苏州大学严锋教授团队Adv. Mater.:电场诱导梯度离子凝胶,实现高灵敏、宽响应范围和抗冷/热传感器

苏州大学严锋教授团队Adv. Mater.:电场诱导梯度离子凝胶,实现高灵敏、宽响应范围和抗冷/热传感器

【引言】

众所周知,自然生物敏感的触觉反馈系统能够快速和准确的反应感知周围的环境,相反,人造机器和机器人通常对外部刺激缺乏动态反应。为了克服这一限制,许多敏感的智能设备模拟了生物系统的结构和功能,包括可穿戴电子设备,皮肤和软机器人在内的智能设备可以自动监视物理刺激和化学标记。然而,随着健康管理、临床诊断和极端环境监测等领域需求的增加,开发更高灵敏度、更宽范围响应和抗冻/耐热新型柔性电子产品的新机制和策略成为关键。尽管过去十年在压力传感器方面取得了重大进展,但克服局限性以同时实现高灵敏度和更广泛探测仍然具有挑战性。为了解决这一问题,目前的策略主要集中在结构设计和优化上,在传感过程中引入纳米结构,以减少初始接触面积,增加最终接触面积。尽管这些策略大大提高了检测范围,与人类手指传感能力相比,从2 kPa到1 MPa仍有一个数量级的差距。

离子液体由于其独特的物理化学性质,如广泛的工作温度范围、不可燃性和高离子电导率、热稳定性、电化学稳定性和化学稳定性,而受到了广泛的关注。基于离子液体的离子聚合物凝胶中,小分子离子液体被混合在聚合物网络中,其显著特性可以改善聚合物网络的力学性能。基于离子液体的离子凝胶在柔性电子产品中显示出巨大的潜力,如能量转换和存储设备、晶体管和传感器等。

鉴于此,苏州大学严锋教授团队(通讯作者)受梯度机械杨氏模量分布的启发,提出了一种电场诱导的阳离子交联剂迁移策略来制备梯度离子凝胶。由于交联剂的梯度,离子凝胶在阳极和阴极侧之间表现出四个数量级以上的差异,从而使梯度离子凝胶基柔性离电子传感器,具有更高的灵敏度和更宽的检测范围(3×102~2.5×106 Pa)。此外,由于梯度离子凝胶的优异性能,柔性离子电子传感器还显示出良好的长期稳定性(即使在10000次循环后),并在宽温度范围(-108至300℃)中具有出色的性能。柔性离子传感器还可以集成在机械手上,在各种条件下均具有出色的性能。这些吸引人的功能,表明梯度离子凝胶将是智能传感器在复杂和极端条件下应用的有前途的候选材料。相关研究成果以“Electric-Field-Induced Gradient Ionogels for Highly Sensitive, Broad-Range-Response, and Freeze/Heat-Resistant Ionic Fingers”为题发表在Adv. Mater.上。

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钙钛矿今日Nature:增强电荷载流子管理,实现高效钙钛矿太阳能电池

钙钛矿今日Nature:增强电荷载流子管理,实现高效钙钛矿太阳能电池

【引言】

众所周知,金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种新兴的光伏技术,具有打破成熟的硅太阳能电池市场的潜力。在过去的几年里,由于制备方式,化学组成和相位稳定方法的发展,器件性能有了很大的提高,使PSCs成为最有效和低成本的光伏技术之一。但是,这些器件的捕光性能仍然受到过多电荷载流子复合的限制。尽管付出了很多努力,但最佳的PSCs的性能还是受到相对较低的填充因子和高开路电压缺陷的限制。电荷载流子管理的改善与填充因子和开路电压密切相关,因此为提高PSCs的器件性能并达到其理论效率极限提供了一条途径。其中,基于SnO2的电子输运层(ETLs)提供了有利的能带对齐,同时能在低温处加工。同时,在各种沉积方法中,基于SnO2纳米颗粒的ETLs表现出了迄今为止最好的性能。但是,基于SnO2纳米粒子的PSCs表现出相对较低的电致发光外部量子效率(EQE)。通过测量正向偏置下的发光效率确定的光伏器件的电致发光EQE是载流子复合辐射效率的直接度量。因此,至关重要的是开发出使ETLs/钙钛矿界面处的光电压损失最小化的策略,使VOC最小化缺陷,从而研究者寻求另一种可以充分发挥SnO2 ETL潜力的沉积方法。

