十月nature science 匯總 國內斬獲5篇

本文梳理了10月份在science和nature正刊上發表的材料領域的文章，其中來自國內的作者發文5篇，分別出自中國科學技術大學、華中科技大學、中國科學院金屬研究所、武漢大學和上海科技大學、北京大學和廈門大學。

1. Science：氣相輔助沉積實現高效穩定的α相FAPbI3太陽能電池

在鈣鈦礦太陽能電池中，陽離子/鹵化物與甲酰亞胺碘化鉛（FAPbI₃）的混合可以提高電池效率，但同時也會造成揮發性methylammonium（MA）的損失和相分離，從而導致材料吸收發生藍移和長期穩定性問題。為了解決這一問題，關鍵是要制備高純度α相FAPbI₃。然而，150°C以下的α相FAPbI₃非常容易轉變成黃色的δ相(一種六角形的非鈣鈦礦晶相)，嚴重限制了鈣鈦礦太陽能電池的性能。

針對這一問題，洛桑聯邦理工學院的Michael Gr?tzel、Anders Hagfeldt聯合復旦大學的Yiqiang Zhan、Lirong Zheng（共同通訊作者）等人報道了基于MA thiocyanate（MASCN）或者FASCN氣相處理的新型沉積策略，利用該策略可以將δ相FAPbI₃鈣鈦礦薄膜轉變成高純度的α相FAPbI₃。在該項工作中，研究人員利用NMR定量了材料框架中的MA吸收量，并利用分子動力學模擬揭示了硫氰酸根陰離子能夠在熱力學相轉變溫度以下提高α-FAPbI₃的形成和穩定性。檢測顯示，由這類低缺陷密度α-FAPbI₃薄膜制作而成的太陽能電池具有超過23%的能量轉換效率和長期的運行/熱穩定性。2020年10月02日，相關成果以題為“Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI₃ perovskite solar cells”的文章在線發表在Science上。

文獻鏈接：Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI₃?perovskite solar cells（Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb8985）

2.?Science：黑磷復合材料助力鋰離子電池快充技術

鋰離子電池（LIBs）在包括電動汽車在內的各種應用中越來越重要。但是當今的電池只能提供有限的功率密度（例如，電池級的功率密度約為100至300 W kg^-1），并且通常需要較長的充電時間才能安全運行。能量通過鋰離子與電極材料的化學反應進出電池，因此電極材料對鋰離子的傳導能力是決定充電速度的關鍵；另一方面，單位質量或體積的電極材料容納鋰離子的多少也是一個重要因素。為此，必須開發一種同時具有高理論容量、快速充電所必需的優異電子傳導性和Li⁺擴散性的電極材料，用于開發具有快速充電能力的大容量鋰離子電池。

近日，中國科學技術大學季恒星教授與加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授聯合在新型鋰離子電池電極材料研究方面取得了重大突破：通過采用“界面工程”策略將黑磷和石墨通過共價鍵連接在一起，在穩定材料結構的同時提升了黑磷石墨復合材料內部對鋰離子的傳導能力。通過將輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”黑磷石墨復合材料的表面，使得鋰離子可以順利進入電極材料。結果表明，電極片充電9分鐘即可恢復約80%的電量，2000次循環后認可保持90%的容量。該全新設計的黑磷復合材料使兼具高容量、快速充電且長壽命的鋰離子電池成為可能。該文章近日以題為“Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage”發表在知名期刊Science上。

文獻鏈接：Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage (Science, 2020, doi: 10.1126/science.aav5842)

3. Science：用于低熱回收的增強型液體熱電池

大量的低溫熱能（低于373K）分布在工業過程（廢熱）、環境（太陽能和地熱能）和人體中，但是由于成本效益較低而被大量浪費。液態熱電池（LTCs）是一種廉價、可擴展的熱電器件，它將熱量轉化為能量，可以回收低溫熱量。熱電器件的性能是通過器件的優值系數（Z=S_e²σ/κ）來評估的，該值取決于Seebeck系數（S_e）、電導率（σ）和熱導率（κ）。在熱電器件中，傳統的固態熱電電池是研究最多的。然而，由于眾所周知的固體熱電材料中S_e、σ和κ之間的強相互依賴性，它們在室溫下的效率僅略有提高。這對于不含稀有元素的低成本材料尤其成問題。

