頂刊動態丨 Adv. Mater.：7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7月材料前沿精選科研成果：廣州大學&阿德萊德大學—鎳納米管涂覆特制納米涂層獲得廣電位窗超級電容器；復旦大學—通過制氫鈍化實現高性能水溶液的能量儲存設備；長春應化所—多功能模板介導制備Fe-N摻雜的介孔碳微球作為高性能氧還原電催化劑；化學所&中國科學院大學—用于高效聚合物太陽能電池的低帶隙小分子受主；化學所&中國科學院大學—采用“分子結構”和“側鏈”工程相結合的高遷移率n型有機半導體；香港城市大學—多功能能量儲存與轉換設備；化學所等—納米間隙電極的宏量制備及在隨機存儲器中的應用；四川大學&阿卜杜拉國王科技大學—鉀-鈉鈮酸鹽無鉛陶瓷的優良壓電性能；國立臺灣大學等—小分子施主的異構性對有機光伏性能的影響；北京大學—室溫下鹽酸輔助一步沉積制備高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池。下面就讓我們一起走進曼妙的材料前沿成果吧。

1、廣州大學&阿德萊德大學—鎳納米管涂覆特制納米涂層獲得廣電位窗超級電容器

圖1 NiNTAs@PPy的制備過程圖示

對環保型可再生能源日益增長的需求也促進了能量存儲與轉換技術的發展，超級電容器具備快速充放電能力、循環壽命長及成本低的優點，可以作為能量存儲設備的候選者。但是，超級電容器的發展和實際應用卻往往會受限于它的低能量密度。

聚吡咯（polypyrrole, PPy）電容量高、導電性好、電位窗寬，可以作為超級電容器的電極材料。但是PPy作為陰極時，電位窗卻會很低，且循環穩定性較差。為解決這個問題，來自廣州大學的劉兆清（通訊作者）和阿德萊德大學的Tian Yi Ma（通訊作者）帶領研究團隊設計了一種自下而上的合成方法，通過電聚合使多孔的經高氯酸鹽摻雜的PPy覆在Ni納米管上，從而制造出高性能的NiNTAs@PPy，實驗表明，這能大大提高材料的電容性能和循環穩定性，同時能提供穩定的寬電位窗。

文獻鏈接：A Porous Perchlorate-Doped Polypyrrole Nanocoating on Nickel Nanotube Arrays for Stable Wide-Potential-Window Supercapacitors（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201601781）

2、復旦大學—通過制氫鈍化實現高性能水溶液的能量儲存設備

圖2 密度泛函理論計算和用于析氫的PNFE分子圖示

水溶液可充電型鋰離子電池（ARLIBs）可作為新一代的能量儲存設備，具高的理論能量密度、高離子電導率、耐燃性和低成本的優點。但是較非水溶液電池，ARLIBs卻易受限于它的電化學電位窗較窄及能量密度低的缺點。

復旦大學的鄭耿鋒（通訊作者）和龔新高（通訊作者）帶領研究團隊研發出一種制備聚亞胺/碳納米管網絡的方法，旨在鈍化電極中分子結構的析氫機制，從而能促進水溶液能量儲存能力。在電池充電過程中，通過與Li+聯系，聚亞胺固有的低析氫活性能進一步鈍化，導致更寬的電位窗和更優異的能量儲存能力。

文獻鏈接：Achieving High Aqueous Energy Storage via Hydrogen-Generation Passivation（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201602583）

3、長春應化所—多功能模板介導制備Fe-N摻雜的介孔碳微球作為高性能氧還原電催化劑

圖3 Fe-NMCSs催化劑制備圖示

因為其固有的動力學緩慢，氧還原反應（ORR）會限制許多電化學轉換和儲存設備，如燃料電池和金屬-空氣電池的效率。鐵-氮摻雜的碳材料（Fe-N-C）是最具發展前景的非貴金屬ORR催化劑，Fe和N原子的摻雜會導致不均勻的電荷分配從而提高O2吸收與還原。然而，為獲得良好形貌且高性能的Fe-N-C微球，溫和有效的合成方法也依然是一個挑戰。

來自中國科學院長春應用化學所究所的張新波（通訊作者）帶領的研究團隊設計了一種新型的原位復合與聚合的合成方法，來合成Fe-N摻雜的介孔碳微球（Fe-NMCSs）。這種材料可以協同Fe-N-C的高催化活性和結構微球結構下的快速的質量傳輸這兩者的優點。較傳統的Pt/C催化劑，Fe-NMCSs在氧還原反應過程中表現出更佳的電催化活性、選擇性及耐受性。

