材料牛 http://www.cnsanshan.com 服務材料科技創新 Sat, 15 May 2021 22:30:50 +0800 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=4.9.4 要成為材料領域40億經費的指南編寫專家 門檻得有多高? http://www.cnsanshan.com/222050.html http://www.cnsanshan.com/222050.html#respond Sat, 15 May 2021 22:30:50 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=222050 上周,科技部密集發布了包括納米前沿等在內的國家重點專項。其中很多專項中涉及了材料項目,筆者這里選出7個基本是材料類的項目對應的國撥經費

項目名 重點專項 青年專項 揭榜掛帥
新型顯示與戰略性電子材料 3.79億 2100萬 2.89億
稀土新材料 3.47億 3300萬 2000萬
先進結構與復合材料 6.32億 3600萬 1.32億
高端功能與智能材料 6.59億 1800萬 9000萬
納米前沿 4.5億 5000萬 ——
生物大分子與微生物組 4.43億 5500萬 ——
催化科學 4.5億 5000萬 ——

總計約40億國撥經費,近240個項目。

編寫這7個重點專項指南的共有96位專家。13位來自公司,其余來自高校及科研院所。這其中,沒有擁有超過3位專家的單位,擁有3位專家的單位有北京大學、清華大學、上海交通大學、中國科學技術大學、中國科學院福建物構所。

公司方面專家出現在電子材料、稀土、復合材料這三個專項中。

職稱方面,專家中沒有副教授或者副研究員。而納米前沿、催化科學的編寫專家過半是院士。

職務方面,納米、催化、生物大分子這三個指南沒有公布職務,筆者盡量補齊。因為專家的職務相對復雜,如該專家為指南所列工作單位的領導,筆者做了補齊,如為其他單位的領導,筆者未做改變。

項目 姓名 工作單位 職稱職務
新型顯示與戰略性電子材料 樊仲維 中國科學院空天信息創新研究院 研究員/副院長
閆曉林 TCL科技集團股份有限公司 教授級高級工程師
郭太良 福州大學物理與信息工程學院 教授
吳玲 第三代半導體產業技術創新戰略聯盟 研究員/理事長
沈波 北京大學物理學院 教授
王大巍 京東方科技集團股份有限公司 教授級高工/副總裁
唐建新 蘇州大學納米科學技術學院 教授
張韻 中國科學院半導體所 研究員/副所長
蔡樹軍 中國電子科技集團第十三研究所 教授級高工/副所長
林文雄 中國科學院福建物構所 研究員/副所長
楊中民 華南理工大學物理與光電學院 教授/院長
王曉洋 中國科學院理化技術研究所 研究員
張進成 西安電子科技大學 教授
李金釵 廈門大學物理系 教授
尹周平 華中科技大學機械科學與工程學院 教授/常務副院長
稀土新材料 李衛 中國鋼研科技集團有限公司 院士/副總工
劉榮輝 有研稀土新材料股份有限公司 正高工/副總經理
朱明剛 鋼鐵研究總院 教授
廖伍平 中國科學院贛江創新研究院 研究員/副院長
沈美慶 天津大學化工學院 教授/院長助理
楊占峰 中國北方稀土(集團)高科技股份有限公司 正高工/總工
張民 寧波韻升股份有限公司 正高工/院長
孫聆東 北京大學化學院 教授/院長
朱浩淼 中國科學院福建物質結構研究所 研究員
饒曉雷 北京中科三環高技術股份有限公司 研究員/總經理
閆慧忠 包頭稀土研究院 正高工
葉信宇 江西理工大學冶金與化學工程學院 教授
宋宏偉 吉林大學電子科學與工程學院 教授
高蘭 中國有色金屬工業標準計量質量研究所 研究員
張國權 南開大學物理學院 教授/院長
先進結構與復合材料 張國慶 中國航發北京航空材料研究院 研究員/專職總師
周光遠 中國科學院大連化學物理研究所 研究員
孫寶德 上海交通大學材料科學與工程學院 教授/院長
黃政仁 中國科學院寧波材料技術與工程研究所 研究員/所長
祝偉麗 中國建材集團有限公司 教授級高級工程師
馮強 北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室 教授
薛飛 中國廣核集團蘇州熱工研究院 研究員/技術總監
李宏運 中航復合材料有限責任公司 研究員/副總經理
陳思聯 鋼鐵研究總院 教授級高級工程師
崔巖 北方工業大學機械與材料工程學院 教授
周德敬 銀邦金屬復合材料股份有限公司 教授級高級工程師
湯慧萍 西安賽隆金屬材料有限責任公司 教授級高級工程師
孫熙平 交通運輸部天津水運工程科學研究院 研究員/副主任
李志輝 有研科技集團有限公司 教授級高級工程師
劉文勝 中南大學粉末冶金研究院 教授
高端功能與智能材料 周少雄 安泰科技股份有限公司 教授
張勁松 中國科學院金屬所 研究員
邢衛紅 南京工業大學化學化工學院 教授/副校長
王均 華南理工大學生命科學研究院 教授
黃云輝 華中科技大學材料科學與工程學院 教授
李勃 清華大學深圳研究生院 教授
王魯寧 北京科技大學材料科學與工程學院 教授/院長
閆果 西北有色金屬研究院 教授級高級工程師
高峰 北京工業大學材料學院 教授
賈金升 中國建筑材料科學研究總院 教授級高級工程師
李潤偉 中國科學院寧波材料所 研究員/黨委書記
賈德昌 哈爾濱工業大學材料科學與工程學院 教授
宋力昕 中國科學院上海硅酸鹽所 研究員/所長
孫東平 南京理工大學化工學院 教授
田興友 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理所 研究員/副所長
納米前沿 許寧生 復旦大學 教授/院士
趙宇亮 國家納米科學中心 研究員/院士
高鴻鈞 中科院物理研究所 研究員/院士
徐紅星 武漢大學 教授/院士
劉明 中科院微電子研究所 研究員/院士
黃如 北京大學 教授/院士
趙進才 中科院化學研究所 研究員/院士
譚蔚泓 湖南大學 教授/院士
羅毅 中國科學技術大學 教授
盧磊 中科院金屬研究所 研究員
顧寧 東南大學 教授
陸延青 南京大學 教授
錢志勇 四川大學 教授
生物大分子與微生物組 賀福初 軍事科學院軍事醫學研究院 研究員/院士
許文青 上??萍即髮W 研究員
周如鴻 浙江大學 教授
馮雁 上海交通大學 教授
周叢照 中國科學技術大學 教授
屈良鵠 中山大學 教授
朱冰 中國科學院生物大分子卓越創新中心 研究員
張友明 山東大學 教授
王健偉 中國醫學科學院 教授
婁智勇 清華大學 研究員
催化科學 包信和 中國科學技術大學 教授/院士
張希 吉林大學 教授/院士
丁奎嶺 上海交通大學 教授/院士
趙東元 復旦大學 教授/院士
韓布興 中科院化學研究所 研究員/院士
李燦 中科院大連化物所 研究員/院士
嚴純華 蘭州大學 教授/院士
謝在庫 中國石化科技委 教授級高級工程師
唐勇 中科院上海有機化學研究所 研究員/院士
鞏金龍 天津大學 教授/副校長
李雋 清華大學 教授
游勁松 四川大學 教授/院長
曹榮 中科院福建物質結構研究所 研究員/所長

