1. Chem. Soc. Rev.綜述：木質(zhì)纖維素生物質(zhì)向化學(xué)物質(zhì)的光催化轉(zhuǎn)化
作為最大的可再生碳資源，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)具有替代化石資源來生產(chǎn)高價值化學(xué)品（尤其是有機含氧化合物）的巨大潛力。利用太陽能催化轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素生物質(zhì)具有獨特的反應(yīng)物種和反應(yīng)模式，由光激發(fā)載流子或光生活性物種誘導(dǎo)，反應(yīng)條件溫和，可以在保持其他官能團不變的情況下，精確地裂解目標(biāo)化學(xué)鍵或選擇性地使特定官能團官能化，已經(jīng)引起了極大的關(guān)注。有鑒于此，廈門大學(xué)王野教授，中科院大連化物所王峰研究員綜述了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)光催化轉(zhuǎn)化的最新研究進展。1）作者重點介紹了木質(zhì)纖維生物質(zhì)主要組分(包括多糖和木質(zhì)素)中C-O和C-C鍵的光催化裂解，以及一些關(guān)鍵平臺分子的光催化價態(tài)。2）作者總結(jié)了控制反應(yīng)路徑和反應(yīng)機理的關(guān)鍵問題，以指導(dǎo)在溫和條件下設(shè)計活性和選擇性的生物質(zhì)有價化光催化體系。3）作者分析了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)光催化轉(zhuǎn)化面臨的挑戰(zhàn)和未來的機遇。
Xuejiao Wu, et al, Photocatalytic transformations of lignocellulosic biomass into chemicals, Chem. Soc. Rev.,2020https://doi.org/10.1039/D0CS00314J
2. Chem. Rev.: 聚合物衍生的雜原子摻雜多孔碳材料
雜原子摻雜多孔碳材料(HPCMs)在吸附/分離、有機催化、傳感和能量轉(zhuǎn)換/存儲等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。碳前驅(qū)體的選擇是制造具有特定用途和功能最大化的高性能HPCMs材料的關(guān)鍵。在這方面，作為前驅(qū)體的聚合物因其通用的分子和納米級結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)的化學(xué)組成以及豐富的加工技術(shù)（這些技術(shù)結(jié)合固態(tài)化學(xué)作用，可以在整個碳化過程中得到保持）而產(chǎn)生了廣闊的前景。有鑒于此，南開大學(xué)化學(xué)院王鴻教授和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)袁家寅教授等人，從如何產(chǎn)生和控制其孔隙率，雜原子摻雜效應(yīng)，形貌及其相關(guān)用途等方面全面綜述了聚合物衍生的功能性HPCM的進展。1）首先，總結(jié)并討論了合成方法，包括硬和軟模板方法以及采用聚合物控制HPCM中孔和/或雜原子的直接合成策略。2）其次，總結(jié)了雜原子摻雜對HPCM的熱穩(wěn)定性，電子和光學(xué)性質(zhì)以及表面化學(xué)的影響。具體地，討論了雜原子摻雜效應(yīng)，其涉及單一類型雜原子摻雜和兩種或兩種以上的雜原子共摻雜到碳網(wǎng)絡(luò)中。3）考慮到HPCM的形態(tài)在其應(yīng)用范圍內(nèi)的重要性，提出了合適的聚合物前體的潛在選擇以及精確調(diào)節(jié)HPCM的形態(tài)的策略。最后，提供了有關(guān)如何通過使用聚合物來預(yù)定義HPCM的結(jié)構(gòu)的觀點，以實現(xiàn)其在當(dāng)前能量產(chǎn)生/轉(zhuǎn)化和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。總之，該工作對于系統(tǒng)地了解聚合物衍生的碳材料具有重要意義，并且HPCM的設(shè)計提供指導(dǎo)。Hong Wang et al. Polymer-Derived Heteroatom-Doped Porous Carbon Materials. Chem. Rev., 2020.DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00080https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00080
3. Nature Commun.：聚合物/分子半導(dǎo)體全有機復(fù)合材料用于高溫介電儲能
