1. Science Advances：具有多功能分層圖案化的自供電觸覺(jué)傳感器
柔性傳感器非常適用于觸覺(jué)傳感器和可穿戴設(shè)備。以往對(duì)智能元器件的研究主要集中在柔性壓力或溫度傳感器上。然而，實(shí)現(xiàn)材料識(shí)別仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和Ya Yang報(bào)道了一種多功能的觸覺(jué)自供電傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度和材料的傳感。1）該結(jié)構(gòu)采用多層疊層的形式：i）疏水的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作為帶電層，ii）兩個(gè)鍍有Ag納米線（Ag NWs）薄膜的銅片作為電極，iii）海綿狀石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）復(fù)合材料作為壓阻和熱電效應(yīng)的響應(yīng)組件。2）通過(guò)對(duì)海綿材料的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化，制造的傳感器具有超過(guò)15.22 kPa-1的壓力靈敏度，響應(yīng)時(shí)間小于74毫秒以及響應(yīng)周期大于3000次的高穩(wěn)定性。在溫度刺激的情況下，傳感器通過(guò)熱電效應(yīng)具有1 K的溫度傳感分辨率。3）該傳感器基于接觸感應(yīng)帶電原理，在與不同平板材料物理接觸后可產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)。因此，相應(yīng)的信號(hào)又可以用來(lái)推斷接觸材料的特性。
該多功能傳感器具有成本低、材料識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)功能電子學(xué)的挑戰(zhàn)提供了一種設(shè)計(jì)思路。
Yang Wang, et al, Hierarchically patterned self-powered sensors for multifunctional tactile sensing, Sci. Adv. 2020DOI: 10.1126/sciadv.abb9083http://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabb9083
2. Nature Communications：電荷穿梭用于提高摩擦電納米發(fā)電機(jī)的電荷密度
作為一種新興的機(jī)械能獲取技術(shù)，低表面電荷密度極大地阻礙了摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）的實(shí)際應(yīng)用。近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士報(bào)道了一種基于電荷穿梭的高性能TENG（CS-TENG）。1）與傳統(tǒng)的靜電荷完全限制在介質(zhì)表面的TENG不同，CS-TENG的工作原理是在導(dǎo)電域中聚集的電荷穿梭。在兩個(gè)準(zhǔn)對(duì)稱域的相互作用的驅(qū)動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鏡像電荷載流子的穿梭，從而使電荷輸出加倍。基于該機(jī)理，在環(huán)境條件下可獲得1.85 mC m-2的超高預(yù)電荷密度。2）在CS-TENG的基礎(chǔ)上，研究人員制造了一種高性能的水波能收集集成裝置，并在水波環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試，成功地證明了CS-TENG作為在各種實(shí)際應(yīng)用中用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基本裝置的技術(shù)可行性。
Wang, H., Xu, L., Bai, Y. et al. Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling. Nat Commun 11, 4203 (2020).DOI：10.1038/s41467-020-17891-1https://doi.org/10.1038/s41467-020-17891-1
3. Nature Communications：用于高度可逆鋰金屬電池的酰胺電解質(zhì)的界面化學(xué)
金屬鋰是增加可充電鋰電池能量密度的最有希望的負(fù)極。盡管已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，然而金屬鋰與電解質(zhì)的有害反應(yīng)以及不可控的鋰枝晶生長(zhǎng)仍然嚴(yán)重阻礙了高可逆鋰金屬電池的發(fā)展。近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李寶華教授，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Marnix Wagemaker報(bào)道了在2，2，2-三氟-N，N-二甲基乙酰胺和碳酸氟乙烯（FDMA：FeC，體積比為1：1）的混合溶劑中制備了1M雙(三氟甲磺酰基)酰亞胺鋰（LiTFSI），電解質(zhì)以探索其在金屬鋰電池中的性能。