1. Nature：世界首個基于鈣鈦礦納米線陣列半球狀視網(wǎng)膜的仿生人眼
人眼具有出色的圖像感應(yīng)特性，視野極廣，分辨率高，像差低且靈敏度高。具有這種特征的仿生人眼在機(jī)器人技術(shù)和視覺假體中至關(guān)重要。但是，生物眼睛的球形和視網(wǎng)膜構(gòu)成了仿生設(shè)備的巨大制造挑戰(zhàn)。有鑒于此，香港科技大學(xué)范智勇教授等人提出了一種具有半球形視網(wǎng)膜的電化學(xué)眼，該眼球由高密度的納米線陣列構(gòu)成，可模仿人類視網(wǎng)膜上的感光器。（本文第一作者顧磊磊）
本文要點(diǎn)：
1）該人工視覺系統(tǒng)使用球形仿生電化學(xué)眼（EC-EYE）和半球形視網(wǎng)膜，該半球形視網(wǎng)膜由使用氣相法生長的高密度鈣鈦礦納米線陣列制成。離子液體電解質(zhì)被用作納米線的正面公共觸點(diǎn)，而液態(tài)金屬線則被用作納米線光電傳感器的背面觸點(diǎn)，模仿了視網(wǎng)膜后方的人類神經(jīng)纖維。器件表征表明，EC-EYE具有高響應(yīng)度，合理的響應(yīng)速度，低檢測限和寬FOV。EC-EYE還演示了人眼獲取圖像圖案的基本功能。
2）除了與人眼的結(jié)構(gòu)相似之外，半球形人工視網(wǎng)膜的納米線密度遠(yuǎn)高于人類視網(wǎng)膜中的感光器，因此可以潛在地實(shí)現(xiàn)更高的圖像分辨率，這可通過實(shí)現(xiàn)單納米線超小型光電探測器來實(shí)現(xiàn)。此外，通過重構(gòu)投影到設(shè)備上的光學(xué)圖案來演示仿生設(shè)備的圖像感應(yīng)功能。這項(xiàng)工作可能會導(dǎo)致仿生光敏器件在各種技術(shù)應(yīng)用中得到使用。
范智勇教授表示，這項(xiàng)工作的核心亮點(diǎn)在于：以鈣鈦礦納米線模仿人眼視桿細(xì)胞，然后把高密度納米線陣列組裝在半球形的多孔透明絕緣模板來仿生人類視網(wǎng)膜。除此以外，他們使用了離子液體模仿人眼中的玻璃體，還開發(fā)了不同的背接觸電極技術(shù)，最終構(gòu)成與人眼結(jié)構(gòu)極為相似的視覺系統(tǒng)。
Gu, L., Poddar, S., Lin, Y. et al. A biomimetic eye with ahemispherical perovskite nanowire array retina. Nature 581, 278–282 (2020).https://doi.org/10.1038/s41586-020-2285-x
2. Nature Energy：光譜學(xué)揭示Zn: CuInSe2量子點(diǎn)敏化太陽能電池的高缺陷耐受性
膠體半導(dǎo)體量子點(diǎn)（QD）是用于實(shí)現(xiàn)高性能液接光伏電池的有前途的材料。盡管存在大量的I-III-VI2三元半導(dǎo)體典型的天然缺陷，但基于Zn：CuInSe2 QD的太陽能電池仍顯示出高效率。為了闡明這些設(shè)備顯著的缺陷耐受性的原因，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室Victor I. Klimov等人對制備的和表面改性的Zn：CuInSe2 QD進(jìn)行了并行光伏和光譜研究。1）使用具有不同長度和與TiO2表面的結(jié)合親和力的表面配體，研究人員可以調(diào)節(jié)缺陷相關(guān)弛豫和QD到TiO2電極電子轉(zhuǎn)移的速率。盡管表面修飾對光致發(fā)光動力學(xué)有較大影響，但其對光伏性能的影響卻可以忽略，這表明間隙內(nèi)缺陷不會阻礙，而實(shí)際上有助于Zn：CuInSe2 QDs的光轉(zhuǎn)換過程。2）這些能隙狀態(tài)是淺層表面電子陷阱和天然Cu1+空穴俘獲缺陷，分別介導(dǎo)了與TiO2電極和電解質(zhì)的QD相互作用，并以約85％的光電子轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的光伏性能，功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)9-10％。Du, J., Singh, R., Fedin, I. et al. Spectroscopic insights into high defect tolerance of Zn:CuInSe2 quantum-dot-sensitized solar cells. Nat. Energy 5, 409–417 (2020).DOI：10.1038/s41560-020-0617-6https://doi.org/10.1038/s41560-020-0617-6
