Advanced Materials：6月材料前沿十大精選科研成果（國內）

今天材料牛邀您一起來看看Advanced Materials期刊6月材料前沿精選科研成果：北京大學—有機太陽能電池新型的“合金”電子受體；中科院理化所—可用于柔性透明電極的AgNWs@iongel復合薄膜；中科院長春應化所—從金蟾卵獲得靈感制備無粘結劑，高效率的柔性電極；北京航空航天大學—石墨烯/單晶介孔Nb2O5“三明治”結構鈉離子電池；中國科大—通過相轉變工程提高CoSe2對析氫反應的催化活性；中科院蘇州納米所—手性等離子納米結構的自組裝；北京化工大學&中科院化學所—提高析氧反應效率的超透氣性碳納米管電極；華南師范大學&中科院北京納米能源與系統研究所—壓電效應調制AlGaN/AlN/GaN異質結構微米線電子氣；華南理工大學—水溶液處理光電陰極夾層用于高性能聚合物太陽能電池；清華大學—自組裝PDINH超分子體系用于可見光光催化。下面就讓我們一起走進曼妙的材料前沿成果吧。

1.?北京大學—有機太陽能電池新型的“合金”電子受體

?圖1 PCBM與“合金”受體能量轉換效率比較

有機太陽能電池（OSCs）在有效利用太陽能方面具有很大的前景，其電子受體多采用[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯 （PC61BM）或 [6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯（PC71BM ）。但PCBM存在相對較低的最低未占分子軌道（LUMO），同時易結晶和聚合的缺點，從而影響設備的穩定性，限制其廣泛應用。

北京大學的占肖衛（通訊作者）帶領的研究團隊發現，將兩種具相似結構（相似的核），但不同LUMOs（偏差在0.1~0.3eV）的受體相混合，獲得的受體不僅結合了這兩種受體的優點，同時顯著提高了OSCs的性能。而這種受體就被稱為“合金”受體。實驗中，研究人員將indene-C60 bis-adduct （ICBA）與PC71BM 相混合得到“合金”受體（ICBA/PC71BM），并證實較PC71BM有著更為優異的性能，通用性好，效率高且穩定性好。

文獻鏈接：Alloy Acceptor: Superior Alternative to PCBM toward Efficient and Stable Organic Solar Cells（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602067 ）

2.?中科院理化所—可用于柔性透明電極的AgNWs@iongel復合薄膜

圖2 AgNWs@iongel復合薄膜的制備

柔性透明電極作為新一代電子及光電子設備的重要組成部分，其導電薄膜可選用碳納米管（CNTs）、銀納米線（AgNWs）、導電聚合物和石墨烯等。其中，AgNWs基電極具有更為優異的固有電導性因而應用更為廣泛，但其接觸電阻較高，在生產過程中，加熱與機壓成型對其塑料基底也不利，重復使用過程中還會導致氧化積累。

近期，中科院理化所的江雷（通訊作者）和Liu Hongliang（通訊作者）等人報道了一種具氣穩性的透明柔性電極，研究人員將AgNWs網進行無電鍍焊接，并涂覆導電離子凝膠（iongel）后，置于柔性的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，得到的電極表現出很低的薄層電阻，僅為8.4 Ω sq-1，且光透射率達到86%。說明將導電的離子凝膠作為保護層，可顯著提高AgNWs@iongel復合薄膜的氣穩性與導電性，擴大了其作為柔性電子設備的應用。

文獻鏈接：Highly Conductive, Air-Stable Silver Nanowire@Iongel Composite Films toward Flexible Transparent Electrodes（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201600358 ）

3.?中科院長春應化所—從金蟾卵獲得靈感制備無粘結劑，高效率的柔性電極

圖3 從金蟾卵獲取制備靈感，制備大孔中空碳纖維正極材料

隨著電子設備的發展，對具高能量及能量密度的儲能系統需求也不斷增加，因此，具高容量的電極材料的研究依然是當下所需。多孔碳納米纖維由其多孔的纖維結構、良好的電子導電性及質輕的特點，從而成為最有前景的電極材料，但在制備過程中，需要控制孔徑和容積達最佳以表現最優性能。

長春應化所的張新波（通訊作者）等研究人員，從金蟾產卵過程和卵呈現出的良好的形貌及結構中獲得靈感，通過一種溫和可控的方法制備出自立式、質輕的多級大孔活性碳纖維（MACF）電極。MACF電極具有高電導率、低成本、能量密度高、優異的機械性、熱穩性及優異的吸附性和電子運輸性，這些特性使其在新能源領域上有著廣泛的應用前景。

