温馨提示：本推文包含17篇文献，预计阅读时间约17min，大家挑感兴趣的关注。p.s.文末会附有过去三周周报链接。1. J. Am. Chem. Soc.:用于高性能锂硫电池的超薄聚酰亚胺共价有机骨架纳米片的可扩展合成
开发新型多孔材料作为主体来抑制多硫化锂的溶解和穿梭，有利于构建高效的锂硫电池。尽管二维共价有机框架（COFs）作为主体材料显示出锂硫电池的潜力，但它们的性能仍然不尽如人意。在此，我们开发了具有明确层状结构的聚酰亚胺 COF（PI-COF），可以将其剥离成大量超薄（~1.2 nm）大尺寸二维聚酰亚胺纳米片（PI-CON）。探索作为锂硫电池的新型硫主体材料，PI-COF 和 PI-CON 具有高容量（在 0.1 倍率下分别为 1330 和 1205 mA h g-1）和出色的倍率性能（分别在 4 倍率下为 620 和 503 mA hg-1），以及优异的循环稳定性（PI-CONs 在 0.2 倍率时容量保持率为 96%），这得益于强大的共轭多孔骨架和强氧-锂相互作用的协同作用，超越了绝大多数有机/聚合物锂硫电池正极的报道。我们的发现表明，具有羰基的超薄二维 COF 纳米片可能是具有优异电化学性能的锂硫电池的有前途的主体材料。https://doi.org/10.1021/jacs.1c086752. Angew. Chem. Int. Ed.：多荚状Lewis酸PtIr合金可实现高性能锂氧电池伴随着来自正极和溶剂的高过电势和副反应的缓慢的氧反应动力学是非质子锂氧电池的主要挑战。设计用于加速氧反应动力学的高效催化剂对于开发高性能锂氧电池至关重要。在本文中，Pt 原子具有低路易斯酸度的 PtIr 多荚状合金被报道为用于提高过电势和稳定性的先进正极。密度泛函理论 (DFT) 计算表明，由于 Pt 比 Ir 具有更高的电负性，因此电子具有从 Ir 转移到 Pt 的强烈倾向，导致 Pt 原子的路易斯酸度低于纯 Pt 表面上的路易斯酸度。PtIr 表面 Pt 原子的低路易斯酸性导致高电子密度和 d 带中心下移，从而削弱了对中间体 (LiO 2 ) 的结合能，这是实现低氧还原反应 (ORR) 的关键和析氧反应 (OER) 过电势。基于 PtIr 电极的锂氧电池表现出非常低的放电/充电总过电势 (0.44 V) 和出色的循环寿命（180 次循环），优于大量报道的基于贵金属的正极。https://doi.org/10.1002/anie.2021140673. Adv. Mater.：阐明和减轻无钴 LiNiO2 锂离子电池正极中的高压降解LiNiO2 (LNO) 是下一代锂离子电池的一种很有前途的正极材料，因为它具有极高的容量和无钴成分，可实现更具可持续性的大规模制造。然而，其在超过 4.1 V 的高工作电压下的循环寿命较差，阻碍了其实际应用，因此促使人们努力阐明和减轻高充电状态下 LiNiO2 的降解机制。在这里，我们对与无钴 LiNiO2 中的氧堆积化学相关的高压降解进行了多尺度探索。发现晶格氧损失在高荷电状态下局部 O3-O1 堆积转变中起着关键作用，这随后导致 Ni 离子迁移和循环过程中不可逆的堆垛层错。这种不良的原子级结构演变加速了微观电化学蠕变、开裂甚至层弯曲，最终导致 LNO 颗粒的宏观机械降解。通过采用基于石墨烯的密封表面涂层，在高荷电状态下，LNO 中的氧损失会减弱，从而抑制了降解的发生，从而显着提高了 LNO 的高压容量保持率。总体而言，这项研究提供了对 LNO 高压降解的机理洞察，这将为在锂离子电池技术中采用无钴正极的持续努力提供信息。https://doi.org/10.1002/adma.2021064024. Adv. Mater.：一种组织状软质全水凝胶电池为了开发可穿戴和可植入的生物电子设备，以适应动态和不均匀的生物组织，减少不良的免疫反应，采用机械性能匹配的电池和组织作为电源是至关重要的。