顶刊日报丨杨培东、王心晨、刘明杰、范红金、黄小青等成果速递20230430
1. Science Advances：电子束充电导致的固体电解质中锂的生长动力学
用电子显微镜揭示固体电解质 (SE) 的局部结构对于基本了解固态电池 (SSB) 的性能至关重要。然而，如果不完全了解样品与电子束的相互作用，SSB 中的固有结构信息可能会产生误导。在这项工作中，劳伦斯伯克利国家实验室Mary C. Scott, Qingsong Tu系统地研究了不同成像条件下电子束对掺杂铝的锂镧锆氧化物 (LLZO) 的影响。
本文要点：
1）研究人员观察到锂金属直接生长在 LLZO 的清洁表面上。研究发现，锂金属的生长动力学和形貌在很大程度上受温度、加速电压和电子束强度的影响。
2）研究人员证明锂的生长是由于电子束发射下正电荷效应激活的 LLZO 脱锂。因此，研究结果加深了对电子束对 SE 影响的理解，并为使用电子显微镜表征电池材料提供了指导。
Xinxing Peng, et al, Unraveling Li growth kinetics in solid electrolytes due toelectron beam charging, Sci. Adv. 9, eabq3285 (2023)
DOI: 10.1126/sciadv.abq3285
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3285
2. Science Advances：显示人类视觉感知的高分辨率、单像素、低功率红外图像的透明有机上转换器件
晶体光电二极管仍然是最可行的红外传感技术选择，但不透明度和像素尺寸减小本身的限制限制了它们在支持高分辨率原位红外图像方面的发展。在这项工作中，明志科技大学Shun-Wei Liu，台湾大学Jiun-Haw Lee提出了一种基于全有机非富勒烯的上转换装置，该装置通过激基复合物共主体发光系统将不可见的红外信号带入人类视觉。
本文要点：
1）该器件通过解析940 nm红外信号（功率密度为103.8 μW cm−2），实现了12.56%的红外到可见光上转换效率。
2）研究人员定制了一个半透明（AVT，~60%）、大面积（10.35 cm2）、重量轻（22.91 g）的单像素上转换面板，以可视化低至0.75 μW cm2的红外功率密度，从而推断出偏置开关线性动态范围接近80分贝。
3）研究人员还展示了可视化来自FaceID和LiDAR的低强度红外信号的可能性，这将填补基于带光学透镜的像素化互补金属氧化物半导体的现有技术的空白。
Chun-Jen Shih, et al, Transparent organic upconversion devices displaying high-resolution, single-pixel, low-power infrared images perceived by human vision, Sci. Adv. 9, eadd7526 (2023)
DOI: 10.1126/sciadv.add7526
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add7526
3. Science Advances：用于聚合物电解质膜燃料电池中高膜电极组件性能的有效单网状结构电极
为了实现可持续发展的社会，必须减少二氧化碳排放量并提高能源系统的效率。聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有零二氧化碳排放和高效的各种应用。由有效材料和结构的电极层组成的精心设计的膜电解质组件(MEA)可以改变PEMFC的性能和耐久性。近日，延世大学Yong-gun Shul，Yukwon Jeon开发了一种具有薄阴极层和低Pt负载的高效MEA，通过使用单个纳米纤维CL基质的直接电极沉积实现了高整体性能，即使在更简单的过程中也可以应用于实际MEA制备更大的规模。
本文要点：
1）电纺碳单网经过高温处理高度石墨化，Pt-NPs通过纳米胶方法均匀沉积，同时实现高活性和稳定性。
2）柔性单网阴极直接夹在商业阳极、膜和气体扩散层(GDL)之间，用于PEMFC单电池测试。
3）开发的MEA在各种操作条件下表现出优异的性能和耐久性。
Yunseong Ji, et al, Effective single web–structured electrode for high membrane electrode assembly performance in polymer electrolyte membrane fuel cell, Sci. Adv. 9, eadf4863 (2023)
DOI: 10.1126/sciadv.adf4863
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf4863
4. Science Advances：揭示用于有机电池的含锂共轭肟酸盐的可逆固态电化学