近日，華中科技大學周軍團隊利用溫敏結晶工藝，在不破壞σ的情況下，顯著提高Seebeck系數（S_e），抑制熱導率（κ），使LTCs在室溫附近的卡諾相關效率（ηr）高達11.1%。因此，獲得的LTCs的成本-性能指標大幅降低，并與當前發電技術相媲美，這表明它具有廉價和高效收集低溫廢熱能的潛力。該文章近日以題為“Thermosensitive crystallization–boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting”發表在知名期刊Science上。

文獻鏈接：Thermosensitive crystallization–boosted liquid thermocells for low-grade heat harvesting (Science, 2020, doi: 10.1126/science.abd6749)

4.?Science：通過在非歐幾里得表面上生長而實現層狀材料的超扭曲螺旋

二維（2D）范德華層狀材料提供了一個理想的平臺，通過垂直堆疊不同層來創造具有獨特性能的人工結構。調整疊層雙層之間的扭曲角導致莫爾圖案的形成和電子態的操縱，從而導致對量子現象的觀察，包括非常規的超導性、莫爾激子和可調諧的莫特絕緣體態。扭曲結構是通過精細的機械堆疊不同的層，以一次性和低通量的方式制造的。最近的理論研究也表明在不斷扭曲的多層結構有趣的現象被稱為“3D twistronics”。盡管Eshelby扭曲最近在層狀鍺(II)硫化物的螺旋分散納米線上被證明，但對于大面積的二維材料，每層的扭曲量是相當小的。因為Eshelby扭曲角與橫向橫截面積成反比。因此，需要一種不同的方法來直接生長扭曲的2D材料并控制層間扭曲。盡管缺陷或晶格失配會引起變形，但通常在堆疊的層中發生層狀材料的生長，這會導致應變變形。但是，這些影響通常很小，并且無法控制。歐幾里得幾何是經典晶體學的基本數學框架。傳統上，層狀材料生長在平坦的襯底上，在非歐幾里得表面上生長的歐幾里得晶體很少被研究。

近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校金松教授（通訊作者）提出了一個通用的模型，描述了在非歐幾里得表面上具有螺旋位錯的層狀材料的生長，并表明它導致了連續扭曲的多層上部結構，證明了合成二維材料的多層的可能性，該多層材料由于存在螺旋位錯和彎曲的襯底表面而在層之間具有一定的扭曲。通過改變非平面性的數量和表面的特征（圓錐形或雙曲線），可以實現不同的扭轉角。通過生長二硫化鎢（WS₂）和二硒化鎢（WSe₂）覆蓋在螺旋中心附近的納米粒子上。微觀結構分析表明，晶格扭曲與層的幾何扭曲一致，從而導致原子層之間出現莫爾超晶格。相關研究成果以“Supertwisted spirals of layered materials enabled by growth on non-Euclidean surfaces”為題發表在Science上。

文獻鏈接：Supertwisted spirals of layered materials enabled by growth on non-Euclidean surfaces?(Science，2020，10.1126/science.abc4284)