鉴于此,麻省理工学院Moungi G. Bawendi,韩国化学技术研究所Jangwon SeoSeong Sik Shin(通讯作者)报告了一种通过增强电荷载流子管理来提高PSCs性能的整体方法。首先,通过调整二氧化锡(SnO2)的化学浴沉积来开发具有理想膜覆盖率,厚度和成分的电子传输层。其次,将钝化策略在本体和界面之间解耦,从而改善了性能,同时使带隙损失最小。研究表明,化学浴沉积过程中的Sn中间物在最终SnO2的质量和特性中起着至关重要的作用层。更具体地讲,各种Sn中间物质的形成取决于Sn2+前驱体(SnCl2)的分解途径,这取决于反应溶液的pH。在正向偏置中,本文的器件显示出高达17.2%的电致发光外量子效率和高达21.6%的电致发光能量转换效率。作为太阳能电池,它们可实现25.2%的认证功率转换效率,相当于其带隙热力学极限的80.5%。相关研究成果以“Efficient perovskite solar cells via improved carrier management”为题发表在Nature上。

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Adv. Mater.:面向应用的高面容量水系锌离子电池:量化氢的逸出量和用于稳定锌负极的固体离子导体

Adv. Mater.:面向应用的高面容量水系锌离子电池:量化氢的逸出量和用于稳定锌负极的固体离子导体

【引言】

锌(Zn)负极有望应用于高安全性和低成本的水系电池。然而,Zn在水性环境中热力学不稳定。因此,即使在闲置时,Zn电极会分解水H2O产生氢气。这个长期以来被忽视的问题将显着影响电池的寿命。Zn电池电化学过程中,氢的生成还没有精确定量化。量化Zn沉积过程中电极上产生的氢是了解导致容量损失和电池故障的机理的关键。另一方面,析氢出反应引起的Zn突起将在电化学循环过程中的集中电场下吸引更多的Zn2+(“尖端”效应),从而加速了Zn枝晶的垂直生长。

【成果简介】

近日,香港城市大学的支春义教授、李杨杨教授香港理工大学的黄海涛教授(共同通讯作者)等人采用原位电池-气相色谱-质谱分析精确的测量了Zn电池中的氢气释放量。在Zn//Zn对称电池中,氢通量达到3.76 mmol h-1 cm-2,而在Zn//MnO2电池中,氢通量达到7.70 mmol h-1 cm-2。因此,构建具有高Zn2+转移数(0.65)的高度电绝缘(0.11 mS cm-1)同时具有高Zn2+离子导电性(80.2 mS cm-1)ZnF2固体离子导体,以将Zn与液体电解质隔离。这不仅防止产生超过99.2%的氢,也可引导均匀的Zn电沉积。精确测量后,Zn@ZnF2//Zn@ZnF2电池仅产生0.02 mmol h-1 cm-2的氢(占Zn//Zn池的0.53%)。另外,高面容量的Zn@ZnF2//MnO2(~3.2 mAh cm-2)充满电时,仅产生0.06 mmol h-1 cm-2的最大氢通量(占Zn//Zn电池的0.78%)。同时,Zn@ZnF2//Zn@ZnF2对称电池在590小时(285个循环)内在超高电流密度和面容量(10 mA cm-2、10 mAh cm-2)下表现出出色的稳定性,远胜过已报道的水性体系中的其的Zn负极。相关成果以Toward Practical High-Areal-Capacity Aqueous Zinc-Metal Batteries: Quantifying Hydrogen Evolution and a Solid-Ion Conductor for Stable Zinc Anodes”发表在Advanced Materials上。

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大连理工大学武湛君Nature子刊:负极双电层界面助力超快倍率和超高容量铝离子电池

大连理工大学武湛君Nature子刊:负极双电层界面助力超快倍率和超高容量铝离子电池

【引言】

近年来,随着目前便携电子和电动汽车的快速发展,开发具有快速充电能力的高容量电池是目前研究的重点。对于依赖与可逆氧化还原反应的储能平台,将充电时间从数小时缩短至数分钟已成为现实。在过去的五年中,铝离子电池很快就以优异的高倍率充放电而闻名。采用纯Al作为电极具有显著的优点,例如低成本,不可燃性和高容量。此外,稳定的Al电极-电解质界面避免了在锂或锂离子中常见的复杂相间层。但是,能否在保持大多数容量的同时,将充电时间从几分钟缩短到几分之一秒呢?大多数研究集中在提高电池的比容量,但通过电解质与电极之间的界面进行电荷转移的势垒很少受到关注。从物理角度看,更快的充电需要更大的电流,但更大的电流会导致更大的电阻降。从化学角度看,最先进的铝离子电池中的金属离子以阴离子配合物的形式存在。这些带大负电荷的离子的还原速率比水中金属盐的还原速率要慢得多。如果取消了电荷转移的限制,那取得的效果远远不止节约时间。,这将消除超级电容器和电池之间的界限,使其既具有高容量又具有高倍率,从而提供对双电层(EDLs)的更深入的了解。普遍认为,在几纳米范围内,在电解质和金属电极之间的界面处存在薄的EDLs。目前尚不清楚EDLs如何参与带负电离子的还原。关于如何调节EDLs以促进界面上的快速反应的了解甚少。

