1. Nature Catalysis：Au/ZnO-TiO2光催化甲烷有氧氧化制乙烷
直接將甲烷轉化為高附加值化學品具有非常大的挑戰，這是因為需要發展同時能夠實現高反應活性和高選擇性的C-H鍵活化催化劑。有鑒于此，北海道大學葉金花教授、Hui Song等報道發展了一種高效率和高選擇性的氧化甲烷氧化為乙烷的流動相光催化方法，通過Au納米粒子擔載于ZnO/TiO2催化劑，以流動相方式進行催化反應，實現了5000 μmol g-1 h-1產率和90 %的乙烷選擇性。1）通過這種催化劑進行催化反應，在甲烷的轉化率為0.13 %時，實現了5000 μmol g-1 h-1產率和90 %的選擇性，效果比以往報道的高性能催化劑提高了一個數量級。通過詳細的表征和理論計算結果，發現ZnO和TiO2之間形成異質結構導致提高光催化反應活性，同時由于催化劑中的主要組成部分ZnO催化氧化能力較弱，因此保證較高的反應選擇性。2）DFT計算模擬結果發現，Au-ZnO/TiO2催化劑上能夠在光照條件中非常容易生成氧空穴位點，因此能夠降低吸附能和活化能、促進O2解離，改善CH4氧化反應。Au助催化劑能夠促進甲基（CH3）物種脫附生成氣相CH3·偶聯反應生成C2H6，抑制CH4氧化為OCH3生成CO2。這種光催化反應過程能夠避免傳統熱催化反應方法中成本過高的問題，但是這種光催化反應中面臨的一個挑戰在于難以將反應中生成的乙烷從反應物中分離。Song, S., Song, H., Li, L. et al. A selective Au-ZnO/TiO2 hybrid photocatalyst for oxidative coupling of methane to ethane with dioxygen. Nat Catal (2021).DOI: 10.1038/s41929-021-00708-9https://www.nature.com/articles/s41929-021-00708-9
2. Joule：28.2%效率、戶外穩定的鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池
在過去的十年中，鈣鈦礦太陽能電池的效率迅速提高。進一步提高效率的一個有前途的策略是構建串聯器件，尤其是與 Si 底部電池配對時。寬帶隙鈣鈦礦頂電池的相位不穩定性限制了串聯性能及其應用前景。因此，非常需要開發策略來抑制鈣鈦礦層中的鹵化物偏析而不影響器件性能。將鈣鈦礦太陽能電池堆疊到晶體硅底部電池上，可以實現遠高于單結對應物的功率轉換效率 (PCE)。然而，最先進的寬帶隙鈣鈦礦薄膜存在相穩定性問題。阿卜杜拉國王科技大學Jiang Liu和Stefaan De Wolf等人報道了咔唑作為鈣鈦礦前體溶液的添加劑提高器件性能。1）咔唑不僅可以減少非輻射復合損失，而且更重要的是，還可以抑制暴露于水分和光照下的相分離。在紋理硅異質結太陽能電池上沉積鈣鈦礦層。2）制成這使得單片鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的穩定PCE為28.6%（第三方機構認證為 28.2%），有效面積超過1 cm2；在超過3.8 cm2面積上實現了超過27.1%的效率。3）改進的串聯器件在炎熱潮濕的室外環境中保持初始性能的93%；在持續標準光光照和相對濕度100%條件下，穩定250小時；在85/85濕熱測試期間，經過500 小時保持初始性能的87%。這證明了改進的相穩定性。Jiang Liu, et al. 28.2%-efficient, outdoor-stable perovskite/silicon tandem solar cell, Joule, 2021DOI：10.1016/j.joule.2021.11.003https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121004992#!
