《自然》《科学》一周（1.2-1.8）材料科学前沿要闻

Original 2017-01-09 新材料在线 新材料在线

1.催化剂载体对氢溢流的影响

（Catalyst support effects on hydrogen spillover）

氢溢流是活化氢原子从金属催化剂颗粒表面产生、迁移到催化剂载体上的现象。这一现象在还原性载体上的发生已被广泛研究，但是在非还原性载体（如Al2O3）上，能否发生氢溢流还需要进一步研究。Karim等人利用高度精密的自上而下的纳米技术合成了模型催化剂，并研究了在还原性和非还原性载体上的氢溢流。他们在载体上构造Fe2O3和Pt纳米颗粒对，两种颗粒间的距离可以从0到45纳米调控。他们利用原位X射线吸收谱仪观察Fe2O3纳米颗粒的还原程度，发现在TiO2表面出现快速的氢溢流，而在Al2O3表面的氢溢流要低10个数量级。这可能是由于调制氢溢流的三配位的铝中心也会水发生相互作用，从而造成氢气的脱吸附和氢的迁移形成竞争。他们的这一技术也为研究多功能支撑催化剂的协同效应创造了机会。（Nature DOI:10.1038/nature20782）

2. 3D氮掺杂石墨烯泡沫用于高性能柔性锂离子电池

（3D nitrogen-doped graphene foam with encapsulatedgermanium/nitrogen-doped graphene yolk-shell nanoarchitecture for high-performanceflexible Li-ion battery ）

柔性电化学能量存储器件，有望用于柔性和可穿戴电子产品领域的电源，已经引起了人们的广泛关注。然而，要合理地设计出具有良好柔性、高容量、高充放电速率和长循环寿命的新型电极结构，仍然是开发下一代柔性储能材料过程中的长期挑战。Mo 等人开发了一种简单的方法，可以实现具有封装 Ge 量子点/氮掺杂石墨烯卵黄壳纳米架构的三维（3D）互连多孔氮掺杂石墨烯泡沫。这种材料具有高可逆容量（1220 mAh·g-1）、长循环能力（从第二至1000循环后，可保持超过96％的可逆容量）和超高倍率等性能（在40℃下超过800 mAh·g-1）。这项工作为未来开发基于石墨烯的3D 互连大容量高性能柔性储能系统电极材料奠定了基础。（Nature CommunicationsDOI: 10.1038/ncomms13949）

3.协同化学耦合实现稳定的锂化硅-硫族电池

（A stable lithiated silicon–chalcogenbattery via synergetic chemical coupling betweensilicon and selenium）

锂离子电池凭借它所具有的卓越的功率和能量特性主导了便携式储能领域。然而，各种消费设备和电动车辆需要更高的比能、比功率和循环寿命。对此， Eom 等人介绍了一种全电池，它包含锂化硅/石墨烯阳极与二硫化硒（SeS2）阴极，并具有高容量和长期稳定性。他们发现SeS2阴极溶解的硒会变成阳极固体电解质界面（SEI）的组分，从而致使 SEI 的电导率和稳定性显着增加。此外，替换锂金属阳极阻碍了不希望发生的、来自 SeS2阴极和锂金属阳极的溶解态中间产物之间的副反应，并且消除了锂枝晶的形成。结果，在268 mA/gSeS2 电流密度下1500次循环后，锂化硅/石墨烯-SeS2全电池的容量保持在 81％，能够实现的阴极容量403mAh/gSeS2（1209mAh/cm3SeS2）。

（Nature communications DOI:10.1038/ncomms13888）

4. 室温下纯铋单晶体材料超导性的证据

（Evidence for bulk superconductivityin pure bismuth single crystals at ambient pressure）

在环境压力下，菱形铋体材料从正常状态到最低10毫开尔文过程中都维持是半金属。因为载流子密度极低，所以体材料的铋通常被认为不太可能具有超导性。Prakash 等人在环境压力下观察到 0.53 毫开尔文以下的纯铋单晶体材料的超导现象，并估计在0开尔文下的临界磁场约为 5.2 微特斯拉。铋的超导性不能利用传统的 Bardeen-Cooper-Schrieffer 理论来解释，因为其中的绝热近似不适用于铋。未来还将需要有理论工作来理解具有低载流子密度和异常能带结构（例如铋）的系统中的非绝热极限的超导性。（Science DOI: 10.1126/science.aaf8227）

