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    頂刊日報丨武培怡、楊黃浩、麥立強、胡勇勝、王連洲等成果速遞20210517
    納米人 2021-05-18
    1. Chem. Soc. Rev.:光子管理可減少鈣鈦礦太陽能電池的能量損失

    盡管鈣鈦礦太陽能電池(PSC)在過去幾年中發展迅速,但將太陽能轉化為電能的效率還不夠高,或缺乏成本競爭力。太陽能轉換為電能的主要能量損失從根本上歸因于肖克利-奎塞爾極限所引起的低能光子的不吸收和高能光子的熱損失。通過開發功能材料和陣列的有效光管理策略來提高鈣鈦礦光敏層的光收集效率仍然是一項長期的挑戰。河北工業大學Shijian Zheng吉林大學Hongwei Song等人簡要回顧了歷史研究試驗和未來研究趨勢,以克服PSC中的基本損耗機制,包括上轉換,下轉換,散射,串聯/漸變結構,紋理,抗反射和發光太陽能聚光器。

    本文要點:
    1)將深入強調可用性,并分析精細器件結構,熒光效率,材料比例和集成位置對提高性能的重要性。由三價稀土離子的4fn內殼構型產生的獨特能級結構為通過上轉換和下轉換進行有效的光捕獲提供了多種選擇。通過將具有不同帶隙的一系列子電池組合在一起,串聯或分級的PSC尋求糾正光譜失配。
    2)等離激元納米結構用作輔助光源,以增強鈣鈦礦層和載流子傳輸層內的光捕獲,從而增強了載流子的產生。使用可控的微/納米陣列對內部進行紋理處理可以實現光與物質的相互作用。PSC頂部玻璃蓋上的抗反射涂層可實現更好的透射率并減少眩光。通過基于鈣鈦礦的發光太陽能集中器進行光子集中提供了一條以降低的成本提高效率的途徑,并在建筑集成光伏系統中發揮了作用。
    3)在此通過提出理論上的可能性并總結實驗結果,系統地和分級地介紹了PSC中的所有光子管理策略,以期激發在光伏,光電晶體管,光電化學傳感器,光催化和化學領域的未來研究。特別是發光二極管。我們會根據最終的效率前景,材料要求和發展前景,進一步評估該策略的總體可能性。
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    Photon management to reduce energy loss in perovskite solar cells,Chem. Soc. Rev., 2021,
    https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d0cs01488e#!divAbstract

    2. Sci Adv:RuO2納米片改善與類囊體相互作用提高電化學電子傳輸

    在近些年間設計的光催化劑中,光催化反應中電子通常直接從光合分子中收集得到,但是這種電子收集的方法缺乏效率和穩定性,抑制了光催化劑的進一步發展。比如,分子、電極之間的界面電荷轉移過程很少被人關注,有鑒于此,韓國延世大學WonHyoung Ryu、Seong-Ju Hwang等報道RuO2納米片對電極進行修飾,從而顯著改善了從類囊體(thylakoids)中抽取光合作用的電子、通過質子吸附合界面極性改善光合作用電子的傳輸,展示了比對比Au電極更好的界面電荷傳輸性能,構建了能夠供電的光電化學電池。

    本文要點:
    1)通過電泳沉積法構建RuO2納米片修飾電極。在界面上吸附的質子使得電極能夠保持在正電勢,電極界面的極性環境改善了類囊體的界面吸附。
    2)這種RuO2生物陽極的電流密度比Au生物陽極提高5倍、功率密度提高4倍。作者通過這種RuO2生物陽極的電化學電池,成功實現了對電計算器進行供電。
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    Hyeonaug Hong et al. Enhanced interfacial electron transfer between thylakoids and RuO2 nanosheets for photosynthetic energy harvesting, Science Advances 2021, 7 (20), eabf2543
    DOI: 10.1126/sciadv.abf2543
    https://advances.sciencemag.org/content/7/20/eabf2543