3. Chem：用于制備熱穩定單原子催化劑的氣相自組裝
熱穩定的金屬單原子催化劑（SACs）的制備是多相催化領域的一大挑戰，尤其是在金屬-載體相互作用較弱的傳統載體上。近日，廈門大學熊海峰教授，福州大學林森教授，華盛頓州立大學Yong Wang，新墨西哥大學Abhaya K. Datye報道了一種新的方法，通過在Pt/MgAl2O4中添加含K的鹽，在高溫下（空氣中800 °C）重新分散Pt納米粒子，從而形成原子分散的Pt物種。1）研究發現，K修飾的Pt再分散是由于揮發性物種的自組裝，導致了Pt單原子的穩定。表征和密度泛函理論(DFT)計算結果揭示了這些Pt單原子在Pt/K/MgAl2O4 SAC上的位置。2）研究人員研究了Pt/K/MgAl2O4 SAC在甲烷氧化中的耐久性。雖然先前已報道添加K可以穩定Pt1/Al2O3和Pt1/SiO2的單原子或納米團簇，而制備和反應測試是在低溫（110-150 ℃）下進行。當反應在較高溫度下進行時，在Pt/Al2O3中添加K不足以穩定Pt SACs。這項工作提供了一種利用金屬-載體相互作用弱的載體在高溫下捕獲可移動的金屬單原子的通用方法，以開發具有熱穩定性、高活性和耐水性的甲烷氧化SACs。Li et al., Vapor-phase self-assembly for generating thermally stable single atom catalysts, Chem (2021)
DOI：10.1016/j.chempr.2021.11.002https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.11.002
4. Matter: 具有超高珀塞爾增強的亞波長激光鈣鈦礦
鹵化物鈣鈦礦卓越的光物理特性催生了高性能激光器。然而，緩慢的發射動力學和衍射限制裝置對實現用于集成光電應用的超快和緊湊激光器施加了內在障礙。等離子體腔已被用于減小激光器尺寸。然而，由于腔尺寸不斷減小和損耗增加之間的兩難境地，發射動力學從根本上受到限制。美國加州大學伯克利分校Xiang Zhang等人展示了一種具有209的超高珀塞爾增強的亞波長級激光鈣鈦礦，它極大地增強了環境條件下的發射動力學。1）與鈣鈦礦相結合的混合表面等離子體激元（SPP）顯著減少了等離子體和陷阱狀態損失通道，并促進了強大的珀塞爾效應。2）此外，實現遠離鈣鈦礦區域的SPP限制可減輕增益退化，從而實現卓越的長期器件穩定性和可靠性。我們的研究為片上超快光電子學和強受限場光-物質相互作用的基礎研究開辟了一條新途徑。Sui Yang et al. Subwavelength-scale lasing perovskite with ultrahigh Purcell enhancement, Matter, 2021
DOI：10.1016/j.matt.2021.10.024https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238521005567#!
5. Adv. Sci.: 舊材料新功能:金屬氰化物基多孔材料的研究進展
氰化物是構建開放框架最簡單的配體，具有強堿性，包括配位化學歷史上報道的一些最古老的化合物。氰化物可以與具有不同幾何形狀的不同過渡金屬離子形成多種氰基金屬鹽。強大的擴展網絡的合理設計是通過氰化物配體的強鍵合性質和高方向性實現的。憑借氰基金屬化物和/或有機連接體的組合，多功能骨架材料可以被定向合成并用于各種應用，從分子吸附/分離到能量轉換和存儲，以及自旋交叉材料。在下一代智能材料的開發中，氰化物基材料的外部客體和刺激響應行為也受到了重視。有鑒于此，德克薩斯大學圣安東尼奧分校陳邦林教授和中山大學Rui-Biao Lin等人，綜述了近年來氰化物基多功能材料的研究進展，說明了氰化物配體在現代配位化學和材料科學發展中的巨大潛力。1）從現代的角度來看，金屬-配體配位鍵的化學性質徹底改變了結晶周期性固態材料的發展，例如多孔配位聚合物或金屬-有機骨架。然而，與呈指數增長的新型無機-有機雜化材料相比，氰基金屬酸鹽是一種多樣化的舊分子結構單元，在過去十年中有些被遺忘。事實上，廉價的氰化物配體、其獨特的化學性質和具有不同對稱性和配位數的多功能氰基金屬鹽，可以作為探索新型多功能材料的絕佳平臺。2）盡管取得了巨大的研究進展，但隨著多功能氰化物基材料的研究越來越廣泛和深入，仍需解決一些挑戰 i) 納米材料合成和形態控制的機制尚缺乏。ii)新的表征技術，特別是原位表征技術，對于揭示納米結構和動態結構演化至關重要。應利用拉曼光譜、x射線吸收光譜和HRTEM等先進技術對其機理進行深入研究。iii) 氰化物基材料與碳材料等復合材料的整合，將有助于克服其固有限制，例如電化學過程的導電性差。Yi Xie et al. Old Materials for New Functions: Recent Progress on Metal Cyanide Based Porous Materials. Advanced Science, 2021.