然而，由于高杨氏模量的成分(如金属、碳材料、导电聚合物或复合材料)的存在，现有的电池无法达到组织的柔软度。因此，组织状软电池的制造仍然是一个挑战。在这里，我们报道了第一个完全基于水凝胶的超软电池。超软电池的杨氏模量为80kPa，皮肤和器官(如心脏)完美匹配。在0.5 A·g-1的电流密度下，全水凝胶锂离子电池的比容量达到82mAh·g-1，全水凝胶锌离子电池的比容量达到370 mAh·g-1。全水凝胶电池在可穿戴和植入式方面的应用表明，该电池具有高度的稳定性和生物相容性。这项工作为设计具有匹配机械性能的可穿戴和可植入电子设备提供了一条途径。https://doi.org/10.1002/adma.2021051205. Nat. Commun.：室温钠硫电池中有效调节多硫化物的Fe3N/C复合电催化剂室温钠硫电池的实际应用受到硫利用率低、倍率能力不足和循环性能差的阻碍。为了规避这些问题，在这里，我们提出了一种由 N 掺杂的纳米碳和 Fe3N 组成的电催化剂复合材料。 碳的多层多孔网络可容纳大量硫，减少体积膨胀的不利影响，并在循环过程中稳定电极结构。 实验和理论结果证明了 Fe3N 通过 Na-N 和 Fe-S 键对多硫化钠的亲和力，导致多硫化钠的强吸附和快速解离。在硫含量为 85 wt.% 的情况下，在室温下在非水钠金属纽扣电池配置中测试的正极在 167.5 mA g-1 时提供约 1165 mA h g-1 的可逆容量，令人满意的倍率性能和在 8375 mA g-1 下，2800 次循环的稳定容量约为 696 mA hg-1。https://doi.org/10.1038/s41467-021-26631-y6. Adv. Energ. Mater.：无碳酸乙烯酯电解液的高电压高安全实用锂电池严重的安全问题阻碍了高能锂离子电池在交通、电气化和大规模电网存储中的广泛采用。本文报道了一种用于高安全性高能袋式LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2|石墨(NMC811|Gr)电池的三盐无碳酸乙烯(EC)电解质。这种不含碳酸乙烯的电解质可以在高电位(高达4.5V)下有效地稳定NMC811表面，并产生稳定的界面，从而实现与石墨负极的良好兼容性。电解质策略显著增强了固有安全性(热失控触发温度提高了67.0°C)、出色的电化学性能(4.2V，200次循环后大约为100%)和卓越的高压稳定性(4.5V，200次循环后大约82.1%)。这项工作为开发新的电解液系统开辟了一条新的途径，为实际应用制造更安全的高能电池开辟了一条新的途径。https://doi.org/10.1002/aenm.2021022997. Adv. Funct. Mater.：具有高浓度氧空位双层VOPO4⋅2H2O纳米片用于高性能水性锌离子电池二维材料具有原子精确的厚度和可调的化学成分，在纳米能源领域具有潜在的应用前景。在此，本文制备的一种双层结构的VOPO4⋅2H2O（双层VOP）纳米片是通过一种简单的液体剥离策略，利用高浓度氧空位（[Vo˙˙]）制备的。恒电流间歇滴定技术研究表明，与商业化商品相比，双层VOP纳米片中的锌离子系数高出6个数量级（4.6×10-7 cm-2 s-1）。密度泛函理论（DFT）模拟表明，双层VOP纳米片中电子电导率显著增强，禁带宽度减小≈0.2 eV（大块样品：1.5 eV）并具有≈0.08 eV超低的扩散壁垒（大块样品：0.13 eV），因此具有优异的扩散动力学和电化学性能。Mott–Schottky（阻抗电势）测量还表明，由于其高浓度，随着温度的升高，电子电导率有了很大的提高，载体浓度增加了57倍。得益于这些独特的特性，由双层VOP纳米片阴极构成的可充电锌离子电池显示出313.6 mAh g-1（0.1 A g-1）的显著容量，能量密度为301.4 Wh kg−1，并且具有显著的倍率性能（0.1 A g-1下168.7 mAh g-1)。