《自然》《科学》一周（06.27-07.03）材料科学前沿要闻

1.高效率大面积钙钛矿太阳能电池

（A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells)

由于具有很高的太阳能到电能的转化效率和较低的制造成本，金属卤化物钙钛矿太阳能电池目前吸引了巨大的研究兴趣。但是，大尺寸高性能的太阳能电池在实际应用时仍然面临着几个难题。

瑞士Grätzel研究小组利用简单的真空闪蒸辅助溶液处理过程，获得了有光泽、平滑和结晶良好的具有高电导率的大面积钙钛矿薄膜。这一方法使他们可以制备面积超过1平方厘米、最大转化效率20.5%和认证转化效率19.6%的太阳能电池。与之相比，到目前为止已被证实的相似尺寸下钙钛矿金属卤化物太阳能电池的最高能量转化效率是15.6%。他们也证明这种方法具有很好的重复性，并且电池几乎没有磁滞现象。

这种方法使实现大面积的高效钙钛矿金属卤化物太阳能电池的实用性开发成为可能。（Science DOI：10.1126/science.aaf8060）

2. 超快和高容量钠离子电池

（Array of nanosheets render ultrafast and high-capacity Na-ion storage by tunable pseudocapacitance)

钠离子电池价格低廉安全性高，是锂离子电池的潜在替代物。然而，由于钠离子较慢的运动学特征，目前快速充电和高功率密度仍然是钠离子电池面临的巨大难题。

最近，Shen等人基于超薄的SnS纳米结构构筑了高容量和高倍率性能的钠离子阳极，通过运动学分析发现SnS具有最大化的外在赝电容。石墨烯泡沫支撑的SnS纳米阵列负极在30 mA/g的倍率下表现出约1100 mAh/g的可逆容量，30A/g时表现出约420 mAh/g，超越了锂离子电池的存储性能.（Nature Communications DOI：10.1038/ncomms12122）

3. 层状氧化物锂离子电池阴极中氧活度的气-固界面修饰

（Gas–solid interfacial modification of oxygen activity in layered oxide cathodes for lithium-ion batteries  )

晶格氧在电化学过程中发挥着有趣的作用，不仅可以保持结构稳定，而且可以影响锂离子电池中大容量阴极氧化物材料中电子和离子的迁移性质。

Qiu等人提出了一种通过均匀地建立氧空位而不影响富锂氧化层结构完整性的方法来实现精确控制氧活度的气-固表面反应设计。理论计算和实验特征表明：氧空位在块材中提供了有利的离子扩散环境以及对表面气体泄漏的显著抑制。目标材料可以提供高达301mAhg-1的放电容量和93.2%的首次库伦效率。在100次循环后，并没有明显的衰减，仍能保持300mAhg-1的可逆容量。

这一研究成果对下一代锂离子电池的过渡金属氧化物体系中氧活度的控制和整体设计具有重要的启发意义。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12108）

4. 铜催化二氧化碳变乙烯

（Highly selective plasma-activated copper catalysts for carbon dioxide reduction to ethylene)

发展新技术利用可再生能源变废为宝势在必行，例如将二氧化碳变为碳氢燃料。尽管效率较低，但电化学方法在铜催化剂的帮助下可以将二氧化碳还原为烃类化合物。

美国科学家发展了一种利用等离子法处理氧化的铜催化剂在较低的过电势下催化还原二氧化碳。原位X射线吸收谱和横截面扫描电镜表明：反应过程中氧化亚铜并未被完全还原、Cu+仍然在表面。结果表明：氧化物衍生的铜催化剂在催化性能方面仅起到很小的作用，而Cu+离子是降低起始电位和提高乙烯高选择率具有重要作用。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms12123）

5. 金属有机框架化合物（MOF）基隔膜

（Metal–organic framework-based separator for lithium–sulfur batteries)

锂-硫电池具有相对较低的成本和较高的理论能量密度，是非常有前景的能量存储技术。然而，其中一个主要技术问题是：电极之间可溶解多硫化物的穿梭导致快速的容量衰减。

最近，Zhou等人利用MOF基的隔膜作为锂-硫电池中的离子筛，能够有效地筛选锂离子通过，而有效地抑制多硫化物迁移到负极。利用含硫介孔碳材料（硫重量比约70%）用作正极材料合该隔膜组装的锂-硫电池，表现出低容量衰减率（1500循环中约每循环衰减0.019%），而且起始的100循环几乎没有容量衰减。

这一研究展示了MOF-基的隔膜在能量存储中具有重要的应用潜力。（Nature Materials DOI:10.1038/NENERGY.2016.94）

6. 密集分子材料中弹性和热膨胀的不对称性

（Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitching conductivity)

弹性模量和热膨胀系数是弹性硬分子材料的基本属性，并且通常被认为在拉伸和压缩载荷下是相同的（对称的）。

Joseph等人表明材料可以具有非对称，这与限制分子网络连接的终端化学基团有内在关联。压缩情况下，终端基团的空间相互作用使得分子网络固化，而在拉力下相互作用减弱、网络断开。

非对称弹性和热膨胀现象的存在对分子材料的建模计算具有重要意义，对热机械应变和相关弹性应力也具有实际意义。Joseph等人开发了一种设计空间来控制分子材料中的弹性非对称程度，朝着理解集成器件技术前进了重要一步。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4674）

7.用于脂质支持的生物电界面的异质硅介孔结构

（Heterogeneous silicon mesostructures for lipid-supported bioelectric interfaces)

硅基材料在生物物理和生物医学器件中都有广泛的应用。

Jiang等人介绍了一种具有生物相容性和可降解性的介孔结构形式的硅，这种硅材料具有多尺度结构和化学不均一性。这种材料利用介孔二氧化硅作为模型通过化学气相沉积法合成得到。它具有非晶形原子结构、基于纳米线的有序框架和随机的亚微米孔隙，并显示出比单晶硅小2-3个数量级的平均杨氏模量。另外，Jiang等人利用异质硅介孔结构设计了一种双层脂质支撑的生物电界面，能够被远程控制且具有瞬时非稳态。

这一界面能够对单一背根节神经元的电生理动力学特性进行非遗传和亚细胞的光学调制。研究结果表明：硅的异构和形变形式的仿生拓展为胞外生物材料或电生物体系创造了机会。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4673） 

8.超薄CdS薄膜垂直压电驱动的亚原子形变

（Subatomic deformation driven by vertical piezoelectricity from CdS ultrathin films)

受高性能压电材料发展的推动，致动器成为纳米尺度高精度定位的重要工具，且已被应用于多种多样的设备中，例如：原子力显微镜和扫描隧道显微镜。然而，亚原子尺度的定位仍然是一个很大的挑战。超薄压电材料可能能为极高精度对象定位铺平道路。

 Wang等人利用超薄CdS薄膜展示了原子尺度（三到五个空间点阵）的垂直压电。利用原位扫描开尔文力显微镜和单双交流谐振追踪压电力显微镜，确定了超薄CdS薄膜的垂直压电系数（d33）达到33pm•V-1。

这一研究为了下一代传感器和微机电器件的设计指明了道路。（Science Advances  DOI: 10.1126/sciadv.1600209）

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