3. Nature Nanotech.：高效，快速且無重吸收的鈣鈦礦納米晶敏化塑料閃爍體
在醫(yī)學(xué)診斷，核控制和粒子物理學(xué)中，對價格合理且可靠的電離輻射檢測器的緊迫需求，使得對閃爍器設(shè)備的需求不斷增長。這就要求這些器件結(jié)合高效的閃爍，快速的發(fā)射壽命，與電離輻射的高相互作用概率以及減輕大體積/高劑量的重吸收損失的能力等諸多方面。迄今為止，同時實(shí)現(xiàn)所有這些功能仍然是一個公開挑戰(zhàn)。米蘭大學(xué)Sergio Brovelli，Mauro Fasoli和斐濟(jì)核電研究所Luca Gironi等人報道了一種新型基于鈣鈦礦的閃爍體。1）研究人員通過嵌入CsPbBr3鈣鈦礦納米晶體的聚（甲基丙烯酸甲酯）納米復(fù)合材料作為共軛有機(jī)染料的敏化劑來實(shí)現(xiàn)這一機(jī)制，該共軛有機(jī)染料在紅色光譜區(qū)域具有較大的斯托克斯位移和快速的發(fā)射壽命。2）在X射線和α粒子激發(fā)下，從納米晶體到染料的完全能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了高度穩(wěn)定的放射致發(fā)光，其效率可與商業(yè)級無機(jī)和塑料閃爍體相媲美。約3.4 ns的發(fā)射壽命，可與快速鑭系元素閃爍體競爭；同時無重吸收波導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)長距離光學(xué)。
Gandini, M., Villa, I., Beretta, M. et al. Efficient, fast and reabsorption-free perovskite nanocrystal-based sensitized plastic scintillators. Nat. Nanotechnology (2020).DOI：10.1038/s41565-020-0683-8https://doi.org/10.1038/s41565-020-0683-8
4. Nature Catalysis：生物酶對可持續(xù)發(fā)展的重要作用
人類目前社會和科技發(fā)展領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展中面臨著多重挑戰(zhàn)，美國MIT的Kristala L. J. Prather對目前生物催化系統(tǒng)的快速發(fā)展如何幫助美國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。2015年，美國通過了一個目標(biāo)SDGs“實(shí)現(xiàn)更好和可持續(xù)的未來的藍(lán)圖”（“the blueprint to achieve a better and more sustainable future for all）。這個可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)是崇高的并且具有非常大的挑戰(zhàn)，這個問題是關(guān)于貧窮、不平等、氣候問題、環(huán)境污染、繁榮、和平、正義等問題。SDGs的目標(biāo)中需要政策和社會調(diào)整，這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要可持續(xù)發(fā)展相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)SDGs目標(biāo)，對包括廢棄物的物質(zhì)/材料轉(zhuǎn)化過程占有重要作用。生物催化反應(yīng)系統(tǒng)由于能夠在低溫和低壓中進(jìn)行催化，因此生物催化系統(tǒng)的過程需要的溶劑、有毒材料比熱催化過程更少。但是目前對高活性酶的開發(fā)仍任重道遠(yuǎn)，并且需要更多人和更廣泛的關(guān)注。1）生物催化體系在消除饑餓中的作用。Fritz Haber和Carl Bosch開發(fā)了重要的合成胺反應(yīng)，該反應(yīng)中首要的應(yīng)用是化肥相關(guān)應(yīng)用，但是熱催化反應(yīng)過程中需要高溫和高壓過程產(chǎn)生巨大的能耗，其中H2通過甲烷的水熱重整過程得到，并且該過程中生成大量CO2。生物催化體系可能對這個領(lǐng)域產(chǎn)生作用，植物能夠自動的吸收大氣中的N2，并將其轉(zhuǎn)化為NH3。