā)揮作用，為可預(yù)測地操縱DNA蛋白質(zhì)包裝提供了潛在的途徑。
2）這些發(fā)現(xiàn)表明，清晰的DNA設(shè)計和在蛋白質(zhì)上的附著可能會指導(dǎo)蛋白質(zhì)的結(jié)晶，并決定蛋白質(zhì)在晶體中的排列方式，最終促進蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
WinegarPH, et al. DNA-Directed Protein Packing within Single Crystals. Chem. 2020.
DOI: 10.1016/j.chempr.2020.03.002
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.03.002
4. Angew：金屬三唑鹽框架節(jié)點上的高價金屬氧化物物種用于C-H鍵活化
高價過渡金屬氧化物物種被廣泛用作反應(yīng)性中間體，用于與酶催化劑和合成催化劑進行廣泛的氧化反應(yīng)。近日，美國西北大學(xué)Randall Q. Snurr，Justin M. Notestein等通過量子化學(xué)計算，對含有三唑鹽連接基的金屬有機框架（MOF）系列，M2X2（BBTA）（M=金屬，X =橋連陰離子，H2BBTA = 1H,5H-benzo(1,2-d:4,5-d′)bistriazole）形成末端金屬氧化物位點并活化甲烷的C-H鍵進行了研究。
本文要點：
1）作者通過改變M2X2（BBTA）中的金屬和橋連陰離子，展示了如何調(diào)節(jié)該系列MOFs的反應(yīng)性。
2）通過分析金屬氧化物活性位點的電子結(jié)構(gòu)，作者認為位于含氧配體上的自旋密度并不是低C-H活化勢壘的固有要求。
3）對于含Mn和Fe的骨架，在C-H活化過程中，金屬結(jié)合位點和末端含氧配體之間從鐵磁到反鐵磁耦合的轉(zhuǎn)變可以極大地降低動力學(xué)勢壘，這是一種獨特的不改變凈自旋多重性的兩態(tài)反應(yīng)。
AndrewScott Rosen, et al. High‐Valent Metal‐Oxo Species at the Nodes ofMetal?Triazolate Frameworks: The Effects of LigandExchange and Two‐State Reactivity for C?H Bond Activation. Angew. Chem. Int. Ed. 2020,
DOI: 10.1002/anie.202004458
https://doi.org/10.1002/anie.202004458
5. Adv. Sci.: 超低功耗可穿戴異質(zhì)突觸
盡管受生物系統(tǒng)啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)計算設(shè)備的能量消耗已經(jīng)低于傳統(tǒng)記憶，但它仍然大于生物突觸（每個尖峰≈10FJ）。于此，復(fù)旦大學(xué)孫清清和陳琳等人設(shè)計了基于MoS2的柔性異質(zhì)突觸，其具有兩種調(diào)制模式，即電子模式和光激發(fā)模式。
本文要點：
1）開發(fā)了一種在柔性基板上的一步機械剝離方法和與柔性電子設(shè)備兼容的低溫原子層沉積工藝，用于制造可穿戴式異質(zhì)結(jié)。
2）在100 ns的預(yù)尖峰時，突觸裝置在長期增強中表現(xiàn)出每尖峰18.3 aJ和在長期抑制中每尖峰28.9 aJ的超低能量消耗。超快速和超低功耗為神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)提供了一條路徑，該系統(tǒng)具有比人腦更出色的處理能力。
3）通過添加光學(xué)調(diào)制，構(gòu)建調(diào)節(jié)突觸以動態(tài)控制突觸前和突觸后之間的相關(guān)性并實現(xiàn)復(fù)雜的全局神經(jīng)調(diào)節(jié)。新型可穿戴異構(gòu)突觸擴展了突觸權(quán)重的可訪問范圍（促進率≈228%），從而為可穿戴2D高效神經(jīng)形態(tài)計算體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了深入見解。
Wang, T.‐Y., et al, Ultralow Power Wearable Heterosynapse with PhotoelectricSynergistic Modulation. Adv. Sci. 2020, 1903480.