随着能量含量增加的有机锂离子正极材料的不断涌现，具有高氧化还原电位和固有氧化稳定性的化学物质仍然是一个挑战。在这里，鲁汶天主教大学Alexandru Vlad，Deepak Gupta报道了肟酸有机氧化还原功能的固相可逆电化学。
本文要点：
1）所公开的肟酯化学，包括环状、非环状、脂肪族和四官能定型，揭示了分子结构和电活性之间复杂的相互作用。
2）在奇特的特征中，最吸引人的是通过分子间偶氮二氧键偶联伴随固相电荷存储过程的可逆电化学聚合。
3）性能最佳的肟酸盐可提供350 mAh g-1的高可逆容量，平均电势为3.0（与Li+/Li0）相比，在材料级指标上达到1 kWh kg-1的比能含量。
这项工作通过强调如何使用单一化学功能获得不同的阶段、机制和性能，确定了电化学、有机化学和电池科学之间的紧密联系。
Jiande Wang, et al, Revealing the reversible solid-state electrochemistry of lithium-containing conjugated oximates for organic batteries, Sci. Adv. 9, eadg6079 (2023)
DOI: 10.1126/sciadv.adg6079
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg6079
5. Science Advances：用于高功率密度燃料电池的具有“流-库”离子通道的高温低湿质子交换膜
全氟磺酸(PFSA)质子交换膜(PEM)是氢燃料电池(FC)的关键部件。近日，上海交通大学Yongming Zhang，Feng Liu使用原位同步加速器散射来研究PEM形态演化，并发现了一种“流-储层”形态，可以实现高效的质子传输。
本文要点：
1）短侧链(SSC)PFSA PEM是在形态优化的指导下制造的，其质子传导率为193毫西门子每厘米[95%相对湿度(RH)]和40毫西门子每厘米(40%RH)80°C。
2）改进的玻璃化转变温度、透水性和机械强度使高温低湿FC应用成为可能。与Nafion聚合物PEM设备相比，SSC-PFSA PEMFC在110 °C和25%RH下的性能提高了82.3%。
3）研究人员通过对PFSA的链构象、堆积机制、结晶和相分离的认识建立了结构-性能关系。此外，SSC-PFSA PEM非常适合高功率密度和重载应用迫切需要的高温低湿FC。
Panpan Guan, et al, High-temperature low-humidity proton exchange membrane with “stream-reservoir” ionic channels for high-power-density fuel cells, Sci. Adv. 9, eadh1386 (2023)
DOI: 10.1126/sciadv.adh1386
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh1386
6. JACS：AgCu成分和结构对电催化CO2还原的影响
AgCu双金属催化剂具有重要的电催化CO2还原前景，人们发展了许多AgCu双金属催化剂，但是人们对AgCu催化剂的CO2电化学还原活性如何变化并不清楚。对AgCu催化剂的稳定性和动态催化活性位点并不清楚，而且不了解如何设计AgCu催化剂。有鉴于此，加州大学伯克利分校杨培东等报道在碳基底上系统的进行混合、相分离的AgCu纳米粒子合成，并且考察这些不同AgCu纳米粒子的电催化CO2还原性能。
本文要点：
1）通过按照不同时间进行电子显微镜表征、元素分布图，发现AgCu双金属的Cu在电化学还原CO2反应中具有较高的移动，而且Cu通过从双金属催化剂中运动到表面后发生溶解，从催化剂中脱除，随后团聚并且生成一个新纳米粒子。此外，不论催化剂的起始组成成分如何变化，Ag和Cu将发生相分离，生成Cu富集和Ag富集的晶粒。Cu富集和Ag富集的晶粒在反应中发生变化，并且最终生成热力学稳定的Ag0.88Cu0.12和Ag0.05Cu0.95。这种Ag和Cu分离的现象在块体和表面表现不同的效果。
2）通过原位高能量分辨率XAS光谱表征，验证说明AgCu的金属态Cu物种是催化活性物种。这项工作有助于深入理解AgCu二元金属催化剂在CO2电化学还原反应中的化学成分和结构变化机理。
Peng-Cheng Chen, et al, Chemical and Structural Evolution of AgCu Catalysts in Electrochemical CO2 Reduction, J. Am. Chem. Soc. 2023
DOI: 10.1021/jacs.3c00467
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c00467
7. Angew：可见光多相光催化固定烯烃中二氧化碳的光合作用
