1. Nature Commun.：液態金屬基高性能單層SnS壓電納米發電機
第IV族單硫屬化物的單層具有強大的壓電性再加上其固有的柔韌性，使其有望成為開發柔性納米發電機的候選材料。這其中，SnS由于其良好的半導體性能而成為此類納米發電機的潛在材料。迄今為止，由于S的孤對電子存在很強的層間相互作用，使得獲得大面積和高結晶性的單層SnS一直是一個挑戰。近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學Yongxiang Li，新南威爾士大學Kourosh Kalantar-Zadeh報道了一種合成技術，以獲得穩定、大面積、均勻的單層SnS片材，用于晶片規模的工藝。1）研究人員利用范德華剝離技術，在H2S氣氛中中從錫熔體的液態金屬表面制備了大尺寸、高結晶度的半導體單分子層SnS。2）基于全面的表征，研究人員證實了所獲得的SnS單層具有單晶性、p型半導體特性、高載流子遷移率（~35 cm2 V-1 s-1）和1.4eV的帶隙。此外，PFM評估結果顯示，SnS具有~26.1±0.3 pm V-1的超高壓電系數，比以往報道的都要大。3）將SnS單層應用于壓電納米發電機，在0.7%的應變下獲得了平均電壓峰值為~150 mV的大電壓輸出。液態金屬單層SnS的高轉換效率歸因于大的d11壓電系數和低單結晶度，最小晶界，以提供了有限的電荷復合位置和散射以及由此產生的高載流子遷移率。這項工作證實了在柔性、可穿戴的壓電納米發電機器件上使用半導體單層SnS進行低頻能量收集的適用性。同時，如果在并聯陣列中使用，由于其高電壓和高電流，這些納米發電機可用于未來的自供電設備中。Khan, H., Mahmood, N., Zavabeti, A. et al. Liquid metal-based synthesis of high performance monolayer SnS piezoelectric nanogenerators. Nat Commun 11, 3449 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-17296-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-17296-0
2. Nature Commun.：質子輻照用于減緩Ni-Cr合金在熔鹽中的晶間腐蝕
電離輻射通常對材料造成不利的影響，引起的輻射損傷通常會導致諸如脆化、加速蠕變、相不穩定和輻射腐蝕等有害影響。近日，麻省理工學院Michael P. Short報道了質子輻照可減緩Ni-Cr合金在650 °C熔融氟化鹽中的晶間腐蝕。1）研究發現，僅通過質子輻照就減少了由Cr浸入到鹽中所產生的晶間空隙的深度。輻照產生的間隙缺陷促進了擴散，使注入腐蝕的空位更快地補充到合金成分中，從而起到了減速腐蝕的關鍵作用。2）研究結果表明，輻照可以對材料的性能產生積極的影響，這對以往認為輻射損傷通常會導致負面影響的觀點提出了挑戰。Zhou, W., Yang, Y., Zheng, G. et al. Proton irradiation-decelerated intergranular corrosion of Ni-Cr alloys in molten salt. Nat Commun 11, 3430 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-17244-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-17244-y
3. JACS：合成含非苯環結構的特殊石墨烯
納米石墨烯材料目前正在納米電子學、自旋學領域中展示出一種較好的應用前景，其展現出豐富的光學、物理化學性質，并且能通過控制大小、邊界結構、在晶格中引入缺陷等操作對其進行改性。德累斯頓工業大學馮新亮，香港大學劉俊治、瑞士聯邦材料科學與技術實驗室José I. Urgel、Roman Fasel等報道了在Au(111)晶面上合成其中結構特殊的多環納米石墨烯材料，作者通過掃描隧道顯微鏡、非接觸型原子力顯微鏡、掃描隧道光譜學測試等方法進行測試，展示生成了兩種非苯類納米石墨烯材料，并且在多環狀結構中包括四個薁結構單元。作者發現了表面催化的骨架環重排反應過程，該反應能夠生成七邊形、環戊二烯、不對稱引達省結構的兩種非苯結構（2A和2B）。作者分別在Au(111)晶面上的2A和2B中分別發現了0.96和0.85 eV的能帶，同時作者發現他們展現了費米能級將HOMO能級釘扎，同時會發生向基底上進行電子轉移。作者通過從頭算方法對這種開殼層結構雙自由基在氣態中的情況進行計算。Thorsten Günther Lohr, et al. On-Surface Synthesis of Non-benzenoid Nanographenes by Oxidative Ring-Closure and Ring-Rearrangement Reactions, J. Am. Chem. Soc. 2020https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05668