近日,大连理工大学武湛君教授&美国内布拉斯加大学林肯分校Li Tan共同通讯作者)报道了容量高达200 mAh g-1的铝离子电池,当进一步使用液态金属来降低负极的势垒时,展现了104 C的高倍率充电性能(充电时间仅仅需要0.35 s),在高倍率条件下实现了500%的比容量。具体来讲,活性负极材料的相边界能够通过导电双层结构促进高通量电荷转移。因此,Al(0)沉积的位置不再仅由表面缺陷所决定。最重要的是,电荷转移反应的加速使EDL中的许多中间相得以发现,扩大了人们对EDL在可充电电池中所起作用的理解。在电双层结构中靠内的阴离子层能够对分子构象的迅速变化进行响应,同时阴离子层由于具有聚合物类似结构,有利成分发生变化。研究表明,在充放电过程中形成的副产物可以用来校准和挑战传统的理解。相关研究成果以“Ultra-fast charging in aluminum-ion batteries: electric double layers on active anode”为题发表在Nature Commun.上。

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青岛农业大学马永超教授等在Chemical Engineering Journal报道了“合二为一”策略用于提高非金属聚合物光电转换性能研究

青岛农业大学马永超教授等在Chemical Engineering Journal报道了“合二为一”策略用于提高非金属聚合物光电转换性能研究

引言

石墨相氮化碳(g-C3N4)材料由于其独特的物理化学特性,在催化、传感等领域有广泛应用。其中,以g-C3N4为核心的光催化技术可以通过裂解水产生氢气,受到研究人员的广泛关注。研究表明该材料具有较大的激子结合能。其光电转换效率受限于低的光生载流子产生与分离。形貌调节和构建异质结能够有效地提高激子分离和载流子转移。相比于异质结而言,同质结除了能产生内建电场外,界面处材料相同的组分也可以保证化学键合的完整性。另外,管状形貌可以缩短载流子扩散距离并提供丰富的反应位点。因此,合成管状的g-C3N4同质结对于构建高效的g-C3N4半导体光电材料具有十分重要的意义

成果简介

近日,青岛农业大学师进生教授课题组青年教师马永超教授(第一作者/共同通讯)、韩国釜庆国立大学Park Sung Heum教授、长江师范学院王广钊副教授、中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室姜文君副研究员(共同通讯)在前期有关半导体光电材料构-效关系探索的基础上,通过一步热聚合方法制备了管状多孔的g-C3N4同质结材料。光谱学研究表明三嗪单元和吡啶单元的存在促进了g-C3N4材料中激子的有效分离且抑制了载流子的复合。理论计算表明该同质结可以降低氢的Gibbs自由能且有利于水的吸附。这些特性极大地增强了该材料的产氢性能。相关成果以题为“In-situ intramolecular synthesis of tubular carbon nitride S-scheme homojunctions with exceptional in-plane exciton splitting and mechanism insight”发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal(IF=10.652)上。

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暨南大学唐群委团队实现全无机CsPbBr3钙钛矿太阳电池柔性化

暨南大学唐群委团队实现全无机CsPbBr3钙钛矿太阳电池柔性化

引言

全无机CsPbBr3钙钛矿由于具有优异的湿度、温度和光照稳定性,近年来受到了广泛关注,其较宽的光学带隙(~2.3 eV)使CsPbBr3钙钛矿成为制备高效半透明和叠层太阳电池的理想材料。经过钙钛矿制备工艺和电荷传输材料的不断改进与优化,基于全无机CsPbBr3的太阳能电池已经获得接近11%的效率和超高的开路电压。尽管CsPbBr3钙钛矿太阳能电池已经在刚性玻璃基底上取得了较大的进展,但是由于高质量CsPbBr3薄膜的成膜温度一般在200 °C以上,远远超出了商业化聚合物导电基底的耐受温度,目前还几乎没有关于柔性全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的报道。

成果简介

近日,暨南大学唐群委教授研究团队以超薄白云母片为基底,以溶胶-凝胶法沉积的氧化铟锡(ITO)薄膜为透明导电电极,成功地制备出柔性全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池原型器件,并获得了5.71%的光电转换效率。由于较小的基底厚度和白云母的二维层状结构有利于降低器件形变时受到的应力,该柔性器件表现出非常优异的机械稳定性,经过12000次循环弯折(弯折半径为1.0 mm)后器件效率不衰减。相关成果以题为“Flexible, All-Inorganic CsPbBr3 Perovskite Solar Cells Tailored by Heat-Resisting Muscovite Substrates”发表在ChemSusChem杂志上,第一作者为徐亚峰博士,段加龙副研究员和唐群委教授为通讯作者。

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河南师范大学高书燕团队Nano Energy:3D打印摩擦纳米发电机自驱动电芬顿降解橙IV和结晶紫体系