5.?Science：二維材料薄膜質子快速傳輸最新進展

納米流體由于在分子尺度的特殊行為使其在許多領域得到了重要應用。質子交換膜作為燃料電池最核心部分，為質子傳輸提供快速通道，降低質子傳輸內阻，直接決定著燃料電池的整體性能。目前，常見質子交換膜材料包括高分子材料，全氟磺酸聚合物（Nafion）；二維材料，氧化石墨烯（GO）及其衍生物；金屬有機框架材料（MOF）和生物材料。其中，Nafion是目前最常見的商用材料，在相對濕度（RH）的環境下，其質子傳輸率性能可達到0.2 S cm^-1。但是Nafion存在諸多問題，例如質子傳輸率性能依然較低；高于80 ℃或者在低相對濕度的環境下容易脫水，造成其質子交換率性能的嚴重下降。近幾年，除石墨烯以外的氧化石墨烯（GO），過渡金屬硫化物(TMDCs)、MXene材料、層狀雙金屬氫氧化物（LDH）、六方氮化硼（h-BN）等二維材料相繼被提出和制備，二維材料可分散、易組裝等特點推進了其在薄膜研究領域的發展。對于二維材料層狀薄膜而言，薄膜納米通道內的離子官能團可以與水分相互作用，連接成二維氫鍵網絡，可以促進質子的移動，從而實現高質子交換率。以氧化石墨烯薄膜為例，因GO納米片背面上豐富的含氧官能團，例如環氧（-O-）、羧基（-COOH）和羥基（-OH），可以提供質子，并與水分子相互作用，在兩層GO中納米通道中，形成二維水分子通道，促進質子傳輸，這些特點和Nafion的特點非常類似，因此，GO薄膜被認為在質子交換膜領域有巨大的潛能。但是，以石墨烯基薄膜為代表的二維材料薄膜質子交換率低，無法遠低于商用Nafion質子交換膜；GO薄膜中低含量不均勻的含氧官能團分布導致低表面電荷，離子選擇性差。因此，開發制備新型的高性能離子交換膜材料是解決質子傳輸率低，高溫、低濕度環境下容易脫水等問題的重要途徑之一。

近日，中國科學院金屬研究所的成會明院士與任文才研究員(通訊作者)團隊報道了在空位誘導二維材料薄膜中質子快速傳輸應用方面取得的重要進展。他們提出了一種新型的含過渡金屬空位的過渡金屬磷硫化物（CdPS₃）納米片自組裝薄膜，Cd空位的存在使得薄膜具有超高的質子傳輸性能，克服了傳統二維材料薄膜質子交換率性能遠低于商用Nafion薄膜的缺點以及Nafion薄膜在高溫（＞80°C）、低濕度下脫水引起質子傳輸率降低等問題。其中，在90℃、98%相對濕度條件下，Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15薄膜的質子傳輸率高達0.95 S cm^-1，是目前已報道的水相質子傳輸材料中性能最高的。這種性能主要是由于Cd空位的存在，為質子傳輸貢獻了大量的質子，質子易脫附，保持薄膜良好的親水性，以及低質子傳輸活化能等特點。在此基礎上，還發展了Cd_0.85PS₃Li_0.3和Mn_0.77PS₃Li_0.46兩種高性能鋰離子傳輸薄膜。該工作不僅設計了一種新型的、含Cd空位的具有超高的質子、鋰離子傳輸率二維CdPS3薄膜，還驗證了含空位的過渡金屬磷硫化物薄膜具有高離子傳輸性能的普適性，而且為離子傳輸薄膜大家族增添了新的成員，為設計新型離子傳輸薄膜提供了新的思路。相關研究成果以“CdPS₃?nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”為題于2020年10月30日在線發表于Science上。論文第一作者為錢希堂博士。

文獻鏈接：CdPS₃?nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies（Science, 2020, DOI:?10.1126/science.abb9704）

6.?Nature：可用于化學合成的同軸液體反應器

近年來，關于設計可支持多步化學過程系統的研究引起了越來越多的關注。這類系統的建立基于反應器的集合或者流動化學（flow chemistry）設計，雖然無需進行中間產物的人工添加，但需要花費巨大的工作量進行系統設置和控制。