一些土壤中的微生物同樣能夠?qū)崿F(xiàn)這個過程，并通過這個方法為植物的根提供營養(yǎng)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)植物的類似固氮過程，開發(fā)出高效的酶機(jī)器，會使人類實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。其中的重要挑戰(zhàn)在于生物固氮酶對空氣非常敏感，通過設(shè)計和合成新型固氮酶能夠?qū)κ澄锏墓┙o和消除饑餓目標(biāo)提供更好的方法。2）生物催化體系在清潔能源、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。開發(fā)低碳甚至無碳排放的清潔能源為增加人口數(shù)量和提升現(xiàn)代化有作用。新型生物催化系統(tǒng)能夠高效的、經(jīng)濟(jì)的生成大量廣泛的能夠應(yīng)用于交通工具的能源分子，實(shí)現(xiàn)生物燃料對現(xiàn)有市場的滲透。生物能源中一個特別吸引人的優(yōu)勢在于能夠用于少量使用領(lǐng)域、并實(shí)現(xiàn)隨制隨用，實(shí)現(xiàn)取代燃料制造工廠的中心地位。比如通過將廢物轉(zhuǎn)化為適合做飯的生物能。通過這種方法能夠降低對煤、石油的依賴。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，需要開發(fā)適用于復(fù)雜環(huán)境的高活性生物催化劑系統(tǒng)。同時，生物能可能在解決污染性能源中起到重要作用，比如對CO2的捕捉和儲存中。比如產(chǎn)乙酸菌能夠消耗CO2能夠生產(chǎn)酸和醇，LanzaTech公司就建造了一個工廠，實(shí)現(xiàn)了將煉鋼廠產(chǎn)生的CO2作為反應(yīng)原料，并且該過程中的酶展現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)化能力。并且該方法可能應(yīng)用于工業(yè)氣流和石油轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量CO2。3）酶催化體系在城市和社區(qū)的可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用。由于目前更多的人流動到城市中，對人群、土地、建筑物的管理變得更重要。其中廢水長期以來通過微生物進(jìn)行處理，固體廢棄物無法簡單通過這種方法進(jìn)行處理，通過對生物酶進(jìn)行修飾和優(yōu)化可能得到有處理效果的酶和生物體物種。由于更多的人會產(chǎn)生更多的廢棄物，生物催化系統(tǒng)能夠在該領(lǐng)域起到一定的幫助作用。4）生物酶催化系統(tǒng)在負(fù)責(zé)任的消費(fèi)和生產(chǎn)中作用，水中的生物的作用。目前社會發(fā)展過程中無法避免的事實(shí)是每天各種材料被生產(chǎn)、消費(fèi)和扔掉，因此必須考慮一個問題，即對如何對生產(chǎn)和銷售控制并降低廢物。如果考慮將產(chǎn)品重新恢復(fù)到原始狀態(tài)，生物催化系統(tǒng)將是個非常好的技術(shù)，生物體中就存在著將復(fù)雜材料降解的過程（比如木質(zhì)素），能夠降解至單體結(jié)構(gòu)，并重新作為原料構(gòu)建復(fù)雜分子。比如，在聚合物的降解過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計生物可降解的聚合物材料能夠取代石油化工品的使用，并降低其對環(huán)境的影響。最近Science上一篇報道結(jié)果顯示發(fā)現(xiàn)了有能力降解聚對苯二甲酸（poly(ethylene terephthalate)）的細(xì)菌，受到了社會上的廣泛關(guān)注。5）生物催化系統(tǒng)對氣候行為的作用。由于氣候變化的擔(dān)心，目前人們對脫碳工業(yè)的需求日益增強(qiáng)。目前原油中有~15 %的量通過轉(zhuǎn)化變?yōu)楦吒郊又档漠a(chǎn)品，如果將這部分不需要破壞化學(xué)鍵產(chǎn)生能源的部分替換為可循環(huán)應(yīng)用的材料，能起到很好的效果。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，需要對設(shè)計一種全新的生物催化系統(tǒng)，將大量物種轉(zhuǎn)化為一系列復(fù)合產(chǎn)品。這種過程需要對生物酶進(jìn)行設(shè)計，產(chǎn)生與以往不同的酶催化活性。Kristala L. J. Prather, et al. Accelerating and expanding nature to address its greatest challenges. Nature Catalysis, 2020DOI：10.1038/s41929-020-0422-4https://www.nature.com/articles/s41929-020-0422-4
