頂刊動態｜AEM/Angew/Nano Letters等一周中國學術進展匯總【第54期】

國內周報第54期摘要：華南理工大學通過處理添加劑改善聚合物太陽能電池的形貌和效率；香港科技大學等實現了多組分點擊聚合——融合雜環聚合物的簡易策略；北京理工大學利用石墨相氮化碳/富氮碳納米纖維實現高效光催化析氫；北京大學制備出高度均勻的碳納米管場效應晶體管和中等規模集成電路；廈門大學通過缺陷工程對單個碳納米管力學性能進行可逆調諧；清華大學制備出帶有魚鱗片狀石墨烯傳感層的高性能應變傳感器可用于人體運動的全方位檢測；復旦大學等在錳氧化物納米圓盤中實現單相態；北京科技大學等總結了用于能源與環境科學的摩擦納米發電機驅動自供電的電化學過程。

1、Adv. Funct. Mater.：通過處理添加劑改善聚合物太陽能電池的形貌和效率

圖1 PBTA-FPh、PBTA-BO和PC71BM的分子結構及器件結構示意圖

目前塊材異質結（BHJ）聚合物太陽能電池（PSC）已經取得了顯著的進步，無論是單結器件還是多結器件其能量轉換效率（PCE）都達到甚至超過了10%。

近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室的黃飛（通訊作者）和應磊（通訊作者）等人設計并合成了一種新的以苯并二噻吩-苯并三氮唑交替作為主鏈、側鏈上具有極性FPh基團的寬帶隙共軛聚合物PBTA-FPh。與具有非極性烷基側鏈的原始聚合物PBTA-BO相比，所得到的PBTA FPh在具有相似的光學和電化學帶隙時間表現出不太明顯的聚集效應。接觸角的測量表明，可以通過引入FPH基元增強表面能，這使得當一定量的PBTA-FPh存在時PBTA-BO和PC71BM之間具有更好的相容性。質量比為1：1.2：0.02％的 PBTA-BO：PC71BM：PBTA-FPh的光活性層表現為纖維性的滲濾網絡，這一特點已經被透射電子顯微鏡測量揭示。特別有趣的是聚合物太陽能電池器件光伏性能的顯著提高，當器件使用PBTA FPh作為聚合物添加劑處理后其能量轉換效率從6.46%提高到了7.91%。這些結果表明，引入側鏈中具有極性基團的聚合物添加劑作為供體-受體可作為一種有前途的制備高性能聚合物太陽能電池的策略。

文獻鏈接：Improved Morphology and Efficiency of Polymer Solar Cells by Processing Donor–Acceptor Copolymer Additives （Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601625）

2、Macromolecules：多組分點擊聚合——融合雜環聚合物的簡易策略

圖2 （A）紫外光照射下的二維熒光圖案；（B）紫外光照射下的三維熒光圖案；（C）日光和紫外光的光照強度 （比例尺：200μm；激光波長：330-385nm）

最近，稠合雜環化合物受到越來越多的關注，科學家們也投入了大量的精力融合不同雜環聚合物。而由于雜環聚合物的復雜結構和繁瑣的合成路線等，因此高效合成方法仍稀缺。所以開發簡便高效的聚合路線有著重要的意義。

香港科技大學、香港科技大學深圳研究院、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室、華南理工大學-香港科技大學聯合實驗室的唐本忠院士（通訊作者）和香港科技大學、香港科技大學深圳研究院的Jacky W. Y. Lam（通訊作者）等人開發了一種簡單高效的多組分點擊聚合路線，可用于構建具有先進功能的融合雜環聚合物。室溫下利用碘化亞銅和三甲胺，二炔、二磺酰疊氮和水楊醛或o-羥基苯乙酮之間的聚合反應可以高效且順利地進行，以很高的產率（高達99%）得到高分子量的聚氨基香豆素（分子量高達64?600）。這種多元點擊聚合方法兼具多組分反應和點擊反應的優點，如操作簡單、高的反應效率和分離收率、反應條件溫以及通常基板等。所得聚合物具有優異的成膜性、高的熱穩定性以及良好的形態穩定性。將四苯基乙烯發光物嵌入聚合物鏈中，其溶液熒光會減弱且出現強烈的聚集，這是聚集增強發射的一個典型特征。此外， 通過UV光處理薄膜處理所得到的具有亮膜發射和高靈敏度的聚合物可輕易地制作成分辨率較高的2D和3D圖案。