    3. Nature Commun.:雜化錫基鈣鈦礦電池的降解機理及碘化錫(IV)的關鍵作用

    鈣鈦礦已經成為下一代光伏電池中有毒鈣鈦礦的有前途的替代品,但是其不良的環境穩定性仍然是提高競爭性能的障礙。因此,需要全面了解其分解過程以解決這些穩定性問題。巴斯大學M. Saiful Islam帝國理工學院Saif A. Haque等人闡明了基于(PEA)0.2(FA)0.8SnI3(其中PEA為苯乙銨,FA為甲脒)的2D/3D錫基鈣鈦礦薄膜的降解機理。

    本文要點:
    1)研究表明,SnI4是氧誘導的鈣鈦礦錫降解的產物,通過水分和氧氣的聯合作用迅速演變為碘。研究人員將碘確定為高度侵蝕性物種,可以將鈣鈦礦進一步氧化為更多的SnI4,從而建立循環降解機制。
    2)然后觀察到鈣鈦礦的穩定性在很大程度上取決于選擇作為襯底的空穴傳輸層,該空穴傳輸層被用來解決鈣鈦礦薄膜的降解。這些關鍵的見解將有助于穩定的錫基鈣鈦礦光電器件的未來設計和優化。
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    Lanzetta, L., Webb, T., Zibouche, N. et al. Degradation mechanism of hybrid tin-based perovskite solar cells and the critical role of tin (IV) iodide. Nat. Commun. 12, 2853 (2021).
    https://doi.org/10.1038/s41467-021-22864-z

    4. Nature Commun.:一種具有微結構的水凝膠膜用于全天候收集淡水

    太陽能蒸汽水凈化和集霧是兩個獨立的過程,可以產生大量的淡水。近日,美國加州理工學院Julia R. Greer,Ye Shi報道了設計并制備了一種填充了三維樹狀表面微結構的PVA/PPy水凝膠膜。

    本文要點:
    1)水凝膠膜能夠作為有效的界面太陽能蒸汽發生器用于凈水。再加上水凝膠優異的加工性和與先進制造技術的兼容性,這些粘彈性材料很容易成形為微結構,可以在適當的長度尺度上模擬生物系統,以便于收集霧。
    2)當置于受控的霧化條件下時,這種PVA/PPy水凝膠膜能以約5.0g cm?2 h?1的速度有效捕獲霧滴,并在提供方向控制的同時驅動霧滴的傳輸。
    3)通過實驗和建模,研究人員證明了樹形表面微拓撲結構通過最大限度地提高光吸收效率和引導水蒸氣逸出,使得界面太陽能水蒸氣產生的熱和流體管理得以放大,從而在1個太陽輻射下能夠獲得3.64 kg m?2 h?1的高太陽能水蒸氣產率。在室外測試中,該器件能夠全天收集淡水,日采水率約為34 L m?2。
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    Shi, Y., Ilic, O., Atwater, H.A. et al. All-day fresh water harvesting by microstructured hydrogel membranes. Nat Commun 12, 2797 (2021).
    DOI:10.1038/s41467-021-23174-0
    https://doi.org/10.1038/s41467-021-23174-0

    5. Nature Commun.:Ni催化合成手性α修飾酰胺、酯

    手性脂肪胺、脂肪醇衍生物分子在藥物、農藥、天然產物、精細化學品等領域中作為必不可少的結構,其合成難以實現,這是因為難以對化學結構、電子結構非常類似的烷基取代基區分。有鑒于此,南方科技大學舒偉等報道一種Ni催化對映選擇性合成,將烯胺/烯醇酯與烷基鹵化物進行對映選擇性氫烷基化反應,生成α-枝狀脂肪酰胺、酯。

    本文要點:
    1)反應情況。N-乙烯基環戊內酰胺、苯丙基碘化物作為反應物,以10 mol % Ni(COD)2/雙惡唑烷酮作為催化劑體系,加入3倍量K3PO4·H2O,3倍量DMMS(二甲氧基甲基硅烷),在0 ℃ Et2O/DMF混合溶劑中反應,在酰胺N原子α位點上的烯烴上構建手性枝狀碳。
    2)該反應方法具有優異的對映選擇性、反應產率。這種簡單的合成方法為合成手性二級脂肪基修飾的有機胺、醇提供了一種非常直接有效的方法,而且展示了較好的官能團兼容性。
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    Wang, S., Zhang, JX., Zhang, TY. et al. Enantioselective access to chiral aliphatic amines and alcohols via Ni-catalyzed hydroalkylations. Nat Commun 12, 2771 (2021).
    DOI: 10.1038/s41467-021-22983-7
    https://www.nature.com/articles/s41467-021-22983-7