5. Nature Commun.：體心立方鎢納米晶體中的不穩(wěn)定孿晶
在低堆垛層錯面心立方（Fcc）金屬的塑性變形中，孿晶的激活是一個普遍現(xiàn)象，但在室溫和慢應(yīng)變速率下的體心立方（Bcc）金屬中很少發(fā)現(xiàn)孿晶。有鑒于此，美國匹茲堡大學(xué)Li Zhong、Scott X. Mao與太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室王崇民等人通過在原子尺度上進(jìn)行原位透射電子顯微鏡（TEM），發(fā)現(xiàn)與大多數(shù)Fcc金屬形成鮮明對比的是，Bcc金屬中的大多數(shù)形變孿晶都是不穩(wěn)定的，并且在卸載時會自發(fā)去孿晶。1）研究人員通過原子原位TEM研究，發(fā)現(xiàn)Bcc鎢（W）的孿晶穩(wěn)定性和去孿晶過程與孿晶邊界的類型密切相關(guān)。具體而言，Bcc金屬中形變孿晶的穩(wěn)定性受傾斜孿晶邊界的獨(dú)特界面結(jié)構(gòu)控制。2）定量分析表明，傾斜孿晶邊界的高能量對去孿晶的驅(qū)動力有顯著貢獻(xiàn)，含有較高比例傾斜孿晶邊界的孿晶具有較高的自發(fā)去孿晶速率。傾斜孿晶邊界的形成可能是造成Bcc金屬中孿晶低遷移率以及孿晶晶粒幾何形狀的原因。這項(xiàng)工作揭示了Bcc金屬中不穩(wěn)定形變孿晶的潛在機(jī)理，并提供了對去孿晶行為的深刻理解，這對于Bcc金屬中孿晶結(jié)構(gòu)的設(shè)計和加工具有重要意義。對于不穩(wěn)定的孿晶結(jié)構(gòu)，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪乜赡軙档徒缑婺懿⒎€(wěn)定孿晶和位錯結(jié)構(gòu)，這為通過植入高密度納米孿晶來提高Bcc金屬的性能提供了可能性。Xiang Wang, et al. Unstable twin in body-centered cubic tungsten nanocrystals. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 2497.DOI: 10.1038/s41467-020-16349-8.https://doi.org/10.1038/s41467-020-16349-8
6. Nature Commun.：超薄高κ氧化銻單晶
超薄氧化物在電、磁、光和催化等領(lǐng)域具有優(yōu)異的性能。然而，目前制備超薄氧化物的主要方法僅適用于非晶態(tài)或多晶氧化物納米片或薄膜。有鑒于此，武漢大學(xué)付磊教授，伊比利亞國際納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(INL)王中長研究員報道了通過襯底緩沖液控制的化學(xué)氣相沉積策略(SBC-CVD)，成功地合成了高質(zhì)量的超薄氧化銻單晶(最小到1.8 nm)。1）在生長之前，研究人員通過設(shè)計的高溫(1000 °C)退火工藝制備了再凝固的Ag(111)襯底。然后，為了實(shí)現(xiàn)超薄氧化銻單晶的生長，將商品銻粉放在上游提供銻蒸氣，將銀襯底放在溫度T為750 °C的下游區(qū)域。將O2引入裝置，單晶生長開始，生長過程保持幾分鐘。光學(xué)顯微鏡圖像顯示這些三角形晶體具有約5μm的均勻尺寸。此外，從沿表面法向的Sb價態(tài)分析可以看出，隨著表層的去除，Sb0在整個Ag襯底中出現(xiàn)并保持恒定數(shù)量，這表明多余的Sb被緩沖在襯底內(nèi)，這對Sb的完全氧化和隨后的超薄氧化銻晶體的生長是非常關(guān)鍵的。2）研究人員利用同步輻射X射線衍射(XRD)和高分辨透射電鏡(HRTEM)研究了超薄氧化銻的結(jié)構(gòu)。3）研究表明，SbO1.93單晶具有較高的介電常數(shù)(~100)和較大的擊穿電場(~5.7 GV m-1)，具有良好的絕緣性能。此外，這種策略不僅限于氧化銻，還可以制造其他氧化物，例如氧化鉍，氧化鍺和氧化錫。這種超薄的氧化銻單晶將有利于正在進(jìn)行的超薄氧化物的應(yīng)用研究。
Yang, K., Zhang, T., Wei, B. et al. Ultrathin high-κ antimony oxide single crystals. Nat Commun 11, 2502 (2020).DOI：10.1038/s41467-020-16364-9https://doi.org/10.1038/s41467-020-16364-9