DOI: 10.1002/advs.202104234https://doi.org/10.1002/advs.202104234
6. Adv. Sci.: 基于Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6無鉛雙鈣鈦礦量子點的白光發光二極管
基于鈣鈦礦的光電器件由于其優異的器件性能和簡便的溶液處理而引起了廣泛的關注。然而，鉛基鈣鈦礦的毒性和內在不穩定性限制了它們的商業發展。此外，從單個鈣鈦礦層提供有效的白光發射具有挑戰性。北京大學Bo Qu等人首次制造了基于無鉛雙鈣鈦礦Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6量子點（QD）而沒有任何磷光體的新型電激發白光發光二極管（WLED）。1) 進行密度泛函理論計算以闡明Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6中吸收和復合的機制，Bi 摻雜打破了直接帶隙的奇偶禁止躍遷。2）微區光學和電子表征表明，Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6 QDs的寬帶發射源自自陷激子，并且在薄膜沉積后發光特性不變。 3）QD-WLED具有出色的Commission Internationale de L'Eclairage 色坐標、相關色溫和相對較高的顯色指數，分別為 (0.32、0.32)、6432 K 和 94.5。 4）158 cd m-2 的最大亮度是通過三苯基氧化膦鈍化實現的，這種無鉛QD-WLED在環境空氣中表現出優異的穩定性，T50≈48.53 分鐘。因此，無鉛鈣鈦礦Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6 QD 是未來用于WLED的有希望的候選者。Zhang, Y., Zhang, Z., Yu, W., He, Y., Chen, Z., Xiao, L., Shi, J., Guo, X., Wang, S., Qu, B., Lead-free Double Perovskite Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6 Quantum Dots for White Light-Emitting Diodes. Adv. Sci. 2021, 2102895.DOI：10.1002/advs.202102895https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102895
7. Nano Letters：形貌和晶體取向可控的半導體納米線的自催化生長
雖然人們已經在理論上預測了半導體納米線的取向相關特性，但由于控制納米線晶體生長方向的局限性，其研究在許多領域一直被忽視。近日，成均館大學Dongmok Whang，Byung-Sung Kim報道了介紹了一種通過自催化低壓化學氣相沉積法生長單晶鍺（Ge）納米線（NWs）的方法。1）通過調節生長溫度，可以在同一襯底上選擇性地控制GeNWs的生長方向為〈110〉，〈112〉，或〈111〉方向。2）具有不同生長方向的NWs表現出不同的形貌特征，使得NWs的形貌可以從均勻的NWs控制到納米帶結構。3）值得注意的是，基于VLS的〈111〉取向GeNW的自催化生長表明，即使沒有合適的外部催化劑，單一的元素材料也可以進行NW生長。這些發現有望為研究半導體 NWs的取向相關特性提供機會。Hyeon-Sik Jang, et al, Self-Catalytic Growth of Elementary Semiconductor Nanowires with Controlled Morphology and Crystallographic Orientation, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02982https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02982