    6. Nature Commun.:提高鈉離子電池電化學性能的聚陰離子正極的快速機械力化學合成

    盡管鈉離子電池在固定式儲能方面極具應用潛力。然而,其成本高、電化學性能不足等問題阻礙了其廣泛應用,尤其是在正極材料方面。近日,中科院過程工程研究所趙君梅研究員,中國科學院物理研究所胡勇勝研究員報道了一種利用高能球磨(HEBM)快速無溶劑機械力化學合成氟磷酸釩鈉鹽Na3(VO1?xPO4)2F1+2x(0≤x≤1,NVPFs)的方法。

    本文要點:
    1)研究發現,Na3(VOPO4)2F(NVOPF)納米顆粒具有優異的倍率性能和循環穩定性,同時可原位制備碳包覆的NVOPF/科琴黑(KB)納米復合材料。尤其是NVOPF/8%KB復合材料在0.1 C下的放電容量為142.2 mAh g?1,超過了理論值,并表現出優異的循環性能,在20 C下,10000次循環后容量保持率可達98%。
    2)研究人員通過原位X射線衍射(XRD)、非原位固態23Na核磁共振(NMR)、紫外-可見分光光度計(UV-Vis)和拉曼光譜(Raman)等測試手段,證實了NVOPF化合物具有較高的結構可逆性。
    3)研究人員展示了一種NVOPF/KBs的可擴展合成方法,26650個全電池樣機在100次循環后表現出優異的循環性能。

    這項研究所設計的新的合成方法和優化策略對NVPFs的工業化生產和進一步發展具有重要意義。

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    Shen, X., Zhou, Q., Han, M. et al. Rapid mechanochemical synthesis of polyanionic cathode with improved electrochemical performance for Na-ion batteries. Nat Commun 12, 2848 (2021).
    DOI:10.1038/s41467-021-23132-w
    https://doi.org/10.1038/s41467-021-23132-w

    7. Mater. Horiz.:一種在水環境中具有強粘附的高透明離子凝膠

    水下膠粘劑是水下修補、水基設備、醫療手術、傷口敷料、水下可拉伸電子器件等領域不可缺少的材料。然而,開發一種具有強力、快速、穩定粘接性能的水下膠粘劑仍然是一個巨大的挑戰。近日,東華大學武培怡教授報道了利用富氟聚離子液體(poly[MATAC][TFSI])和相應的離子液體單體([MATAC][TFSI]),研制了一種高透明離子凝膠(IG),并將其用作水下膠粘劑。

    本文要點:
    1)得益于C-F鍵固有的疏水性,IG可以破壞水合層,并實現水下粘附。此外,由于IG內的[MATAC][TFSI]可以進一步被聚合,聚合后可大大提高IG的力學強度。
    2)實驗結果顯示,基于IG聚合前良好的界面相容性和聚合后較高的力學強度,可以實現強而穩定的水下粘附。水下粘附強度高達5.18±0.27 MPa,比先前報道的大多數的水下膠黏劑粘附強度提高了一至兩個數量級。此外,IG具有廣泛的環境適應性,能夠在強酸(1 M HCl)、強堿(1 M NaOH)和高濃度鹽(1 M NaCl)溶液中實現強力粘附。
    3)基于這種IG,研究人員制備了一種防水透明膠帶。與商用透明膠帶相比,這種防水透明膠帶可在潮濕和水環境中保持優異的粘附強度,并且能夠完成修補工作。

    這種新型粘附性離子凝膠在水基裝備、水下轉移、水下軟機器人等領域具有廣闊的應用前景。
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    Z. Yu, P. Wu, A Highly Transparent Ionogel with Strength Enhancement Ability for Robust Bonding in Aquatic Environment, Mater. Horiz., 2021
    DOI: 10.1039/D1MH00461A
    https://doi.org/10.1039/D1MH00461A