用于靜電儲能的介質(zhì)聚合物在高溫下能量密度低、效率低，這限制了其在惡劣環(huán)境下的電子器件、電路和系統(tǒng)中的應(yīng)用。盡管在介電聚合物中加入絕緣的無機納米結(jié)構(gòu)提高了溫度能力，但高質(zhì)量納米復(fù)合薄膜的可伸縮制備仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。近日，清華大學(xué)何金良教授，李琦副教授報道了一種由介電聚合物與高電子親和力分子半導(dǎo)體混合而成的全有機復(fù)合材料，同時具有高能量密度(3.0 J cm-3)和高達200 °C下的放電效率(90%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的介電聚合物和聚合物納米復(fù)合材料。1）研究發(fā)現(xiàn)，分子半導(dǎo)體通過強烈的靜電吸引來固定自由電子，并阻礙電荷在介質(zhì)聚合物中的注入和傳輸，從而導(dǎo)致性能的大幅度提高。2）全有機復(fù)合材料可以制備大面積、高質(zhì)量的薄膜，具有均勻的介電性能和電容性能，這對其在高溫電子和儲能器件中的成功商業(yè)化和實際應(yīng)用具有重要意義。Yuan, C., Zhou, Y., Zhu, Y. et al. Polymer/molecular semiconductor all-organic composites for high-temperature dielectric energy storage. Nat Commun 11, 3919 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-17760-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-17760-x
4. Nature Commun.：雙邊界面鈍化策略用于提高鈣鈦礦量子點發(fā)光二極管效率和穩(wěn)定性
鈣鈦礦型量子點發(fā)光二極管（QLEDs）具有廣色域、色彩真實表現(xiàn)的特點，被認(rèn)為是高質(zhì)量照明和顯示的候選材料。然而，在量子點（QD）膜組裝過程中容易產(chǎn)生大量缺陷，這將嚴(yán)重影響載流子注入，傳輸和復(fù)合，并最終降低QLED性能。近日，南京理工大學(xué)曾海波教授報道了一種通過用有機分子鈍化QD膜的頂部和底部界面的雙邊鈍化策略，從而極大地提高了鈣鈦礦QLED的效率和穩(wěn)定性。1）氧化膦分子，二苯基氧化膦-4-（三苯基甲硅烷基）苯基（TSPO1），被用作典型的鈍化分子。2）采用密度泛函理論(DFT)計算揭示了缺陷陷阱的減少和非輻射復(fù)合。通過瞬態(tài)TA譜分析和空間電荷限制電流方法進一步驗證了缺陷的減少，激子復(fù)合效率的提高體現(xiàn)在量子點薄膜的量子阱密度增加(從43%提高到79%)和電光轉(zhuǎn)換效率的提高（量子發(fā)光二極管的電流效率從20提高到75 cd A-1，最大量子效率從7.7%提高到18.7%）。通過單面鈍化和雙面鈍化的對比實驗，證明了雙面鈍化的必要性。3）除TSPO1外，該體系中使用的其他一系列有機分子也取得了令人印象深刻的結(jié)果，顯示了這種雙邊鈍化方法的普適性。同時，由于鈣鈦礦分子與鈣鈦礦的強相互作用和鈣鈦礦與CTL之間的阻擋作用，雙邊鈍化的分子使薄膜和發(fā)光二極管具有更高的穩(wěn)定性。例如，觀察到T50的工作壽命提高了20倍（從0.8 h增加到15.8 h）。此外，雙向鈍化有望抑制量子點薄膜和電荷傳輸層之間的界面缺陷。這一發(fā)現(xiàn)突顯了在QD薄膜的兩個界面上進行鈍化對于構(gòu)建高性能的鈣鈦型QLED以及其他基于QD的光電子器件(包括太陽能電池和光電探測器)的重要性。
Xu, L., Li, J., Cai, B. et al. A bilateral interfacial passivation strategy promoting efficiency and stability of perovskite quantum dot light-emitting diodes. Nat Commun 11, 3902 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-17633-3https://doi.org/10.1038/s41467-020-17633-3
5. Nature Commun.：黑磷“解壓縮”形成鋸齒形磷烯納米帶
磷烯，單層或少層（<10層）的黑磷，具有各向異性，并表現(xiàn)出有趣的半導(dǎo)體性能。磷烯納米片的合成，包括將其二維結(jié)構(gòu)成型為納米帶或納米帶，是近年來的研究熱點。近日，清華大學(xué)Huaqiang Cao，Dan Xie，劍橋大學(xué)Anthony K. Cheetham等報道了通過氧驅(qū)動機制，將單晶黑磷電化學(xué)解壓縮成之字形磷烯納米帶以及納米片和量子點。1）該方法制備鋸齒形磷烯納米帶遵循兩步過程，即在體相黑磷晶體中插入BF4-離子，然后進行氧氣驅(qū)動的解壓縮機理。2）實驗獲得的結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合良好。對解鏈機理研究的計算表明，間隙氧對是產(chǎn)生鋸齒狀磷烯納米帶的關(guān)鍵中間物種。3）盡管磷烯的氧化已有報道，但其縱向切割迄今尚未報道。該方法氧化切割磷烯代表了一種以前未知的機制，用于形成各種尺寸的磷納米結(jié)構(gòu)，尤其是之字形磷納米帶。該工作為研究之字形磷烯納米帶的量子效應(yīng)和電子性質(zhì)開辟了一條途徑。