7. Chem. Soc. Rev.綜述：共價有機(jī)骨架光催化劑：結(jié)構(gòu)與應(yīng)用
由于不斷增長的能源需求和環(huán)境污染，迫切需要找到一種清潔和可再生的能源。近年來，將太陽能用于各種燃料生產(chǎn)（如制氫和碳?xì)浠衔锷a(chǎn)）或環(huán)境污染物降解的光催化作用顯示出了巨大的潛力。在各種光催化劑中，共價有機(jī)骨架（COFs）具有出色的結(jié)構(gòu)規(guī)則性，堅固的骨架，固有的孔隙率和良好的活性，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。已經(jīng)進(jìn)行了大量研究關(guān)于COFs和基于COF的光催化性能。有鑒于此，湖南大學(xué)曾光明教授，許飄助理教授，倫敦大學(xué)學(xué)院Junwang Tang教授全面總結(jié)了COFs光催化劑的最新進(jìn)展。1）作者首先總結(jié)COF構(gòu)件的不同連接，包括含硼連接，含氮連接和結(jié)合亞胺鍵和硼酸酯鍵的雙級連接。2）作者總結(jié)了具有不同形態(tài)的COF的性能，包括零維（0D）結(jié)構(gòu)，一維（1D）結(jié)構(gòu)，二維（2D）結(jié)構(gòu)和三維（3D）結(jié)構(gòu)。然后提出了與COF材料增強(qiáng)光催化性能有關(guān)的策略。3）作者總結(jié)了COFs光催化劑在太陽能驅(qū)動下的應(yīng)用，包括水分解，CO2轉(zhuǎn)化以及廢水中污染物的光催化降解。4）盡管已經(jīng)取得了一些有趣的進(jìn)展和成就，但是對COF和基于COF的光催化劑的研究仍處于起步階段，有待進(jìn)一步發(fā)展。作者最后指出該領(lǐng)域的面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇包括：（1）COFs的結(jié)構(gòu)，形態(tài)和性質(zhì)最有可能隨著不同的合成方法和反應(yīng)條件而改變，從而導(dǎo)致COFs的光催化性能不同；（2）需要高效穩(wěn)定的新型COF；（3）基于COF的光催化體系的基本機(jī)理仍不清楚；（4）應(yīng)加強(qiáng)基于COF的光催化劑進(jìn)行析氧反應(yīng)和CO2光還原的研究。Han Wang, et al, Covalent organic framework photocatalysts: structures and applications, Chem. Soc. Rev., 2020https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00278j#!divAbstract
8. Nano Letters：Na2O2?2H2O實(shí)現(xiàn)從鈉氧電池到鈉空氣電池
金屬空氣電池以其較高的理論能量密度吸引了廣泛的研究興趣。然而，以前的大多數(shù)研究都局限于在正極中施加純氧，卻犧牲了重量和體積能量密度。有鑒于此，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室陸俊研究員，Khalil Amine報道了一種真正的鈉“空氣”電池，其中電池的可充電性取決于二水合過氧化鈉（Na2O2?2H2O）形成的可逆反應(yīng)。1）研究人員通過堆疊鈉金屬負(fù)極，用1 M三氟甲磺酸鈉浸泡在DEGDME中的玻璃纖維（Na2SiO3）隔膜組裝成鈉空氣電池，其中空氣以略高于1個大氣壓的壓力流入電池中。該空氣中大約含有77.03%的N2，19.47%的O2，0.60%的H2，0.56%的CO2，1.06%的Ar，1.27%的H2O以及0.01%的其他氣體。2）該鈉空氣電池具有穩(wěn)定的電壓曲線和80個循環(huán)的長循環(huán)壽命。電池電壓在隨后的循環(huán)中幾乎沒有變化，表明電池相對穩(wěn)定。因此，即使用空氣代替氧氣，電池也會發(fā)生可逆反應(yīng)，而不會受到空氣中其他活性物質(zhì)的太大影響。為了降低高充電過電位，研究人員進(jìn)一步使用了催化劑來促進(jìn)OER。將循環(huán)壽命延長到100次以上。3）研究發(fā)現(xiàn)，Na2O2?2H2O為主要放電產(chǎn)物。同時，通過一個雙電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)：2Na + 2O2 + 2H2O ? Na2O2?2H2O 驗(yàn)證了Na2O2?2H2O形成和分解的可逆性。同時，在金屬Na表面形成穩(wěn)定的SEI層，使得負(fù)極在長循環(huán)下保持穩(wěn)定。