來源:

1:https://service.most.gov.cn/kjjh_tztg_all/20210513/4292.html

2:https://service.most.gov.cn/kjjh_tztg_all/20210510/4272.html

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寧波材料所陸之毅團隊聯合陳亮研究員團隊在電化學制備過氧化氫電極設計領域取得進展 http://www.cnsanshan.com/221957.html http://www.cnsanshan.com/221957.html#respond Sat, 15 May 2021 22:30:49 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=221957

引言

過氧化氫(H2O2)作為一種環境友好的高效氧化劑,在化學品合成、污水處理及軍工等領域有廣泛的應用。目前,國內外生產過氧化氫最主要的方法是蒽醌法,過氧化氫濃度達到70%以上,存在運輸和時效等問題。對于很多領域,包括污水處理、紙漿漂白、生活消毒等對過氧化氫濃度的需求并不高(1~5%),可以采用電化學催化氧氣還原合成過氧化氫的方法?;谡n題組的前期研究(Nature Catalysis, 2018, 1, 156;Nature Communications, 2020, 11, 5478),我們發現除了高效催化劑開發外,為了滿足電化學H2O2合成所需的高電流密度,該電極還需要具備大量穩定的三相反應接觸線。然而在不斷通過電化學生成H2O2過程中,原位高濃度H2O2會導致碳電極表面氧化,進而腐蝕三相接觸線,導致催化電流密度不斷減小進而失效。

成果簡介

針對電極表面易受H2O2產物氧化腐蝕問題,中國科學院寧波材料技術與工程研究所陸之毅團隊聯合陳亮研究員團隊,設計合成了一種具有微納米結構的鎳氧碳自支撐電極,進一步通過表面修飾,使得電極表面具有“超親氣”特性和一定厚度的“三相接觸緩沖層”。在電化學氧氣還原合成過氧化氫反應過程中,該“超親氣”特性可以加快反應電流密度增速,同時“三相接觸緩沖層”可以有效經受表面H2O2對于電極的腐蝕,使得電極在較長時間內穩定運行。電化學結果顯示,該電極具備三重優勢:1),含有原子級分散的鎳氧碳(Ni-O-C)催化劑在中性介質中同時具備高活性和高反應選擇性(>90%);2),電極的“超親氣”特性增加了反應物氧氣的傳輸速度,使得工作電流密度比傳統電極高一倍(>100 mA/cm2);3),電極的耐H2O2氧化腐蝕特點使得電極在靜態測試體系具備超過200小時的穩定工作時間,相比傳統電極高一個數量級。