4. JACS：具有新興電子態的納米多孔石墨烯的自下向上組裝
將納米級孔引入石墨烯片中可以使其從不可滲透的半金屬轉換為半導體納米篩。納米多孔石墨烯在從高性能半導體器件通道到原子薄的分子篩膜的應用是理想的，并且它們的性能高度依賴于原子級孔隙的周期性和可再現性。通過自上而下的光刻方法在石墨烯中實現精確的納米孔拓撲是具有挑戰性的，因為該方法在原子水平上的結構控制較差。而通過自下而上合成的石墨烯納米帶的橫向融合可以用來制造原子級精確的納米級孔。然而，該技術通常在納米帶形成之后需要額外的高溫交叉耦合步驟，其固有地產生較差的橫向共軛，導致二維材料在機械和電子上的弱連接。近日，加州大學伯克利分校Michael F. Crommie，Felix R. Fischer，Steven G. Louie等報道了一種新穎的自下而上的方法，在初始聚合物形成之后通過一個溫和的退火步驟形成完全共軛的納米多孔石墨烯。1）作者通過一種表面介導的方法，利用一種新型的交聯手柄來制造納米多孔石墨烯，其可在組成的納米帶之間產生完全共軛的鍵合，并產生新的擴展態低能帶，但是它們的大部分波函數都位于孔隙的外圍。2）作者發現在石墨烯納米帶的整個能帶隙內出現界面局域電子態，這些電子態雜化產生彌散的二維低能色散能帶。作者表明，根據構成單鏈納米帶的邊緣狀態，可以合理化該低能帶。3）這些2D狀態在孔周圍的定位使該材料特別適合需要電子敏感分子篩的應用。將π自由基狀態控制并納入2D多孔石墨烯拓撲結構，為探索可調諧孔網絡提供了新的可能性。
Peter H. Jacobse, et al. Bottom-up Assembly of Nanoporous Graphene with Emergent Electronic States. J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c05235https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05235
5. JACS：通過C18Br6脫溴合成環[18]碳
在過去的半個世紀中，合成的富碳材料和新型碳同素異形體引起了人們的廣泛關注。獲得基于二配位sp雜化碳的同素異形體比基于三配位sp2雜化碳的同素異形體要難得多。近日，牛津大學Harry L. Anderson，IBM Research–Zurich Harry L. Anderson等報道了通過C18Br6合成環[18]碳（C18，一種碳同素異形體分子）。1）實驗發現，在5 K溫度下，Cu（111）面上氯化鈉雙層上的原子操縱，通過溴環碳前驅體C18Br6的脫鹵作用可以以64％的產率生成環[18]碳。這種生成C18的方法比之前報道的從環氧化碳C24O6生成C18的產率更高。2）作者對合成的C18進行了高分辨率原子力顯微鏡表征。將C18的實驗圖像與模擬圖像進行比較，得到了四種理論模型幾何形狀，包括可能的鍵角交替：D18h累積多烯，D9h聚炔，D9h累積多烯和C9h聚炔。3）作者進一步排除了具有（D9h）和不具有（D18h）鍵角交替的累積多烯結構。具有（C9h）和不具有（D9h）鍵角交替的聚炔結構都與實驗顯示出良好的一致性，并且難以區分。Lorel M. Scriven, et al. Synthesis of cyclo[18]carbon via debromination of C18Br6. J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c05033https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05033
6. Nano Letters：原位界面工程助力高效無電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池