1）結(jié)果顯示，在Li||Cu電池中，其鍍鋰/剝離的庫(kù)侖效率高達(dá)99.3%，在對(duì)稱的Li||Li電池的長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)過(guò)程中，也具有穩(wěn)定的鍍鋰/剝離過(guò)程。2）Operando監(jiān)測(cè)鋰的空間分布結(jié)果表明，這種高度可逆的行為與更密集的沉積和自上而下的剝離有關(guān)，從而減少了多孔沉積和鈍化鋰的形成，為金屬電池界面化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展提供了新的見解。3）以富鎳的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）作為正極，具有酰胺基電解質(zhì)的全電池具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性以及3.5 mAh cm-2的高質(zhì)量負(fù)載。
Wang, Q., Yao, Z., Zhao, C. et al. Interface chemistry of an amide electrolyte for highly reversible lithium metal batteries. Nat Commun 11, 4188 (2020).DOI：10.1038/s41467-020-17976-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-17976-x
4. PNAS：具有超高面負(fù)荷鋰離子電池電極的雙連續(xù)相分離
電池厚電極設(shè)計(jì)極具吸引力，其可以減少不活躍電池部件（例如集電器和隔膜）的比例。然而，厚電極難以干燥，在實(shí)際制備過(guò)程中容易破裂或剝落。此外，離子和電子傳輸能力較差以及容量快速衰減等嚴(yán)重限制了厚電極的電化學(xué)性能。近日，英國(guó)劍橋大學(xué)Michael De Volder報(bào)道了一種用于制造鋰離子電池厚電極的熱誘導(dǎo)相分離（TIPS）工藝，該工藝將電解質(zhì)直接摻入電極中，從而減輕了干燥電極的需要。1）TIPS工藝可分別構(gòu)建具有優(yōu)異離子和電子傳輸能力的雙連續(xù)電解質(zhì)和電極網(wǎng)絡(luò)。因此，500 μm的電池厚電極（～18 mg/cm2的活性材料）具有比活性質(zhì)量負(fù)載低得多的傳統(tǒng)電極（5～10 mg/cm2）更好的倍率性能。此外，由1 mm厚的負(fù)極和正極組裝的全電池在500次循環(huán)后容量保持率達(dá)到87%。2）研究人員通過(guò)優(yōu)化電極配方，獲得了超過(guò)30 mAh/cm2的面容量，此外，通過(guò)在中試規(guī)模的Roll-to-Roll（R2R）涂布機(jī)連續(xù)涂布TIPS厚電極，驗(yàn)證了TIPS工藝的可擴(kuò)展性。
Jung Tae Lee, et al, Bicontinuous phase separation of lithium-ion battery electrodes for ultrahigh areal loading, PNAS, 2020DOI：10.1073/pnas.2007250117www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2007250117
5. Matter：用于縱向眼動(dòng)追蹤的多模式智能眼鏡
使用熟悉的服裝或配飾對(duì)多個(gè)生理信號(hào)進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，可以深入了解健康和行為。在臉上或臉附近記錄這些信號(hào)很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)受試者對(duì)放在臉上或頭上的工具很敏感。于此，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校Trisha L. Andrew等人通過(guò)織物電極和服裝設(shè)計(jì)策略協(xié)同使用，提供了一個(gè)無(wú)干擾的平臺(tái)，Chesma，用于從用戶面部縱向采集生理信號(hào)。?啟動(dòng)化學(xué)氣相沉積可在織物上提供可重復(fù)使用的水凝膠電極?離子導(dǎo)電織物電極放置在臉上時(shí)可測(cè)量脈沖波形?帶有織物水凝膠電極的眼罩可實(shí)現(xiàn)無(wú)線眼動(dòng)追蹤?Chesma是一種輕巧的可定制面罩，可同時(shí)跟蹤眼睛的運(yùn)動(dòng)和脈搏1）Chesma包含兩種基于織物的新型電極：水凝膠電極（tAgTrode），在多次使用/洗滌后仍保持其離子特性，不會(huì)引起皮膚刺激，并且可以連續(xù)工作8小時(shí)以上而不會(huì)失去信號(hào)完整性。第二種是離子導(dǎo)電織物壓力傳感器（Press-ION），它捕捉脈沖波形。2）當(dāng)這些電極縫在一個(gè)輕便的眼罩上時(shí)，這些電極同時(shí)收集互補(bǔ)的眼電圖和心臟數(shù)據(jù)，從而可以進(jìn)行睡眠質(zhì)量和心理研究，并提高VR耳機(jī)的準(zhǔn)確性和可用性。
S. ZohrehHomayounfar, et al., Multimodal Smart Eyewear for Longitudinal Eye Movement Tracking. Matter 2020.https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.07.030