有机物中CO2的光驱动固定已成为合成高附加值精细化学品的一种有吸引力的替代方法。由于CO2的热力学稳定性和动力学惰性，在CO2的转化和产品选择性方面仍然存在挑战。基于此，福州大学王心晨教授，Meifang Zheng开发了一种碳氮化硼(BCN)，其在中孔壁周围具有丰富的末端B/N缺陷，这从本质上增强了表面活性位点和电荷转移动力学，从而提高了CO2吸附和活化的总体速率。
本文要点：
1）在可见光照射下，烯烃与CO2的反马尔可夫尼科夫加氢羧化为延长的碳链，具有良好的官能团耐受性和特定区域选择性。
2）机理研究表明，在有缺陷的碳氮化硼上会形成CO2自由基阴离子中间体，从而导致反马尔可夫尼科夫羧化。
3）研究人员通过克级反应、天然产物的后期羧化和抗糖尿病GPR40激动剂的合成揭示了该方法的实用性。
这项研究为无金属半导体的设计和应用提供了新的见解，以原子经济和可持续的方式转化CO2。
Tao Yuan, et al, Photosynthetic Fixation of CO2 in Alkenes by Heterogeneous Photoredox Catalysis with Visible Light, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304861
DOI: 10.1002/anie.202304861
https://doi.org/10.1002/anie.202304861
8. Angew：通过互穿网络限制聚合物链迁移率实现高速润滑的有机水凝胶
具有纯亲水网络的水凝胶由于其优异的低摩擦性能而备受关注。然而，由于吸附聚合物链引起的能量耗散以及伴随润滑状态转变的润滑机制失效，水凝胶在高速条件下的润滑性能并不令人满意。在这项工作中，北京航空航天大学刘明杰通过结合亲水性和亲油性聚合物网络来构建互穿双网络有机水凝胶，以改变表面聚合物链的物理化学性质，特别是链的流动性。
本文要点：
1）亲油性聚合物网络在空间上限制了溶胀的亲水性网络在水中的流动性，与传统的高速水凝胶 (0.1 m/s) 相比，摩擦系数较低 (ca. 0.01)。
2）同时，有机水凝胶具有优异的耐磨性，在高速摩擦 5k 次后，在滑轨上几乎没有观察到磨损。这种有机水凝胶的设计理念可以推广到各种低磨损、高润滑性的材料。
Yunfei Ru, et al, Organohydrogels with High-speed Lubrication via Confining Polymer Chain Mobility by Interpenetrated Heteronetwork, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302765
DOI: 10.1002/anie.202302765
https://doi.org/10.1002/anie.202302765
9. Angew：Sodium Carbazolide 及其衍生物作为钠离子电池固体电解质
用固态电解质（SSEs）代替广泛使用的有机液体电解质可以有效解决钠离子电池的安全问题。几十年来，人们一直在努力寻找新型固态电解质。然而，SSEs仍然存在常温离子电导率低、制造困难、电化学稳定性低、与电极相容性差等问题。
在这里，中科院大连化物所Teng He，南京航空航天大学Tengfei Zhang，美国国家标准技术研究院Hui Wu合理将咔唑钠(Na-CZ)及其THF配位衍生物制备为Na+导体，并成功解决了它们的两个晶体结构。
本文要点：
1）在这些材料中，THF配位配合物表现出快速的Na+电导率，即Na-CZ-1THF和Na-CZ-2THF在90°C时分别为1.20×10-4 S cm-1和1.95×10-3 S cm-1，分别是相同条件下的顶级Na+导体。此外，即使在400小时的循环中也观察到稳定的Na电镀/剥离，显示出出色的界面稳定性和与Na电极的相容性。
2）THF配位配合物具有易合成、低成本、冷压成型等优点。原位NMR结果表明，THF的蒸发可能在Na+迁移中发挥重要作用，其中THF的运动会产生缺陷/空位并促进Na+的迁移。
Yang Yu, et al, Sodium Carbazolide and Derivatives as Solid-State Electrolytes for Sodium-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302679
DOI: 10.1002/anie.202302679
https://doi.org/10.1002/anie.202302679
10. ACS Nano：双金属原子与纳米团簇的协同作用提高ORR和OER的活性和稳定性
基于过渡金属TM-NC体系的单原子催化剂(Tm=Fe，Co，Cu，Mn，Ni和Zn等)。17−20然而，它们的氧还原反应活性仍然低于TM-N-C火山图的顶端。而且它们的析氧反应(OER)性能，特别是长期稳定性也不尽如人意。近日，南洋理工大学范红金教授，苏州大学Zhe Wang，Zhijuan Pan，延世大学Seong-Ju Hwang实现了双金属单原子和原子团簇的合成，它们共同锚定在高度石墨化的碳载体上。
本文要点：