無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池（無ETL太陽電池）因其成本低、制作工藝簡單而備受關注。但是，必須引入一個額外的接口層，同時目前實現的效率與完整的PSCs相比仍然相去甚遠。近日，西北工業大學黃維院士，南京工業大學陳永華教授報道了一種由乙酸甲基銨（MAAc）離子液體鈣鈦礦前體進行的原位界面工程策略。1）研究發現，在氧化銦錫電極上，通過物理吸附殘留的MAAc極性分子，原位構建了一個偶極層，這與以往報道的界面層處理方法有很大的不同。這允許有效功函數的降低，并且使得鈣鈦礦半導體中的原位帶彎曲成為可能。2）原位帶彎曲有助于電荷收集并阻礙界面電荷復合，從而導致無ETL的PSC的最大功率轉換效率為21.08％，這是迄今為止，所報道的最高的效率。3）離子液體溶液法制備無ETL的PSCs具有簡單、成本低、效率高等優點，而且不需要對電極進行額外的修飾。這種簡便而新穎的方法可以作為一種通用的、有前景的策略來開發具有更好的重復性和更高的器件性能的高效無ETL的PSCs。Deli Li, et al, In situ interface engineering for highly efficient electron-transport-layer-free perovskite solar cells, Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01689https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01689
7. Nano Letters: 可持續的木質基分層太陽能蒸汽發生器:一種降低水蒸發焓的仿生設計
通過太陽能蒸餾凈化水被認為是從不可飲用的水資源生產清潔水的有前途的技術。太陽能蒸汽發生器是太陽能蒸餾過程中分離水和污染物的核心部分。有鑒于此，中科大俞書宏院士等人，報道了一種高效且可持續的基于細菌纖維素(BC)納米復合材料的分層太陽能蒸汽發生器(HSSG)。1）通過將這四個組件集成到一個設備中，報道了一種高效且可持續的分層式太陽蒸汽發生器（HSSG），它通過氣溶膠輔助生物合成過程降低了基于細菌纖維素（BC）納米復合材料的蒸發焓。HSSG分層結構包含三個具有不同功能的連續層，包括碳納米管（CNT）/BC的光吸收層，玻璃泡（GBs）/BC的隔熱層以及用于支撐和輸水的木材基板。在HSSG中，BC水凝膠的三維(3D)纖維素納米纖維網絡顯著降低了水的蒸發焓和快速蒸發。2）將納米材料與細菌原位制備的BC納米纖維組裝在一起，形成納米復合材料。利用這種方法，在木材天然多孔結構的內部和結構上構建了功能性BC納米復合材料。通過將多層多功能BC納米復合材料與木材的天然多孔結構相結合，HSSG同時實現了太陽能氣化效率的提高和蒸發焓的降低。3）采用仿生設計、分層結構和降低蒸發焓的方法，可實現2.9 kg m-2 h-1的高蒸發速率和80%的太陽能蒸汽轉化效率。Qing-Fang Guan et al. Sustainable Wood-Based Hierarchical Solar Steam Generator: A Biomimetic Design with Reduced Vaporization Enthalpy of Water. Nano Lett., 2020.DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01088https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01088
8. Nano Letters：多孔蛋白組裝形成的蜂窩狀聚酰胺膜用于超快離子篩分
盡管聚酰胺薄膜復合膜在商業上取得了成功，但在不降低產品水質的情況下進一步提高聚酰胺膜的透水率仍然是一個巨大的挑戰。近日，中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所方望熹項目研究員，Kun Zhou，靳健研究員報道了一種具有新型三維蜂窩狀空間結構的界面聚合聚酰胺納濾膜的制備，該膜由煙草花葉病毒（TMV）多孔蛋白納米片包覆的微濾膜支撐體組成。1）沉積在支撐膜孔內的具有均勻孔徑和適當親水性的TMV納米片有助于構建與均勻分布的單體的局部水-油反應界面，并引導形成具有復制膜腔幾何形狀的空間結構的無缺陷聚酰胺層。2）3D形態具有超高比表面積，膜透水率高達84 L m-2 h-1 bar-1，MgSO4截留率高達98%，一價/二價離子篩分選擇性高達89%。這項工作為制備具有超快離子篩分能力的納濾膜提供了一條全新的途徑。Liangliang Gui, et al, Ultrafast Ion Sieving from Honeycomb-like Polyamide Membranes Formed Using Porous Protein Assemblies, Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01350https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01350
9. AM：超小三元（Ga-In-Sn）液體金屬合金優化三元CsFAMA鈣鈦礦電池
