2. Angew.: 靜電相互作用對高效供體-受體光伏共混物中整體形態(tài)的影響
包含混合供體（D）和受體（A）材料的塊狀異質(zhì)結(jié)已被證明是有機光伏（OPV）電池最有效的器件結(jié)構(gòu)。此類電池的整體形態(tài)在電荷產(chǎn)生，復(fù)合和運輸中起著至關(guān)重要的作用，從而決定了器件的性能。盡管許多研究已經(jīng)討論了這些細胞的形態(tài)性能關(guān)系，但設(shè)計具有所需形態(tài)的OPV材料的方法仍不清楚。中科院化學所侯劍輝和姚惠峰等人以分子靜電勢分布為指導(dǎo)，在化學結(jié)構(gòu)和整體形態(tài)之間建立了聯(lián)系。1）研究表明，通過修飾官能團可以有效地調(diào)節(jié)D‐A界面處的分子方向和共混物中的域純度。此外，增強D‐A相互作用有利于電荷產(chǎn)生。然而，在與局部激發(fā)態(tài)的混合中，所得到的低域純度和增加的電荷轉(zhuǎn)移率導(dǎo)致嚴重的電荷復(fù)合。2）該工作提出了一種分子設(shè)計策略，該策略可以微調(diào)體形以實現(xiàn)平衡的電荷產(chǎn)生和重組，這對于進一步提高OPV電池的效率至關(guān)重要。Ma, L., Yao, H., Wang, J., Xu, Y., Gao, M., Zu, Y., Cui, Y., Zhang, S., Ye, L. and Hou, J. (2021), Impact of electrostatic interaction on bulk morphology in efficient donor‐acceptor photovoltaic blends. Angew. Chem. Int. Ed..https://doi.org/10.1002/anie.202102622
3. Angew：通過模板生長的低維無機鈣鈦礦太陽能電池
基于對晶體生長動力學的精確控制，對尺寸和納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控促進了鈣鈦礦光電材料和器件的蓬勃發(fā)展。維度調(diào)控結(jié)構(gòu)促進了有機-無機雜化錫基鈣鈦礦太陽能電池（TPSCs）的效率和穩(wěn)定性的發(fā)展。高晶格能的低維無機鈣鈦礦的探索為進一步提高TPSC的穩(wěn)定性和效率提供了另一個機會。但是，到目前為止，還沒有關(guān)于制造低維無機鈣鈦礦太陽能電池的報道。上海科技大學的寧志軍等人制備了具有2D和3D混合結(jié)構(gòu)的低維無機鹵化鈣鈦礦型CsSnBrI2-x(SCN)x。
1）動力學研究表明，Sn(SCN)2和碘化苯乙銨可以形成2D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充當3D結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦CsSnBrI2-x(SCN)x生長的模板。該薄膜表現(xiàn)出面外取向和較大的晶粒尺寸，從而降低了缺陷密度，提高了熱穩(wěn)定性和抗氧化性。2）基于這種低維薄膜的太陽能電池的效率為5.01％，這是CsSnBrxI3-x鈣鈦礦太陽能電池的最高值。此外，該電池在環(huán)境空氣中顯示出增強的穩(wěn)定性。低維無機結(jié)構(gòu)為高效，穩(wěn)定的鹵化鈦鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)提供了一條途徑。Li, H., Jiang, X., Wei, Q., Zang, Z., Ma, M., Wang, F., Zhou, W. and Ning, Z. (2021), Low dimensional inorganic tin perovskite solar cells by a template growth. Angew. Chem. Int. Ed..https://doi.org/10.1002/anie.202104958
4. AM：二維Honeycomb‐Kagome聚合物用作高效無金屬光解水催化劑