文獻鏈接：Multicomponent Click Polymerization: A Facile Strategy toward Fused Heterocyclic Polymers（Macromolecules，2016，DOI: 10.1021/acs.macromol.6b01217）

3、Angew. Chem. Int. Ed.：石墨相氮化碳/富氮碳納米纖維實現高效光催化析氫

圖3 3D g-C3N4@C的實驗制作程序-C3N4@C

通過光催化水制氫實現太陽能向化學能轉換被認為是最干凈的可再生資源策略，石墨相氮化碳（g-C3N4）由于具有良好的化學穩定性、抗光腐蝕、和獨特的電子和光學性質，可以在可見光下將水分解成氫和氧，因此引起了廣泛關注。

最近，北京理工大學化學學院的曲良體（通訊作者）等人已成功制備在原位合并富氮碳的介孔C3N4石墨納米纖維的互聯結構。納米纖維獨特的成分和結構以及其組件間的強耦合，賦予了納米纖維高效捕光性能、高效電荷分離、和多維電子傳輸路徑，從而提高產氫性能。其中所獲得的催化劑具有1688μmol/(h*g)的高析氫率并且在420nm沒有任何助催化劑情況下有著高達14.3%的顯著表觀量子效率，該催化劑的高析氫率和顯著表觀量子效率高于大多數報道的以g-C3N4為基甚至基于Pt助催化劑的光催化劑。這項研究在光電、光催化和光電催化的應用中對設計界面有效緊密連接提供了一個簡單的方法。

文獻鏈接：Graphitic Carbon Nitride/Nitrogen-Rich Carbon Nanofibers: Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution without Cocatalysts （Angewandte Chemie International Edition ，2016，DOI:10.1002/anie.201605591）

4、Nano Letters：高度均勻的碳納米管場效應晶體管和中等規模集成電路

圖4 4-bits的碳納米管加法器

碳納米管（CNTs）被認為是優秀的構建場效應晶體管（FET）溝道材料，可用于為未來的集成電路（IC），其具有很多令人興奮的優點，如高速、低功耗以及用于柔性或瞬態電子學的潛力。

近期，北京大學的彭練矛（通訊作者）和張志勇（通訊作者）等人通過碳納米管（CNT）溶液中獲得的CNT網絡狀薄膜，進而批量制備頂柵p型場效應晶體管（FET）。這一方案展現了高的產率和高均勻性，其具有標準差為34 mV的窄閾值電壓分布。根據場效應管的特性，設計了不同的邏輯門和算術門、移相器和D鎖存器電路，而且顯示了滿擺幅輸出。特別是，展示了一個由140個p型碳納米管場效應晶體管組成的4位加法器，其具有與之前報道的基于碳納米管薄膜的集成電路相比更高的組裝密度和低的供電電壓，這暗示著基于碳納米管的集成電路可以達到中等規模。此外還首次實現了2位乘法器。得益于碳納米管場效應晶體管的高均勻性和合適的閾值電壓，所有基于碳納米管場效應晶體管的電路可以由一個小至2V的單片電壓來驅動。

文獻鏈接：Highly Uniform Carbon Nanotube Field-Effect Transistors and Medium Scale Integrated Circuits （Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02046）

5、Nano Letters：通過缺陷工程對單個碳納米管力學性能進行可逆調諧

圖5 碳納米管諧振腔的缺陷工程

現實世界的碳納米管（CNTs）不可避免地存在一些結構缺陷，但是通常是不希望出現這些缺陷的，因為他們打破了結構的完美并可能導致碳納米管性能的大幅退化。另一方面，故意引入缺陷可以提供調節碳納米管機械性能的可能性。

廈門大學的王鳴生（通訊作者）等人提出了使用原位透射電子顯微鏡（TEM）實現完全可控的技術來處理缺陷。碳納米管的楊氏模量、共振的品質因數和抗拉強度是可控的、可逆的并可以反復調節。結構缺陷的并行高分辨率可視化表明性能調節圈的存在主要是由于在原子尺度上缺陷的可逆轉換：缺陷來源于電子輻照下的空位和間隙原子的形成，通過電流感應退火間隙和空位發生重組而消失。對于實際運用而言，如可逆的頻率調諧碳納米管諧振器，這種缺陷工程技術被證明是非常精確的；頻率可調諧到0.1% /分鐘的精度，與現有的方法相比提高了1個數量級。