Zhifang Liu, et al. Unzipping of black phosphorus to form zigzag-phosphorene nanobelts. Nat. Commun., 2020DOI: 10.1038/s41467-020-17622-6https://www.nature.com/articles/s41467-020-17622-6
6. Nature Commun.：硅基埋入式接頭實現(xiàn)自發(fā)的太陽能分解和光吸收與電催化的解耦
通過自發(fā)的水分解將陽光轉(zhuǎn)化為可存儲的能量形式備受關(guān)注，但同時控制光，電和催化特性的困難限制了光電化學(xué)（PEC）器件的效率。近日，阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）Jr-Hau He報道了通過采用基于單晶硅的埋入式接頭（BBJ）設(shè)計的光吸收和催化活性的空間解耦對光吸收、載體分離/傳輸和PEC催化反應(yīng)進行獨立優(yōu)化，實現(xiàn)了最小的光、電和催化電流損失（分別為6.11，1.76，1.67 mA cm-2）。從而使太陽光譜的光吸收大于95%，同時用于HER的PEC半電池的電流密度達到了40.51 mA cm-2。1）BBJ設(shè)計具有另一個優(yōu)勢是能夠基于一系列互連的電池構(gòu)建成單片PEC器件，從而實現(xiàn)高達1.83 V的VOC，足以在沒有輔助的情況下進行太陽能水分解。因此，得到的HER在一次日照下表現(xiàn)出15.62%的STH效率。2）在室外正午光照條件下進行紅海海水水解實驗，產(chǎn)生了9.14 mA cm-2的電流密度，STH效率為11.33%。高效BBJ-PEC電池具有良好的性能，使得實現(xiàn)真正的太陽能制氫更近了一步。
Fu, H., Varadhan, P., Lin, C. et al. Spontaneous solar water splitting with decoupling of light absorption and electrocatalysis using silicon back-buried junction. Nat Commun 11, 3930 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-17660-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-17660-0
7. Nature Commun.: 利用分子氫對酰胺和相關(guān)化合物進行均相和非均相催化還原
酰胺的催化加氫是從事有機合成的化學(xué)家們非常感興趣的問題，其所得的產(chǎn)物胺可以廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物、藥物、農(nóng)藥、染料等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的使用化學(xué)計量還原劑還原酰胺相比，使用分子氫直接氫化酰胺是一種更綠色的方法。此外，酰胺加氫是一種高度通用的轉(zhuǎn)化，因為通過微調(diào)反應(yīng)條件，不僅可以選擇性地獲得高級胺（通過C–O裂解獲得），而且還可以得到低級胺和醇或氨基醇（通過C–N裂解獲得）。有鑒于此，德國羅斯托克大學(xué)萊布尼茨催化研究所(LIKAT Rostock)的Matthias Beller教授和西班牙UPV-CSIC化學(xué)技術(shù)研究所(ITQ)的Rosa Adam等人，綜述了近年來國內(nèi)外在使用分子定義的均相催化劑和納米結(jié)構(gòu)的非均相催化劑催化氫化酰胺方面的最新進展，重點介紹了催化劑的開發(fā)和合成應(yīng)用。1）將惰性碳-氫鍵直接轉(zhuǎn)化為C-C或C-X (X =雜原子)鍵是當(dāng)前均相催化中最重要的研究課題之一。但是，由于C–H鍵的高惰性，以有效和選擇性的方式實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化非常具有挑戰(zhàn)性。因此，使用由作為“內(nèi)部配體”的配位基組成的directing groups可以將金屬催化劑引導(dǎo)至分子中的特定C–H鍵，從而使其選擇性裂解并隨后進行功能化。2）從工業(yè)角度看，酰胺作為重要聚合物結(jié)構(gòu)的組成部分也很有趣，例如尼龍和相關(guān)的聚酰胺或聚丙烯酰胺。