河南师范大学高书燕团队Nano Energy:3D打印摩擦纳米发电机自驱动电芬顿降解橙IV和结晶紫体系

【引言】

基于摩擦纳米发电机(TENG)构建的自驱动电化学系统在电化学领域不断地有新突破,并且展现出巨大的应用前景。如,自驱动电化学合成聚吡咯、水分解产生H2、N2电解还原成NH3、CO2转化成液态甲酸等。近年来,我们团队紧跟前沿技术,不断致力于探索、改进、丰富自供电降解系统,加速自供电降解系统的推广应用,甚至走向商业化之路。但随着研究的不断的深入,仍存在一些问题需要解决。(1)复杂的TENG器件结构会增加其制造过程的繁琐程度,费时费力。自驱动能量源在实际应用中随着TENG器件的位置呈现分布式的特点,给大规模并网带来困难或造成不必要的能量损失。(2)在EF中,有机污染物降解效率在很大程度上取决于催化材料的活性和选择性,因此,催化剂的性能和高选择性需要进一步加强。本文引入了3D打印技术来解决TENG器件的制作问题。此外,碳材料因其突出的导电性、稳定性、催化活性、成本低、储量充足等特点,在ORR过程中备受青睐,成为最有潜力的电极催化材料之一。最近有报道称,丰富的含氧官能团可以调节碳基体的电子结构,促进催化电极的电化学反应动力学过程,从而显著提高其ORR催化性能。特别是醚键(–C–O–C )在EF反应过程中对H2O2的选择性和活性有显著的促进作用。前人研究表明,活化后生物质基碳材料通常含氮量高,含氧官能团丰富。因此,通过调整生物质基碳材料中含氧官能团含量和掺杂氮的策略,可以为优化设计和合成性能更好的碳材料,提高EF反应的降解效率提供坚实的基础。

【成果简介】

近日,在河南师范大学高书燕教授团队等人带领下,将3D打印的柔性多层摩擦纳米发电机(PFM-TENG)与N掺杂多孔碳材料作为EF阴极催化剂进行深度结合,构建了一种新型自供电EF降解系统。该PFM-TENG具有简单的多层结构,但具有较高的输出特性,VocIscQtrPdendity分别为450.0 V、1.9 mA、2.9 μC和5.1 W m2。此外,所制备的最佳阴极碳材料的比表面积为1790.8 m2 g−1,N、O的总掺杂量高达20.6 at.%。在PFM-TENG的驱动下,橙Ⅳ和结晶紫的EF降解效率在60 min内分别达到96.0%和95.4%。值得注意的是,通过分析碳材料催化剂的构效关系,发现-C-O-C官能团含量与降解效率之间存在正相关。这项工作通过N掺杂碳催化剂设计和3D打印摩擦电纳米发电机的深度融合,实现了橙IV和结晶紫的高效降解,这不仅为制备催化活性可控的N掺杂碳催化材料提供了思路,同时也提出了一种创新方案,以自驱动、数字化、批量生产、分布式和环保的方式布局面向未来的EF降解系统,甚至其他电化学系统。该成果以题为3D printed triboelectric nanogenerator self-powered electro-Fenton degradation of orange IV and crystal violet system using N-doped biomass carbon catalyst with tunable catalytic activity发表在了Nano Energy上。(本文第一作者是朱迎正,在读博士,导师高书燕教授

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吉大鄢俊敏、蒋青团队Angew. Chem.:通过Bi/CeOx促进CO2电还原高效生产甲酸

