SCIENCE CHINA Materials 2017年第9期

SCIENCE CHINA Materials?

Volume 60, Issue 9, September 2017

Cover

可用于三維細胞培養的功能性微載體的制備對于許多組織工程應用非常重要。 受佛珠手串中佛珠可以在繩子上自由滑動這一特殊結構的啟發，趙遠錦等采用毛細管陣列微流控技術設計和開發了一種新型細胞微載體。由于具有可控的大孔和異質微結構，這種微載體能夠保證在細胞培養過程中提供充足的氧氣和營養物質，并且可以封裝空間各向異性或異質細胞，以模擬人體組織的復雜生理結構和功能（參見第857頁的文章）

Review

Design and tailoring of patterned ZnO nanostructures for energy conversion applications

圖案化ZnO納米結構的設計調控及其在能量轉換器件中的應用

司浩楠，康卓，廖慶亮，張錚，張曉梅，汪莉*，張躍*

摘要：ZnO作為典型的直接帶隙寬禁帶半導體材料具有豐富的形貌結構和獨特的物理、化學性能，被廣泛應用于能源、信息技術、生物醫學等領域。目前納米結構的精確設計與可控制備已成為改善ZnO基功能型納器件性能的重要手段。本論文介紹了利用圖案化技術對ZnO納米結構進行限域生長的技術手段，重點綜述了光刻技術和激光干涉模板法在精細ZnO納米結構制備方面的研究進展，及其在光伏電池、光電化學電池、發光器件和納米發電機四種能量轉換器件中的應用。形貌結構可調的ZnO納米結構具有分立的高精度空間納米結構、增大的比表面積、提升的光子捕獲能力，在與其他材料復合時利于實現高效的載流子行為調控，獲得了高效的能量轉換，滿足了不同功能型納器件對材料結構的需求。針對ZnO納米結構精確設計所發展的一系列圖案化技術對其他材料的復雜納米結構可控制備具有重要的指導意義，亦為功能型納器件的進一步發展開辟了一個全新的途徑。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 793-810

Articles

Quantum confinement effect of two-dimensional all-inorganic halide perovskites

全無機鹵素鈣鈦礦中的量子限制效應

蔡波，李曉明，顧宇，Moussab Harb，李建海，謝美秋，曹菲，宋繼中，張勝利，Luigi Cavallo，曾海波^*

摘要：當半導體材料尺寸縮小到與激子尺寸相當的時候，量子限制效應會在對應的低維材料中誘導出不同的物理行為。本文以CsPbBr₃為例，報道了在全無機鈣鈦礦納米片中的量子限制效應。根據DFT理論模擬可知，當CsPbBr₃材料減薄至7納米左右時，該效應導致該材料的光吸收和光致發光光譜的峰位藍移，且樣品越薄，峰位藍移現象越明顯。該效應也會導致激子束縛能隨著材料厚度的減薄而顯著增大。同時，變溫光致發光光譜的光強-溫度與半高寬-溫度函數都顯示出厚度越薄量子限制效應越強的趨勢。本文揭示了二維全無機鹵化物鈣鈦礦的量子限制效應，可為設計全無機鹵化物鈣鈦礦光電器件提供參考依據。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 811-818

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Design and synthesis of low band gap non-fullerene acceptors for organic solar cells with impressively high J_sc over 21 mA cm^-2

窄帶系非富勒烯受體用于有機太陽電池獲得超過21 mA cm^?2的短路電路密度

高歡歡, 孫延娜, 萬相見^*, 闞斌, 柯鑫, 張洪濤, 李晨曦, 陳永勝^*

摘要：本文設計合成了基于噻吩[3，2b]噻吩稠環受體具有不同末端基團的三個窄帶系非富勒烯受體TTIC-M，TTIC和TTIC-F。采用寬帶隙聚合物PBDB-T為給體在300-900 nm光譜范圍內形成了互補光吸收, 基于TTIC-M，TTIC和TTIC-F的光伏器件分別獲得了高達9.97%，10.87%和9.51%的效率和高達21 mA cm^-2的短路電流密度。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 819-828

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Enhanced performance of solar cells via anchoring CuGaS₂ quantum dots

鉚釘CuGaS₂量子點對提高太陽電池光伏性能的研究

趙晉津^*，劉正浩，唐浩，賈春媚，趙星宇, 薛峰, 魏麗玉, 孔國麗, 王晨, 劉金喜^*

摘要：三元I-III-VI族黃銅礦量子點作為太陽電池的敏化劑表現出優異的光學性質。我們采用一步法將2-5納米的三元黃銅礦CuGaS₂量子點鉚釘在TiO₂納米顆粒上，不通過任何有機分子作為鏈接制備出了TiO₂@CGS復合材料。研究發現量子點和染料TiO₂@CuGaS₂/N719共敏化太陽電池效率達到7.4%，相對于單敏化染料太陽電池而言，其電池效率提高了23%。CuGaS₂量子點鉚釘在半導體納米顆粒增強了共敏化太陽電池的光吸收能力、增加了電荷載流子數量，促進了電子有效注入, 具有十分廣闊的應用空間。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 829-838