文獻鏈接：Reactive Multifunctional Template-Induced Preparation of Fe-N-Doped Mesoporous Carbon Microspheres Towards Highly Efficient Electrocatalysts for Oxygen Reduction（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201602490）

4、化學所&中國科學院大學—用于高效聚合物太陽能電池的低帶隙小分子受主

圖4 (a) J–V曲線，(b) 電池的EQE曲線.，(c) 光強度的依賴性，(d) 光電流-有效電壓曲線

在過去兩年，非富勒烯聚合物太陽能電池的光電性能已經趕超了富勒烯基太陽能電池。由于聚合物施主和低帶隙非富勒烯受主的結合可以形成一個低帶隙的體異質結，因此，低帶隙非富勒烯受主的設計和合成成為了一個熱點。

最近，中國科學院化學研究所和中國科學院大學的侯劍輝（通訊作者）課題組設計并合成了一種低帶隙的受主材料（IEICO），這種材料由于引入了烷氧基，使得帶隙只有1.34 eV。以PBDTTT-E-T作為施主，IEICO材料作為受主的非富勒烯基聚合物太陽能電池的轉換效率達到了8.4%，開路電壓為0.82V，其串聯電池的效率高達10.7%。這種材料為低帶隙、非富勒烯基、高開路電壓的受主的分子設計提供了可能。

文獻鏈接：Design and Synthesis of a Low Bandgap Small Molecule Acceptor for Efficient Polymer Solar Cells（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201602642）

5、化學所&中國科學院大學—采用“分子結構”和“側鏈”工程相結合的高遷移率n型有機半導體

圖5 2DQTTs分子示意圖

從上世紀末和本世紀初開始，有機半導體材料研究引起了業界的廣泛重視，使有機半導體器件的實驗室制作水平得到大幅提高，并逐步進入當前的商品發展階段。“分子結構”和“側鏈”工程相是高性能有機半導體的有效設計方法。

中國科學院化學研究所的狄重安（通訊作者）、中國科學院化學研究所和中國科學院大學的朱曉張（通訊作者）等人基于2DQTTs，對分子結構之間的關系、薄膜的微觀結構和有機薄膜晶體管（OTFT）的電荷輸運特性進行了研究。2DQTT-o-B材料表現出了突出的電子遷移率，這打破了原有材料的記錄。

文獻連接：Pursuing High-Mobility n-Type Organic Semiconductors by Combination of “Molecule-Framework” and “Side-Chain” Engineering（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201602598）

6、香港城市大學—多功能能量儲存與轉換設備

圖6 四種在聚合材料中進行自我修復的基本方法示例

在智能與相互作用的模式下，多功能能量儲存與轉換設備具有許多新奇的特點和功能，因而在商業產品中也占有一席之地，如移動電子設備、醫療保健設備、人工智能、電動車、智能家居及太空衛星等。合適的材料、設備設計與性能對能量電子設備的發展都是重要的，能賦予設備多樣的智能功能。

香港城市大學的支春義（通訊作者）等最近發表了一篇綜述，對目前多功能能量儲存與轉換設備的重要前沿發展方向與廣闊的應用進行論述。具體論述了可自主修復的能量儲存與轉換設備、電致變色能量儲存與轉換設備、形狀記憶能量儲存與轉換設備、可用于光電探測的能量儲存與轉換設備及溫敏性能量儲存與轉換設備這六大類，并進一步介紹了每一大類下的幾個重要分支，并對這些設備的發展和應用前景進行了展望。

文獻鏈接：Multifunctional Energy Storage and Conversion Devices（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601928）

7、化學所等—納米間隙電極的宏量制備及在隨機存儲器中的應用

圖7 納米間隙電極陣列的制備過程圖示

在半導體儲存市場，閃存的性能在過去的時間得到很大的提高，但卻又在進一步縮小尺寸時帶來很多缺點。因此，可替代當前閃存的候選設備要在小尺寸下依然表現高密度的存儲。鐵電隨機存儲器（FeRAM）表現出超低的能量消耗和極佳的持久性，是極有前景的隨機存儲器。但是，FeRAM中的鐵電材料在極薄尺寸下會喪失其固有的鐵電性。因此，需要選擇其他的材料。

中國科學院化學研究所、天津大學、天津化學化工協同創新中心的胡文平（通訊作者）和中國科學院化學研究所的董煥麗（通訊作者）帶領研究團隊通過結合原子層沉積、粘附與化學腐蝕，制備出納米間隙電極陣列。這種納米間隙電極具有單極的非易失性電阻轉換儲存性，表現出穩定、耐用和多位儲存性，在極高密度儲存領域表現出很好的應用前景。在電阻轉換后，Si導電纖維的形成和分布及Au原子的遷移則是主要的工作機制。