吉大鄢俊敏、蒋青团队Angew. Chem.:通过Bi/CeOx促进CO2电还原高效生产甲酸

【引言】

CO2的过量排放造成了严峻的资源、环境以及气候问题。因此,将CO2转化为有价值的化学燃料引起了人们的广泛关注。在各种转化方法中,将CO2进行电化学还原这一途径具有更强的应用前景,因为它不仅可以利用可持续能源产生的电能,而且不产生任何额外的CO2。然而,目前的催化剂通常显示出较弱的活性、较差的选择性和不理想的稳定性,因此,开发高活高效且稳定的CO2电还原催化剂具有十分重要的意义。甲酸(HCOOH)被认为是理想的氢载体,同时也是最具吸引力的CO2还原产物之一。目前发现,Cd、Hg、Pd、Pb、In、Sn、Bi等金属催化剂都能有效地将CO2电还原生成HCOOH(或甲酸盐)。然而,即使在某些贵金属的催化作用下,CO2还原生成HCOOH的活性仍然很弱,在常用的H型反应池中,CO2还原的电流密度和HCOOH生产速率分别低于80 mA·cm-2和1500 μmol·h-1·cm-2。另一方面,由于竞争反应析氢反应(HER)十分严重,导致在高外加电位和高电流密度的条件下,催化剂活性降低,HCOOH的法拉第效率(FE)明显下降。因此,开发一种低成本、环境友好且活性高的催化剂,并同时实现高电流密度、高生产速率及高选择性地电还原CO2制备HCOOH仍是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日,吉林大学鄢俊敏(通讯作者)与蒋青教授团队报道了一种铋/氧化铈(Bi/CeOx)催化剂,实现了高电流密度、高生产速率且高选择性地电还原CO2制备HCOOH的性能。在电流密度高达104 mA·cm-2的条件下,生成HCOOH的FE仍然保持92%,同时生成HCOOH的最大产率高达2600 μmol·h-1·cm-2,达到了前所未有的水平。此外,Bi/CeOx催化剂在34 h内显示出良好的稳定性。非晶态衬底CeOx的加入,增大了Bi/CeOx催化剂的电化学活性表面积(ECSA),丰富了Bi/CeOx的催化活性位点,提高了Bi/CeOx对CO2的吸附和活化能力,同时加快了还原过程中的电子转移,促进了关键中间体的生成,并增强了对关键中间体的稳定作用,最终使Bi/CeOx催化剂显示出优异的活性。该团队希望这项工作为开发高活高效的CO2电还原催化剂提供有效且有前景的策略。该成果以题为Boosting Production of HCOOH from CO2 Electroreduction via Bi/CeOx发表在了Angew. Chem. Int. Ed.上。

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陕西师范大学:大尺寸钙钛矿单晶实现高性能X射线探测成像

陕西师范大学:大尺寸钙钛矿单晶实现高性能X射线探测成像

X射线探测与成像在医学诊断、环境监测、工业无损检测、安全检查、核科学与技术、科学研究和天文观测等领域有着广泛的应用,因此对人们的生活和生产具有十分重要的意义。近日,陕西师范大学刘生忠教授(点击查看介绍)团队和美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授(点击查看介绍)团队合作,通过在FAPbI3单晶晶格中并入小离子半径的甲胺离子 (MA+)、铯离子 (Cs+) 和溴离子 (Br),释放了由于甲眯离子 (FA+) 半径过大产生的晶格应力,有效提高了三维结构FAPbI3基单晶钙钛矿的稳定性,实现了高性能X射线探测和成像

金属卤化钙钛矿由于优异的光电性质,成为新型太阳电池、LED和激光器等应用研究的热门材料。此外,钙钛矿材料在X射线探测方面也显示出较大的应用潜力和研究价值。从目前国内外多个研究团队已经报道的研究结果可以看出,三维结构的钙钛矿响应性能较高,但是由于内部离子迁移明显,导致基于三维钙钛矿的X射线探测器工作稳定性较差;低维(零维和二维)结构钙钛矿虽然稳定性较好,但是响应性能相比三维结构钙钛矿差得多。因此,要实现高性能X射线探测和成像,主要有两种途径,一是提高低维结构钙钛矿的响应性能,二是提高三维结构钙钛矿的稳定性。钙钛矿单晶中由于没有晶界,相比含有大量晶界的微晶薄膜具有更低的离子迁移和更好的稳定性,因此使用单晶钙钛矿是更好的选择。三维结构甲眯基钙钛矿FAPbI3由于具有比甲胺基钙钛矿MAPbI3更好的性能,因而被广泛用于高效钙钛矿太阳电池中光吸收层组分优化的主体。但是由于甲眯离子半径过大,因此室温下很难稳定其高效的钙钛矿相;此外,由于较大的内部晶格应力,使得空位等缺陷较多,不利于光电器件的稳定工作。

刘生忠教授团队和Mercouri G. Kanatzidis教授团队等通过三元阳离子及混合卤素策略,有效弥补了以上不足。由于甲胺离子 (MA+)、铯离子 (Cs+)和溴离子 (Br) 的离子半径较小,分别为2.17 Å、1.69 Å和1.96 Å,小于甲眯离子 (FA+) 和碘离子 (I) 的半径,分别为2.53 Å和2.20 Å (X. Zheng, et al., ACS Energy Lett., 20161, 1014.),因此通过在FAPbI3单晶中引入部分甲胺离子 (MA+)、铯离子 (Cs+) 和溴离子 (Br) 以替换甲眯离子 (FA+) 和碘离子 (I),可以释放晶体中较大的晶格应力(图1),其主要作用有:(1)实现了结构稳定的三元阳离子及混合卤素钙钛矿单晶(FAMACs);(2)降低了晶体中的离子迁移,改善了材料和器件稳定性;(3)降低了晶体缺陷,减小了器件噪声电流;(4)提高了载流子迁移率和扩散距离;(5)实现了更好的光响应均匀性等。

来源:www.x-mol.com

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中科院化学所刘冰组 JACS:通用且可扩展制备的策略!框架引导合成聚合物胶体盘