半導(dǎo)體2D聚合物材料具有多孔且高度有序的骨架，多樣的拓撲結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，是光催化水分解的良好候選者。但是，盡管這些2D材料中的大多數(shù)可以催化析氫反應(yīng)（HER），但只有少數(shù)可以光催化析氧反應(yīng)（OER）。近日，南京林業(yè)大學Yu Jing，德累斯頓工業(yè)大學Thomas Heine等在第一性原理計算的基礎(chǔ)上，探索了將以雜原子為中心的triangulene衍生物制成的二維Honeycomb‐Kagome聚合物用于光催化水分解的潛力。1）作者設(shè)計的二維聚合物的間接帶隙在1.80–2.84 eV范圍內(nèi)，并且在太陽光譜的紫外線和可見光區(qū)域顯示出明顯的光吸收。2）研究發(fā)現(xiàn)，聚合物N和B中心可以產(chǎn)生足夠的光子激發(fā)電子和空穴，以分別激活氫和氧的析出反應(yīng)。3）晶格固有的能帶特征（flat bands）與化學功能化（由于雜原子引起的電位移動）的結(jié)合，使得構(gòu)建具有抑制的電子/空穴愈合的串聯(lián)電池成為可能，從而實現(xiàn)了高效的全解水。Yu Jing, et al. 2D Honeycomb‐Kagome Polymer Tandem as Effective Metal‐Free Photocatalysts for Water Splitting. Adv. Mater., 2021DOI: 10.1002/adma.202108645https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008645
5. AM：鹵化物鈣鈦礦：溶液法制備電子器件的新紀元
有機-無機混合鹵化物鈣鈦礦已成為具有優(yōu)異光電性能的優(yōu)異材料，適用于從太陽能電池到發(fā)光二極管和光電化學裝置的眾多應(yīng)用。最近的工作通過改善材料設(shè)計，加工和設(shè)備穩(wěn)定性，展示了用于電子器件應(yīng)用的混合鈣鈦礦的巨大潛力。新南威爾士大學Tom Wu和香港城市大學Jr‐Hau He等人對混合鈣鈦礦電子學進行了全面的最新綜述，重點是晶體管和存儲器。
1）首先，這些應(yīng)用得到混合鈣鈦礦半導(dǎo)體基本材料特性的支持，例如可調(diào)帶隙，雙極性電荷傳輸，合理的遷移率，缺陷特性和溶液可加工性。然后，回顧了基于鈣鈦礦的晶體管的最新進展，涵蓋了制造工藝，圖案化技術(shù)，接觸工程，2D與3D材料選擇以及器件性能等方面。2）此外，提出了鈣鈦礦在非易失性存儲器和人工突觸裝置中的應(yīng)用。還討論了混合鈣鈦礦的環(huán)境不穩(wěn)定性以及解決該瓶頸的策略。最后，重點介紹了將鈣鈦礦基電子技術(shù)開發(fā)為具有競爭力和可行性的技術(shù)的前景和機遇。Younis, A., et al, Halide Perovskites: A New Era of Solution‐Processed Electronics. Adv. Mater. 2021, 2005000.https://doi.org/10.1002/adma.202005000
6. AM：基于三維有序黑磷@Mxene薄膜的柔性自供電集成傳感系統(tǒng)
在不需要外部電源的情況下，準確、連續(xù)地檢測生理信號是實現(xiàn)可穿戴電子器件成為下一代生物醫(yī)學設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。近日，吉林大學韓煒教授，中科院半導(dǎo)體研究所沈國震研究員，Lili Wang報道了通過將柔性壓力傳感器與激光直寫微型超級電容器和太陽能電池相結(jié)合，成功設(shè)計出一種基于MXene/黑磷（BP）的自供電智能傳感器系統(tǒng)。1）研究人員采用逐層(LBL)自組裝工藝形成周期性交錯的MXene/BP層狀結(jié)構(gòu)，使激光直寫微型超級電容器具有較高的儲能性能，以驅(qū)動傳感器的工作，補償光照的間歇性。2）將MXene/BP作為柔性壓力傳感器的敏感層，在最佳彈性模量為0.45 MPa時，器件的壓力靈敏度可提高到77.61 kPa-1。此外，該智能傳感器系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時間（10.9 ms），能夠?qū)崟r檢測人體在生理條件下的心臟狀態(tài)。這項基于MXene材料設(shè)計和集成的研究將為下一代自供電電子學提供一個通用的平臺。Yupu Zhang, et al, Flexible Self-Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus@MXene Thin-Films, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202007890https://doi.org/10.1002/adma.202007890
7. AEM：MoC上活性位點配位環(huán)境的優(yōu)化用于高效甲烷生產(chǎn)
