《自然》《科学》一周（11.07-11.13）材料科学前沿要闻
1. 一种用于还原硝酸盐和高氯酸盐的仿生铁催化剂
（Abioinspired iron catalyst for nitrate and perchlorate reduction）
硝酸盐和高氯酸盐在工业技术、合成材料和农业等方面都有大量的使用，但它们也因此变成了普遍的水体污染物。利用化学还原这些含氧阴离子的工业方法通常需要苛刻的条件，而微生物则可以高效地实现酶促还原。通过硝酸还原酶和（高）氯酸还原酶的活性点所提供的灵感，Courtney L. Ford 等人研发出了一种铁催化剂。该催化剂具有辅助含氧阴离子脱氧的辅助配位体，在含氧阴离子被还原时，形成铁(III)-氧的形式，而且在质子和电子的存在下能再生出催化剂并释放水。（Science DOI: 10.1126/science.aah6886）
2.配位引起的氨、水和肼X-H键的弱化
（Coordination-induced weakening of ammonia, water,and hydrazine X–H bonds in a molybdenum complex）
虽然在过去的一个世纪中已经表征了许多结合氨或水配体的过渡金属配合物，但是对于配位如何影响氮-氢和氧-氢键强度的了解却非常少。MátéJ. Bezdek 等人介绍了三联呲啶配体和膦配体支撑的钼氨络合物的合成，这种络合物使得氮-氢键的离解自由能从99.5（气相）降低到45.8 千卡/摩尔（实验测量值），与通过密度泛函理论计算所得的45千卡/摩尔十分接近。这种键的弱化促成了温和加热下双氢的自发释放，以及苯乙烯的氢化。类似钼络合物促进了配位的水和联氨中双氢的释放。电化学实验和理论计算阐释了金属氧化还原电势和氨酸性对这种效应的贡献。（Science DOI: 10.1126/science.aag0246）
3.梯度带隙钙钛矿太阳能电池
（Gradedbandgap perovskite solar cells）
有机-无机卤化物钙钛矿材料已经成为常规太阳能电池材料十分引人注目的替代物。它们的高光吸收系数和长扩散长度意味着具有高功率转换效率，而且钙钛矿基的单能隙和串联太阳能电池的设计确实已经产生了令人印象深刻的性能。进一步增强太阳光谱利用的一种方法是梯度带隙，但在钙钛矿材料中还没有实现。Onur Ergen等人展示了无反射涂层下稳态转换效率平均为18.4％、最高为21.7％的梯度能隙钙钛矿太阳能电池。他们对实验数据进行分析得出约75％的高填充因子和高达42.1 mA cm-2的高短路电流密度。该电池基于两个钙钛矿层(CH3NH3SnI3和CH3NH3PbI3−xBrx)的结构，结合GaN、单层六方氮化硼和石墨烯气凝胶。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4795）
4.金属氧化物半导体光电极中的局域电介质击穿和抗反射涂层
（Localized dielectricbreakdown and antireflection coating in metal–oxide–semiconductorphotoelectrodes）
在过去十年中用于太阳能燃料生产的硅基光电极引起了人们极大的兴趣，但面临的主要挑战是硅易腐蚀受损。在金属-绝缘体-半导体结构中有绝缘膜用作保护层，这样做虽然可以防止腐蚀，但同时还必须允许低阻抗载流子的传输，所以通常需要在稳定性和高效率之间进行权衡。Ji等人提出并展示了一种简单的方法，即通过局部电介质击穿来分离绝缘体防腐蚀和阻碍载流子传输这两种作用。这种方法可以允许绝缘体较厚，从而增强了稳定性，同时也能实现高效率所需的低阻抗载流子传输。而且，这种方法可以用于各种氧化物，例如 SiO2 和 Al2O3。此外，这种方法对用于光电阴极与阳极的硅、III-V族化合物和其他光吸收材料也同样适用。厚金属氧化物层还可以用作提高光吸收效率的抗反射涂层薄膜。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4801）
5.下一代液流电池技术的材料设计与制造
（Material design andengineering of next-generation flow-battery technologies）