韓國國立蔚山科學技術院的Bartosz A. Grzybowski（通訊作者）等人設計了一種新型非平衡系統，在這一系統中，不同的反應區（reaction zones）可進行自組織以控制整個工藝流程的進展。研究人員將多種或者成對互不相容液體放置到旋轉裝置中，通過離心過程可主導液體表面張力，并由于各液體密度不同，從而可促使液體形成同軸層。這一同軸層非常穩定，同時又可以通過對離心進行加減速來實現內部組分的混合；不僅如此，同軸層的每一層都可以被單獨進行添加、取樣或者撤出等操作。文章證明了基于這一獨特的系統，可以實現小分子的多步合成、同步的酸堿提取以及復雜混合物的選擇性分離。研究認為這一同軸液體反應器可以成為發展新型微尺度過程化學的工具。2020年09月30日，相關成果以題為“Concentric liquid reactors for chemical synthesis and separation”的文章在線發表在Nature上。

文獻鏈接：Concentric liquid reactors for chemical synthesis and separation（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2768-9）

7.?Nature：納米級螺旋磁體中的電磁感應現象實現電感器體積小約一百萬倍

電感是現代電子器件中最基本的電路元件之一，其產生的電壓與輸入電流的時間導數成正比。電感在當代電子產品中無處不在，用于模擬電路和信息處理，在變壓器、濾波器和諧振器中得到廣泛使用。傳統的電感通常由螺旋線圈組成，并遵循法拉第電磁感應定律，傳統的電感或基于經典電磁學的感應線圈存儲磁能LI²/2（其中L為電感，I為輸入電流），并產生與d?I/d?t成比例的電壓。由于電感的大小與線圈的繞組數及其橫截面的乘積成正比，因此很難在保持L的同時減小器件的尺寸。在超導體中，另一種稱為動力學電感的電感機制，提供的電感與截面成反比。然而，在電子器件中使用超導體仍然是一項具有挑戰性的工作，可用電流密度受到超導基態臨界電流密度的限制。因此，探究電感器的新原理是非常可取的。

近日，日本理化學研究所新興材料研究中心（CEMS）Yoshinori Tokura教授團隊展示了量子力學起源的電感，它是由磁體中自旋螺旋的電流驅動動力學引起的電場產生的。在具有納米級自旋螺旋的微型矩形磁性器件中，觀察到典型的電感高達-400nH，其大小可與商用電感器相媲美，但體積卻小約一百萬倍。所觀察到的電感由于電流的非線性而增強，并且顯示出非單調的頻率依賴性，這兩者都是由自旋螺旋結構的電流驅動動力學引起的。與傳統的電感器相比，電感的大小隨著器件橫截面的減小而迅速增加。本文的發現可能為基于與量子力學幾何相位有關的新興電磁學的微型，簡單形狀的電感器鋪平道路。相關研究成果以“Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet”為題于2020年10月7日在線發表于Nature上。

文獻鏈接：Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet(Nature，2020，10.1038/s41586-020-2775-x)

8.?Nature：TiO₂填充MOF中孔用于CO₂光還原

金屬有機骨架（MOF）以與氣體分子的特殊相互作用而聞名。這與它們豐富而有序的孔隙度相結合，使它們成為將氣體分子光催化轉化為有用產品的有希望的候選者。但是，嘗試使用MOF或基于MOF的復合材料進行CO₂光還原通常會導致二氧化碳轉化效率遠低于從最新的固態催化劑或分子催化劑獲得的CO₂轉化效率，即使在犧牲試劑的幫助下也是如此。

武漢大學鄧鶴翔教授、昝菱教授，上海科技大學Osamu Terasaki通過在基于對苯二甲酸鉻的MOF（MIL-101）及其衍生物的不同孔中生長TiO₂，在MOF晶體內部創建“分子隔室”。這使得光吸收/電子產生的TiO₂單元與MOF骨架中的催化金屬簇之間具有協同作用，因此有助于光催化還原CO₂，同時產生O₂。在由MIL-101衍生物中的42％TiO₂組成的復合物中，即42％-TiO₂-in-MIL-101-Cr-NO₂中，觀察到在350納米波長處CO₂光還原的表觀量子效率為11.3％。該復合材料中一種隔室中的TiO₂單元的活性是另一種隔室中的TiO₂單元的44倍，強調了該系統中TiO₂精確定位的作用。