文獻鏈接：Macroporous Interconnected Hollow Carbon Nanofibers Inspired by Golden-Toad Eggs toward a Binder-Free, High-Rate, and Flexible Electrode（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201600012）

4.?北京航空航天大學—石墨烯/單晶介孔Nb2O5“三明治”結構鈉離子電池

?圖4 “三明治”結構、形貌及儲存循環性

鈉離子電池(SIBs)制備成本低，資源豐富且為環境友好型，因此可替代鋰離子電池(LIBs)應用于能量儲存。但SIBs可逆容量低，在大電流速率下循環性能差，為解決這些問題，可選用大晶格間距和納米結構的電極材料。其中，具單晶域的介孔Nb2O5薄膜較無定形多孔Nb2O5薄膜有著更為優異的電化學性能。但如何實現溫和，大規模制備依然是一個問題。

北航的畢曉昉（通訊作者）和楊樹斌（通訊作者）等人設計出一個簡單的制備方法來合成部分單晶介孔Nb2O5納米薄片，中間則夾雜著石墨烯的三明治結構（G-Nb2O5）電極材料。制備過程中，利用石墨烯—二氧化硅納米薄片為模板，氯化鈮則作為氣相水解過程中五氧化二鈮受體。得到的G- Nb2O5納米薄片不僅為薄層介孔結構，而且垂直（001）面為大晶格間距3.9 ?。這些特性使得G-Nb2O5存在大量開放的短通路，從而能實現對Na+的快速擴散。

文獻鏈接：Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheets in between Graphene for Ultrafast Sodium Storage（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601723）

5.?中國科大—通過相轉變工程提高CoSe2對析氫反應的催化活性

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圖5 利用相轉變工程提高CoSe2對析氫反應的催化效率

通過分子氫和羥基離子電化學作用進行析氫反應，是重要的陰極半電池反應。貴金屬可作為析氫反應催化劑，但成本高且資源稀缺。因此，需要尋找更為合適的析氫反應催化劑以提高能量轉換效率。立方相的CoSe2可作為析氧反應催化劑，但很少有報道在堿性媒介中可實現對析氫反應的催化。

中國科學技術大學的吳長征（通訊作者）等人通過相轉變工程來設計高效的電催化劑，成功實現在堿性條件下對析氫反應的高效催化。利用相轉變過程實現對CoSe2兩種相的轉變，即正交晶相的CoSe2（o- CoSe2）和立方相的CoSe2（c-CoSe2）。較o- CoSe2型催化劑，c-CoSe2型催化劑極大的提高了堿性媒介中對析氫反應的催化活性。

文獻鏈接：Phase-Transformation Engineering in Cobalt Diselenide Realizing Enhanced Catalytic Activity for Hydrogen Evolution in an Alkaline Medium（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601663）

6.?中科院蘇州納米所—手性等離子納米結構的自組裝

圖6 在圓偏振光下影響等離子體納米結構的兩種物理機理

等離子體手性效應在負折射率材料、光偏振過濾器及超靈敏傳感設備等領域具有潛在的應用前景。較自上而下的制備方法，自下而上的自組裝方式能實現納米級精度、平行生產、各向同性的光反應，因而對于手性等離子納米結構是一種重要的制備方法。

中科院蘇州納米所的王強斌（通訊作者）等發表論文介紹了手性等離子納米結構的自組裝過程，也介紹了非手性模塊如各向同性的金納米粒子（AuNPs）和各向異性的金納米棒（AuNRs）間的手性排布，以及手性-分子-金屬復合物。另外介紹了關于自組裝手性等離子納米結構未來發展前景的三大方向，即手性等離子轉換、手性超材料和手性納米粒子。

文獻鏈接：Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201600697）

7.?北京化工大學&中科院化學所—提高析氧反應效率的超透氣性碳納米管電極

圖7 超透氣性碳納米管電極結構圖

氧氣的電化學還原反應在新一代能量儲存與轉換設備，如燃料電池和金屬-空氣電池上有著重要的應用，而限制提高其性能的主要因素則在于氧還原反應動力學的遲緩，因此可在催化劑下放置一氣體擴散層，來提高氧氣與催化劑的接觸量。

北京化工大學的孫曉明（通訊作者）和中科院化學所的江雷（通訊作者）等人為得到高電導性與氣體擴散性的電極作為析氧反應中的擴散層，制備多孔的氮摻雜的包含Co的碳納米管（CoNCNT），并排列與碳纖維紙上。這種電極不僅電導率高，同時，因其粗糙的表面從而實現“超透氣”性，擴大了氧與催化劑的接觸量，提高析氫反應效率。