https://doi.org/10.1002/adfm.2021703358. Nat. Energy：使用环境友好溶剂制备效率大于17%的有机太阳能电池的一种寄主辅助分子组织方法实验室规模的有机太阳能电池（OSC）通常由低沸点和有毒溶剂制成，其功率转换效率（PCE）已达到18%以上的高值。然而，当使用绿色溶剂时，PCE通常会显著下降，这限制了OSC的实际开发。在此，本文通过寄主辅助组装策略，从绿色溶剂对二甲苯（PX）加工的OSC中获得超过17%的认证PCE，其中第三组分（客体）用于操纵二元混合物的分子相互作用。此外，高沸点绿色溶剂PX还使本文能够沉积均匀的大面积模块（36cm2），效率高达14%以上。主分子和客体分子之间的强分子相互作用也增强了器件的操作稳定性。本文的寄主辅助组装策略提供了一种独特的方法来开发大面积和高效的OSC，这些OSC由绿色溶剂加工而成，为OSC的工业发展铺平了道路。 https://doi.org/10.1038/s41560-021-00923-59. Nat. Commun.：调整苯二铵的结构异构体以提供高效和稳定的钙钛矿型太阳能电池和组件有机卤化物盐钝化被认为是减少钙钛矿型太阳能电池缺陷的重要策略。然而，这种策略不可避免地会形成平面内有利的二维（2D）钙钛矿层，电荷传输受损，特别是在热条件下，阻碍光伏性能和器件放大。为了克服这一限制，本文研究了用于定制缺陷钝化的（苯撑）二（乙基铵）碘化物（PDEAI2）的邻位、间位和对位异构体形成2D钙钛矿的势垒。用空间位阻最大的邻位异构体不仅可以防止表面2D钙钛矿薄膜的形成，即使在高温下也是如此，而且可以最大限度地提高浅能级和深能级缺陷的钝化效果。随后的PSC实现了23.9%的效率和长期运行稳定性（超过1000h）。重要的是，钙钛矿模块的记录效率为21.4%，有效面积为26 cm2。https://doi.org/10.1038/s41467-021-26754-210. Energ. Environ. Sci.：近单位电荷产率的有机太阳能电池有机半导体光伏发电中光生电荷产生率（CGY）和双分子复合之间的微妙联系作为一个概念已经相对成熟，但已经证明非常具有挑战性，尤其是在操作条件下。目前的理论还告诉我们，激子系统中的电荷产生总是低于非激子半导体，如砷化镓——但随着基于非富勒烯受体（NFA）的有机半导体混合物（功率转换效率超过18%）的出现，这一观点受到挑战。利用一种基于温度相关超灵敏外部量子效率测量的新方法，本文在几个基于NFA模型的系统中观察到近单位CGY，测量精度达到前所未有的水平。本文发现，相对于朗之万极限，从0.984到0.993的产率相对较小的增加导致双分子复合从400倍减少到1000倍。反过来，这种显著的降低提供了迄今为止任何二元有机太阳能电池中最好的厚结性能——尤其是在300 nm时为16.2%。高效率和厚结的结合是通过高通量沉积处理（如辊对辊）工业制造这些器件的关键，因此是可行的太阳能电池技术的核心。这些结果还清楚地揭示和阐明了激子半导体光伏中光生和复合之间的关系，从而为基础器件物理和实际细胞工程之间提供了重要的桥梁。https://doi.org/10.1039/D1EE01367J11. Adv. Energ. Mater.：耐质子辐射的全钙钛矿型多结太阳能电池具有高比功率（W g−1）的耐辐射但经济高效、灵活且超轻的太阳能板是新空间革命的“圣杯”，为私人空间探索、低成本任务以及月球和火星上的未来栖息地提供动力。在此，本研究调查了一种使用超薄活性层（1.56µm）但具有高功率转换效率的全钙钛矿串联光伏（PV）技术，并讨论了其在高比功率应用中的潜力。这项研究表明，所有钙钛矿结构都具有很高的耐受空间恶劣辐射环境的能力。在68 MeV质子辐照下的试验表明，在剂量为1013 p+cm−2时，即使是商用抗辐射空间光伏退化>22%，降解可忽略不计（<6%）。