DOI:10.1002/advs.201903480
https://doi.org/10.1002/advs.201903480
6. AEM: 超親水TiO2納米管復(fù)合薄膜助力高效穩(wěn)定全釩液流電池
全釩液流電池是一種能夠?qū)㈤g歇性的可再生能源生產(chǎn)與電網(wǎng)應(yīng)用進行有效集成的大規(guī)模儲能手段。不過，全釩液流電池的核心部件—離子交換膜的離子選擇性較低，這使其長期循環(huán)穩(wěn)定性受到了一定局限。有鑒于此，長沙理工大學(xué)的Mei Ding、Chuankun Jia與Lidong Sun等采用超親水的TiO2納米管構(gòu)建了Nafion薄膜有效解決了上述問題。
本文要點：
1) 使用超親水TiO2-Nafion復(fù)合薄膜的單體全釩液流電池表現(xiàn)出十分優(yōu)異的電化學(xué)性能，在120mA/cm2的電流密度下其庫倫效率高達98.3%，能量轉(zhuǎn)換效率為84.4%。這兩個指標均高于商品化Nafion-212薄膜。更重要的是，該電池在1400周的長循環(huán)之后仍然能夠保持57.7%的初始容量，而采用Nafion-212薄膜薄膜的對照電池在循環(huán)410周后容量就僅剩余20%。
2) 研究人員將液流電池優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于TiO2-Nafion復(fù)合薄膜超高的離子選擇性：一方面分散在薄膜中的TiO2納米管阻塞并使得部分離子傳輸通道延長；另一方面磺酸基的規(guī)則排列能夠鍵合更多的陽離子。研究人員還發(fā)現(xiàn)這種高性能復(fù)合薄膜在燃料電池、透析電池以及污水處理等領(lǐng)域也能實現(xiàn)重要應(yīng)用。
JiayeYe et al, Hybrid Membranes Dispersed with Superhydrophilic TiO2 NanotubesToward Ultra‐Stable and High‐PerformanceVanadium Redox Flow Batteries, Advanced Energy Materials, 2020
DOI: 10.1002/aenm.201904041
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201904041
7. Chem. Mater.：高效穩(wěn)定的全無機Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池
與有機無機混合雜化物相比，全無機鈣鈦礦因其具有較好穩(wěn)定性的潛力而在光伏技術(shù)研究中引起了廣泛興趣。然而，由于不利的帶隙以及相不穩(wěn)定或空氣敏感性，無機鈣鈦礦仍然遭受長期不穩(wěn)定性。華盛頓大學(xué)Giles E. Epero和David S. Ginger團隊通過在B位上使錫和鉛合金化以形成錫鉛合金低帶隙（?1.34 eV）無機CsSn0.3Pb0.7I3鈣鈦礦，研究了緩解這些問題的策略。
本文要點：
1）基于PEDOT/PSS空穴傳輸材料（HTM）的奇跡體系結(jié)構(gòu)中，使用該材料制造的太陽能電池可實現(xiàn)了9.4％（穩(wěn)定的PCE 7.2％）的效率（PCE）。此外，沒有PEDOT/PSS層的簡單的無HTM器件比全結(jié)構(gòu)器件更穩(wěn)定，其PCE為7.6％（穩(wěn)定的PCE 7.3％）。
2）這種簡化的器件結(jié)構(gòu)顯示出良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。這項工作為制造具有競爭力的低成本，高穩(wěn)定性設(shè)備提供了可能的途徑。
ZuobaoYang et al. Tin–Lead Alloying for Efficient and Stable All-Inorganic PerovskiteSolar Cells, Chem. Mater. 2020.
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b04265
8. Chem. Commun.: 提升低溫CO催化氧化效率，Rh單原子再建奇功
汽車尾氣CO減排對減少大氣CO污染有著至關(guān)重要的作用，雖然貴金屬催化劑可以有效地在低溫條件下催化氧化CO從而減少其排放，貴金屬高昂的價格也阻礙了貴金屬催化劑在汽車CO減排領(lǐng)域的應(yīng)用，其關(guān)鍵在于開發(fā)低貴金屬用量的高效CO氧化催化劑。有鑒于此，考慮到二氧化鈰（CeO2）優(yōu)異的儲氧性能，中科院大連化物所的喬波濤和張濤院士等通過CeO2廉價的CeO2負載銠（Rh）單原子，成功合成了低Rh原子用量的Rh1/CeO2材料，并探究了其低溫條件下CO的催化氧化效果。
本文要點：
1）研究發(fā)現(xiàn)，Rh1/CeO2比Pt1/CeO2和Pd1/CeO2展現(xiàn)出更加優(yōu)異的低溫CO轉(zhuǎn)化效果，在溫度約為150 oC時，Rh1/CeO2的CO轉(zhuǎn)換率就可達到100%，而對于Pt1/CeO2和Pd1/CeO2，其100% CO轉(zhuǎn)化率的溫度則高達350-400 oC。
2）Rh1/CeO2經(jīng)過50 h的穩(wěn)定性測試后效率降低至88%，通過將效率降低的Rh1/CeO2經(jīng)過還原再生，發(fā)現(xiàn)其效率可以完全恢復(fù)，因此推斷其失活機理為Rh原子在CO氧化過程中自身也會氧化從而失活。
3）機理研究表明，CO在Rh1/CeO2表面的氧化過程可能遵循Mars-vanKrevelen機理，吸附的CO和晶格氧反應(yīng)生成CO2被認為是CO在Rh1/CeO2表面氧化的速控步驟，并且，反應(yīng)過程中CO對Rh原子的毒害作用并不明顯。
Han et al., Highlyactive Rh1/CeO2 single-atom catalyst forlow-temperature CO Oxidation, Chem. Commun., 2020.