這項(xiàng)研究將對真正的鈉“空氣”電池的開發(fā)具有重要意義，并為鈉空氣電池的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路。Xuanxuan Bi, et al, From Sodium-Oxygen to Sodium-Air Battery: Enabled by Sodium Peroxide Dihydrate, Nano Lett., 2020DOI：10.1021/acs.nanolett.0c01670https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01670
9. Angew: 模型理解金屬摻雜對MoS2 HER反應(yīng)活性的影響
氫原子與2H-MoS2基面的弱結(jié)合使MoS2作為HER反應(yīng)電催化劑呈現(xiàn)惰性。過渡金屬摻雜可以激活MoS2基面上的相鄰硫原子，從而更牢固地結(jié)合氫。布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室Qin Wu等人基于密度泛函理論的研究表明，在3d過渡金屬系列（Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu和Zn）中，摻雜劑的活化程度存在很大差異。1）為了了解激活趨勢，研究人員提出了一種基于電子促進(jìn)能的理論模型，該能量將局部硫原子的外層電子全滿狀態(tài)轉(zhuǎn)換為部分空缺，并因此準(zhǔn)備與氫原子鍵合，通常是通過電子從硫轉(zhuǎn)移到相鄰的金屬原子位點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。2）研究人員展示了一種基于電子結(jié)構(gòu)的氫結(jié)合強(qiáng)度的描述符：? dp，代表著摻雜金屬原子上最低的空d狀態(tài)與S上的占據(jù)p狀態(tài)之間的局部帶間能量分離。可以使用此模型為將來基于摻雜的過渡金屬二鹵化物的催化劑設(shè)計中，為硫族元素的活化提供指導(dǎo)。Mingjie Liu, et al. A Physical Model for Understanding the Activation of MoS2 Basal‐plane Sulfur Atoms for the Hydrogen Evolution Reaction. Angew., 2020.DOI: 10.1002/anie.202003091https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202003091
10. Angew：金屬鋰負(fù)極能在90°C的液體電解液中循環(huán)嗎？
鋰(Li)金屬負(fù)極作為下一代電池的負(fù)極，因此，需要滿足在高溫下穩(wěn)定運(yùn)行。然而，由于電解質(zhì)和固體電解質(zhì)界面的熱不穩(wěn)定性，鋰金屬負(fù)極在高溫(>55°C)下，性能普遍較差，甚至存在安全隱患。有鑒于此，清華大學(xué)張強(qiáng)教授報道了一種工作在90°C高溫下的鋰金屬負(fù)極，其工作在熱穩(wěn)定的電解液中。在90 °C工作的Li|LiFePO4電池中，鋰金屬負(fù)極經(jīng)歷100次循環(huán)，而在實(shí)際碳酸鹽電解液中僅為10次。1）鋰金屬負(fù)極在較高的溫度下性能較好，導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐目赡苄暂^小。具體地說，雙(氟磺酰亞胺)鋰(LiFSi)和硝酸鋰(LiNO3)溶解在由碳酸氟乙烯(FEC)和四乙二醇二甲醚(TEGDME)組成的混合溶劑中，構(gòu)成耐高溫(ET)電解質(zhì)。將其應(yīng)用于90°C工作的Li|LiFePO4電池，鋰金屬負(fù)極在耐ET電解液中循環(huán)100次，容量保持率為91.5%。而鋰金屬負(fù)極在實(shí)際的常規(guī)電解液(EC/DEC中為1.0 M LiPF6)中僅在10個循環(huán)內(nèi)就迅速失效。2）基于耐ET電解質(zhì)作為合理的研究平臺，研究人員揭示了90 °C時SEI和Li沉積的顯著特征。在90 ℃時，鋰鹽和溶劑的獨(dú)立分解和不完全分解均增強(qiáng)，從而改變了25 ℃時SEI的形成機(jī)制，導(dǎo)致Li均勻性的沉積。這項(xiàng)工作不僅展示了在90 °C下工作的鋰金屬負(fù)極，而且對充電電池的固體電解質(zhì)界面和高溫下鋰的沉積也有了基本的了解。Li-Peng Hou, et al, Can Lithium Metal Anode Cycle at 90°C in Liquid Electrolyte? Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI：10.1002/anie.202002711https://doi.org/10.1002/anie.202002711
