SCIENCE CHINA Materials 2017年第8期

《Science China Materials》 Volume 60, Issue 8, August, 2017

分形結構在大自然中遍布各處，從廣闊的星系到精致的雪花。具有分形結構的納米晶體通常具有較大的表面積與體積比，豐富的低配位邊緣和拐角，因此在實際應用中成為引人入勝的催化劑。匡勤和謝兆雄等開發了一種簡單的溶劑熱方法，用于直接制備獨特的單晶Rh超支化結構，不僅具有很好的結構穩定性，而且易于調整生長級數。獨特的結構使得制備的Rh納米薄片在乙醇電氧化和苯乙烯氫化方面具有優異的催化活性（參見第685頁的文章）。

1. Article

Synthesis of single-crystal hyperbranched rhodium nanoplates with remarkable catalytic properties

超支化Rh單晶納米薄片的合成及其催化性能研究

Jiawei Zhang, Meishan Chen, Jiayu Chen, Huiqi Li, Suheng Wang, Qin Kuang, Zhenming Cao and Zhaoxiong Xie

貴金屬納米晶的催化性質與其結構密切相關。比表面積越大、配位不飽和的邊角原子密度越高，貴金屬納米晶在催化反應過程中表現出的性能往往越優異。相比于常見的具有完整幾何形貌的貴金屬納米晶，具有多重分級結構特征的超支化貴金屬納米晶擁有更大的比表面積以及更豐富的配位不飽和的活性位點，因此被認為是一種潛在的性能優異的催化劑。 但這種具有多重分級結構特征的超支化貴金屬納米晶無論是在生長機理研究還是可控制備上都還存在巨大的挑戰。本文通過簡單的濕化學法成功制備出一種具有多重分級結構特征的超支化Rh納米薄片。該產物由三角形納米片在擴散限制條件下分級生長形成，整體呈現三次對稱性的單晶特征。研究表明，該納米結構不僅具有出色的結構穩定性，而且其生長級數可通過反應溶劑比例的簡單調節進行調控，從而實現Rh納米薄片比表面積和位于邊/角活性位點的原子比例的調控。由于擁有更大的比表面積以及更為豐富的配位不飽和的活性位點，這種具有多重分級結構的超支化Rh納米薄片在乙醇電催化氧化和苯乙烯催化加氫催化反應中展現出了比目前主流商業催化劑Rh黑更為優異的催化活性。

SCIENCE CHINA Materials 60(8): 685-696

2. Article

Environmentally-friendly solvent processed fullerene-free organic solar cells enabled by screening halogen-free solvent additives

篩選非鹵溶劑添加劑制備非富勒烯有機太陽能電池

Wenchao Zhao, Long Ye, Sunsun Li, Xiaoyu Liu, Shaoqing Zhang, Yun Zhang, Masoud Ghasemi, Chang He, Harald Ade and Jianhui Hou

雖然近年來有機太陽能電池的能量轉換效率已經超過13%，但是加工高效率有機太陽能電池的溶劑大多數是含鹵溶劑，這些溶劑體系阻礙了有機太陽能電池的進一步發展。因此, 探索使用綠色溶劑制備高效率電池具有重要意義。本文在非鹵溶劑鄰二甲苯作為主溶劑的前提下，通過篩選不同非鹵溶劑作為添加劑制備高效有機太陽能電池，在PBDB-T:IT-M共混材料體系中，取得了11.6%的能量轉換效率，該效率是使用非鹵溶劑加工有機太陽能電池的最高效率之一。 我們通過一系列形貌測試將共混薄膜形貌的相區尺寸，相區純度以及結晶性等重要形貌參數與器件性能進行關聯，這對非富勒烯有機太陽能電池的性能優化具有指導意義。本研究表明，通過細致篩選非鹵溶劑添加劑調節共混薄膜的形貌，從而可以獲得高性能的有機太陽能電池。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 697-706

3. Article

Asymmetric indenothiophene-based non-fullerene acceptors for efficient polymer solar cells

含茚并噻吩的不對稱非富勒烯受體材料及其高性能聚合物太陽電池

Changquan Tang, Shan-Ci Chen, Qi Shang and Qingdong Zheng

本文設計合成了三個新型含茚并噻吩的“受體-給體-受體”型不對稱非富勒烯受體材料。通過使用具有不同吸電子能力的末端基團（如：二氰乙烯基、3-乙基繞丹寧、2-二氰亞甲基-3-乙基繞丹寧）實現了目標材料的帶隙和能級調控。以這些非富勒烯受體材料與PTB7-Th給體材料共混制備的倒置聚合物太陽電池, 實現了高達7.49%的光電轉換效率和1.02伏的高開路電壓以及0.59電子伏的低能量損失。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 707-716

4. Article

Hydrothermal synthesis of coherent porous V₂O₃/carbon nanocomposites for high-performance lithium- and sodium-ion batteries