利用高空间分辨率光致发光（PL）显微镜，本文发现GaAs中的缺陷簇是导致当前空间光伏退化的原因。相比之下，即使在研究的最高剂量之后，单个钙钛矿电池的PL也可以忽略不计。研究了裸低间隙和高间隙钙钛矿型吸收材料的强度依赖性光致发光，结果表明，辐照后，VOC、填充因子和效率电势保持不变。因此，所有钙钛矿结构串联体的辐射损伤与传统的空间光伏有着根本不同的起源。https://doi.org/10.1002/aenm.20217016412. Adv. Energ. Mater.: 具有热诱导相变电子萃取层的高效、耐用倒置钙钛矿太阳能电池减少载流子复合并促进界面处的电荷提取对于提高钙钛矿太阳能电池（PSC）的器件性能走向商业化具有重要意义。然而，关于倒置 PSC 中金属电极和电子传输层界面处的传输和复合机制的研究很少。在此，研究者们报道了一种新的界面修饰策略，该策略利用二氧化钒独特的金属到绝缘体转变 (MIT) 特性，将其作为电子提取层 (EEL) 插入 p-i-n 平面 PSC。受益于合适的 VO2 中间能级，优化后的器件显示出高达 22.11% 的功率转换效率 (PCE)，而滞后可忽略不计，而室温下为 20.96% 的基准。有趣的是，基于 VO2 的 PSC 的 PCE 在 85°C 时增加到 23% 以上，这可归因于 VO2 的 MIT 超出其临界相变温度时，电学性质发生了巨大变化，并且电子提取更好。此外，封装的 VO2-PSC 在 85°C 和 1 个太阳光照下 1000 小时显示出优异的热稳定性，保持初始 PCE 的 90% 以上。这项工作开创了插入热致相变材料作为 EEL 以实现高效且耐用的钙钛矿光伏电池的最新概念。https://doi.org/10.1002/aenm.20210284413. Adv. Energ. Mater.：金刚石基二维钙钛矿的间隔工程助力高效稳定的二维/三维异质结构钙钛矿太阳能电池基于 2D/3D 异质结构的钙钛矿太阳能电池 (PSC) 显示出将 3D 钙钛矿的高效率和 2D 钙钛矿的高稳定性的优点结合起来的巨大潜力。然而，对有机间隔物对 2D/3D 界面处 2D 量子阱 (QW) 结构和电子特性的深入了解尚未完全实现，尤其是在基于二铵间隔物的 2D 钙钛矿的情况下/配体。在这里，研究者们将一系列二铵间隔物被考虑用于构建离子 2D/3D 钙钛矿异质结构。发现间隔物的化学结构和浓度会显着影响 2D 覆盖层的特性，包括它们的相纯度和取向。密度泛函理论计算表明，间隔修改可以引起 2D/3D 界面上能级对齐的变化，从而影响电荷转移特性。2,2-（亚乙基二氧基）双（乙基铵）（EDBE）阳离子和无机 [PbI6]4− 板之间的强分子间相互作用促进了具有水平取向的相纯 QW 结构（n = 1）的受控沉积，这导致更好的表面钝化和载流子提取。这些优势使基于 EDBE 的 2D/3D 器件具有 22.6% 的高功率转换效率和卓越的环境稳定性，突出了用于高性能 2D/3D PSC 的间隔化学设计的前景。https://doi.org/10.1002/aenm.20210297314. ACS Energy Lett.：高结晶聚合物钙钛矿太阳能电池的界面缺陷钝化和电荷载体管理最小化界面缺陷和提高电荷转移层的电荷转移能力已成为提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的最重要策略。然而，目前用于减轻界面缺陷的大多数分子钝化剂会在界面处产生导电性差的聚集体，从而阻碍电荷载流子的提取。在这里，研究者们报告了一种采用 2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene (C8-BTBT) 的高结晶聚合物的整体界面工程策略。揭示了 C8-BTBT 将钙钛矿薄膜桥接到空穴传输层，减少了界面缺陷并改善了电荷载流子管理。此外，这种用空气稳定的 C8-BTBT 进行的界面改性通过减少聚集体实现了 Spiro-OMeTAD 的理想和稳健的形态。因此，经过 C8-BTBT 处理的器件在所有光伏性能特征上都表现出极大的增强，绝对效率提高超过 2%。C8-BTBT 修饰的 Spiro-OMeTAD 具有良好的热耐受性，这为提高基于 Spiro-OMeTAD 的钙钛矿光电性能铺平了道路。
