《自然》《科学》一周（05.30-06.05）材料科学前沿要闻

1.三维核壳纳米阵列锂离子电池负极

（Freestandingthree-dimensional core–shell nanoarrays for lithium-ion battery anodes）

过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料导电性低、结构易变化，从而导致容量衰减严重。近来很多研究通过将导电添加剂和过渡金属氧化物结合形成纳米复合材料或者混杂材料来缓解这一问题。最近，北京理工大学和美国阿贡国家实验室的研究人员设计了等级结构的过渡金属氧化物电极，并将它们应用到柔性、大面积负极材料中。研究人员先将氧化铜纳米线生长在铜基底上，之后利用射频溅射法在铜纳米线上沉积一层氮化碳的薄膜，从而形成三维的核壳阵列电极。三维纳米阵列电极能够有效缓解充放电过程中的体积变化，同时提供丰富的电活性区域和电子/离子通道。而且，这种电极结构无需额外的粘结剂或导电剂，有利于提高整个电极的能量/功率密度。（Nature CommunicationsDOI: 10.1038/ncomms11774）

2. 悬浮石墨烯纳米带阵列的晶片级合成和生长动力学

（Wafer-scalefabrication and growth dynamics of suspended graphene nanoribbon arrays）

增加一个机械自由度给原子层厚度超薄材料，能够提供一个极好的平台来研究与机械运动相互作用的各种光电物理机理和器件。然而，合成具有悬浮状态的大尺度超薄材料仍然面临巨大的挑战。近来，日本东北大学的研究人员报导了一种自下而上的方法来合成晶片级悬浮石墨烯纳米带阵列，在2×2cm2的基片上合成了超过100万条的石墨烯纳米带，产率超过98%。偏振拉曼测试表明阵列中的石墨烯纳米带具有相对均一的近Z字形边界结构。通过分子动力学模拟、理论计算和实验相结合，他们还建立了这种悬浮石墨烯纳米带的生长模型。这一结果有利于推动石墨烯纳米带的科学研究及其在光电物理和工业中的应用。（Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms11797）

3.二氧化碳还原效率超过光合作用的水解-生物合成系统

（Watersplitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceedingphotosynthesis）

人工光合作用系统能够存储太阳能和化学还原二氧化碳。最近，美国哈佛大学和新加坡南洋理工大学的研究人员利用具有生物相容性的地球丰量无机催化剂在低电压下将水分解为氢气和氧气，发展了一种混杂水解-生物合成系统。罗尔斯通氏菌（Ralstonia eutropha）与催化剂接触、消耗产生的氢气，利用氧气中的低浓度二氧化碳来合成生物质和燃料或化学产品。当产生细菌生物质和液态杂醇、消耗每千瓦时电量洗涤180克二氧化碳时，这一系统的二氧化碳还原效率约为50%。将这一混杂器件与现有的太阳能光伏系统结合，能够达到约10%的二氧化碳还原效率，超过了自然光合作用的效率。（Science DOI: 10.1126/science.aaf5039）

4. 嵌入氧化物半导体光电极中的过自组装金属纳米柱有效提高光电化学水解效率

（Selective dissolution of halide perovskites as a step towards recyclingsolar cells）

光电化学电解池中直接转化太阳能产生的化学燃料对于发展可持续能源系统具有重要意义。为增加光电化学水解的能量转化效率，各种纳米尺度的设计，如：纳米线、纳米管、异质结构和纳米复合材料已经被广泛研究。最近，日本东京大学研究人员及其合作者报导了利用自组织的纳米复合材料来提高光载流子分离和电化学能量转化效率的构想。他们将自组装的金属纳米柱嵌入机械强度良好的光电极中，形成肖特基结。这些纳米柱提供有效地电荷攫取路径的同时，肖特基空间电荷区域的光载流子迁移效率也被大幅提高。Ir掺杂的SrTiO3与嵌入的Ir金属纳米柱在水氧化反应过程中表现出很好的操作稳定性，且在可见光400-600纳米的波长范围内达到超过80%的光电载流子利用率。（Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms11818）

5. 利用单像素探头对隐藏物进行无创、近场太赫兹成像

（Noninvasive,near-field terahertz imaging of hidden objects using a single-pixel detector）

太赫兹成像能够穿透很多不透明物。然而，因为太赫兹射线的长波长（0.75THz下波长400微米），远场太赫兹成像技术相对于可见波长，往往分辨率很低。最近，英国的科学家利用无创、近场太赫兹成像达到了亚波长的分辨率。他们利用这一技术将一个打印的电路板成像于一个115微米厚的硅片上，分辨率达到约100微米（四分之一波长）。这一分辨率和局部导电率的敏感性使这一技术能够探测电路中的裂纹。这一太赫兹成像系统将在其它领域，如：半导体制造和体外生物成像中具有潜在应用。（Science Advance DOI: 10.1126/sciadv.1600190）

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新材料在线编译团队整理——编译者：山丘

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