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A novel lithium-ion battery comprising Li-rich@Cr₂O₅?composite cathode and Li₄Ti₅O₁₂anode with controllable coulombic efficiency

富鋰相@五氧化二鉻復合正極和鋰鈦氧負極匹配的具有可控庫侖效率新型鋰離子電池

丁翔，鄒邦坤，李禹宣，賀曉東，廖家英，唐仲豐，邵宇，陳春華*

摘要：本文將缺鋰態的Cr₂O₅正極材料與Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂(LNCM)富鋰相正極材料進行物理混合，形成了復合正極材料LNCM@xCr₂O₅(x = 0,0.1,0.2,0.3,0.35, 0.4)，從而在第一次充放電過程中達到有效利用富鋰相所產生的不可逆的鋰離子。復合之后，LNCM半電池的首次庫侖效率(ICE)得到顯著提高，?從75.5(x = 0)提高到了108.9(x = 0.35)。LNCM@Cr₂O₅復合正極材料和Li₄Ti₅O₁₂負極材料匹配而成的新型鋰離子全電池，即LNCM@Cr₂O₅//Li₄Ti₅O₁₂(L電池)表現出高達97.7的ICE。不僅如此，L電池還表現出了高達250 mA h g^-1的可逆容量，并且在循環50次之后仍具有94%的容量保持率。此外，在1.25和2.5 A g^-1電流密度下，它還具有高達122和94 mA h g^-1的放電比容量，遠遠優于LNCM//石墨全電池(G電池)。L電池的高性能得益于精心設計的庫侖效率匹配機制，并且在未來高能量鋰離子電池的快速充放電應用中表現出巨大的潛力。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 839-848

Articles

Defective MoS₂?electrocatalyst for highly efficient hydrogen evolution through a simple ball-milling method

球磨法制備富含缺陷的高性能二硫化鉬析氫反應電催化劑

摘要：通過電催化將水分解可大量制備高純度氫氣，這一過程需要高效能低成本的電催化劑材料。二硫化鉬價格低廉、資源豐富，且具有類似貴金屬鉑的氫吸附自由能，是一種潛在的高效制氫電催化劑。?然而其仍面臨著析氫過電位偏高、穩定性差、難以批量制備、在堿性環境下催化析氫活性較低等問題，限制了其實際應用。目前，大量文獻證實制造缺陷是一種有效的優化二硫化鉬電催化活性的方法。本文通過球磨還原法制備了一種富含缺陷的二硫化鉬析氫反應電催化劑。這種新型的富缺陷二硫化鉬催化劑在酸堿性條件下都顯示出較高的催化活性，在酸性條件下，過電位為176 mV時其電流密度可達10 mA cm^?2；在堿性條件下，過電位為189 mV時其電流密度可達10 mA cm^?2，超過了大部分報道的析氫反應電催化劑。此外，富缺陷二硫化鉬材料顯示出較小的塔菲爾斜率和良好的電化學穩定性，進一步證實了析氫反應催化活性的增強。這種通過球磨還原制造缺陷的思路為未來催化劑的設計與性能優化開辟了一條新的道路，且該方法簡單，適于大規模的工業生產。

SCIENCE CHINA Materials?60?(9), 849-856

Artilces

Microfluidic generation of Buddha beads-like microcarriers for cell culture

微流控制備仿佛珠微載體用于細胞培養研究

王潔，鄒旻含，孫靈鈺，程瑤，商珞然，付繁繁，趙遠錦*

摘要：構建可用于細胞三維培養的多功能微載體在組織工程的應用中至關重要。?本文受佛珠手串中佛珠可以在繩子上自由滑動這一特殊結構的啟發，利用毛細管陣列微流控技術制備了一種具有可控大孔微結構的新型異質細胞微載體，用于細胞三維培養。仿佛珠微載體的構建首先需要通過海藻酸鈉與鈣離子的快速凝膠化形成海藻酸鈣纖維，隨即在纖維上包覆可聚合的細胞預聚溶液，通過流體的剪切實現溶液乳化并將其固化聚合，從而獲得串有可以自由滑動的微載體的纖維串。纖維上釋放的微載體中間的大孔結構的尺寸高度可控，這一特點在微載體用于細胞三維培養中具有重要意義，因為微載體中間的大孔結構能夠有效保證載體內部細胞氧氣、營養物質的充分交換，減少細胞壞死。此外,?通過將多種細胞預聚溶液引入微流控通道中，還可以獲得具有多組分異質結構的細胞微載體，從而有望實現體內復雜的組織器官結構與功能的模擬。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 857-865