1）通过系统的X射线吸收表征和密度泛函理论计算，证实了催化剂由Ni4(和Fe4)纳米团簇组成，并与相应的NiN4(和FeN4)单原子中心相邻。Fe4(Ni4)纳米团簇与FeN4(NiN4)原子位的协同作用优化了反应中间体的吸附能，降低了势垒决定步骤的势垒。
2）与不含纳米团簇的催化剂和商用铂/碳催化剂相比，该催化剂具有更高的氧还原放出活性和长周期稳定性。进一步制作的锌−空气电池具有高功率密度和长期循环性能，展示了其在储能设备中的应用前景。
Zhe Wang, et al, Cooperation between Dual Metal Atoms and Nanoclusters Enhances Activity and Stability for Oxygen Reduction and Evolution, ACS Nano, 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c01287
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01287
11. ACS Nano: Cu 原子层与 CeO2 之间的界面协同作用促进 CO 电偶联至乙酸盐
Cu被认为是CO/CO2还原反应(CORR/CO2RR)中的一种有效电催化剂，因为它的C−C偶联成C2+产物，但合理设计用于高选择性CO/CO2的Cu基催化剂仍然是一个艰巨的挑战还原为C2+液体产品，例如醋酸盐。近日，广东工业大学Yong Xu，特拉华大学Feng Jiao，厦门大学黄小青教授将原子层状铜原子喷涂到CeO2纳米棒(Cu−CeO2)上可以产生一种催化剂，该催化剂在CO2RR中具有增强的乙酸盐选择性。
本文要点：
1）由于CeO2中氧空位(Ov)的存在，界面处的Cu原子层与Ce原子以Cu−Ce(Ov)的形式配位，这是强界面协同作用的结果。Cu-Ce(Ov)显着促进了H2O的吸附和解离，H2O进一步与CO结合，选择性地产生乙酸盐作为主要液体产物。
2）在50−150 mA cm−2的电流密度范围内，醋酸盐的法拉第效率(FEs)超过50%，最大值为62.4%。特别是，Cu-CeO2的周转频率达到1477 h-1，超过了Cu纳米粒子修饰的CeO2纳米棒、裸CeO2纳米棒以及其他现有的Cu基催化剂。
这项工作将用于CO2RR的高性能催化剂的合理设计推进到高附加值的产品，这可能会引起包括材料科学、化学和催化在内的多个领域的极大兴趣。
Tang Yang, et al, Interfacial Synergy between the Cu Atomic Layer and CeO2 Promotes CO Electrocoupling to Acetate, ACS Nano, 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c00817
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00817
12. ACS Nano：基于非对称纳米多孔GaN/石墨烯垂直结的高灵敏度和快速紫外光电探测器
GaN基光电探测器在空间通信、环境监测等许多先进领域都非常受欢迎。然而，目前报道的高灵敏度GaN基光电探测器的光响应速度慢仍然阻碍了它们的应用。在这里，天津工业大学Lixia Zhao，中国科学院半导体研究所Kaiyou Wang展示了一种基于非对称金/纳米多孔-GaN/石墨烯垂直结的高灵敏度和快速紫外光电探测器。
本文要点：
1）基于纳米多孔GaN的垂直光电探测器在+4V/-4V时显示出高达∼105的出色整流比。该器件的光响应率和比探测率高达1.01×104A/W和7.84×1014Jones，分别比控制平面光电探测器高出三个数量级以上。
2）随着开关灯的打开和关闭，纳米多孔GaN基垂直光电探测器的可重复开/关电流比为∼4.32×103，约为控制平面器件的1.51×103倍。测得的上升/衰减时间为12.2μs/14.6μs，这是迄今为止高灵敏度GaN基光电探测器的最快值。
这些结果表明，非对称Au/纳米多孔-GaN/石墨烯结构可以同时提高GaN基PD的灵敏度和光响应速度。
Tiangui Hu, et al, High-Sensitivity and Fast-Speed UV Photodetectors Based on Asymmetric Nanoporous-GaN/Graphene Vertical Junction, ACS Nano, 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c00263
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00263
同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM
原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR
加急测试
钱老师
18837127271
www.xueyanhui.com