    8. Mater. Horiz.:一種可用于設計具有可調性能復合材料的金屬膠

    開發性能可調的材料一直是人類追求的目標。由兩種或兩種以上材料組合而成的具有優異性能的復合材料已經成為新材料研究和設計中的一種競爭手段。然而,由于金屬材料缺乏粘結力,使用金屬材料作為復合材料的粘結劑仍然是一個巨大的挑戰。近日,深圳大學馬將研究員報道了提出了一種利用具有出色性能的金屬玻璃(MG)作為粘合劑來制備復合材料的簡便、靈活的策略。

    本文要點:
    1)得益于La基 MG (La55Al25Ni5Cu10Co5)的熱塑性成型能力,從導體到絕緣體、從金屬到非金屬的各種材料都可以以非常直接的方式與MG牢固而密集地粘合在一起。
    2)通過改變金屬玻璃膠和相應外加劑的添加比例,可以手動調節復合材料的力學、磁學和電學性能。此外,研究人員通過將可溶性外加劑溶解于水中得到了多孔結構,并對其進行了微調。結果表明,與以往的文獻相比,這是是一種制備力學、磁學和電學性能可調復合材料的有效方法。

    這項研究為制備性能可調的復合材料提供了一種新的通用策略,同時也為發現潛在的多功能含金屬復合材料提供了新的思路。
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    Jianan Fu, et al, Metallic glue for designing composite materials with tailorable properties, Mater. Horiz., 2021
    DOI: 10.1039/d1mh00521a
    https://doi.org/10.1039/d1mh00521a

    9. AM:鈣鈦礦–鑭系元素納米傳感器對X射線,紫外線和近紅外光子進行寬帶檢測

    溶液處理的金屬鹵化物鈣鈦礦在開發下一代低成本,高性能光電探測器方面具有廣闊的前景。但是,鈣鈦礦對近紅外光譜區域的吸收較弱,這限制了它們在寬帶光電探測器中的使用。福州大學楊黃浩、陳秋水Yu He等人提出了上轉換納米粒子(UCNPs)-鈣鈦礦納米換能器的合理設計和合成,并用于從X射線,UV到NIR的寬帶光子檢測。

    本文要點:
    1)結果表明,UCNPs@mSiO2@MAPbX3(X = Cl,Br或I)是通過原位結晶制備的,并調整鑭系元素核和鈣鈦礦中的材料組成。該納米傳感器具有很高的穩定性,并且對各種劑量率的X射線以及UV / NIR表現出寬泛的線性響應各種功率密度的光子。這些發現為探索高質量成像和光電設備領域的下一代寬帶光電探測器提供了機會。
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    Xie, L., et al, Broadband Detection of X‐ray, Ultraviolet, and Near‐Infrared Photons using Solution‐Processed Perovskite–Lanthanide Nanotransducers. Adv. Mater. 2021, 2101852.
    https://doi.org/10.1002/adma.202101852

    10. Nano Energy:鈷納米晶和單原子錨定的分級氮摻雜的碳球用于氧還原反應

    碳負載的過渡金屬催化劑因其高活性和低成本而引起了人們對其用于催化氧還原反應(ORR)的濃厚興趣。近日,武漢理工大學麥立強教授報道了一種雙金屬分子篩咪唑骨架(BMZIF)衍生的錨定了石墨烯包裹的Co納米晶(Co@C)和空間孤立的Co單原子(Co SA)的層次化氮摻雜的碳球(Co-NCS),用于高效電催化ORR。