在這種情況下，開發(fā)有效的酰胺加氫方法可能會對此類聚合物的再循環(huán)利用產(chǎn)生影響。此外，可以通過后聚合改性從這些已知的聚合物獲得新型材料。實際上，最近已經(jīng)研究了使用硼氫化物還原聚丙烯酰胺來合成聚烯丙基醇聚合物。3）使用胺、H2和酰胺型衍生物作為LOHC系統(tǒng)，由CO2和/或CO合成低溫（<150 C）甲醇。這些以酰胺鍵加氫作用為核心的策略已經(jīng)證明了它們的可行性。Cabrero-Antonino, J.R., Adam, R., Papa, V. et al. Homogeneous and heterogeneous catalytic reduction of amides and related compounds using molecular hydrogen. Nat Commun 11, 3893 (2020).DOI: 10.1038/s41467-020-17588-5https://doi.org/10.1038/s41467-020-17588-5
8. Nano Lett.: 機械性能顯著增強的超平坦石墨烯的生長
通過化學(xué)氣相沉積在Cu上生長的石墨烯是粗糙的，這是由于為了釋放界面熱應(yīng)力和/或石墨烯彎曲能而使Cu表面粗糙化。粗糙度降低了石墨烯的電導(dǎo)和機械強度。有鑒于此，北京大學(xué)彭海琳教授、劉忠范院士、韋小丁研究員和國家納米科學(xué)中心張忠研究員等人，通過使用相鄰的Cu（111）和平坦的Cu（111）作為模型基底，研究了原始表面形貌對石墨烯覆蓋的Cu表面變形的關(guān)鍵作用。1）研究表明，相鄰Cu(111) 上的階梯臺階主導(dǎo)了臺階束（SBs）的形成。在平坦的Cu（111）薄膜上生長粗糙度低至0.2 nm的原子平坦的石墨烯。2）當(dāng)避免了由SB引起的波紋時，生長后的超扁平石墨烯在轉(zhuǎn)移后仍保持其扁平特征。3）超平石墨烯表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，與楊氏模量≈940 GPa，強度≈117 GPa，與機械剝離的石墨烯相當(dāng)。分子動力學(xué)模擬揭示了具有波紋結(jié)構(gòu)的石墨烯的彈性響應(yīng)軟化和強度減弱的機理。Bing Deng et al. Growth of Ultraflat Graphene with Greatly Enhanced Mechanical Properties. Nano Lett., 2020.DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02785https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02785
9. AM：用于直接從水蒸發(fā)中獲取電能的MOF基雜化納米材料的合理設(shè)計
清潔能源技術(shù)的不斷探索對社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來，利用水蒸發(fā)收集電能的研究在利用清潔能源為自動供電系統(tǒng)提供動力方面做出了重大貢獻。近日，香港城市大學(xué)張華教授報道了通過在二維AlOOH納米片上生長UIO-66納米顆粒，設(shè)計并合成了一種新型的金屬有機骨架雜化納米材料。1）首先采用尿素輔助水熱法制備了AlOOH納米片，并對其進行了改性。然后以得到的AlOOH納米片為模板，采用醋酸為調(diào)制劑的溶劑熱法生長UIO-66納米顆粒。作為對比，在沒有使用2D AlOOH納米片作為模板的情況下合成了UIO-66納米晶。2）SEM圖像顯示，成功合成了具有二維形貌，厚度為20.7±3.4 nm 的AlOOH納米片。TEM圖像進一步證實了AlOOH納米片的二維形貌，HRTEM圖像清楚地顯示了間距為0.19 nm的晶格條紋，對應(yīng)于AlOOH的（002）面。XRD圖譜證實AlOOH納米片為勃姆石相（JCPDS 05–0190）。暗場TEM成像和相應(yīng)的EDS映射顯示出雜化納米材料中均勻分布的Al和Zr元素。3）AlOOH納米片繼承了二維形貌和UIO-66納米粒子的高表面電位協(xié)同的優(yōu)點，使得由AlOOH/UIO-66雜化納米材料制成的器件可以從自然蒸發(fā)的水中獲取電能。4）在單個設(shè)備上，平均Voc可以達到1.63±0.10 V。小型電器（例如數(shù)字計算器）可以通過以組合的串聯(lián)-并聯(lián)配置連接的3×3設(shè)備陣列供電。Qinglang Ma, et al, Rational Design of MOF-Based Hybrid Nanomaterials for Directly Harvesting Electric Energy from Water Evaporation, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202003720https://doi.org/10.1002/adma.202003720.
