Science China Materials最新在线发表文章（2022.04.28-29）

【综述】基于动态共价化学的功能高分子材料

在过去的二十年中, 动态共价化学得到了极大的发展. 这主要体现在两个方面: (1) 新的动态共价键源源不断地被发现; (2) 各种各样的动态共价键被引入到高分子材料中并用于实现某些特殊的功能. 这些功能高分子材料的开发和应用为人类社会的可持续发展注入了新的活力和生机. 

近日, 清华大学许华平教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表综述文章, 主要综述了由动态共价键所赋予高分子材料的一系列新功能, 包括自修复、循环利用和形状控制. 在这些新功能中, 尤其关注由动态共价键引起的重塑形、三维形状编程、表面图案化和可逆致动等新功能. 除了这些动态功能外, 还讨论了目前动态共价键在功能高分子材料发展过程中所遇到的问题、挑战和机遇, 并展望了动态功能高分子材料在未来的发展方向和应用前景.

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Liu, C., Tan, Y. & Xu, H. Functional polymer materials based on dynamic covalent chemistry. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-021-2018-y

【综述】从液态金属到柔性电子器件: 克服表面张力

可伸缩电子领域主要包括可以集成在皮肤或服装表面的电子产品. 由于这些产品需要在变形期间工作, 因此它们对材料的需求集中在可拉伸性和导电性. 液态金属正是兼具这些属性的优良的材料. 但是, 液态金属在常温下有极高的表面张力, 会自发的形成球状而难以被控制来形成柔性电子器件所需要的形状, 这是其向柔性电子领域发展的最大阻碍. 

近日, 哈尔滨工业大学齐殿鹏教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表综述文章，重点讨论了克服液态金属高表面张力的原理上, 基于这些原理所使用液态金属制作柔性电子器件的各种方法被串联了起来. 克服了表面张力的阻碍后, 液态金属在传感、能量收集等方面有巨大的前景. 在此还讨论了目前该领域存在的挑战和机遇. 

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Yang, Z., Yang, D., Zhao, X. et al. From liquid metal to stretchable electronics: Overcoming the surface tension. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-021-2023-x

【论文】具有光电信号双输出的发光电化学人工突触

尽管近年来多种突触器件的研究已取得了显著进展, 但寻找具有新功能的人工突触器件仍是构建人工神经网络的重要任务. 片上光电互连技术的成熟使得人工神经网络中的权重更新能以光和电的形式进行, 作为权重控制端的人工突触器件中光电信号的并行输出便成为一个有趣和值得拥有的功能. 在大规模神经网络的设计中, 光电信号双输出能够提供额外的输出自由度并降低电子引线密度. 

近日, 福州大学陈惠鹏教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文, 首次开发了基于聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔]/聚(环氧乙烷)/锂盐共混的具有光电信号双输出的发光电化学人工突触(LEEAS). LEEAS中的电化学氧化还原反应使该器件能够实现生物学中的突触可塑性, 并模拟了记忆增强过程、高通滤波特性和经典的巴甫洛夫条件反射实验. 此外, 在连续相同的电脉冲刺激下, LEEAS的瞬态发光强度表现出类似突触可塑性的增强行为. 由于结合了电致发光和突触记忆行为, LEEAS阵列展现了独特的图像显示和存储功能, 可以记忆显示过的图像.

本研究提出的LEEAS丰富了人工突触器件的种类, 促进了下一代光电混合人工神经网络的多样化设计与发展. 

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Zeng, H., Chen, Q., Shan, L. et al. A light-emitting electrochemical artificial synapse with dual output of photoelectric signals. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-021-2029-y

【论文】多维镍钴硫化物异质结电催化剂用于高效全水解

异质结构工程在高效全解水催化剂方面具有突出的应用前景. 然而, 生产廉价高效的双功能电催化剂仍然是一个巨大的挑战. 近日, 郑州大学臧双全教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文, 受构树启发, 通过一种简单的方法在泡沫镍基体上合成了高催化活性和稳定性的Co₉S₈@CoNi₂S₄/NF异质结. 该过程包括NiCo层状双氢氧化物在泡沫镍基体上的原位生长和原位衍生ZIF-67, 并伴随S原子掺杂. 所获得的Co₉S₈@CoNi₂S₄/NF多维度异质结包括一维纳米线、二维纳米片和纳米颗粒. 

优化的Co₉S₈@CoNi₂S₄/NF中硫含量为10%, 在1.0 mol L⁻¹ KOH溶液中, 电流密度为10 mA cm⁻²时, 具有优异的电催化活性, 其析氢和析氧过电位分别为68和170 mV, 优于最近报道的过渡金属基电催化剂. 该催化剂优异的催化性能主要归因于CoNi₂S₄与Co₉S₈之间较强的界面耦合、多维结构以及定制电子结构优势. 密度泛函理论表明,Co₉S₈和CoNi₂S₄之间的界面优化了多个中间体的吸附, 进一步促进了水裂解动力学. 

本工作为高效异质结构工程催化体系的设计提供了一种通用的方法. 