水熱法制備多孔V₂O₃/碳復合材料用于高性能鋰離子電池和鈉離子電池的研究

Xinxin An, Hulin Yang, Yaping Wang, Yan Tang, Shuquan Liang, Anqiang Pan and Guozhong Cao

碳復合材料已經在能量儲存和轉換設備中得到廣泛的研究，并且通常由液體前驅體制備. 本文報道了在LiH₂PO₄的幫助下，VO₂微米球通過“溶解和重結晶”，形成V₂O₃和碳納米復合材料的特殊過程。得到的釩氧化物納米顆粒在碳基體中分布均勻。V₂O₃/碳復合材料繼承了KB碳的多孔特征，比表面積為76.59 m²g^?1。作為鋰/鈉離子電池的負極材料，V₂O₃/碳復合材料表現出比V₂O₃納米顆粒更高的放電比容量，更好的倍率性能和循環穩定性。電化學性能提高歸因于V₂O₃/碳納米復合材料的多孔結構，其允許電解質滲透，縮短離子擴散距離并提高電子導電率。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 717-727

5. Article

Structure and electrochemical performance of BaLi2?xNaxTi6O14 (0≤x≤2) as anode materials for lithium-ion battery

鋰離子電池BaLi2?xNaxTi6O14 (0≤x≤2)負極材料的結構與電化學性能

Wei Tao, Mao-Lian Xu, Yan-Rong Zhu, Qianyu Zhang and Ting-Feng Yi

本文采用簡單的高溫固相法制備了BaLi_2-xNa_xTi₆O₁₄ (0≤x≤2)系列化合物作為儲鋰材料。XRD Rietveld精確表明Bragg點與BaLi₂Ti₆O₁₄相對應，由于Na⁺的半徑比Li⁺的半徑大55%，因此Na⁺摻雜的BaLi₂Ti₆O₁₄化合物具有比純BaLi₂Ti₆O₁₄更大的晶胞體積。SEM測試結果表明，BaLi_2-xNa_xTi₆O₁₄ (x=0, 0.5, 1)粉末呈相似的不規則的顆粒狀, 粒徑大約在500到1000 nm之間。但是，BaLi_2-xNa_xTi₆O₁₄ (x=1.5, 2)展示了棒狀的形貌. 循環伏安結果表明, 鈍化膜主要在第一次嵌鋰過程時形成, BaLi_2?xNa_xTi₆O₁₄ (0≤x≤2)表面的SEI膜主要在第一次循環且電位在0.7 V以下時形成. 相對于其他樣品, BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄具有較高的可逆容量, 較好的倍率性能和優異的循環性能. 電流密度為50、100、150、200、250和300mA g^?1時, BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄的脫鋰容量分別為162.1、158.1、156.7、152.2、147.3和142 mA h g^?1. 有趣的是, BaNa₂Ti₆O₁₄作為陽極也展示了可接受的電化學性能。BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄所提高的電化學性能可以歸因于其最小的極化和最高的鋰離子擴散系數。因具有優異的循環性能、簡單的合成路線和寬的放電區間，BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄可作為鋰離子電池負極候選材料。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 728-738

6. Article

Exploring an effective oxygen reduction reaction catalyst via 4e^? process based on waved-graphene

波浪型石墨烯作為高效四電子氧氣還原反應電催化劑的探索

Lujie Cao, Mingyang Yang, Zhouguang Lu and Hui Pan

本文基于第一性原理，針對一種本征或氮摻雜的石墨烯在不同晶胞參數壓縮比和在酸性條件下的氧氣還原反應機理進行了探索。文章假設了兩種不同的反應機理，并逐步分析了從氧氣吸附到水分子形成的整個過程，結果表明基于氧氣分子解離機理的四電子過程是唯一有效的路徑。文章進一步提出了一種有效的氧氣還原反應機理，這為設計新的非金屬電催化劑提供了新的思路。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 739-746

7. Article

A new two-dimensional TeSe₂ semiconductor: indirect to direct band-gap transitions

新型二維半導體TeSe₂：間接帶隙到直接帶隙的轉變

Bozhao Wu, Jiuren Yin, Yanhuai Ding and Ping Zhang

本文基于第一性原理計算預測了一種新穎的二維穩定結構TeSe₂，結果顯示單層TeSe₂是一種半導體材料, 其帶隙值為2.392 eV。有趣的是單層TeSe₂的間接能帶在寬范圍的雙向負應變(0.02~0.12)作用下轉變為直接能帶。比單層黑磷烯更小的有效空穴電子質量預示了TeSe₂具有更高的載流子遷移速率。此外, 對不同厚度TeSe₂的聲子模及光學性質也進行了計算，結果顯示不同厚度的TeSe₂具有較強的光學各向異性，尤其是多層TeSe₂具有更寬的吸收波長。這些結果表明，TeSe₂作為一種新穎的二維結構在納米器件領域具有巨大的應用潛力，如高速超薄晶體管, 納米力學傳感器，紫外-可見紅光區聲光偏振器及光電子器件等。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 747-754