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c0189815. ACS Energy Lett.：揭示了高掺杂CdSexTe1-x太阳能电池中前端界面质量的重要性随着基于 CdTe 的太阳能电池中载流子浓度的提高，建模表明前界面成为性能瓶颈。然而，前接口的优化已被证明是困难的，因为它在标准覆板器件处理过程中被掩埋并显着发展。在这里，研究者们通过在发射极/吸收体界面处切割最先进的覆层 CdSexTe1-x 器件堆栈并使用 MgyZn1-yO/ZnO:Al 前接触在基板配置中重建来解决这两个问题。通过比较掺铜或掺砷的器件，分别研究了前界面质量对低掺杂和高掺杂吸收体的影响。对于重建的砷掺杂器件，观察到更大的性能下降，这归因于发射极掺杂不足、在前界面形成补偿缺陷以及由于耗尽区坍塌而对这两种效应的敏感性增加。这项工作突出了高掺杂 CdSeTe:As 器件特有的关键挑战，必须向前发展。
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c0184616. ACS Energy Lett.：锡钙钛矿太阳能电池的空穴选择性自组装单层界面工程这项工作是第一份关于空穴选择性锡基钙钛矿太阳能电池 (PSC) 的报告，该电池使用自组装单层 (SAM) 的概念来修饰 ITO 表面，通过两步顺序制造均匀的锡钙钛矿层。在此，研究者们开发了一种预热程序，以有效减少 ITO 表面上的羟基和氧空位的数量，以产生均匀的 SAM。在400 °C下预热的ITO基板提供了最佳的器件性能，功率转换效率(PCE)达到6.5%，并且初始 PCE的80%在手套箱中保持约1900小时。电化学阻抗谱和时间分辨谱用于了解与观察到的器件性能相关的界面电荷复合和空穴提取动力学。因此，目前的工作为基于SAM的无铅钙钛矿太阳能电池的未来规模化生产的发展提供了新的方向。https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c0212417. Nature: 有机半导体的过渡金属催化分子n掺杂化学掺杂是研究有机半导体中的电荷传输和改进某些（光）电子器件的关键过程。 N（电子）掺杂从根本上比 p（空穴）掺杂更具挑战性，并且通常实现低于 10% 的非常低的掺杂效率 (η)。有效的分子 n 掺杂剂应同时表现出高还原能力和空气稳定性以实现广泛的适用性，这是非常具有挑战性的。在这里，研究者们展示了使用空气稳定的前体型分子掺杂剂对有机半导体进行催化 n 掺杂的一般概念。根据实验和理论证据的评估，将过渡金属（例如，Pt、Au、Pd）作为气相沉积纳米粒子或可溶液加工的有机金属配合物（例如，Pd2(dba)3）掺入催化反应，从而极大地促进在更短的掺杂时间和高电导率（高于 100 S cm-1）内增加了 η。这种方法对实现改进的半导体器件具有技术意义，并为包含催化剂、分子掺杂剂和半导体的三元系统提供了广阔的探索空间，从而为 n 掺杂研究和应用开辟了新的机会。https://www.nature.com/articles/s41586-021-03942-0更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。 科研绘图交流群，请添加微信：17857127498
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