DOI: 10.1039/D0CC00230E
https://doi.org/10.1039/D0CC00230E
9. Carbon Energy：喝完咖啡，鋰電池更有勁兒！
鋰碘電池由于具有快速的氧化還原電對(I- /I3-)而有望突破傳統(tǒng)鋰電池緩慢動力學(xué)的限制, 其理論比容量高達211 mAh·g-1。同時，這些碘離子 (I- /I3-)為快速吸附脫附的贗電容儲能提供了契機。然而，與鋰硫電池相類似，鋰碘電池也存在以下問題：1）碘的高度溶解性導(dǎo)致其較低的利用率；2）充放電過程中，碘的“穿梭效應(yīng)”將產(chǎn)生一系列的副反應(yīng)和腐蝕金屬鋰負極表面。在碘正極和隔膜之間引入間層是解決上述問題的有效手段之一，如圖1所示。間層可以有效的將溶解的碘離子限制在正極區(qū)域內(nèi)，從而避免活性物質(zhì)的損失和穿梭效應(yīng)的發(fā)生。更重要的是，這些溶解的碘族群(I-, I2和I3-)可以在間層表面通過快速吸附脫附產(chǎn)生贗電容儲能。事實上，氮雜石墨烯，碳納米管和MXene (Ti3C2Tx)等材料已經(jīng)作為間層被廣泛研究，但這類材料通常伴隨著復(fù)雜的制備過程，昂貴的成本，不利于鋰碘電池的商業(yè)化應(yīng)用。
近期，澳大利亞格里菲斯大學(xué)張山青教授課題組從鋰碘電池存在本征問題出發(fā)，以咖啡作為前驅(qū)體，通過“鹽”熱處理的方式構(gòu)建了功能性的碳間層材料，從而有效的抑制了碘的溶解和穿梭效應(yīng)，并實現(xiàn)了鋰碘電池高能量和高功率輸出的目的。
本文要點：
1）以咖啡作為前驅(qū)體，采取“鹽”熱處理的方式構(gòu)建了蜂巢結(jié)構(gòu)的碳材料，并將其作為限制層引入到碘正極和隔膜之間。間層擁有發(fā)達的拓撲骨架結(jié)構(gòu)，高的反應(yīng)面積，豐富的雜原子和優(yōu)異的導(dǎo)電性。正是由于間層的這些獨特性質(zhì)，使得碘族群(I-,I2和I3-)可以在間層表面通過物理化學(xué)吸附進行快速脫嵌，繼而產(chǎn)生贗電容和電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)的協(xié)同儲能機制。
2）這種協(xié)同儲能機制使得鋰碘電池實現(xiàn)了高能量，高功率和長循環(huán)壽命的特性。在10 C（1 C=211 mA g-1）的倍率下，可以獲得224.5 mAh g-1的可逆容量。令人振奮的是，當倍率提到到50C時，該電池在穩(wěn)定循環(huán)4000周之后，其放電比容量依然可以維持在120.2 mAh g-1。如此優(yōu)異的電化學(xué)性能主要歸結(jié)于間層對碘離子的吸附（孔徑物理吸附和雜原子的化學(xué)吸附）。基于此，作者采用密度泛函理論計算揭示了雜原子基團和LiI3之間的強結(jié)合，解釋了其優(yōu)異的化學(xué)吸附機制。
圖1. 鋰碘電池中限制層的儲能機制。
圖2. 功能性碳間層的合成示意圖。
Zhong Su,et al. Honeycomb‐like carbon materials derived from coffee extract via a “salty” thermal treatment for high‐performance Li‐I2 batteries.Carbon Energy. 2020
DOI: 10.1002/cey2.40
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.40