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Chen, W., Hu, Y., Peng, P. et al. Multidimensional Ni-Co-sulfide heterojunction electrocatalyst for highly efficient overall water splitting. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-021-1994-8

【论文】晶面工程优化钴基钙钛矿电子结构及其电解水性能

钴基钙钛矿催化剂的晶面和电子构型与其本征电解水活性密切相关. 近日, 中国石油大学(华东)柴永明教授和董斌副教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文, 提出了一种独特的熔盐方法以调控LaCoO₃的晶面类型和原子掺杂, 进而调制其电子结构. 通过引入封端剂(Sr²⁺), 制备了具有特定(110)晶面(LCO (110))和(111)晶面(LCO (111))的LaCoO₃样品. 

与LCO (111)相比, CoO₆八面体的畸变使LCO (110)和LSCO (111)具有更高的O 2p位置、更强的Co 3d–O 2p共价性以及更高的Co自旋态, 从而具有更优的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)性能. 其中, LCO (110)、LCO (111)和LSCO (111)在10 mA cm⁻²处的过电位分别为299, 322和289 mV. 此外, (110)晶面和Sr掺杂使Co–O键能增强, 进而提升了LaCoO₃的稳定性. 

本工作通过晶面工程和原子掺杂为电子结构的调控开辟了新的途径, 并为阐明OER和HER催化剂的电子结构-电催化活性关系提供了参考. 

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Zhou, YN., Wang, FG., Zhen, YN. et al. Crystal facet engineering of perovskite cobaltite with optimized electronic regulation for water splitting. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2016-5

【论文】温度调控合成异质结构Ru-Ru₂P纳米颗粒负载碳纳米纤维用于高效电催化析氢反应

开发高效、低价、稳定的析氢催化剂是实现电解水制氢规模产业化的关键, 但仍面临巨大挑战. 近日, 浙江科技学院王晟教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文, 通过静电纺丝和控温热处理的合成路径制备了一种高活性Ru基催化剂材料, 该催化剂由异质结构Ru-Ru₂P纳米颗粒均匀负载于N、P共掺杂碳纳米纤维构成. 

所制备的Ru-Ru₂P异质催化剂表现出优异的电催化析氢活性, 在酸性和碱性电解液中产生10 mA cm⁻²的催化电流密度分别仅需11和14 mV的过电位, 其性能优于对比样品纯Ru和纯Ru₂P催化剂. 密度泛函理论计算结果表明在Ru和Ru₂P的异质界面处存在电子耦合效应, 从而有效调控催化剂界面电子结构, 优化活性位点氢吸附能并提高导电性, 实现了高效电催化析氢. 

本合成策略适用于制备一系列过渡金属磷化物纳米纤维, 因而在催化和储能等领域具有广泛的应用前景.  

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Wei, Y., Xu, G., Wei, Y. et al. Temperature-controlled synthesis of heterostructured Ru-Ru₂P nanoparticles embedded in carbon nanofibers for highly efficient hydrogen production. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2001-7

【论文】氧化石墨炔提升界面电荷传输及分离以构筑高效二元有机太阳能电池器件

通过界面工程调节载流子动力学是提高太阳能电池器件效率的关键方式. 近日, 山东大学酒同钢教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文, 成功制备了具有大量官能团的高分散性氧化石墨炔(GDYO), 并将其应用于优化空穴传输材料PEDOT:PSS的性质以制备有机太阳能电池器件. 

结果表明, GDYO与PEDOT:PSS之间的π–π相互作用有利于优化电荷转移通道, 提高空穴传输层的电导率和载流子迁移率. 此外, 界面接触的改善有助于抑制电荷的复合, 提高空穴传输层和活性层之间的电荷提取. 同时, 活性层的形貌得到有效改善, 瞬态吸收测试结果证实这有利于载流子分离率的提升, 进而提高器件性能. 因此, 通过对载流子动力学的系统性优化, 二元有机太阳能电池的光电转换效率达到17.5%, 认证效率达到17.2%. 

本工作结果表明功能化石墨炔在有机光电器件领域具有广阔的应用前景.

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Liu, L., Kan, Y., Ran, G. et al. Graphdiyne oxide-accelerated charge carrier transfer and separation at the interface for efficient binary organic solar cells. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2019-4

【论文】一种罕见的三维杂化双金属卤化物铁电体: (3-Hydroxypyrrolidinium)₂RbBiBr₆

杂化双金属卤化物由于具有丰富的结构并且在光电和光伏器件领域中具有广阔的应用前景, 因而引起广泛的关注. 然而, RbIBiIII基杂化双金属卤化物的铁电性质尚未被探索. 

近日, 东南大学张闻教授和叶琼教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文, 报道了一例罕见的三维双金属卤化物铁电体: (3-hydroxypyrrolidinium)₂RbBiBr₆ (1). 其中, Rb^IBi^II双金属多面体通过共面和共角顶联接成三维笼状无机框架, 显现出4连接的lon拓扑结构, 而有机阳离子位于其孔洞中. 值得注意的是, 该铁电体具有非常高的居里温度(432 K), 较大的自发极化强度(5.73 μC cm⁻²)和热释电系数(28.35 μC m⁻² K⁻¹). 

这项工作丰富了杂化金属卤化物体系, 为探索稳定、绿色铁电材料提供了一种可行的策略. 

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He, L., Xu, K., Shi, PP. et al. A rare 3D hybrid bimetal halide ferroelectric: (3-Hydroxypyrrolidinium)₂RbBiBr₆. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2030-x