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A novel bone marrow targeted gadofullerene agent?protect against oxidative injury in chemotherapy

一種新型靶向骨髓的金屬富勒烯用于防護化療造成的氧化損傷

張瑩，舒春英，甄明明^*，李杰，于童，賈旺，李雪，鄧睿君，周悅，王春儒^*

摘要：本文報道了一種利用金屬富勒烯納米材料實現腫瘤化療骨髓保護的新技術。腫瘤化療往往會帶來嚴重的骨髓抑制等毒副作用，給患者造成極大的創傷。利用金屬富勒烯納米材料高效清除自由基、高選擇性且快速富集在小鼠骨髓中的特性，開發了基于金屬富勒烯的新型化療輔助藥物。研究表明，金屬富勒烯實現了多方面的化療保護效果，對白細胞計數最高可提升166%，對淋巴細胞最高可提升285%，對于骨髓以及脾臟多器官均有顯著保護效果，且未影響化療藥物的腫瘤治療效果。該材料是一種快速、高效、毒副作用小的新型腫瘤化療輔助藥物，具有巨大的發展潛力。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 866-880

Articles

Ethylene glycol-mediated synthetic route for production of luminescent silicon nanorod as photodynamic therapy agent

乙二醇介導法制備熒光硅納米棒用作光動力治療試劑

賈慶巖，?陳明星，劉青云*，劉衛敏，張洪艷，葛介超*，汪鵬飛

摘要：由于獨特的形貌和光電性質，一維硅納米棒已被廣泛應用于場效應晶體管、藥物載體、太陽能電池、納米機械設備以及鋰電池等領域。然而，開辟新型熒光硅納米棒的制備方法并拓展其在生物醫學研究中的應用是目前仍迫切需要探索的重要課題。本文首次基于乙二醇介導法合成了具有良好光穩定性、生物相容性、強激發依賴的熒光和可測量的單線態氧量子產率(0.24)等優良特性的硅納米棒。這類新型硅納米棒光敏劑在細胞水平同時實現了熒光成像和光動力學治療，表明其在光動力學治療表層腫瘤領域具有一定應用前景。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 881-891

Articles

Uptake of magnetic nanoparticles for adipose-derived stem cells with multiple passage numbers

不同傳代數對脂肪間充質干細胞攝取磁性納米顆粒的影響研究

楊燕，王琪煒，宋麗娜，劉璇，趙鵬，章非敏，顧寧*，孫劍飛*

摘要：隨著納米材料在組織工程和再生醫學中越來越多的應用，干細胞和納米材料之間的相互作用成為關鍵環節，而納米顆粒進入細胞是關系到納米材料安全性和干細胞命運調控的首要問題。干細胞傳代是其應用中必不可少的過程，但關于傳代代數對干細胞攝取納米顆粒的影響的研究還較少。此外，干細胞和納米材料的相互作用還與納米顆粒的存在方式有關。本文在玻璃片上組裝了條帶狀的γ-Fe₂O₃納米顆粒組裝結構，并在該表面上培養SD大鼠脂肪間充質干細胞，然后研究了不同代數的干細胞對組裝和游離的納米顆粒的吞噬情況。結果發現，隨著細胞代數增加，細胞活力降低，細胞衰老水平增加，并且細胞膜的表面呈現出粗糙和不均勻的形貌。當與游離的γ-Fe₂O₃納米顆粒共培養時，細胞內鐵含量隨著代數的增加而減少，但在組裝體上培養的不同代數的細胞具有相似的鐵含量，并且胞內鐵含量極少。另外，磁感應蛋白的表達表明磁性納米顆粒的組裝體對細胞有磁效應。該研究表明，細胞代數的選擇對研究顆粒內化實驗是至關重要的，細胞代數應該作為細胞攝取實驗的一個重要考慮因素。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 892-902

Letter

Atomic layer reversal on CeO2 (100) surface

二氧化鈰(100)表面的原子面反轉

黃靜露，余運波，朱靜，于榮^*

摘要：氧化鈰表面的結構與性能對氧化鈰材料的許多實際應用有著重要的影響，因此受到了廣泛的關注和研究。由于大多數的表面技術僅限于獲得表面最外層原子的結構信息，對材料亞表面的結構信息還非常匱乏。我們基于像差校正高分辨透射電子顯微技術，同時獲得了氧化鈰(100)表面和亞表面的結構信息，從而揭示了氧化鈰(100)表面的一種亞穩態。在這種新結構中，表面最外層和次外層原子面發生了反轉，使得具有Ce終結的化學計量比的表面以O原子面暴露在最外層。伴隨這種原子面反轉，為了補償表面極性的電荷重排也不同于正常的(100)表面。

SCIENCE CHINA Materials 60?(9), 903-908

本文由材料人特約作者、Sci. China. Mater.實習編輯吳禹翰整理、發布。