進一步我們將自支撐超親氣電極直接應用于染料降解和有機物污水處理,不論是靜態的反應電解池降解還是流動電解槽降解,該電極都能夠高效、穩定的處理。該工作以題為“Fast and Stable Electrochemical Production of H2O2?by Electrode Architecture Engineering”發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering雜志上(https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01468)。

得到了寧波市“科技創新2025”重大專項2020Z059和2020Z107,博士后創新人才支持計劃(BX20190339),博士后基金(2019M662127和2019M662124)及中科院百人計劃的支持。

圖文導讀

圖1自支撐-超親氣電極與滴涂電極的表面親氣性表征

圖2材料精細結構表征,Ni-O-C單原子活性位點表征

圖3催化劑及電極的活性和穩定性表征

圖4染料及有機物降解

本文由作者投稿。

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山東大學桑元華教授 ACS Energy Letters: 電子自旋極化增強鐵磁性ZnFe2O4光生載流子分離 http://www.cnsanshan.com/222043.html http://www.cnsanshan.com/222043.html#respond Sat, 15 May 2021 22:30:47 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=222043 【引言】

研究高效光電化學(PEC)體系是實現太陽能轉化的重要策略,其催化活性主要受其固有電子結構的調控。目前有很多研究集中在通過調整材料結構來實現電子自旋態的變化,從而在不同的應用中獲得更好的性能。如,手性催化劑通過調節手性結構中的活性中心產生自旋極化,從而獲得更高的電化學性能。另一方面,在外磁場中利用磁性材料電極對電子的自旋極化有積極的影響。外磁場對具有高磁性能的鋅鐵鎳氧化物的電化學分解水效率有很大的提高。同時,在反鐵磁尖晶石氧化物中構建自旋極化通道,電催化性能也獲得了很大的增強。從理論上講,鐵磁性材料的磁性越強,外部磁場引起的電子自旋極化程度越高。因此,本征物質結構的自旋極化與外磁場之間的相互作用可能為調節光生載流子的輸運提供了一個可行的設計思路。

【成果簡介】

有鑒于此,山東大學桑元華教授(通訊作者),劉宏教授(通訊作者)和馬衍東教授(通訊作者)通過在ZnFe2O4 (ZFO)光電極引入陽離子無序和氧空位,使ZFO光電極具有較好的鐵磁性。較強鐵磁性的ZnFe2O4光電極,只需放置永磁體為光電極提供磁場,就能顯著提高PEC性能。結果表明,陽離子無序和氧空位的引入,提高了自旋電子濃度,在磁場作用下會實現更多的電子自旋極化。處于自旋極化狀態的電子在光激發過程中,電子和空穴形成相反的極化狀態,空穴的極化會保持,而電子進入激發態后,由于超精細結構效應、自旋-軌道耦合效應等,會弛豫失去極化狀態,即部分電子自旋方向發生反轉。因為沒有能夠與之復合的、具有適當自旋方向的空穴存在,反轉的電子向空穴的躍遷受阻,從而限制了光生電子空穴的復合。此外,電子自旋極化產生的磁電阻效應,降低了載流子輸運的電阻,使更多的光生載流子分離并轉移到催化活性表面,增強光電催化性能。本工作通過調控電子自旋極化增強光生載流子分離,擴展了磁場增強光催化性能的理論和材料體系。相關成果以題為“Electron Spin Polarization-Enhanced Photoinduced Charge Separation in Ferromagnetic ZnFe2O4” 發表在國際著名期刊ACS Energy Letters(2021, 6, 2120-2137)上,山東大學晶體材料國家重點實驗室高文強博士研究生為第一作者。

文獻鏈接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00682

【圖文導讀】

1. 鐵磁性ZnFe2O4 (ZFO)光電極的基本結構表征

圖1:(a) 不同燒結時間的ZFO-4h, ZFO-1h, ZFO-20min 和 ZFO-20min+P的XRD圖譜。(b-e) ZFO-20min+P 的高分辨O 1s, Fe 2p, Zn 2p和P 2p XPS光譜。(f) ZFO-4h, ZFO-1h, ZFO-20min 和 ZFO-20min+P的UV-vis吸收光譜。

2. ZFO光電化學和磁性測量

圖2:(a) OER的實驗裝置示意圖展示了磁場作用下的光電催化分解水測試過程。(b) Fe2O3和 (c) ZFO-4h、ZFO-1h、ZFO-20min和ZFO-20min+P在1.57 V vs RHE, pH=13條件下,光強為 (100 mW cm-2) 和磁場 (100 mT) 開-關的I-t曲線。(d) 當電解液pH=13時,不同樣品 (Fe2O3、ZFO-4h、ZFO-1h、ZFO-20min和ZFO-20min+P) 在不同電勢下 (1.23和1.57 V vs RHE) 磁場作用下的光電流增長率。(e) 磁場 (MF為100 mT) 和1.57 V vs RHE 條件下,鐵磁性ZFO在不同pH條件下的光電流增加比和光電流增加 (在磁場和無磁場條件下的光電流差)。(f) 在pH=13和光照條件下,不同磁場強度 (無施加磁場, 50 mT 較小強度磁場 和100 mT 較大強度磁場)下鐵磁性ZFO的線性伏安 (LSV) 曲線。