文獻鏈接：Filling metal–organic framework mesopores with TiO₂?for CO₂?photoreduction（Nature, 2020, 10.1038/s41586-020-2738-2）

9.?Nature：15℃超高壓下室溫超導的首次實現

美國羅徹斯特大學、英特爾公司和內華達大學的聯合研究團隊首次實現了15 ℃下的室溫超導。該團隊將富氫材料與有機超導這兩條路徑相結合，用碳來代替金屬元素。他們運用一種綠色的光化學合成方式，在硫化氫體系中摻雜了一種自然界最廉價、最普通的元素——碳，在超高壓下實現了15 ℃下的室溫超導。

該研究團隊的實驗方案設計如下：1）將碳和硫以1比1摩爾比混合，球磨成5微米以下的顆粒，隨后裝載到一種稱為“金剛石砧座”的裝置中；2）氫分子充入其中，扮演反應物和傳壓介質的雙重角色；3）利用兩顆金剛石擠壓，給樣品施加4 GPa的壓強，并用波長532 nm的紫外光照射數小時；4）在壓力和輻射的雙重作用下，驅動S-S鍵的光分解，形成硫自由基，并與氫分子反應生成硫化氫；5）迅速微調壓強和激光位，最終制出均勻透明的C–S–H晶體結構。然后研究人員通過對電阻、磁化率、電輸運和拉曼光譜的測量，觀察到C–S–H晶體在267±10 GPa壓強下，臨界溫度約288 K時，具有零電阻、在施加的磁場下臨界溫度的降低、冷卻時從材料內部排出磁場（邁斯納效應）等三個超導體特征，并證實了從分子到金屬以及超導的一系列結構和電子相變。這充分說明，有機衍生的C-S-H在267±10 GPa壓強下取得了約15℃的超導臨界溫度，創造了新的世界紀錄。

此外，研究人員還指出，可以通過在更低壓強下交換分子，微調C-S-H三元體系的組分，有望實現大氣壓下穩定或亞穩定的高溫超導體。論文的合作者，內華達大學拉斯維加斯分校的物理學家Ashkan Salamat表示，添加第三個元素可以大大拓寬未來尋找新超導體的范圍，這項工作開辟了一個全新的探索區域。

文獻鏈接：Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride（Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z）

10.?Nature：表面配位層鈍化銅氧化過程

銅具有高的熱導率和電導率，同時其還具有延展性和無毒性的特點，被廣泛應用于日常生活和工業生產，例如抗氧化技術領域。然而，目前廣泛使用的抗氧化技術如合金、電鍍等經常會削弱材料的關鍵物理性質（如熱/電導率以及外觀顏色），并且引入一些有害元素（如鉻和鎳）。針對這類問題，盡管也有一些新興的研究致力于發展利用有機分子/無機材料/碳基材料作為抗氧化劑的表面鈍化技術，但這些新型技術的規模應用一直頗具挑戰。

北京大學的江穎以及廈門大學的傅鋼、鄭南峰（共同通訊作者）等人發現，在甲酸鈉存在下，利用溶劑熱處理的銅能夠在其表面進行晶體重構并形成超薄的表面配位層。在此前的研究中，該聯合團隊已經發現利用甲酸鹽作為還原劑能夠通過溶劑熱方法合成可在空氣中穩定存在的銅納米片。而此次的研究不僅揭示了這一表面改性策略可以賦予銅在空氣、鹽霧以及堿性條件的抗氧化性能，還發現表面改性并不會影響銅的熱/電導率。此外，研究還引入了烷硫醇配體與缺陷位點進行配位，從而能夠進一步提高銅表面的抗氧化性能。最后，研究還闡釋了這一溫和的改性方式使用于制備各種形式（包括箔、納米線、納米顆粒等）的空氣穩定銅材料。因此，研究人員也期待該項工作發展的新型表面鈍化技術能夠進一步拓展銅的工業應用。2020年10月14日，相關成果以題為“Surface coordination layer passivates oxidation of copper”的文章在線發表在Nature上。