中科院化学所刘冰组 JACS:通用且可扩展制备的策略!框架引导合成聚合物胶体盘

【背景介绍】

自组装是一种自然界包括生物体系中构建复杂结构与功能的常见策略。非球形或形状各向异性的胶体颗粒作为人工构建单元,已被广泛用于自组装,在各种尺度上构筑多层次结构以实现材料功能。其中,控制胶体颗粒的形状至关重要,因为形状单独就能决定胶体相互作用乃至自组装结构,并调节自组装路径。圆盘状胶体是最典型的各向异性胶体之一,其提供了二维胶体的模型体系,具有广泛的应用,但这些应用通常要求胶体圆盘具有高度单分散性和良好甚至完美的形状控制。如何简单高效的制备均一和形状可控的胶体圆盘仍是一个挑战性的问题。

【成果简介】

近日,中科院化学研究所刘冰研究员(通讯作者)等人报道了一种框架引导合成的策略,该策略可以改变界面能量最小原理驱动的液滴收缩路径,从聚合物溶液液体圆环制备了各向异性胶体圆盘。作者将环状SiO2胶体用作环状框架,将所需的聚合物[聚苯乙烯(PS)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚(甲基丙烯酸叔丁酯)(聚(t-BMA))等]涂覆在SiO2环的表面上,以形成SiO2/聚合物核/壳环。通过加入聚合物外壳的良溶剂,使聚合物外壳液化成液体环,但在没有内部固体SiO2环形框架的情况下,该液体环是不稳定的,并且会由于收缩不稳定性而自发地转变成球形液滴。当框架存在时,液体在框架上的润湿会改变形状演变路径,从而形成扁圆形的液滴,而这些非球形液滴中的溶剂蒸发导致形成聚合物圆盘。此策略显示了从凹入到平坦再到凸出形状的圆盘形状的良好控制,可以通过简单地增加聚合物外壳层的厚度来进行调整。包括长度(L)、直径(D)和长宽比(D/L)等形状参数,分别可通过调整框架的形状参数和/或聚合物的数量来调整。同时,此策略是通用的,其不需要使用特定的聚合物或溶剂,唯一的需要是稳定的框架,同时该策略原则上是可扩展的,可用于多种胶体形状的制备。此外,作者还证明了官能团可以很容易地引入以调节表面化学性质,从而导致多种胶体性质。研究成果以题为“Frame-Guided Synthesis of Polymeric Colloidal Discs”发布在国际著名期刊 J. Am. Chem. Soc.上。

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麻省理工学院Julia H. Ortony Nat. Nanotech.:将芳族两亲物自组装成超稳定的纳米带和对齐的纳米带线

麻省理工学院Julia H. Ortony Nat. Nanotech.:将芳族两亲物自组装成超稳定的纳米带和对齐的纳米带线

引言

水中两亲性小分子的自发自组装为分子结构尺寸和原始内部结构的纳米级结构提供了一条强有力的途径。分子自组装提供的高纵横比纳米结构可以纠缠或对齐,同时保持高表面积和可调整的表面化学性质。然而,这些超分子结构由于其弱的分子间相互作用和普遍的动态不稳定性(即分子交换,迁移,插入,重排和易位)而通常是易碎的。另外,内部的瞬态水通过促进酶促或水解降解而导致两亲纳米结构的脆弱性。由于这些限制,小分子组件通常是为生物材料应用开发的,在这些材料中,快速动态性和可生物降解性被用作关键设计特征。这些特性会阻止它们在空气中的使用,因为它们缺乏通过将它们结合在一起所需的疏水作用而施加的结构稳定性。因此,使动力学最小化的两亲性自组装平台是重要的目标,并且可以为需要精确的分子组织,纳米级结构,可调的表面化学和水可加工性的固态应用提供一种方法。这样的固态应用范围可以从离子传输到导热软材料。增强分子材料机械性能的可靠策略是将氢键域结合到分子设计中。例如,凯夫拉尔邦的芳族酰胺(芳族聚酰胺)之间的氢键共同导致其享负盛名的强度和抗冲击性。类似的芳族聚酰胺化学基序已被纳入基于仿生肽的两亲物的设计中。然而,在这些情况下,芳族聚酰胺域对机械性能的影响仍然未知。与小的两亲分子相反,由聚对苯二甲酰对苯二甲酰胺组成的聚合物芳族聚酰胺纳米纤维即使在干燥时也表现出很强的机械性能,但无法控制纳米纤维表面化学或精确的内部分子组织。在少数情况下,含有芳族酰胺基团的分子在各种溶剂中聚集成短棒状或曲棍球胶束,最长尺寸约为数十或数百纳米。但是合理设计两亲物以形成机械上坚固的高纵横比纳米结构,以及将这些纳米结构加工成对齐的固态一维材料仍然是一个重要目标。