在下一代納米電子學領域中，構建具有特定結構的液體金屬納米粒子，特別是在合成＜10 nm的超小液體金屬納米粒子領域有較大挑戰，目前關于這種材料的合成能通過脈沖激光方法實現，具體是通過通常經過濕法化學合成方法構建三元納米合金材料。伍倫貢大學Yi Du，西北工業大學王洪強等對鈣鈦礦薄膜上的超小納米粒子在調控晶界上的電子中的重要作用，特別是對載流子復合、抑制鈣鈦礦電池回滯現象中的作用進行探索。通過這種將超小液體金屬沉積在鈣鈦礦薄膜上的方法實現了Cs基鈣鈦礦電池在最高功率點實現穩定21.32 %的輸出。本研究開辟了超小合金的合成和其在光電器件中的應用。1）通過不同激光光源強度（0~175 mJ pulse-1 cm-2，光源波長1064 nm）合成液體Ga-In-Sn金屬材料，發現更高的激光強度得到更小的三元合金，在75 mJ pulse-1 cm-2的光源強度中獲得29 nm和480 nm分布的納米合金，在100，175 mJ pulse-1 cm-2的光源強度中獲得27 nm和5 nm的納米合金。2）器件工作。在組成為Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.57Br0.43的鈣鈦礦組成的FTO/TiO2/perovskite/電池中，將合成的＜10 nm的液體金屬合金擔載到鈣鈦礦薄膜材料中，并實現了對載流子傳輸性能的改善，并能作為獨特的瞬時電子儲存器，抑制晶界間的離子運動，降低電池中的回滯等作用，并在鈣鈦礦電池中實現了達到22.03 %的最高電池功率。Huiwu Yu, et al. Laser‐Generated Supranano Liquid Metal as Efficient Electron Mediator in Hybrid Perovskite Solar Cells, Adv. Mater. 2020DOI：10.1002/adma.202001571https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001571
10. ACS Catalysis：形狀選擇催化分子篩上反應和擴散的實時評估
形狀選擇性是分子篩催化研究的關鍵問題。作為形狀選擇催化的重要方面，人們已經認識到擴散在分子篩催化劑上的轉化，失活和產物選擇性的重要性，但仍不能定量和明確地加以解釋。近日，中科院大連化物所魏迎旭研究員，劉中民院士報道了將甲醇制烯烴（MTO）反應與真實反應條件下在同一催化劑床上進行的氣相色譜法擴散系數評價相結合，成功地實現了甲醇制烯烴（MTO）反應過程中SAPO-34催化劑分子擴散的直接跟蹤。1）隨著反應的進行，研究人員可以測量工作催化劑上的擴散行為，以實時反映形狀選擇催化的演變過程。首次量化了反應過程中催化劑微孔表面對反應物的可及性，為合理理解MTO在連續積炭催化劑上的反應和失活提供了依據。2）通過對SAPO-34分子篩中殘留有機物種積累所致的構型擴散障礙的評價，較好地反映了甲醇轉化過程和產物分布的演變過程，為從形狀選擇催化的角度控制MTO反應提供了科學依據。Jingfeng Han, et al, Simultaneous Evaluation of Reaction and Diffusion over Molecular Sieve for Shape Selective Catalysis, ACS Catal., 2020DOI: 10.1021/acscatal.0c02054https://doi.org/10.1021/acscatal.0c02054
11. NSR：耦合效應引起的等離激元電荷積累對水氧化的影響
在等離激元誘導的光催化中，特別是在水氧化中，氧化還原反應的關鍵問題是人工光合作用的反應部位表面累積電荷（電子或空穴）的濃度。然而，由于很難確定等離激元誘導電荷（尤其是空穴）的確切空間位置和局部密度，使得催化劑表面等離激元電荷在哪里積累以及如何提高活性中心的局部電荷密度仍然是未知的。近日，中科院大連化物所范峰滔研究員，李燦院士報道了單粒子水平上，等離子耦合誘導的空穴可以在納米間隙區域的等離激元Au納米粒子二聚體/ TiO2界面上大量積聚，造成了局部增強的表面光電壓。1）這種等離激元空穴的積累可以顯著地加速界面反應部位的水氧化反應（涉及多個空穴），其光催化活性比高度分散的Au納米粒子在TiO2上的光催化活性提高了近一個數量級。2）結合開爾文探針力顯微鏡和理論模擬，研究人員進一步闡明了局域累積空穴密度與局域近場增強的平方成正比。該研究發現加深了對等離激元體系中電荷空間分布的理解，以及反應位點局部電荷密度在等離激元光催化中所起的特殊作用。Yuying Gao, et al, Probing of coupling effect induced plasmonic charge accumulation for water oxidation, National Science Review, nwaa151https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa151