6. Angew：石墨烯量子點(diǎn)系鏈設(shè)計(jì)通用策略用于合成單原子催化劑
由于單原子具有較高的表面能，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的團(tuán)聚，因此設(shè)計(jì)通用的策略在不同載體上合成多種單原子催化劑（SACs）仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。近日，南開大學(xué)陳軍院士報(bào)道了一種通用的石墨烯量子點(diǎn)系鏈設(shè)計(jì)策略來(lái)合成SACs。1）首先將Ni陽(yáng)離子與GQD絡(luò)合，形成穩(wěn)定的GQD-金屬配位復(fù)合物。金屬陽(yáng)離子和含O基團(tuán)之間的強(qiáng)相互作用可以有效地防止金屬前體聚集。然后，將生成的金屬絡(luò)合物通過(guò)π-π相互作用與碳納米管（CNT）組裝，GQD的π共軛結(jié)構(gòu)確保了碳載體與GQD之間的強(qiáng)相互作用。最后，將表面改性的CNT在NH3/Ar氣氛下于500 °C加熱。GQD的大量缺陷位點(diǎn)可以協(xié)助CNT進(jìn)行N摻雜，從而通過(guò)形成M-Nx來(lái)錨定形成的金屬原子。2）該策略適用于不同金屬（Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn）和載體（0D碳納米球、1D碳納米管、2D石墨烯納米片和3D石墨泡沫），金屬負(fù)載量為3.0-4.5wt%。3）透射電鏡成像和X射線吸收光譜分析結(jié)果證實(shí)了金屬原子在碳載體中的原子分散。4）CNT負(fù)載的Ni SACs對(duì)CO2RR具有極高的電催化活性，CO選擇性接近100%。該通用策略有望為合成用于多種電催化應(yīng)用的SACs開辟新的途徑。Song Jin, et al, A Universal Graphene Quantum Dot-Tethering Design Strategy to Synthesize Single-Atom Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI：10.1002/anie.202008422https://doi.org/10.1002/anie.202008422
7. EES: 正丙基碘化銨預(yù)處理改善錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率
錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是一種最有前景的無(wú)鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，但是含有大量缺陷的錫基鈣鈦礦材料的晶化較為困難，抑制了其性能的優(yōu)化。有鑒于此，上海交通大學(xué)韓禮元、王言博等報(bào)道了對(duì)FASnI3基鈣鈦礦材料，通過(guò)旋涂一層正丙基碘化銨后，再合成FASnI3薄膜，實(shí)現(xiàn)了沿著（100）晶面定向生長(zhǎng)的FASnI3鈣鈦礦薄膜，并實(shí)現(xiàn)了11.22 %效率，并且在最大功率點(diǎn)連續(xù)工作1000小時(shí)后保持了95 %的效率。1）SEM表征結(jié)果顯示，正丙基碘化銨預(yù)處理改善了錫基鈣鈦礦中間體狀態(tài)，因此在晶界處起到模板作用，改善了結(jié)晶過(guò)程。X射線衍射結(jié)果顯示，結(jié)晶性顯著提高。2）通過(guò)旋涂一層正丙基碘化銨，有效的抑制了錫基鈣鈦礦中的缺陷濃度，但是其中的缺陷位點(diǎn)濃度仍然高于鉛基鈣鈦礦，并導(dǎo)致錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率低于鉛基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
Xiao Liu, et al. Templated Growth of FASnI3 Crystals for Efficient Tin Perovskite Solar Cell, Energy Environ. Sci., 2020,https://doi.org/10.1039/D0EE01845G
8. EES：用于電催化的Operando表征技術(shù)
能源危機(jī)和氣候變化對(duì)人類社會(huì)的威脅與日俱增。以太陽(yáng)能和風(fēng)能為能源的燃料電池和電解槽為替代目前的化石燃料有望實(shí)現(xiàn)無(wú)碳和可持續(xù)的能源未來(lái)。穩(wěn)固高效的電催化劑是燃料電池和電解槽實(shí)際應(yīng)用的基石。然而，由于缺乏對(duì)電催化劑活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)途徑和降解機(jī)理的了解，阻礙了對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。因此揭示電催化過(guò)程在工作條件下電極-電解質(zhì)-氣體界面的operando特性具有重要意義。有鑒于此，天津大學(xué)鞏金龍教授綜述了針對(duì)各種納米、分子和單原子電催化劑的各種operando表征技術(shù)。