8. AEM：CsI增強型埋入界面用于高效且抗紫外線的鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦和電子傳輸層（ETL）之間的埋入界面對于進一步提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉換效率（PCE）和穩定性起著至關重要的作用。然而，由于它被埋在鈣鈦礦薄膜的底部，因此有效地優化該界面具有挑戰性。上海交通大學趙一新和上海應用技術大學張太陽等人報道了一種使用 CsI-SnO2復合物作為 ETL 構建高效穩定PSC的埋入界面強化策略。1）CsI改性促進鈣鈦礦薄膜的生長并有效鈍化界面缺陷。同時，Cs+的梯度分布有助于與鈣鈦礦更合適的帶排列，并且Cs+在底部界面處摻入鈣鈦礦中增強了對紫外線照射的抵抗力。2）最終，實現了高達23.3%的改善的PCE 和大大增強的FAPbI3 基PSC的紫外線穩定性。這項工作強調了Cs+增強界面的重要性，并為同時實現高效和紫外線穩定的鈣鈦礦太陽能電池提供了一種有效的方法。Xu, H., et al, CsI Enhanced Buried Interface for Efficient and UV-Robust Perovskite Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2021, 2103151.DOI：10.1002/aenm.202103151https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103151
9. AEM：共晶刻蝕對用于高性能雙離子電池負極Cl-MXene面內孔隙率的調控
金屬導電MXenes領域的快速發展突出了它們作為電極材料的可行性，但由于危險的HF刻蝕產生的低比表面積和不均勻的邊緣端基，其應用仍然受到嚴重阻礙。為了解決這些問題，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授，Aiping Yu報道了首次采用共晶混合刻蝕策略，通過控制所選鹽熔體的相變，以MAX前驅體(Ti3AlC2)為原料，一步合成了面內孔隙率可調的Cl-Mxene（Ti3C2Cl2）。1）具體而言，研究人員控制NaCl/ZnCl2鹽混合物的溫度和組成，形成了一種機制，構建并關鍵地保留MXene孔結構，從而實現材料介孔的大幅增加和比表面積的四倍增加。此外，X射線光譜分析表明TiC6的八面體對稱性增強，密度泛函理論（DFT）計算表明鋰擴散勢壘較低，這意味著其更適合于離子輸運。2）得益于上述優化，介孔Ti3C2Cl2作為雙離子電池負極，0.1 A g?1下的容量可達382 mAh g?1，在2.0 A g?1循環1000次后容量保持率超過89%。總體而言，這項研究提出了一種綠色化學方法，可以直接合成具有最佳孔隙率和表面端基的MXenes，用于電化學應用，為有針對性的結構修飾提供了新的見解。Maiwen Zhang, et al, Eutectic Etching toward In-Plane Porosity Manipulation of Cl-Terminated MXene for High-Performance Dual-Ion Battery Anode, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202102493https://doi.org/10.1002/aenm.202102493
10. AEM：一種可清洗、可伸縮的Zn-MnO2充電電池
隨著不斷涌現出的柔性和可伸縮電子器件應用，集成具有成本效益的內置儲能器件的需求變得越來越明顯，這些器件能夠承受變形，同時保持性能和安全性。特別是，可伸縮電池在可穿戴設備、電子皮膚、應變傳感器和植入式醫療設備等供電系統方面吸引了人們極大的興趣。近日，不列顛哥倫比亞大學John D. W. Madden報道了開發了一種可拉伸的Zn/MnO2電池，其在彎曲、扭曲、拉伸和洗滌的情況下表現出了堅固的性能。1）電池電化學和機械穩定性的關鍵是使用聚(苯乙烯–異丁烯–苯乙烯) （SIBS）彈性體作為密封劑、膜分離劑和粘結劑，這有利于組件的熱或溶劑誘導粘合。2）該電池包括：1）由炭黑/碳納米纖維/SIBS復合材料制成的集電器，即使在100%應變下進行多次拉伸循環也具有良好的導電性；2）具有良好離子導電性的高度可伸縮和離子導電的多孔SIBS隔膜；3）含有活性材料（Zn和MnO2）/炭黑/SIBS的正負極復合材料；4）使電池能夠在常溫下保持工作兩年并經得起洗滌的SIBS包裝層。