文獻鏈接：Reversible Tuning of Individual Carbon Nanotube Mechanical Properties via Defect Engineering （Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02287）

6、ACS Nano：帶有魚鱗片狀石墨烯傳感層的高性能應變傳感器用于人體運動的全方位檢測

圖6 （a）FSG應變傳感器制備示意圖；（b）FSG應變傳感器實物圖；FSG應變傳感器（c）頂視和（d）橫截面SEM圖像

在電子皮膚和健康監測系統的潛在應用中，應變傳感器由于強伸縮性、廣泛監測范圍、高靈敏度等特性引起了極大的關注。

最近，清華大學化學系的石高全教授（通訊作者）等人研究了一種具有魚鱗片狀石墨烯傳感層的高性能應變傳感器。這種應變傳感器能夠通過拉伸/釋放還原氧化石墨烯和彈性帶復合薄膜制作，且制作過程具有簡單、廉價、節能和可擴展等優點。這種應變傳感器可用于檢測大形變范圍 （高達82%的應變）的拉伸與彎曲，其靈敏度高（應變靈敏度因數為16.2到150）、檢測極限很低（<0.1%的應變）并且有著良好的可靠性和穩定性。因此它在全方位檢測人體運動的實際應用中引起了極大關注并且有著很好的應用前景。

文獻鏈接：High-Performance Strain Sensors with Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human Motions（ASC Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03813）

7、PNAS：在錳氧化物納米圓盤中實現單相態

圖7 納米圓盤的形貌及磁結構表征

由于自旋、電荷、軌道和晶格之間的強耦合，不同的電子相往往在強關聯材料中共存，這被稱為電子相分離（EPS）。電子相分離對材料整體的磁性及輸運性質起著至關重要的作用，但對在相分離的臨界尺寸之下的材料性質表征卻少有研究和報道。

最近，復旦大學應用表面物理國家重點實驗室和物理系、人工微結構科學與技術協同創新中心的沈健（通訊作者）和殷立峰（通訊作者）以及路易斯安那州立大學的E. W. Plummer（通訊作者）等人用錳氧化物制備了不同尺寸的納米圓盤，并在EPS臨界尺寸之下的圓盤上觀察到了單一的鐵磁相，并通過不同磁場和溫度下的材料行為探究EPS的形成機制。 這項工作不僅對EPS成因的研究有著重要的借鑒意義，也使今后納米級別的電子元器件應用有著更多依據和可能性。

文獻鏈接：Emerging single-phase state in small manganite nanodisks?（PNAS, 2016, DOI: 10.1073/pnas.1609656113）

8、Adv. Energy Mater.：用于能源與環境科學的摩擦納米發電機驅動的自供電電化學過程

圖8 摩擦電納米發電機的四種基本模式及相應的器件

自從2012年王的團隊發現摩擦納米發電機（TENG）以來，相繼在摩擦納米發電機的基本機制以及實現自供電系統等方面出現突破。摩擦納米發電機（TENG）已經在應用于傳感器和便攜式器件的微尺度的能量收集上顯示出許多優勢。作為一個自給自足的電源，TENG可以結合電化學反應，設計出自供電的電化學而不使用外部電源。

近期，北京科技大學的王寧（通訊作者）和美國佐治亞理工學院的王中林（通訊作者）等人的一篇review總結了目前TENGs用于高效能量轉換和自供電的電化學系統的進展，目前TENGs主要應用于分解水、海水淡化、空氣污染凈化、降解有機污染物、重金屬離子收集以及更多的其他運用。而對于環境科學中的大規模應用而言，不使用外部電源利用TENG進行自供電的電化學系統的理念可能是十分有幫助的。

文獻鏈接：Triboelectric Nanogenerators Driven Self-Powered Electrochemical Processes for Energy and Environmental Science （Advanced Energy Materials，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600665）

以上我們列舉的僅為過去一周內（7.28-8.3）我國材料研究最新進展的代表，由于篇幅所限，還有不少國內優秀成果沒有列入。整理過程中難免存在疏忽，還望各位讀者諒解并誠摯歡迎大家提出意見/建議。

本期周報由國內材料周報小組昝菲、高依飛、房馳和周健撰寫，材料牛編輯整理。

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