1）作者總結(jié)了用于電化學(xué)過(guò)程中的各種Operando表征技術(shù)，包括：X射線吸收（XAS）、X射線發(fā)射光譜（XES）、穆斯堡爾光譜、X射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜和紅外光譜、(掃描)透射電子顯微鏡（(S)TEM）、XRD以及X射線計(jì)算機(jī)層析成像。重點(diǎn)總結(jié)了通過(guò)這些operando技術(shù)在揭示電催化劑的結(jié)構(gòu)活性關(guān)系方面所取得的研究進(jìn)展以及存在的局限性。2）作者最后指出，盡管在利用operando技術(shù)研究電催化方面取得了令人印象深刻的進(jìn)展，但仍有多種因素阻礙了對(duì)電催化過(guò)程的深刻理解。主要包括：i）設(shè)備(燃料電池和電解槽)和為特定技術(shù)專門設(shè)計(jì)的operando電池之間的差異；ii）缺乏模型催化劑；iii)缺乏實(shí)時(shí)分辨技術(shù)來(lái)捕捉反應(yīng)中間體壽命內(nèi)由吸附物種或潛在偏差引起的活性位點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)；iv)催化活性、選擇性和穩(wěn)定性受多種結(jié)構(gòu)因素控制。Jingkun Li, Jinlong Gong, Operando Characterization Techniques for Electrocatalysis, Energy Environ. Sci., 2020https://doi.org/10.1039/D0EE01706J
9. AM：共軛乙炔聚合物接枝氧化亞銅作為高效Z-方案異質(zhì)結(jié)用于光電化學(xué)水分解
共軛聚合物（如共軛乙炔聚合物[CAPs]）作為光電化學(xué)析氫反應(yīng)（PEC HER）極具吸引力的材料，由于光生電子和空穴的嚴(yán)重復(fù)合，仍然表現(xiàn)出較差的PEC HER性能。有鑒于此，德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮教授，上海交通大學(xué)張荻教授報(bào)道了利用納米銅在銅纖維素紙（CP）上催化Gaser偶聯(lián)反應(yīng)原位轉(zhuǎn)化為Cu2O的特點(diǎn)，提出了一種用于PEC水分解的CAPs/Cu2O Z型異質(zhì)結(jié)一步制備的一般策略。1）所獲得的CAPs/Cu2O異質(zhì)結(jié)構(gòu)的PEC HER性能取決于CAPs Ev和Cu2O Ec之間的能量差。與純pDET和Cu2O相比，pDET/Cu2O Z方案異質(zhì)結(jié)中的光生電子和空穴被更有效地分離。2）在0.1 M Na2SO4水溶液中，制備的聚(2，5-二乙炔并[3,2-b]噻吩)（pDET)/Cu2O Z型異質(zhì)結(jié)在0.3 kV電壓下相對(duì)于可逆氫電極的載流子分離效率為16.1%，比pDET和Cu2O的載流子分離效率分別提高6.7倍和1.4倍。3）與RHE相比，pDET/Cu2O Z方案異質(zhì)結(jié)在0.3 V時(shí)的光電流達(dá)到≈520 μA cm-2，遠(yuǎn)高于pDET（≈80 μA cm-2），Cu2O（≈100 μA cm-2） ，以及最先進(jìn)的不含助催化劑的有機(jī)或有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)/同質(zhì)結(jié)光電陰極（1-370 μA cm-2）。這項(xiàng)工作推動(dòng)了基于聚合物的Z方案異質(zhì)結(jié)和高性能有機(jī)光電電極的設(shè)計(jì)。
Hanjun Sun, et al, Conjugated Acetylenic Polymers Grafted Cuprous Oxide as an Efficient Z-Scheme Heterojunction for Photoelectrochemical Water Reduction, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002486https://doi.org/10.1002/adma.202002486
10. AM：籠中CdS粒子的制備用于可見光照射下高效光催化產(chǎn)氫
半導(dǎo)體光催化劑先進(jìn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一種高效的增強(qiáng)其在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能方面性能的方法。空心和框架狀結(jié)構(gòu)具有更大的表面積，更短的電荷轉(zhuǎn)移距離，更強(qiáng)的光吸收能力和更高的質(zhì)量轉(zhuǎn)移能力，這光催化反應(yīng)的具有優(yōu)勢(shì)。近日，新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文等開發(fā)了一種簡(jiǎn)便的兩步硫化策略，以制造用于光催化產(chǎn)氫的獨(dú)特的籠中CdS顆粒。1）作者首先將基于Cd的普魯士藍(lán)類似物（Cd-PBA）立方塊轉(zhuǎn)換為Cd-PBA 立方塊在CdS籠中納米粒子，然后將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為籠中CdS粒子。2）得益于新穎的框架結(jié)構(gòu)，所獲得的CdS光催化劑在可見光照射下表現(xiàn)出高的光催化活性，氫生成速率為13.6 mmol h-1 g-1，與CdS立方塊和CdS籠相比，其活性大大提高。該工作報(bào)道的合成策略可能為具有先進(jìn)結(jié)構(gòu)的高性能光催化劑的設(shè)計(jì)和建造以用于進(jìn)行太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換提供新的啟示。