盡管調(diào)控催化劑表面活性中心的配位環(huán)境是開發(fā)高效催化劑和控制催化反應(yīng)的關(guān)鍵。然而，這同樣是一個極具挑戰(zhàn)性的過程。近日，天津理工大學丁軼教授，羅俊教授，美國加州大學歐文分校忻獲麟教授，布魯克海文國家實驗室Radoslav R. Adzic報道了成功地在原子水平上修飾了MoC納米顆粒表面活性中心的配位環(huán)境，其中多孔石墨烯的吡啶基N原子環(huán)被錨定在空位附近的Mo原子上。1）根據(jù)密度泛函理論（DFT）計算，N原子環(huán)被用來產(chǎn)生靜電力，從而將*OH中間體中帶負電的O原子從活性中心排斥出來，導(dǎo)致中心空位的鈍化和Mo頂部中心的活化。研究人員利用原子分辨成像、高分辨電子斷層掃描、同步加速器軟X射線光譜和電化學紅外光譜都很好地證實了這種原子級修飾。2）實驗結(jié)果表明，在室溫下，CO2ECR在水溶液中轉(zhuǎn)化為CH4的FE從16%提高到89%。此外，在50 h內(nèi)，其活度損失也可以忽略不計。因此，這種原子環(huán)調(diào)節(jié)策略為提高金屬碳化物金屬基活性中心的活性、修飾活性中心以防止OH的過度吸附、控制帶電中間體以促進催化反應(yīng)開辟了一條新的途徑。Lili Han, et al, Modification of the Coordination Environment of Active Sites on MoC for High-Efficiency CH4Production, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202100044https://doi.org/10.1002/aenm.202100044
8. AFM：鋰和鈉電池中的鈍化層：電位分布、穩(wěn)定性和電壓降
鈍化層是防止材料對環(huán)境產(chǎn)生不必要反應(yīng)的涂層。它們在金屬腐蝕領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)避免氧化（主要是形成氧化物或硫化物）。大多數(shù)關(guān)于鈍化層的基本熱力學和動力學研究都是在這一背景下進行的。然而，鈍化層不僅發(fā)生在氣相，而且發(fā)生在凝聚相，對于穩(wěn)定液體或固體電解質(zhì)對電極的界面至關(guān)重要。有鑒于此，馬普固體研究所Joachim Maier等人分析了電池中決定性熱力學勢的分布，重點分析了形成的固體電解質(zhì)界面（SEI）鈍化層。1）現(xiàn)實的鈍化層相當復(fù)雜。然而，了解理想情況下的動力學和熱力學是必不可少的。首先討論了對生長和化學穩(wěn)定性的影響。區(qū)分了人工SEI和熱力學完全定義的原位SEI的極端情況：（i）人工SEI，除了允許離子傳輸是完全惰性的；（ii）與相鄰相完全熱力學相容的天然SEI相。這些簡化的情況在此處以適當?shù)臏蚀_度進行了考慮。2）分析還包括SEI/電解質(zhì)組合上的開路電壓降。對于假定的簡化條件(恒定的輸運系數(shù)、偽一維幾何、沒有空間電荷區(qū)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性)，該處理方法是嚴格的。得到的電化學、化學和電勢可以作為理解和優(yōu)化鋰或鈉基電池鈍化層的指南。3）在最后一節(jié)中，在較少量化的級別上解決了更現(xiàn)實的情況。該結(jié)果還可以應(yīng)用于燃料電池或電解槽。對復(fù)雜性較高的案例的處理是在一個更定性的水平上，但盡管如此，相信人們會獲得比目前文獻中更深層次的理解。Chuanlian Xiao et al. Passivation Layers in Lithium and Sodium Batteries: Potential Profiles, Stabilities, and Voltage Drops. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100938.DOI: 10.1002/adfm.202100938.https://doi.org/10.1002/adfm.202100938
9. AFM：離子液體-分子溶劑混合電解質(zhì)的參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)Li-O2電池中鋰金屬的穩(wěn)定循環(huán)