成果简介

麻省理工学院Julia H. Ortony展示了一个分子设计基序,该基序将芳族聚酰胺作为小分子两亲物中的结构域。这些分子,芳族聚酰胺两亲性(AAs),在加水后自然自组装形成纳米带。AA纳米带被设计为具有固有的抗水解性,其中包含的酰胺被埋在纳米结构的疏水内部,远离水。AA包含三个属性以抑制交换动力学并增强机械性能:(1)高氢键密度,每个分子具有六个氢键;(2)每个氢键网络内的配准组织以及形成平面间π–π堆叠的能力;(3)通过在分子设计中加入不显眼的两亲性首尾基团,实现最小的空间堆积应变和扭转,以最大程度地减少氢键距离。该成果以题为Self-assembly of aramid amphiphiles into ultra-stable nanoribbons and aligned nanoribbon threads发表在Nat. Nanotech.

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ACS Nano: 通过3D打印的具有超弹性,吸湿性和离子传导性的纤维素纳米纤维材料

ACS Nano: 通过3D打印的具有超弹性,吸湿性和离子传导性的纤维素纳米纤维材料

【引言】

进来,具有超弹性和压缩回弹力的三维(3D)超材料在隔热,压力传感器和能量存储等方面展现出广阔的应用前景而备受关注。目前已有多种技术用于构建此类超弹性3D整体结构,包括纳米纤维模板合成,激光直写光刻,光聚合物原位成型,溶剂热合成等。其中,3D打印或增材制造因其在复杂结构设计可快速成型,以及高度的设计和生产自由度等优势而脱颖而出。已经开发出多种类型的胶体凝胶油墨,例如陶瓷,纳米纤维素,石墨烯,碳纳米管和聚合物,以使用直接油墨书写(DIW)3D打印技术制造各种复杂的三维结构。由于许多3D打印结构专注于轻质和高机械强度,因此通常在一定程度上会牺牲弹性。目前,只有石墨烯材料比较广泛的用于3D打印超弹性材料,其超弹性主要来源于3D打印固有的宏观中空结构和微观蜂窝结构。因此,需要探索更广泛的材料库,以满足对可持续和高性能3D打印基材不断增长的需求。

【成果简介】

近日,中国林科院木材所陈媛助理研究员和加拿大不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队提出了一种使用3D打印和吸湿盐CaCl2的梯度引入来制造超弹性,吸湿和离子导电纤维岁纳米纤维(CNF)整体材料的方法。为了实现超弹性,使用3D打印和冷冻干燥来引入分层的宏观和微观多孔结构。此外,将CaCl2引入3D打印的CNF整料中,以交联表面羧酸基团,形成坚固而刚性的网络结构,并用作吸湿盐,吸收空气中的水份,从而产生弹性和柔韧性。通过调节CaCl2的含量可以容易地调节水的吸收量和速度以及机械响应性。3D打印的CNF整体材料具有出色的弹性和形状恢复能力,能够从70%的应变中完全恢复,并可以承受500多次压缩测试循环。具有良好离子导电性能的CNF整料可用作应变和应力传感器,应力敏感度为0.337 kP-1。相关研究成果“Superelastic, Hygroscopic, and Ionic Conducting Cellulose Nanofibril Monoliths by 3D Printing”为题发表在ACS Nano上。

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今日最新Nature:压缩后金刚石的亚稳定性研究

今日最新Nature:压缩后金刚石的亚稳定性研究

碳是宇宙中第四大元素,对所有已知生命都是必不可少的。在地球上,碳可以以许多不同的同素异形体的存在,包括石墨、金刚石和富勒烯,而且长期以来一直预测,在压力大于地球核心的压力下,甚至可以存在更多的结构。同时已经预测行星系统中存在几个阶段,这对于精确模拟富碳系外行星内部非常重要。在实验过程中,尽管可以通过冲击压缩获得如此高的压力,但根据对衰减的冲击波中所表现出的熵变化的研究,这种高度熵的过程开始熔化高于0.6 TPa的金刚石。但是,近来已经开发了一种称为斜波压缩的新动态技术,其中与通过样本的声波传播时间相比,样本的压缩时间更长,从而减少了耗散过程。但是,这些研究都没有包括对结构的测量,实际上,由于在各相之间存在巨大的势垒,因此在实验室压缩中金刚石是否,以及如何转变是困难的问题。

近日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)A. Lazicki通讯作者)通过使用激光脉冲将固体碳压缩到2TPa(2000万个大气压;是地球压力的五倍以上),并同时测量纳秒持续时间的X射线衍射,发现固体碳保留了金刚石结构,远远超出其预期的稳定性。研究结果表明,在巨大的压力下,金刚石仍然存在四面体分子轨道键,导致了很大的能量势垒,阻碍了向更稳定的高压同素异形体的转化,正如亚稳金刚石的石墨在大气下形成是受到运动阻碍一样。这项工作使在任何材料上记录X射线衍射的最高压力几乎翻倍。相关研究成果以“Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals”为题发表在Nature上。