11. AM：離子彈性體結(jié)的低壓可逆電粘附
電粘附提供了一種使用外加電位快速和可逆地控制粘附的簡單途徑，為包括觸覺和機(jī)器人在內(nèi)的各種應(yīng)用提供了前景。然而，當(dāng)前的電粘劑受到與使用高工作電壓(>kV)相關(guān)的關(guān)鍵限制，以及由于介質(zhì)擊穿而導(dǎo)致的相應(yīng)故障。有鑒于此，馬薩諸塞大學(xué)Alfred J. Crosby ，Ryan C. Hayward，哈佛大學(xué)鎖志剛院士報道了一種基于離子彈性體異質(zhì)結(jié)的新型電粘劑，可以在≈1 V的電位下工作。離子彈性體是通過將離子液體單體和交聯(lián)劑聚合成彈性體網(wǎng)絡(luò)而形成的軟的無液體的離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，使得一個離子物種被網(wǎng)絡(luò)錨定，而另一個離子物種是可移動的。1）在兩個帶電相反的離子彈性體之間的界面上形成了一個類似于電子半導(dǎo)體p/n結(jié)處形成的耗盡(或空間電荷)層的“離子雙層”(IDL)。當(dāng)結(jié)處于反向偏壓下時，在分子尺度的IDL上產(chǎn)生的大電場允許在低電壓下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的附著力。相反，在正向偏壓下，IDL兩端的電場被破壞，從而以可逆的方式大大降低了附著力。2）就單位靜電電容能量而言，這些離子彈性體電粘劑效率很高，對通常會導(dǎo)致傳統(tǒng)介電膠粘劑災(zāi)難性故障的缺陷或損壞具有很強(qiáng)的抵抗力。3）研究人員展示了一種離子彈性體電粘合墊，它可以在±1 kV的電位下可逆地打開和關(guān)閉，并能夠支持5 kPa的剪應(yīng)力。這些發(fā)現(xiàn)為低壓電粘接提供了新的基本見解，并拓寬了其可能的應(yīng)用范圍，包括機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)硬件和響應(yīng)材料。
Hyeong Jun Kim, et al, Low-Voltage Reversible Electroadhesion of Ionoelastomer Junctions, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202000600https://doi.org/10.1002/adma.202000600
12. AM：雙極性黑磷烯界面層，穩(wěn)定高效鈣鈦礦太陽能電池
2D黑磷（黑磷烯(Phosphorene)）（BP）具有一系列出色的物理性能，例如可方便地調(diào)節(jié)的帶隙和極高的雙極性載流子遷移率，可用于光電設(shè)備。佐治亞理工學(xué)院林志群和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校黃勁松等人設(shè)計和定位具有特定厚度的BP作為雙功能納米材料，用于鈣鈦礦太陽能電池。
1）黑磷烯可以同時增強(qiáng)電子傳輸層/鈣鈦礦和鈣鈦礦/空穴傳輸層界面上的載流子提取，從而獲得高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。通過BP產(chǎn)生的有利的能帶對齊和協(xié)同級聯(lián)界面載流子提取的協(xié)同作用，使功率轉(zhuǎn)換效率從16.95％（對照組）逐步提高到19.83％。2）對界面工程的研究進(jìn)一步表明，結(jié)合了BP可以增強(qiáng)光吸收和降低陷阱密度，從而改善光伏性能。這項(xiàng)工作證明了將BP合理地實(shí)現(xiàn)為雙功能傳輸材料的吸引力，適用于各種光電設(shè)備，包括光電探測器，傳感器，發(fā)光二極管等。
Meng Zhang et al. Synergistic Cascade Carrier Extraction via Dual Interfacial Positioning of Ambipolar Black Phosphorene for High‐Efficiency Perovskite Solar Cells，AM，2020.https://doi.org/10.1002/adma.202000999