鋰金屬電極的有效利用對于最大化鋰氧（Li-O2）電池的比能量至關(guān)重要。許多支持Li–O2正極工藝的常規(guī)電解質(zhì)（例如，二甲基亞砜，DMSO）與鋰金屬不兼容。有鑒于此，利物浦大學Alex R. Neale和Laurence J. Hardwick等人探索了一系列基于溶劑、鹽和離子液體（IL）的三元溶液，以了解如何調(diào)整配方，以提高DMSO在鋰金屬電極上的穩(wěn)定性和性能。1）優(yōu)化后的配方促進了穩(wěn)定的鋰電鍍/剝離性能，庫倫效率>94％，并改善了Li-O2全電池的性能。對Li表面的表征揭示了在優(yōu)化的配方中，抑制了枝晶沉積和腐蝕以及對界面上分解反應(yīng)的調(diào)節(jié)。2）這些觀察結(jié)果與局部溶劑化環(huán)境的光譜表征和模擬相關(guān)，表明DMSO-Li+陽離子相互作用的持續(xù)重要性。其中，穩(wěn)定性仍然取決于溶液中的重要摩爾比，并且對應(yīng)于這些系統(tǒng)中理想配位體的溶劑-鹽比（4：1）對于這些三元配方至關(guān)重要。3）重要的是，引入這種穩(wěn)定的、非揮發(fā)性的IL對Li+和DMSO之間關(guān)鍵穩(wěn)定相互作用的破壞作用可忽略不計，因此，可以謹慎地引入以調(diào)整Li-O2電池其他關(guān)鍵電解質(zhì)的性能。Alex R. Neale et al. Design Parameters for Ionic Liquid–Molecular Solvent Blend Electrolytes to Enable Stable Li Metal Cycling Within Li–O2 Batteries. Adv. Funct. Mater. 2021, 2010627.DOI: 10.1002/adfm.202010627https://doi.org/10.1002/adfm.202010627
10. Nano Lett.: 通過同時生成原子空位和Pt團簇活化二維PtSe2基面以高效析氫
二維（2D）PtSe2由于其出色的催化活性和電導(dǎo)率已成為一種有前途的超薄電催化劑。然而，PtSe2基面對析氫反應(yīng)(HER)是惰性的，這極大地限制了其電催化性能。有鑒于此，清華大學焦麗穎副教授和北京郵電大學盧鵬飛教授等人，根據(jù)理論計算，設(shè)計了一種簡單的方法，通過在溫和的Ar等離子體處理中同時引入Se、Pt和Pt團簇的原子空位來激活二維PtSe2基面。1）理論計算表明，在二維PtSe2基面上引入空位和Pt原子，可以降低吸附氫的絕對吉布斯自由能值(|ΔGH|)，從而大大增加2D PtSe2上的活性位點數(shù)量。為了通過實驗引入這些預(yù)測的活性位點，用溫和的Ar等離子體處理了2D PtSe2，并確認了在等離子體蝕刻的早期產(chǎn)生了原子空位，然后通過結(jié)合各種光譜學和微觀表征，通過長時間蝕刻形成了Pt簇。2）對不同處理階段的PtSe2薄片的電化學測量表明，Se和Pt空位的形成明顯提高了二維PtSe2的HER活性，并且可以通過生成Pt團簇進一步提高性能。3）在優(yōu)化條件下處理的2D PtSe2的基面顯示出顯著增加的電催化活性，電流密度為10 mA/cm2所需的過電位為11 mV（vs RHE）,Tafel斜率約為48 mV/dec，優(yōu)于各種2D TMDCs電催化劑。總之，該工作證明了活化2D PtSe2作為HER超薄催化劑的巨大潛力，并為2D電催化劑的合理設(shè)計提供了新的見解。Xiaofan Ping et al. Activating a Two-Dimensional PtSe2 Basal Plane for the Hydrogen Evolution Reaction through the Simultaneous Generation of Atomic Vacancies and Pt Clusters. Nano Lett., 2021.DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00380https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00380
11. Nano Energy：一種分層結(jié)構(gòu)Ti3C2Tx MXene紙用于高容量Li-S電池