圖3:(a) 不同樣品的磁滯回線。(b) 鐵磁性ZFO樣品的最大相對磁化強度與電流增加比 (1.57 V vs RHE) 的相關性分析。(c) 在pH=13和1.57 V vs RHE的光照條件 (100 mW cm-2) 下,將磁體置于不同位置,鐵磁性ZFO樣品的I-t曲線。(d-e) 標準尖晶石ZFO和 (f-g) 鐵磁性ZFO自旋極化的三維空間和平面分布圖。

3. 鐵磁性ZFO的自旋極化抑制光生載流子重合與增強輸運

圖4: (a) 鐵磁性ZFO在不同的磁場強度, 有無光照 (100 mW cm-2) 條件下的Mott-Schottky數據。(b) 鐵磁性ZFO在室溫下的磁電阻測試和 (c) 電化學阻抗譜,電解液為0.1 M KOH。(d) 不同的磁場強度下鐵磁性ZFO在365 nm激發的光致發光光譜。(e-f) 計算了標準尖晶石ZFO和鐵磁性ZFO的總態密度 (DOS)。

圖5:電子自旋極化對鐵磁性ZFO抑制光生載流子復合的機理。

【小結】

通過引入陽離子無序和氧空位,實現了ZFO材料的鐵磁性增強。通過放置一個垂直于光電極的磁場,鐵磁性ZFO樣品的光電催化性能得到了顯著提高。磁場作用的鐵磁ZFO電子自旋極化是提高PEC性能的主要原因?;谂堇幌嗳菰砼c磁電阻效應抑制光生載流子的復合,并提供有利于光生載流子傳輸的電荷轉移通道。這一策略進一步拓寬了利用材料結構設計實現磁場增強的電子自旋極化的高效PEC系統的思路。

【作者簡介】

桑元華,山東大學晶體材料國家重點實驗室,教授,博士生導師。主要從事納米能源轉化材料的研究、鈮酸鋰晶體生長及應用研究、以及生物組織工程材料及干細胞分化相關的研究。作為項目負責人承擔了包括重點研發專項-政府間科技合作項目、國家自然基金面上和青年項目、山東省杰出青年基金、山東省重大創新工程項目等,作為第一作者或者通訊作者在包括Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., 等國際重要學術期刊上發表40篇,其他合作文章60篇,EIS高被引論文11篇,個人H因子達39,獲得發明專利授權16項,2019年獲山東省自然科學獎一等獎(第二位)。

劉宏,山東大學晶體材料國家重點實驗室,教授,博士生導師,濟南大學前沿交叉科學研究院院長,國家杰出青年科學基金獲得者。主要研究方向:生物傳感材料與器件,組織工程與干細胞分化、納米能源材料,等。主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五國家重點研發項目和自然基金重大項目、自然基金重點項目在內的十余項國家級科研項目,取得了重要進展。在包括Adv. Mater., ACS Nano,J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater,Envir. Eng. Sci., 等學術期刊上發表SCI文章400余篇,被引次數超過20000次,H因子為67,30余篇文章被Web of Science的ESI (Essential Science Indicators) 選為 “過去十年高被引用論文” (Highly Cited Papers (last 10 years)), 文章入選2013年中國百篇最具影響國際學術論文,2015和2019年度進入英國皇家化學會期刊“Top 1% 高被引中國作者”榜單。2018、2019和2020年連續三年被科睿唯安評選為“全球高被引科學家”。應邀在化學頂尖期刊Chemical Society Review和材料頂尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上發表綜述性學術論文,在國際上產生重要影響。授權專利30余項,研究成果已經在相關產業得到應用。2019年獲山東省自然科學獎一等獎。

馬衍東,山東大學物理學院教授,博士生導師。致力于計算材料物理方向的基礎研究,在二維材料的性質調控、應用探索以及新穎二維材料的設計方面做出了一些具有鮮明特色的創新性工作。作為項目負責人承擔了多項省部級科研項目,取得了一系列創新性成果。在包括J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Phys. Rev. B等期刊上發表SCI文章130余篇。其中,影響因子大于10的22篇,個人文章總被引次數5700余次,7篇論文入選ESI高被引論文,3篇第一作者論文單篇被引用300次以上,個人h因子38,入選2020年愛思唯爾中國高被引學者榜單。

本文由作者投稿。

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牛津大學Henry Snaith團隊Nature Mater.:基于加合物p摻雜的有機半導體 http://www.cnsanshan.com/221837.html http://www.cnsanshan.com/221837.html#respond Sat, 15 May 2021 22:30:45 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=221837 【引言】