电解质和电极在空间上的分离是液流电池技术的主要特征，这使它们可以不受总能量含量和能量/功率比的约束。流动电解质的概念不仅为大规模能量存储提供了节约成本的方法，而且最近也被用于开发广泛的新的混合能量存储与转换系统。流动型锂离子、有机氧化还原活性材料、金属空气电池和光电化学电池的出现为先进电能储存技术带来了新的机遇。Minjoon Park 等人对常规水性氧化还原液流电池和下一代液流电池的最新进展进行了介绍和综述，并强调了最新的创新替代材料，概述了它们在长期和大型电能存储设备中的技术可行性，以及需要克服的限制。（Nature Reviews Materials DOI: 10.1038/natrevmats.2016.80）
6.纳米颗粒自组装成仿生类衣壳式纳米壳
（Self-assembly of nanoparticlesinto biomimetic capsid-like nanoshells）
纳米级隔室是生命系统的基本要素之一。衣壳、羧酶体、外来体、液泡和其他纳米壳可以较容易地由生物分子（例如：脂质或蛋白质）自组装形成，而不是来自无机纳米材料，原因是无机纳米材料难以复制出球形面。Yang等人展示了无稳定剂多分散无机纳米粒子可以自发组织成多孔纳米壳。水溶性CdS纳米颗粒与自约束球形胶囊的结合，是按比例调整静电力、弥散力以及其它胶体力共同导致的结果。这些无法通过Derjaguin-Landau-Vervey-Overbeek 理论来进行准确描述，而分子动力学模拟揭示了纳米壳的出现和它们的一些稳定机制。不同条件下的组装形态与透射电子显微镜断层成像数据几乎完全匹配。这项研究弥合了生物和无机自组装纳米系统之间的差距，并为广泛的无机纳米粒子的自发区室化提供了一个新途径。（Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.2641）
7.通过飞秒轨道成像跟踪单个分子的超快运动
（Tracking the ultrafastmotion of a single molecule by femtosecond orbital imaging）
观察单个分子在其固有时间尺度上的移动已知是现代纳米科学的重要目标之一，并且需要达到超快暂态分辨率进行测量。稳态实验能够达到必要的空间尺度，即通过使用扫描隧道显微镜对单个分子轨道的直接成像、或者采用尖端增强拉曼和具有亚分子分辨率的发光光谱。但是直接对单个分子的本征动力学进行跟踪面临着巨大挑战，即，与分子的相互作用必须限于飞秒时间窗内。对于单个纳米颗粒，已经通过将扫描隧道显微镜与所谓的光波电子器件组合的方式对这种超快时间限制进行了证实。Cocker等人依靠超快太赫兹扫描隧道显微镜来探测选定状态的隧穿区域，其中太赫兹电场波形的波峰通过单个分子状态瞬时打开一个隧穿通道。由此可以在比太赫兹波的一个振荡周期还短的时间窗口内，从单个并五苯分子最高占据分子轨道中去除单个电子。Cocker 等人利用这种效应以亚埃分辨率记录了大约100飞秒的轨道结构快照图像，并通过泵浦/探针测量直接在太赫兹频率时域中揭示相干分子振动。预计如果这种原子分辨率方法与光波电子学结合将可以打开可视化超快光化学和单轨道尺度分子电子学的大门。（Nature DOI: 10.1038/nature19816）
8.多功能两相水解催化剂
（Amultifunctional biphasic water splitting catalyst tailored for integration withhigh-performance semiconductor photoanodes）
Yang等人利用等离子增强的原子层沉积制备了一种具有高性能光电化学能量转换的多功能纳米催化剂。调控合成的Co3O4/Co(OH)2薄膜同时能够为水解提供高活性催化性能，有利于有效的界面电荷传输，提高活性界面的长期稳定性。这些薄膜由密实、连续的尖晶石结构Co3O4纳米晶构成，Co3O4纳米晶不易受相转变的影响、能够阻挡离子渗透，从而为基底提供了有效的保护。而且，结构无序和化学性不稳定的第二相Co(OH)2保证了高浓度的催化活性位点。将这种薄膜应用于光伏p+n-Si为晶体硅光阳极带来了很好的性能。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4794）
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