由于鋰硫（Li-S）電池的硫密度較低，而且大部分碳基材料被用作導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和多硫化鋰（LiPS）主體材料，其實際體積能量密度幾乎無法與鋰離子電池相媲美。近日，南京工業(yè)大學董曉臣教授，阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef報道了一種具有獨特的三維層次結(jié)構(gòu)、較高的電子電導(dǎo)率、豐富的活性結(jié)合位點、較快的離子傳輸能力和對LiPS的高親和力的Mxene（Ti3C2Tx）基膜，是提高Li-S電池電化學性能的一種新的基質(zhì)材料。1）強粘附的聚多巴胺（PDA）可以很容易被包裹到S球上，從而具有正電。通過靜電相互作用，帶負電的碎裂的Ti3C2Tx（C-Ti3C2Tx）具有豐富的表面端基（-OH，-O和-F），可以高效而均勻地包裹在帶正電的PDA包覆的S球上（S@PC）。值得注意的是，帶正電的PDA層可以防止C-Ti3C2Tx納米片的重堆積，為高性能Li-S電池保留足夠數(shù)量的活性位點。此外，L-Ti3C2Tx的平均尺寸為1-3 μm，遠大于C-Ti3C2Tx納米片（20-100 nm），因此L-Ti3C2Tx可以作為導(dǎo)電支架，通過真空過濾過程緊密容納S@PC球，從而為Li-S電池提供堅固、獨立的S@PDA@C-Ti3C2Tx/L-Ti3C2Tx（S@PCL）膜。2）實驗結(jié)果顯示，含4.0 mg cm?2硫的S@PCL正極在200次循環(huán)后可提供2.7Ah cm?3的高容量。非原位和原位實驗結(jié)果表明，層次化的S@PCL提供的豐富的表面活性中心可以通過硫代硫酸鹽/多硫酸鹽氧化還原轉(zhuǎn)化和Lewis酸堿相互作用的雙重固定機制有效地抑制LiPS的穿梭效應(yīng)。此外，研究人員證實了在充電過程中存在穩(wěn)定的充電階段產(chǎn)物α-S8，并揭示了其在有效限制LiPS形成和減少活性質(zhì)量損失方面的關(guān)鍵作用。Wenli Zhao, et al, Hierarchically Structured Ti3C2Tx MXene Paper for Li-S Batteries with High Volumetric Capacity, Nano Energy, (2020)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106120https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106120
12. EnSM：H2PO4-與Al3+絡(luò)合用于抑制水電解質(zhì)中鋁負極鈍化以及一種電致變色Al離子電池
水系鋁離子電池（AIBs）是一種極具吸引力的后鋰離子電池替代儲能技術(shù)。然而，由于Al電極表面形成的鈍化層以及Al3+離子與主體材料之間強烈的靜電相互作用，導(dǎo)致的短壽命嚴重阻礙了AIBs的發(fā)展。近日，松山湖材料實驗室支春義教授，Hongfei Li報道了開發(fā)了一種以三(三氟磺酸)鋁（Al(TOF)3）和磷酸（H3PO4）為基礎(chǔ)的復(fù)合電解質(zhì)，其可以有效地緩解鈍化，并表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。1）基于該電解質(zhì)和聚苯胺（PANI）正極的全水系A(chǔ)IB顯示出破紀錄的3850次循環(huán)壽命和出色的倍率性能。機理研究表明，Al3+離子與H2PO4-和TOF-均形成絡(luò)合離子Al(H2PO4-)x(TOF-)y+(H2O)n，從而降低了三價Al3+的強電荷密度，從而有利于快速反應(yīng)動力學。此外，原位研究表明，PANI正極在充放電過程中經(jīng)歷了Al(H2PO4-)x(TOF-)y+(H2O)n、TOF-和H+的共插層/脫嵌過程，可逆性和穩(wěn)定性較高。2）作為概念驗證，研究人員制作了一種電致變色Al//PANI電池，其結(jié)合了電致變色和儲能，在630 nm波長下的著色效率（CE）高達84 cm2 C-1。這項工作為開發(fā)長壽命Al/PANI水系電池提供了一種有效而簡便的策略，并有望促進具有電致變色功能的AIBs的應(yīng)用。Haiming Lv , et al, Suppressing passivation layer of Al anode in aqueous electrolytes by complexation of H2PO4?to Al3+ and an electrochromic Al ion battery, Energy Storage Materials (2021)DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.044https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.044