有機半導體由于其結構和功能的可調性,被廣泛用于各種尖端技術,如發光二極管、場效應晶體管和光伏(PV)器件。與無機半導體相比,有機半導體通常具有較低的載流子遷移率和較低的本征電導率。因此,這往往需要通過摻雜來增加電荷載流子的數量來填充空穴和改善設備應用的電荷導電性。廣泛的分子摻雜劑已被用于有機半導體的p型和n型摻雜。然而,諸如摻雜效率低和摻雜不穩定等挑戰仍然存在。復雜的化學結構的摻雜物需要昂貴的合成和純化步驟。摻雜劑分子在摻雜過程中成為反離子,并留在主有機半導體中。由于摻雜劑和反離子是耦合的,因此很難分別優化它們的作用。另一個挑戰是在器件堆中實現梯度(不對稱)摻雜,或在電荷傳導層的一側實現選擇性摻雜,特別是使用溶液加工路線,這對于提高器件的性能是必要的。對于這類摻雜物,顯然需要可靠和廉價的摻雜物來規避上述問題。二甲基亞砜(DMSO)與氫溴酸(HBr)的溶液過去曾被用于材料合成過程中有機分子的氧化,如將二苯基乙烷氧化成芐基,將乙炔酮氧化成芳基乙醛。在無機化合物Cs2PdBr6的合成中,它們也被用來將Pd2+氧化成Pd4+的氧化狀態。

【成果簡介】

近日,英國牛津大學Henry Snaith教授團隊報告了二甲基亞砜加合物作為p型摻雜劑,滿足了一系列有機半導體的這些條件。這些基于加合物的摻雜物與溶液和氣相處理都是兼容的。該團隊探索了摻雜機理,并利用我們獲得的知識從反離子的選擇中“解耦”摻雜劑。該團隊展示了不對稱p摻雜可以通過溶液處理路線實現,并展示了其在金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池、有機薄膜晶體管和有機發光二極管中的應用,顯示了這種摻雜方法的多功能性。該成果以題為“Adduct-based p-doping of organic semiconductors”發表在了Nature Mater.上。

【圖文導讀】

1 DMSO-HBr加合物對各種HTMs的摻雜能力

a)聚(3-己基噻吩-2,5-二?;?(P3HT),聚TPD和PTAA的化學結構。

b)添加加合物形成劑前(虛線)和后(連續線),有機HTMs在氯苯中的紫外可見吸收光譜(1–9×10-6M)。插圖:包含純凈HTM溶液(左)和帶有加合物形成劑的HTM溶液(右)的小瓶照片。

c,d)通過直接在HTM溶液中加入摻雜劑(c,溶液過程)或將薄膜暴露在DMSO-HBr蒸氣中(d,氣相過程),摻雜DMSO-HBr薄膜的電導率。

e)未摻雜和摻雜(溶液過程)螺旋OMeTAD薄膜的UPS光譜。

2 DMSO-HBr加合物的摻雜機理

a,b)在氯苯中加入螺旋OMeTAD后DMSO-HBr混合物的FTIR光譜,顯示了摻雜過程中S = O吸光度區域(a)和OH拉伸吸光度區域(b)中加合物的消耗和H2O的形成。

c)摻雜過程機制。

3 摻雜的MeO-TPD薄膜的熱穩定性

a)CSA的化學結構(左)和通過電導率測量評估摻雜劑熱穩定性的幾何示意圖(右)。

b)摻雜DMSO-HBr和DMSO-HBr-CSA的MeO-TPD薄膜在50°C熱應力作用100 h后的電導率。

c)在充氮手套箱電爐上不同溫度下施加應力10?min后,含DMSO-HBr和DMSO-HBr-CSA摻雜和未摻雜的MeO-TPD膜的電導率(室溫下)。

d)未摻雜和摻雜的MeO-TPD薄膜的AFM形貌圖。在將薄膜在20°C(左列),50°C(中間列)和85°C下培養10?min后拍攝AFM圖像。比例尺:500 nm。

?4 純空穴器件中的不對稱摻雜

a–c)在聚TPD:Au界面(a),在FTO:聚TPD界面(b)和均勻摻雜(c)處摻雜的純空穴器件的J-V曲線。

d–f)在聚TPD:Au界面(d),在FTO:聚TPD界面(e)和均質摻雜(f)處摻雜的純空穴器件的NA與耗盡寬度(w)的關系?。

?5?基于加合物的摻雜劑光電器件的應用

a–c)OTFT(a)、鈣鈦礦光伏器件(b)和OLED(c)的示意圖。

d)DMSO-HBr摻雜的基于C16IDT-BT的OTFT的I-V特性。

e)不同摻雜劑和反離子的太陽能電池的J–V曲線。 插圖:在固定的最大功率點電壓下,各個PSCs的SPO。

f)不同摻雜劑和反離子的OLED發光電壓曲線。插圖:OLED的J–V曲線。

【小結】

綜上所述,該團隊展示了一種基于DMSO-加合物的p型摻雜方案,適用于從小分子到聚合物的各種有機HTMs。從摻雜機理出發,我們將摻雜劑與反離子解耦,使摻雜HTM的電子性能、物理性能和熱穩定性可以分別調節。我們還證明,使用基于加合物的摻雜方法,不對稱的摻雜是可能的。該團隊展示了摻雜有機層在OTFTs、PSCs和OLEDs中的應用。同時,在這里提出的p型摻雜方法并不局限于DMSO-HBr加成物。原則上,它可以擴展到其他的加合體系,其中不同的含亞砜分子結合不同的活化劑應該是可行的,這突出了一個全新的途徑來實現有機半導體的可控摻雜。