文獻鏈接：Superaerophilic Carbon-Nanotube-Array Electrode for High-Performance Oxygen Reduction Reaction（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201504652）

8.? 華南師范大學&中科院北京納米能源與系統研究所—壓電效應調制AlGaN/AlN/GaN異質結構微米線電子氣

圖8? AlGaN/AlN/GaN異質結構微米線的結構特征

一維半導體納米線（NWs）如發光二極管、激光器、場效應晶體管、納米發電機等由于其獨特的結構和相應平面的一維量子限閾效出現，增加了NWs的流動性，這引起了人們對它應用的廣泛關注。然而，由于帶電摻雜中心的散射造成的載流子遷移率退化，長期以來一直是摻雜NWs器件實際應用不可避免的障礙。為了克服這個問題，對半導體異質結構納米線中觀察到的低維載流子（電子或空穴）氣體，如Ge/Si，AlGaAs/AlGaAsh和AlGaN/AlN/GaN，進行了深入的研究。在這幾種Ⅲ-氮化物異質結構中，AlGaN/GaN由于本征極化強，創造出異質結電子氣（HEG），被廣泛應用于高電子遷移率晶體管（HEMT）和其他高性能量子器件中。

最近，華南師范大學的李述體（通訊作者）和中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林（通訊作者）等人利用壓電效應改變HEG相應的物理性質和基于HEMTs的AlGaN/GaN異質結器件的電輸運性質。這種方法是一種科學而又全新、應用簡單的技術，在設備制造過程中不增加額外成本。這使人們對壓電效應調制低維電子氣異質結構納米材料有了更加深入的理解，指明了其在HEMs和MEMS/NEMS中的潛在應用。

文獻鏈接：Piezotronic Effect Modulated Heterojuction Electron Gas in AlGaN/AlN/GaN Heterostructure Microwire （Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601721）

9. 華南理工大學—水溶液處理光電陰極夾層用于高性能聚合物太陽能電池

圖9 (a)可溶于弱酸性溶液中的PBI-Py化學結構； (b)光電導陰極夾層的工作機制，該項研究中的設備組擁有厚的光電導陰極夾層和活性層

聚合物太陽能電池（PSCs）具有很多優點如成本低、輕柔、能通過溶液法合成，因而具有很大的應用前景。但PSCs中的有機材料一般為薄層，因其電荷遷移性/電導率相對較低，因此需要發展新型的高電荷遷移性/電導率的材料作為PSCs的活性層與夾層，從而在厚膜情況下依然實現高效工作。

近日，華南理工大學陳軍武（通訊作者）和解增旗（通訊作者）及德國維爾茨堡大學Frank WürTHner等在水溶液處理光電陰極夾層方面取得研究進展。研究人員在光致電荷轉移方面進行了一系列研究，研究表明光致電荷轉移帶來很多益處，例如增加電導率和電子遷移率以及簡化功函數。當陰極夾層和活性層的厚度分別達到100 nm和300 nm時其平均功率轉換效率均超過10％。

文獻鏈接：Aqueous Solution Processed Photoconductive Cathode Interlayer for High Performance Polymer Solar Cells with Thick Interlayer and Thick Active Layer （Advanced Materials ，2016 ，DOI ：10.1002/adma.201601615）

10. 清華大學—自組裝PDINH超分子體系用于可見光光催化

圖10 自組裝PDINH超分子體系中電子能級結構及其在可見光照射（λ＞420nm）條件下光催化反應機制

有機催化劑較無機催化劑有著許多優點，如可通過化學方法協調光電性、結構輕柔、成本低且資源豐富。主要包含兩種體系，有機金屬復合物和共價有機聚合物。有機金屬復合物會因其金屬成分價格高、潛在毒性及穩定性差而限制其應用。不過目前可用于可見光催化的，由純有機分子組成的非共價自組裝超分子系統很少有報道。

近期，清華大學朱永法（通訊作者）等在自組裝二萘嵌苯-3,4,9,10-苝二酰亞胺（PDINH）超分子體系的可見光光催化方面取得研究進展。該自組裝PDINH超分子體系由全有機PDINH分子通過非共價反應構成，可作為高活性的可見光光催化劑。這種有機催化劑可用于污染物的光降解，同時也可作為水解催化劑。

文獻鏈接：Self-Assembled PDINH Supramolecular System for Photocatalysis under Visible Light（Advanced Materials ，2016 ， DOI：10.1002/adma.201601168）

本文由由材料人編輯部大黑天投稿，材料牛編輯整理。

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