文獻鏈接：Mass Production of Nanogap Electrodes toward Robust Resistive Random Access Memory（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201603124）

8、四川大學&阿卜杜拉國王科技大學—鉀-鈉鈮酸鹽無鉛陶瓷的優良壓電性能

圖8 (a)比較壓電陶瓷的d33和Tc值，(b)比較KNNS-BZ-BKH、其他無鉛材料和PZT材料的d33值，(c)KNN基陶瓷在數年來d33的變革

壓電陶瓷在技術發展過程中一直占據著重要的地位，此前，含鉛壓電陶瓷廣泛應用在多種壓電設備中，材料中的添加劑不同，也會表現出不同的壓電特性。當然，為了減少對環境和人體健康的危害，無鉛壓電陶瓷的研究才是順應發展潮流的。

四川大學的吳家剛（通訊作者）和阿卜杜拉國王科技大學的Xixiang Zhang（通訊作者）帶領的研究團隊報道了一種性能優異的壓電陶瓷材料—（1-x-y）K1-WNaWNb1-ZSbZO3-yBaZrO3-xBi0.5K0.5HfO3，壓電系數高（d33=570 ± 10 pC/N），是目前所報道的鉀-鈉鈮酸鹽基陶瓷中的最高值。高的d33值歸因于“納米尺度的應變域”（1-2nm）和鐵電疇壁飛高密度的共存，因此，三元KNN-基陶瓷的應用前景也是巨大的。

文獻鏈接：Superior Piezoelectric Properties in Potassium–Sodium Niobate Lead-Free Ceramics（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601859）

9、國立臺灣大學等—小分子施主的異構性對有機光伏性能的影響

圖9 (a)antiBTDC和synBTDC的分子結構，(b)分子軌道轉變時，能量密度的變化，(c) antiBTDC和synBTDC的晶體堆積結構

在太陽能和電能轉換領域，有機光伏電池被廣泛研究，較傳統的Si基光伏，具有低廉、質輕和柔性的優點。在多種有機材料中，小分子材料由于易于純化，同時可通過氣相技術來進行沉積，因此在有機光伏領域是最有發展前景的。

國立臺灣大學、中央研究院的Ken-Tsung Wong（通訊作者）和密歇根大學的Stephen R. Forrest（通訊作者）帶領研究團隊合成d-a-a’（ Donor - Acceptor - Acceptor’）型結構的小分子施主，并研究其結構異構性對有機光伏設備產生的影響，進一步對材料在有機光伏中結構-性質-性能相互之間的聯系進行研究。這個分子包含有anti和syn兩種非對稱的并苯來作為BTDC的雜環施主，以此來用于研究當有機光伏中混有富勒烯受體時，分子的異構性對有機光伏的性能影響。

文獻鏈接：Regioisomeric Effects of Donor - Acceptor - Acceptor’ Small-Molecule Donors on the Open Circuit Voltage of Organic Photovoltaics（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601957）

10、北京大學—室溫下鹽酸輔助一步沉積制備高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池

圖10 (a)電池的SEM截面圖，(b) J-V曲線，(c)25 s內電流密度和轉換效率的變化，(d)電池的外量子效應曲線，(e)大面積電池的J-V曲線

近些年來，鈣鈦礦太陽能電池的效率已經從3%提升到20%以上，目前最大的難題是電池的穩定性。雖然覆蓋一層多孔層或者致密的電荷提取層可以有效地提高其在空氣中的穩定性，然而，鈣鈦礦層本身在空氣中還是不穩定的。

最近，北京大學徐東升教授（通訊作者）課題組發明了一種可以在室溫下利用鹽酸輔助和旋涂的方法制備具有大晶粒、平滑、覆蓋率高的鈣鈦礦薄膜。該薄膜使得鈣鈦礦太陽能電池的效率達到17.9%并且具有優異的穩定性，在空氣中存儲30天后效率仍可保持16.9%。這個制備方法由于其簡便和制得薄膜的高穩定性有望投入實際應用，并且室溫下進行的工藝也有望應用于柔性襯底。

文獻鏈接：Room-Temperature, Hydrochloride-Assisted, One-Step Deposition for Highly Efficient and Air-Stable Perovskite Solar Cells（Advanced Materials， 2016，DOI：10.1002/adma.201601881）

本文由材料人編輯部學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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