文獻鏈接Adduct-based p-doping of organic semiconductors(Nature Mater.,2021,DOI:10.1038/s41563-021-00980-x)

本文由木文韜翻譯,材料牛整理編輯。

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陳江照和Nam-Gyu Park Small Methods:非鹵素材料在高效穩定鈣鈦礦太陽能電池中的應用? http://www.cnsanshan.com/221932.html http://www.cnsanshan.com/221932.html#respond Fri, 14 May 2021 22:30:46 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=221932 自Park等人首次報道全固態鈣鈦礦太陽能電池(PSC)以來,PSC得到了學術界和工業界的廣泛關注。迄今為止,得益于各種各樣的策略(如組分工程、前驅體工程、溶劑工程、添加劑工程、界面工程等)PSC已經取得了高達25.5%的記錄認證效率。鹵素與非鹵素陰離子在以上策略中起著至關重要的作用。鹵素陰離子PSC中的作用已經獲得了廣泛的研究。然而,目前非鹵素分子陰離子在PSC中的作用還沒有被完全理解,有待于進一步深入研究。各種各樣的分子陰離子已經被探索與嘗試,如四氟硼酸陰離子(BF4-)、六氟磷酸陰離子(PF6-)、硫氰酸根(SCN-)、甲酸根(HCOO-)、乙酸根(CH3COO-)、硝酸根(NO3-)、碳酸根(CO32-)、硫酸根(SO42-)等。

眾所周知,金屬鹵鈣鈦礦常常擁有ABX3的化學式,其中A為單價陽離子(如MA+、FA+),B為二價金屬陽離子(如Pb2+、Sn2+),X為一價陰離子(如鹵素陰離子、SCN-、BF4-)。為了增加X位陰離子的選擇性和將X位設計潛力最大化,人們已經嘗試使用一些分子陰離子(如SCN-、BF4-)來制備混合陰離子鈣鈦礦。通過在MAPbI3中納入BF4-陰離子薄膜電學性質得到改進。人們已經廣泛證明在鈣鈦礦晶格中引入SCN-能夠改善薄膜的濕度穩定性。此外,通過在鈣鈦礦前驅體材料中引入CH3COO-和HCOO-能夠調控鈣鈦礦成核速率、結晶與生長,從而制備出高質量的鈣鈦礦薄膜。例如,當使用BAAc來替代傳統的正丁胺氫碘酸鹽(BAI)作為前驅體材料時可以獲得純相的Ruddlesden–Popper二維鈣鈦礦薄膜。因此,通過在鈣鈦礦前驅體材料中引入分子陰離子來調控鈣鈦礦薄膜質量是行之有效的。為了改善鈣鈦礦薄膜的質量,人們開發了含分子陰離子的各種各樣的添加劑分子,包含CH3COO-、SCN-、BF4-、HCOO-、H2PO2-等陰離子。

除了改善鈣鈦礦薄膜質量之外,分子陰離子也被使用來摻雜電荷傳輸材料。例如,LiTFSI和Cs2CO3被用來摻雜二氧化鈦電子傳輸層,提升了器件的功率轉換效率。LiTFSI被廣泛用來摻雜有機空穴傳輸材料(如Spiro-MeOTAD、PTAA)。為了克服由吸濕摻雜劑LiTFSI鹽所造成的差的器件濕度穩定性,各種各樣的含分子陰離子的摻雜劑已經被開發了替代LiTFSI鹽,如AgTFSI、Zn(TFSI)2、Cu(I/II)(dpm)2(PF6)2?(JQ1)、bis[2,2′-(chloromethylene)-dipyridine] copper(II) bis[bis(trifluoromethylsulfonyl) imide] [Cu(bpcm)2]、Spiro-MeOTAD(TFSI)2等。除了用作摻雜劑,分子陰離子也被直接引入電荷傳輸材料中。例如,1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([EMIM]PF6)離子液體被用作電子傳輸層來制備PSC,取得了14.39%的PCE。CuSCN在正式和反式PSC被廣泛用作空穴傳輸材料,表現出優異的效率和穩定性。最后,各種各樣的含分子陰離子的界面材料已經被開發來修飾鈣鈦礦/載流子傳輸層界面。