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J. Am. Chem. Soc.:半导体金属有机聚合物纳米片用于可见光参与的锂-氧气电池

J. Am. Chem. Soc.:半导体金属有机聚合物纳米片用于可见光参与的锂-氧气电池

【引言】

非质子Li-O2电池由于其超高的理论能量密度(3600 Wh kg-1),得到了研究人员的广泛关注。然而,Li−O2电池阴极缓慢的氧还原和氧析出反应(ORR和OER)动力学会产生较大的过电势,从而导致较低的能量效率(< 70%)。尽管正极电催化剂和可溶性氧化还原电对可以降低过电压,但是仍然存在较大的放/充电极化。据报道,刚性半导体C3N4可以利用紫外线(UV)来促进ORR和OER的放/充电过程,但紫外光仅占太阳光谱的2%。因此,开发和制备在可见光区域能够有效分离光电子和空穴来进行ORR和OER催化的双功能阴极催化剂仍然是一项巨大的挑战。

金属有机聚合物(MOP)和金属有机骨架(MOF)由于其可调节的结构和良好分散的单金属位点,已经被广泛应用于各种电催化反应。另一方面,MOPs或MOFs表现出光催化应用的半导体性质,其能带结构可通过有机配体的π轨道与过渡金属d轨道的杂化程度来调节。这为人们设计半导体MOPs或MOFs来捕获光子,同时增强ORR和OER提供了可能。

 【成果简介】

近日,南开大学李福军教授陈军院士、美国康奈尔大学Lynden A. Archer等人报道了一种新型半导体金属-有机聚合物(Co-TABQ)纳米片。它的带隙为2.2 eV, 表现出强烈的可见光吸收,是一种有前景的Li-O2电池的光电极。通过表面增强拉曼光谱(SERS)与密度泛函理论(DFT)计算揭示了反应机理,在放电过程中,O2首先吸附在Co-TABQ的Co原子上,Co原子 和 轨道上的电子向O2分子的π2p*反键轨道转移,将其还原为LiO2,最终转变为放电产物Li2O2。而在充电过程中,Co-TABQ的VB中的空穴在充电电压驱动下,将Li2O2氧化为O2和Li+。电化学测试表明,光照条件下,组装的Li-O2电池在0.10 mA cm-2电流密度下表现出3.12 V的高放电电压和3.22 V的低充电电压,以及94.0%的能量效率。相关成果以Semiconducting Metal–Organic Polymer Nanosheets for a Photoinvolved Li–O2 Battery under Visible Light”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

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段镶锋Nano Lett.:全无机卤化铅钙钛矿薄膜的大面积合成与图案化及其异质结构

段镶锋Nano Lett.:全无机卤化铅钙钛矿薄膜的大面积合成与图案化及其异质结构

【引言】

甲基铵卤化铅钙钛矿因其在光伏领域的优异性能而引起了广泛的研究兴趣,单片太阳能电池的认证功率转换效率在短短几年内就迅速上升到25.2%。尽管取得了这一非凡的进展,传统的混合钙钛矿基器件经常受到环境稳定性差的困扰。最近的研究表明,用无机阳离子代替有机阳离子制备混合阳离子钙钛矿或全无机钙钛矿可能有助于应对这一挑战,并显著提高稳定性。尽管人们已经为合成单晶微结构和全无机钙钛矿的连续薄膜付出了巨大努力,但对于合成厚度在100 nm-1μm的高质量单晶薄膜以及在不同位置具有不同化学成分和电学性能的异质结构的探索要少得多,而这对于探索这类新型材料具有特定功能的光电应用至关重要。

【成果简介】

近日,美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授(通讯作者)团队报道了大面积生长的单晶全无机钙钛矿薄膜,并基于该薄膜进一步形成异质结构阵列。研究表明,高度一致取向的CsPbBr3微晶畴可以很容易地生长在具有明确外延关系的白云母衬底上。微晶畴可以进一步扩展并最终合并成具有优良光学质量的大面积单晶CsPbBr3薄膜。进一步研究发现,利用选择性阴离子交换工艺,图案化可以在大面积的CsPbBr3薄膜上进行,并最终选择性地将CsPbBr3转化为CsPbI3,从而形成具有空间调制光致发光和表观电流整流行为的CsPbBr3-CsPbI3横向异质结构阵列。大面积CsPbBr3单晶薄膜的制备和异质结构阵列的构建,为金属卤化物钙钛矿光电性能的基础研究和潜在应用奠定了坚实的材料平台。该成果以题为“Large-Area Synthesis and Patterning of All-Inorganic Lead Halide Perovskite Thin Films and Heterostructures”发表在了Nano Letters上。

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