10. AEM：基于高性能球形摩擦電納米發(fā)電機的混合一體式電源用于收集環(huán)境能量
隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoTs）的發(fā)展，廣泛分布在環(huán)境中的電子設(shè)備需要有效的就地能量采集技術(shù)，而一些環(huán)境中不穩(wěn)定的能量供應(yīng)和惡劣的條件給這一技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。有鑒于此，華中科技大學(xué)高義華教授，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士報道了一種混合式一體式電源（AoPS），用于廣泛的自適應(yīng)環(huán)境能量收集。1）AoPS采用一種新穎的結(jié)構(gòu)，將高性能球形摩擦電納米發(fā)電機（TENG）與太陽能電池相結(jié)合，能夠從風(fēng)、雨滴和太陽光中收集最典型的環(huán)境能量，以補充能量供應(yīng)。2）具有封裝結(jié)構(gòu)的球形TENG單元可以穩(wěn)定的從流體中收集能量。同時，四個TENG單元可獲得近乎連續(xù)的直流電和5.63 mW的高平均功率，并得到太陽能電池的進一步補充。3）研究人員演示了將AoPS用于典型的應(yīng)用場景，進而實現(xiàn)了自供電的土壤濕度控制，森林防火和管道監(jiān)控。這項工作基于一種環(huán)境電源理念，在環(huán)境中具有高度適應(yīng)性，以利用各種周圍能量在全天候條件下為電子設(shè)備供電，從而為IoT時代提供了可靠的能量供應(yīng)基礎(chǔ)。Lingyi Xu, et al, Hybrid All-in-One Power Source Based on High-Performance Spherical Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Environmental Energy, Adv. Energy Mater. 2020DOI: 10.1002/aenm.202001669https://doi.org/10.1002/aenm.202001669
11. Journal of Materials Chemistry C ：基于MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料的快速、自驅(qū)動、室溫運轉(zhuǎn)的近紅外-太赫茲光電探測器
由單一器件構(gòu)成的近紅外-太赫茲（NIR-THz）寬譜光電探測器在成像，遙感，通信和光譜學(xué)等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。特別是隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，空間網(wǎng)絡(luò)通信和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域迫切需要具有自驅(qū)動、快速響應(yīng)和室溫運轉(zhuǎn)性能的太赫茲探測器。然而，現(xiàn)有的商用探測器（如bolometer, Golay cells, Schottky diodes等）很難滿足要求。近年來，隨著新型半導(dǎo)體材料的發(fā)展，基于塞貝克效應(yīng)的光熱電(PTE)探測器，由于其結(jié)構(gòu)簡單、自供電、低功耗和室溫操作等優(yōu)點，在寬帶檢測中顯示出了潛在的應(yīng)用前景，成為NIR-THz波段檢測的優(yōu)秀候選者。一般來說，對于提高PTE器件整體響應(yīng)的塞貝克系數(shù)最有效的策略是用兩種不同的材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)。近年來，有科研小組證明鈣鈦礦材料不僅具有優(yōu)異的光電特性，還是一種極具潛力的熱電材料，具有較大的賽貝克系數(shù)和較低的熱導(dǎo)。同時，PEDOT:PSS熱電器件因其高熱電性能（其最高的賽貝克系數(shù)可達436 μV/K，電導(dǎo)可達104 S/m）、簡單和柔性的制備工藝等特性而受到越來越多的關(guān)注。因此，將這兩種高熱電性能的材料有機的結(jié)合在一起能夠制備出具有高性能的熱電探測器并有效地應(yīng)用于NIR-THz波段檢測。近期，天津大學(xué)姚建銓院士和張雅婷副教授等人提出利用MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料制備了具有快響應(yīng)的自驅(qū)動室溫運轉(zhuǎn)的光電器件，實現(xiàn)了NIR-THz寬光譜探測。1） 研究結(jié)果表明，通過MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料的設(shè)計，增強了光熱電系統(tǒng)的賽貝克系數(shù)提高了器件的整體響應(yīng)度，MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料器件在1064 nm和 2.52 THz波長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。2）同時利用MAPbI3 /PEDOT:PSS復(fù)合材料特性實現(xiàn)了快響應(yīng)探測，響應(yīng)時間可達28 μs。該器件的研究為高性能、快速、自驅(qū)動、室溫運轉(zhuǎn)的近紅外-太赫茲寬譜探測器的研制提供了新的途徑。Yifan Li, et al. A Fast Response, Self-Powered and Room Temperature Near Infrared-Terahertz Photodetector Based on MAPbI3 /PEDOT:PSS Composite. Journal of Materials Chemistry C. 2020https://doi.org/10.1039/D0TC02399J