盡管分子陰離子在PSC的應用取得了巨大的研究進展,據我們所知,目前還沒有相關的綜述報道。鑒于分子陰離子在提升器件效率和穩定性方面所做出的巨大貢獻,迫切需要一篇系統深入的綜述來總結分子陰離子在PSC中的應用進展,旨在將分子陰離子PSC中的應用潛力最大化。鑒于此,重慶大學陳江照研究員和韓國成均館大學Nam-Gyu Park教授撰寫了一篇題為《Non-Halide Materials for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells》的綜述文章。本綜述主要討論分子陰離子在PSC中的應用進展及其作用,旨在促進分子陰離子在PSC中的應用進展,進一步突破效率和穩定性瓶頸,實現其大規模商業化應用。

圖文導讀

1 非鹵素材料在鈣鈦礦太陽能電池中的應用

文獻鏈接:Jiangzhao Chen*, Nam-Gyu Park*.?Non-halide materials for efficient and stable perovskite solar cells. Small Methods?2021, 2100311. https://doi.org/10.1002/smtd.202100311

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桂林理工大學Adv. Funct. Mater.: 鋰離子電池高鎳正極材料合成過程動力學 http://www.cnsanshan.com/221999.html http://www.cnsanshan.com/221999.html#respond Fri, 14 May 2021 22:30:20 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=221999 【引言】

在全球碳達峰、碳中和大背景下,新能源汽車和動力電池已成為大勢所趨。消費者對電動汽車續航的高要求迫使鋰離子動力電池正極材料向高能量密度材料發展。目前,三元層狀正極材料Li(Ni,Co,Mn)O2已成為動力電池的主力,未來提升鎳含量,其能量密度還將進一步增長。因此,三元材料高鎳化逐漸成為動力鋰電池正極材料發展的必然趨勢,但是高鎳三元材料發展已進入動力電池行業壁壘。三元正極材料的合成路徑極其復雜,受焙燒溫度、時間、氧氣分壓和反應物種類等多種因素影響。其合成反應路徑及動力學特征的復雜性對高鎳材料的發展構成挑戰。

【成果簡介】

近日,桂林理工大學劉來君教授課題組,與西安交通大學、德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)、西班牙同步輻射光源中心(ALBA)、德國同步輻射光源中心(PETRA III)等相關科研人員合作,利用原位同步輻射衍射等技術研究高鎳層狀正極材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2高溫合成過程中的結構衍變機理、長程有序結構動力學及晶體生長動力學特性。研究表明,氫氧化物前驅體Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2能在較低溫度下(~ 400 °C)與鋰源發生反應,生成層狀無序Li1-x(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1+xO2中間體,最后生成層狀有序三元材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2Rm,600 ~ 800 °C)。與氫氧化物前驅體不同,碳酸鹽前驅體Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3在加熱過程中自身分解為巖鹽相(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O(Fmm)和CO2,而CO2與鋰源發生反應生成Li2CO3,使鋰離子在較高溫度下(高于Li2CO3熔點723 °C)才能被釋放出來進入巖鹽相(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O主體結構中。

盡管Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2前驅體和Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3前驅體的反應路徑不同,但它們都經歷了由無序層狀Li1-x(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1+xO2到有序層狀三元材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2的結構轉變。對不同溫度下Li/TM混排占位進行分析發現無序到有序相變為一級反應,反應活化能約為0.34 eV。通過分析晶粒尺寸隨反應時間的遞變規律,研究發現晶粒生長受限于離子界面擴散,其活化能約為0.52 eV。故反應溫度是影響Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2中陽離子混排和晶粒尺寸最為關鍵的因素。該工作為高鎳層狀三元材料陽離子有序化及晶粒尺寸調控提供科學依據。該研究成果以“Kinetic control of long-range cationic ordering in the synthesis of layered Ni-rich oxides”為題發表在國際著名期刊Advanced Functional Materials(影響因子16.836)上,并被選為期刊Frontispiece(以七星公園駱駝峰為背景,廣西繡球為創意),如下圖所示,第一作者為在站博士后王蘇寧,西安交通大學的滑緯博,德國卡爾斯魯厄理工學院的Sylvio Indris和桂林理工大學的劉來君為共同通訊作者。

(原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202170134)

西班牙同步輻射光源中心ALBA以“A STEP FORWARD IN THE OPTIMIZATION OF CATHODE MATERIALS FOR BETTER LITHIUM-ION BATTERIES”題對該工作進行亮點成果報道,并指出“該成果可被直接用于更好的制備鋰離子電池電子器件(The results can be directly applied to the production of better Li-ion batteries for modern electronics.)”。

鏈接如下:https://www.albasynchrotron.es/en/media/news/a-step-forward-in-the-optimization-of-cathode-materials-for-better-lithium-ion-batteries

【圖文導讀】

圖1 a氫氧化物前驅體Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2和一水合氫氧化鋰的變溫同步輻射衍射圖;b?物相組成隨溫度變化圖;c?高溫固相反應所對應的結構衍變機理圖。

圖2 a?碳酸鹽前驅體Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3的變溫同步輻射衍射圖及b 加熱至320?°C和900?°C時的Rietveld精修圖;c?Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3和LiOH·H2O的變溫同步輻射衍射圖及d 在室溫25?°C和加熱至550?°C時的Rietveld精修圖;e 混合物加熱過程中物相組成變化圖;f?無序巖鹽結構(Fmm)和有序層狀結構(Rm)加熱過程中的晶胞參數變化曲線。

圖3 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2和LiOH·H2O在不同溫度下的同步輻射衍射隨反應時間變化圖:a?500?°C,b?600?°C,c?700?°C,d?800?°C。

圖4 高溫鋰化反應動力學研究:無序層狀Li1-x(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1+xO2結構中a?晶胞參數a,b 晶胞參數c,c?Li/TM混排在不同溫度下隨時間的變化;d?Li/TM離子由無序到有序轉化活化能計算圖。?