8. Article

In-situ phase transition to form porous h-MoO₃@C nanofibers with high stability for Li⁺/Na⁺ storage

原位液相轉變制備多孔h-MoO₃@C納米線用于鋰/鈉離子儲存

Zhi Chen, Yongkang Liu, Hang Zhang, Shuangshuang Ding, Taihong Wang and Ming Zhang

基于金屬氧化物存儲機制, MoO₃比MoO₂具有更高的理論容量。本文通過熱的硝酸氧化MoO₂@C納米線成功制備出具有400.2 m² g^?1高比表面積的多孔h-MoO₃@C納米纖維，且碳壁沒有明顯破壞. 作為鋰離子電池的負極，與MoO₂@C納米線相比多孔h-MoO₃@C納米纖維電極表現出更好的性能, 其中在2 A g^?1的電流密度下500循環后展現出302.9 mA h g^?1的可逆容量。作為鈉離子電池的負極，h-MoO₃@C電極同樣具有很好的倍率性能。在2 A g^?1的電流密度下500循環后仍具有108.9 mA h g^?1的容量，并且在2 A g^?1的電流密度下1200循環后還能保持91 mA h g^?1的容量。由于碳壁可以維持結構的完整性且可提高導電性；同時h-MoO₃ 的隧道結構可作為分離電子孔并為Li⁺/Na⁺嵌入脫出提供更多的特有位置,使得該復合納米線作為電極材料表現出更好的性能。本工作為合成具有高價的過渡金屬氧化物/碳復合材料在電池和催化劑領域的運用提供了依據。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 755-765

9. Article

Rectangular flake-like mesoporous NiCo₂O₄ as enzyme mimic for glucose biosensing and biofuel cell

基于矩形片狀介孔NiCo₂O₄用于非酶葡萄糖生物傳感器和葡萄糖生物燃料電池的研究

Shiqiang Cui, Jiangjiang Zhang, Yaping Ding, Shuqing Gu, Ping Hu and Zongqian Hu

矩形片狀介孔NiCo₂O₄催化劑被首次同時用于非酶葡萄糖傳感器和非酶葡萄糖燃料電池中。結果表明：在傳感器上，介孔NiCo₂O₄催化劑對葡萄糖具有優異的傳感特性，如超快的響應時間(小于1 s)，超高的靈敏度(662.31 μA (mmol L^?1) ^?1cm^?2)以及超低的檢測限(0.3 nmol L^?1 at S/N= 3)；在燃料電池上，介孔NiCo₂O₄催化劑作為負極材料展示出了良好的應用前景，包括0.63 V的開路電壓，0.092 mW cm^?2的最大輸出功率和1.3 mA cm^?2的極限電流密度。該材料對葡萄糖優異的催化能力歸因于介孔結構引起的巨大比表面積能夠提供更多的活性位點和NiCo₂O₄本身具有的良好的催化能力。本研究為促進非酶葡萄糖超敏感檢測和豐富非酶葡萄糖燃料電池負極催化材料的發展提供了有利的依據。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 766-776

10. Article

Multifunctional Cu_1.94S-Bi₂S₃@polymer nanocomposites for computed tomography imaging guided photothermal ablation

多功能Cu_1.94S-Bi₂S₃@polymer納米探針用于CT成像指導的光熱治療

Xiaoquan Lu, Yuanbao Li, Xilin Bai, Gaofei Hu and Leyu Wang

鉍摻雜硫化銅納米晶用于CT成像指導的光熱治療已經引起了人們的廣泛關注。然而，低劑量的鉍摻雜CT信號弱，高劑量鉍摻雜又會減弱硫化銅的光熱效果。本文報道了一種多功能納米探針，用兩親性高分子將油溶性Cu_1.94S和Bi₂S₃納米晶同時封裝于約85 nm大小的納米微球中,用于CT成像指導光熱治療. 多功能納米探針中Cu_1.94S和Bi₂S₃納米晶的量和比例能夠靈活調節, 從而得到較高的光熱轉換效率(~31%)和良好的CT成像能力(27.8 HU g L^?1)。這些納米探針在4T1荷瘤小鼠進行瘤內注射后，顯示了良好的CT成像與腫瘤光熱治療效果。該復合納米探針的制備方法還可用于其他多功能納米探針的制備。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 777-788

11. Highlights

Universal organic anodes enable safe low-cost aqueous rechargeable batteries with long cycle life, high capacity, and fast kinetics

Weixing Song and Guozhong Cao

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 789-791

本文由材料人編輯部特邀編輯、《Science China Materials》實習編輯吳禹翰整理、發布。