Peng Zhang, et al. Fabrication of CdS Frame‐in‐Cage Particles for Efficient Photocatalytic Hydrogen Generation under Visible‐Light Irradiation. Adv. Mater., 2020DOI: 10.1002/adma.202004561https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004561
11. Nano Lett.：具有高開/關(guān)比和光響應(yīng)性的鐵電門控InSe光電探測(cè)器
硒化銦（InSe）具有高電子遷移率和可調(diào)節(jié)的直接帶隙，使其有可能應(yīng)用于電子和光電設(shè)備。近日，湖南大學(xué)Zhihui Qin，中科院物理研究所Lihong Bao等報(bào)道了使用鐵電聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））共聚物膜作為頂柵電介質(zhì)，制造了具有高開/關(guān)比和超高光響應(yīng)性的InSe光電探測(cè)器。1）作者通過(guò)調(diào)節(jié)鐵電P（VDF-TrFE）共聚物膜中的三種不同的偏振態(tài)，InSe光電探測(cè)器中的暗電流被成功抑制至?10-14A。2）同時(shí)，作者使用六方氮化硼（h-BN）作為基底，以改善絕緣基底與InSe溝道之間的界面。結(jié)果，獲得服軟鐵電共聚物門控的InSe光電探測(cè)器不僅顯示出超過(guò)108的高開/關(guān)比，而且即使在極化狀態(tài)沒(méi)有柵極電壓的情況下，也能顯示高達(dá)14250 AW-1的高光響應(yīng)性和高達(dá)1.63×1013 Jones的檢測(cè)率。此外，測(cè)得的光電流的上升時(shí)間（tr）和下降時(shí)間（tf）分別為600μs和1.2 ms。該工作報(bào)道的結(jié)果體現(xiàn)了鐵電P（VDF-TrFE）在調(diào)節(jié)InSe載流子傳輸中的作用，并可能為基于InSe的光電探測(cè)器的開發(fā)提供一條途徑。
Li Liu, et al. Ferroelectric-Gated InSe Photodetectors with High On/Off Ratios and Photoresponsivity. Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02448https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02448
12. Nano Lett.：黑磷集成硅光子波導(dǎo)用做中紅外發(fā)光二極管
基于III–V / II–VI材料的發(fā)光二極管（LEDs）在中紅外（mid-IR）區(qū)域具有出色的性能，從而在傳感領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)，防御和醫(yī)學(xué)診斷。人們正在努力通過(guò)將中紅外發(fā)射器異質(zhì)集成到硅光子芯片上，以實(shí)現(xiàn)芯片傳感器。但是，這種方法受到與異質(zhì)集成過(guò)程相關(guān)的高成本和界面應(yīng)變的限制。近日，臺(tái)灣清華大學(xué)ChangHua Liu，華盛頓大學(xué)Arka Majumdar等報(bào)道了一種基于黑磷（BP）的范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)被用作室溫LEDs。1）在偏置電壓下，高密度的電流可以從石墨穩(wěn)定地注入BP，從而導(dǎo)致線性偏振的中紅外光發(fā)射，這與BP的直接窄間隙（?0.3 eV）和各向異性的光電性能有關(guān)。基于黑磷（BP）的范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)備發(fā)出線性偏振光，光譜覆蓋了技術(shù)上重要的中紅外大氣窗口。2）此外，BP LEDs具有快速的調(diào)制速度和出色的操作穩(wěn)定性。測(cè)得的峰值外部量子效率可與III–V / II–VI中紅外LEDs媲美。3）通過(guò)利用vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可集成性，作者進(jìn)一步演示了集成了硅光子波導(dǎo)的BP LED。
Tian-Yun Chang, et al. Black phosphorus mid-infrared light emitting diodes integrated with silicon photonic waveguides. Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02818https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02818