5.高伸缩性聚合物半导体薄膜

（Highly stretchablepolymer semiconductor films through the nanoconfinement effect）

柔软舒适的可穿戴电子器件需要可拉伸的半导体，但是现有的材料通常是以牺牲电荷的输运迁移能力来实现拉伸性。Xu 等人基于聚合物的纳米约束提出了一种新的概念，用以显著改善聚合物半导体的拉伸性，而不影响电荷输运能力和迁移率。在纳米结构下增加聚合物链动力学，显着降低了共轭聚合物的模量，并大大延迟了应变下裂纹形成的开始。由此，Xu 等人制造的半导体膜可以拉伸到100％应变，而不影响迁移率，其保持值与非晶硅相当。完全可拉伸的晶体管表现出很高的双轴拉伸性，即使用锋利的物体戳刺时，导通电流的变化也很小。最后他还展示了一个用于发光二极管的类皮肤手指可穿戴驱动器件。（Science DOI: 10.1126/science.aah4496）

6. 具有高青白光发射效率的一维有机卤化铅钙钛矿

（One-dimensional organiclead halide perovskites with efficient bluish white-light emission）

有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿，作为一类新兴的可溶液加工的光活性材料，成为具有一维结构材料的一个新成员。Yuan 等人报告了一维有机溴化铅钙钛矿，C4N2H14PbBr4的合成、晶体结构和光物理性质，其中共享边缘的八面体溴化铅链 [PbBr42-]∞ 被有机阳离子 C4N2H142+围绕形成核-壳量子线并最终组成体材料。具有这种独特的一维结构，使得 C4N2H14PbBr4 能够实现强量子约束，并具有形成自俘获的激发态，而且还有高效率的青白光发射，对于体单晶具有约20％的光致发光量子效率，对于微尺度晶体具有12％的光致发光量子效率。这项工作再次证实一维系统有利于激子自俘获产生高效率的低能隙宽带发光，并开辟了一条基于体量子材料制造光发射器的新途径。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms14051）

7. 单层 MoS2 中 C 激子热载流子的慢冷却和高效萃取

（Slowcooling and efficient extraction of C-exciton hot carriers in MoS2monolayer）

在新兴的光电子应用中，诸如光解水、激子裂变和涉及低维纳米材料的新型光伏、热载流子弛豫以及萃取机理，都在其光电子转换过程中发挥着不可或缺并引人注目的作用。二维过渡金属二硫属化物近来在上述领域中引起了很多关注；然而，对表示为C 激子的带嵌套区域中的热电子-空穴对的弛豫机制的了解十分有限。对此，Wang 等人将单层 MoS2 作为典型二维过渡金属二硫族化物系统，报告了比带边激子较慢的热载流子冷却C 激子。Wang 等人推导出这种效应起源于有利的频带对准和瞬时激发态库仑环境，而不仅仅是单纯的二维系统中的量子限域作用。他们研究了屏蔽敏感带隙重新正常化的单层MoS2/石墨烯异质结构，并确认伴随着激子结合能的双倍减少，对 C 激子状态初始热载流子的提取效率高达80％。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms13906）

8. 类单晶纳米多孔碳薄膜的合成及其在水解中的应用

（Synthesis ofsingle-crystal-like nanoporous carbon membranes and their application inoverall water splitting）

具有确定的化学组成和孔结构的纳米多孔石墨碳薄膜一直是研究人员积极寻求的新型纳米材料。多孔碳粉末主导着多孔碳在能量产生/转化和环境修复中的应用，而与较易于制造的多孔碳粉末相比，多孔碳膜在合成上更具挑战性。Huang 等人报导了一种简单的自下而上的方法用以制造大尺寸、独立多孔碳薄膜，制造出的薄膜具有独特的类单晶石墨结构、分层孔结构和氮掺杂。当载有钴纳米颗粒时，这种碳膜作为基于碳的高性能非贵金属电催化剂可用于水分解。（Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms13592）

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