《自然》《科学》一周（12.19-12.25）材料科学前沿要闻

1.纳米颗粒中的等级结构复杂性

（Emergenceof hierarchical structural complexities in nanoparticles and their assembly）

最近，Zeng等人展示了纳米颗粒自组装可以达到和生物分子相同水平的等级性、复杂性和精确性。X-射线衍射分析确认了这种在原子、分子和纳米尺度的金纳米颗粒的精确组装结构（具有80 p-methylbenzenethiolate表面配合基的246个金核原子）。他们还确定了引导这种组装行为的驱动力和规则。表层保护配合基能够在纳米颗粒表面通过C-H…π相互作用自组装成旋转和平行的花样，并且对称性和表面花样密度决定了纳米颗粒堆砌成晶体的方向。通过等级相互作用和对称性匹配，简单的模块能够演化为复杂的结构，代表了纳米颗粒系统新出现的一种现象。（Science DOI: 10.1126/science.aak9750）

2.Al2O3层有效降低固态锂电池界面电阻

（Negatinginterfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries）

石榴石型固态电介质由于具有高离子传导率（1 mS/cm）、极好的环境稳定性和宽电化学稳定窗口（6V vs. Li）吸引了研究人员的注意。然而，目前为止很少有报导利用这类材料制成的高性能固态电池。主要挑战在于石榴石电介质和电极材料间的高固-固界面阻抗。最近，Han等人利用原子层沉积法制备超薄Al2O3有效解决了锂金属和石榴石电介质之间的大界面电阻问题。由于降低的石榴石烧结温度和增加的锂离子传导率，他们选择了石榴石型Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12 (LLCZN)。在室温下，界面电阻从1710 Ω/cm2降低到了1Ω/cm2，大幅降低了界面电阻。实验和理论结果表明氧化层使金属锂湿润并与石榴石电介质表面、锂化Al2O3界面接触，促进了有效的锂离子传输。同时，他们演示了一个锂金属作为负极、石榴石做电介质和高电压正极的电池。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4821）

3.应用于阳光燃料和化工产品的材料

（Materialsfor solar fuels and chemicals）

将太阳光转化为燃料和化工产品是储存可再生能量的很有前景的方式，并且光电催化技术代表一种有效的途径。然而，在发展这些技术的过程中存在无数科学挑战，包括寻找合适的光吸收材料、为水解和燃料发展更有效的电催化剂以及理解催化剂界面如何作用等。Nørskov等人从技术经济和持续性、光子捕获、催化剂设计和集成等方面综述了这些领域和关键科学挑战的最新里程碑式的进展。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT4778）

4.能量转化方式和高效光伏电池材料

（Energy conversion approaches and materials for high-efficiencyphotovoltaics）

在过去的五年，光伏成本大幅减少，且转化效率显著提高。光伏已被确定为未来发电成本最低的方式之一。随着工业发展，越来越清晰的问题是与面积相关的成本的降低，如封装成本和现场安置成本。这些成本正在逐渐成为光伏发电总成本中的重要部分。这意味着工业上需要改进目前主导商用的单结太阳能电池，这种电池的能量转化效率被Shockley-Queisser限制在30%以下。Green等人基于终极效率、材料需求评估了有潜力突破这一限制的多种方法及其发展前景。（NatureMaterials  DOI: 10.1038/NMAT4676） 

5.源自电化学界面的能量和燃料

（Energy and fuels from electrochemical interfaces）

固-液界面的研究进展对于推动技术创新和利用可靠的、可负担的环境友好型能量至关重要。Markovic等人综述了有效电解水产氢、产氧和应用于燃料电池的新材料的研究进展。他们认为对于共价和非共价相互作用间的协同效应的理解程度是设计和调控实用催化剂的基础。常见的衡量指标，例如：基底-氢氧结合能和氢氧-氧化物和H—OH键形成的双电层相互作用分别控制着氢气和氧气电化学，控制着水基能量转化和储存的效率。他们建立的水系和有机系环境的关联性对于推动燃料电池和其它电池的发展具有重要意义。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4738）

6.电池发展的可持续性和原位监测

（Sustainability and in situ monitoring in battery development）

可充电电池的发展是新世纪的一个主要技术挑战，因为电池成为从石油（汽油）驱动的汽车到电动汽车转化的瓶颈，同时电池也能够使可再生能源应用到电网。为了对生态破坏降低到最小，Tarascon等人认为将电池材料的可持续性集成到科学研究中，选择对大自然影响最小的、更易回收或循环使用的材料。可持续性和成本问题迫切需要增加电池寿命和电池的回收利用。为此，研究人员必须在电池运行过程中持续监测电池的健康状态且力争对电池的破坏最小化。因此推动原位检测技术非常重要。（Nature Materials  DOI: 10.1038/NMAT4777）

7.动态重构驱动纳米多孔金-银合金催化剂

（Dynamic restructuring drives catalytic activity on nanoporousgold–silver alloy catalysts）

双金属纳米结构材料对于提高催化活性和选择性具有很大的应用潜力，而对于有效催化的预处理过程中动态成分和结构变化的了解却很少。Zugic等人利用臭氧活化银-金合金研究了活化产生功能性催化的双金属行为。他们观察到催化活性是由合金的动态改变引起。原位电子显微镜和X-射线光电子能谱表明主要的重构和成分变化沿着催化功能路径发生变化。暂态动力学测试建立了重构与三种氧形态的关系。他们还研究了表面银浓度和重构的变化影响。这些结果表明动态变化的表征对于解开双金属催化剂材料的应用潜力是十分必要的。（Nature Materials   DOI: 10.1038/NMAT4824）

8.可持续能源之路

（Thepath towards sustainable energy）

随着人类利用能源能力的增强，人类文明也在不断的进步。一系列工业和农业革命已经促使不断增加的人口在温暖和照亮家园、培养和灌溉庄稼、相互联系和环游世界的过程中增加了对能源的消耗。所有这些过程均建立在人类对能源的发现、提取和使用上面。基于清洁能源产生、转化和运输，以及电能和化学能的储存、能量效率和更好的能量管理系统，材料科学研究正在不断朝着一个可持续的方向发展。Zhu等人从光伏器件、电池、太阳和化学燃料等方面评述了当前新材料的发展及未来机遇。（NatureMaterials DOI：DOI: 10.1038/NMAT4834）

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