    本文要點:
    1)研究人員首先開發了一種簡便的超聲輔助策略,將BMZIF均勻固定在酚醛樹脂微球上。后續熱解后得到Co-NCS-x(x為Zn/Co比)。由于聲空化引起的超高溫度和壓力,超聲輔助方法促進了成核過程,從而大大縮短了合成時間,獲得了比傳統溶劑熱法更小的粒徑和更均勻的分布。此外,具有豐富官能團的樹脂微球可以吸附Zn/Co離子,從而阻止BMZIF納米晶在前驅體中的聚集,并在碳化后提供足夠的結構支撐和高的導電性。同時,由BMZIF衍生的相互連接的多孔碳骨架可以促進電子傳遞,提供較大的比表面積,并提供豐富的暴露的活性中心。此外,Co SAs和Co@C的共存在ORR過程中起著至關重要的作用。
    2)綜合以上幾個方面,Co-NCS-2表現出優異的ORR催化活性,半波電位高達0.90 V,優于商用Pt/C催化劑(0.84 V)。此外,基于Co-NCS-2的鋅空氣電池還表現出優異的長期穩定性和高功率密度。

    這項研究為高效過渡金屬-氮-碳(M-N-C)電催化劑的合理設計提供了指導。
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    Changwei Shi, et al, Hierarchical N-doped Carbon Spheres Anchored with Cobalt Nanocrystals and Single Atoms for Oxygen Reduction Reaction, Nano Energy, (2021)
    DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106153
    https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106153

    11. Nano Energy:一種適用于遠程監控應用的自供電5G NB-IoT系統

    在5G和人工智能物聯網(AIoT)的新時代,基于廣泛分布的自供電無線傳感系統的遠程監控和預警顯得尤為重要。然而,該系統的高功耗、有限的通信范圍和使用壽命嚴重阻礙了其實際應用。近日,上海交通大學楊斌研究員報道了一種用于遠程火災監控的5G窄頻帶IoT (NB-IoT)自供電系統,該系統由混合了壓電和電磁發電機的磁助式非接觸式能量采集器(MN-EH)驅動。

    本文要點:
    1)旋轉的MN-EH器件可以有效地將風能轉換為電能,而NB-IoT則使低功率和遠距離傳輸成為可能。采用磁耦合機制,則避免了退化和磨損,提高了可靠性。通過優化磁路布置,可使旋轉峰值扭矩降低93%以上。
    2)研究人員進一步將MN-EH為NB-IoT系統提供動力,從而可以每隔13分鐘采集溫度和CO濃度,并將其傳輸到云服務器。

    該工作為自力式遠程監控系統的實際應用提供了一種有效的策略,為其實用化鋪平了道路
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    Guosheng Hu, et al, Self-powered 5G NB-IoT system for remote  monitoring  applications, Nano  Energy, (2021)
    DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106140
    https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106140

    12. EnSM:Sc,Ge共摻雜的NASICON提高固態鈉離子電池性能

    固態鈉離子電池(SSSIBs)是為了解決傳統液態電池的安全隱患而提出。鈉快離子導體(NASICON)是目前最有前途的固體電解質候選材料之一,受到了人們的廣泛關注。然而,NASICON的實際應用一直受到室溫離子遷移率低和界面連接性差的嚴重阻礙。近日,澳大利亞昆士蘭大學Ruth Knibbe,王連洲教授,Debra J. Searles報道了采用固相反應法制備了Sc和Ge共摻雜的NASICON電解質,其離子電導率高達4.644 mS cm-1。

    本文要點:
    1)Sc摻雜有利于在RT時形成菱方相,且隨著Na+濃度的增加,菱方相具有更高的電導率。Ge摻雜降低了NASICON的相變溫度,在較低的溫度下形成了菱方相。結果顯示,Na3.125Zr1.75Sc0.125Ge0.125Si2PO12結構的總電導率最高,達到了4.64×10-3 S cm-1。此外,研究人員通過密度泛函(DFT)計算驗證了這種方法。
    2)研究人員最后組裝了以Na3V2(PO4)3和Sn4P3@CNT為電極的兩種不同的固態電池,其在250次循環后的循環容量分別為98和629 mAh g-1,表現出令人印象深刻的循環容量。

    這一共摻雜原理有望為探索具有相似結構的其他材料的多重摻雜提供指導。
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    Lingbing Ran, et al, Sc, Ge Co-doping NASICON Boosts Solid State Sodium Ion Batteries Performance, Energy Storage Materials (2021)
    DOI:10.1016/j.ensm.2021.05.017
    https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.017



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