3）所得電池活性材料的容量為160 mAh g?1。電池在經過150次100%應變循環后功能完全正常，可以清洗，甚至可以用作檢測機械載荷（彎曲、拉伸）的傳感器。此外，SIBS可以類似地應用于其他可伸縮電化學儲能器件，包括鋰離子電池和超級電容器，以用于柔性和可伸縮性占據重要地位的應用。Tan N. Nguyen, et al, Washable and Stretchable Zn–MnO2 Rechargeable Cell, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202103148https://doi.org/10.1002/aenm.202103148
11. AEM：構建低溫區域具有高熱電性能的Ge量子點和Sn沉淀SiGeSn雜化薄膜
SiGe基熱電(TE)材料以其在高溫下的使用而被知曉，但在低溫區域的使用卻較少。近日，日本國家材料科學研究所(NIMS)Takao Mori，日本芝浦工業大學Lei Miao等報道了一種基于SiGeSn QDs雜化納米結構的高性能n型TE材料。1）作者通過對Si/SiO2基底上的經P離子注入處理的SiGeSn膜的超快高溫退火(UHA)構建了Ge量子點(QDs)和Sn沉淀SiGeSn雜化薄膜。2）結合了以Sn沉淀為主的調控摻雜效應和由Ge QDs引起的能量過濾效應，優化的SiGe薄膜在室溫下實現了高達 91 μW cm-1K-2 @300 K的巨大功率因數，同時保持有低的熱電導率。該工作報道的薄膜構建策略為具有高性能的TE材料提供了新的思路。Ying Peng, et al. Constructed Ge Quantum Dots and Sn Precipitate SiGeSn Hybrid Film with High Thermoelectric Performance at Low Temperature Region. Adv. Energy Mater., 2021DOI: 10.1002/aenm.202103191https://doi.org/10.1002/aenm.202103191
12. AFM：單晶富鋰層狀正極材料中抑制析氧和結構畸變
得益于額外的氧氧化還原活性大大提高了輸出能量密度，富鋰（Li）氧化物可以作為高能量密度鋰離子電池（LIBs）的下一代正極材料。然而，氧損失和結構畸變導致其初始庫侖效率較低，循環性能衰減嚴重，進一步阻礙了其工業應用。近日，日本產業技術綜合研究所（AIST）周豪慎教授，Xin Cao，南京大學Ping He報道了開發了一種單晶富鋰Li1.2Ni0.2Mn0.6O2（SC-LLNMO）作為正極材料，其在第一次充電過程中的氧相關平臺位于4.75 V，不同于典型的多晶Li1.2Ni0.2Mn0.6O2 （PC-LLNMO, 4.55 V）。1）研究發現，PC-LLNMO在第一次氧活化過程中析氧嚴重，不可逆放電容量為101 mAh g?1，而SC-LLNMO的不可逆氧行為得到了良好的抑制。此外，SC樣品中的層狀/尖晶石相變得到了有效地抑制，提高了結構的穩定性，并在長循環時實現了有限的電壓衰減。值得注意的是，SC-LLNMO樣品在Li+(脫)插層過程中具有有限的體積變化（1.47%），而PC-LLNMO樣品僅在PC電極上就檢測嚴重的裂紋產生（2.34%）。2）實驗結果顯示，在相同的電化學條件下，SC-LLNMO具有最佳的循環性能，200次循環后的容量保持率為92%，而PC的容量衰減較快，容量保持率僅為68%，這得益于SC-LLNMO中的氧損失受到抑制，體積變化有限，結構演變穩定所致。這些發現表明，單晶的形貌設計可以作為實現高能量密度和長壽命鋰離子電池的有效策略。Jianming Sun, et al, Restraining Oxygen Release and Suppressing Structure Distortion in Single-Crystal Li-Rich Layered Cathode Materials, Adv. Funct. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adfm.202110295https://doi.org/10.1002/adfm.202110295