圖5高溫晶體生長動力學研究:a?晶粒尺寸在不同溫度下隨燒結時間的變化;b?晶粒生長動力學活化能計算圖;前驅體及不同溫度煅燒下c?粒徑分布圖和d-i 掃描電子顯微鏡圖。

【作者簡介】

團隊帶頭人劉來君教授主要從事鈣鈦礦氧化物陶瓷的制備、結構和電學性能研究,包含均勻體系和非均勻體系電子材料的介電、壓電性能分析、介電弛豫行為和離子遷移研究。以第一作者或者通訊作者在Advance Function Materials, Physical Review B, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Applied Physics Letters, Journal of Applied Physics, Journal of the American Ceramic Society, Journal of the European Ceramic Society等SCI期刊發表同行評議學術論文90多篇;署名SCI論文180余篇,引用3200余次 (Web of Science數據),h因子33 [詳見 http://www.researcherid.com/rid/A-8416-2012];獲得國家發明專利20余項;主持國家自然科學基金3項、廣西自然科學基金5項(含廣西杰出青年基金1項)、廣西科技開發項目1項。2017年獲得廣西自然科學獎二等獎(排名第一)。入選廣西‘新世紀十百千人才工程’(2018年度)和廣西高等學校高水平創新團隊及卓越學者計劃(2019年度)等。

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四本SCI收錄新刊最新文章上線,首個IF目測表現不俗! http://www.cnsanshan.com/221729.html http://www.cnsanshan.com/221729.html#respond Fri, 14 May 2021 22:19:00 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=221729 為了提前了解新期刊2020影響因子的情況,對四本新刊的最新即時IF進行了計算(數據采集時間2021.04.02,數據來源Web of ?Science)。對于大多數期刊,6月份發布的正式IF應該會和3~4月份的即時IF比較接近,因此本次更新應該比較具有參考價值。統計發現:Electrochemical Energy Reviews(EER),IF高達27;InfoMat緊隨其后,達到22左右;Energy & Environmental Materials(EEM)、Matter同樣表現不俗,超過14。不知道四本新刊的 IF走向,是否符合你對它的預期呢?大家可以評論區留言~

這是新刊發文量及涉及的研究領域

接下來奉上最新研究情況,一睹為快!

EEM:富勒烯插層石墨相氮化碳作為鈉離子電池高性能負極材料

二維氮化碳(g-CN)是一種很有前途的鈉離子電池負極材料,但其層間間距不足、電導率較差,影響了其儲鈉容量和循環穩定性。陜西科技大學Wenhuan Huang、Xing Lu等人報道了一種由富勒烯(C60)修飾的石墨相氮化碳材料(C60@CN)的制備,該材料作為SIBs的負極材料,在0.05 A g?1時具有較高的可逆容量(430.5 mA h g?1,約為原始g-CN的3倍)。優異的速率能力(1A g?1時為226.6 mA h g?1)和超長的循環壽命(5A g?1的5000次循環后為101.2 mA h g?1)。即使在3.7 mg cm?2的高活躍質量負載下,100次循環后的可逆容量為316.3 mA h g?1。C60@CN之所以具有如此優異的性能,是因為在g-CN納米片中分布了C60分子,增強了電子導電性,防止了g-CN片重新堆積,從而增大了層間間距,暴露了邊緣N缺陷(吡啶N和吡咯N)用于鈉離子存儲。此外,結合C60@CN陽極和NVPF@rGO陰極提供高庫倫效率(> 96.5%),異常高的能量密度(359.8 W h kganode?1的功率密度為105.1 W h?kganode?1)和優良的循環穩定性(89.2%的容量保持超過500個循環,在1 A ganode?1)。這項工作為SIBs的碳基負極材料領域帶來了新的見解。相關研究以“Fullerene-Intercalated Graphitic Carbon Nitride as a High-Performance Anode Material for?Sodium Ion Batteries”為題目,發表在EEM上。DOI: 10.1002/EEM2.12200

圖1?富勒烯插層石墨相氮化碳

EEM?對多硫化鋰高吸附性的雙金屬有機骨架用于鋰硫電池

鋰-硫電池的實際應用很大程度上受到陰極產生的“穿梭效應”的阻礙,導致電池壽命周期短。為了解決這一問題,揚州大學Huan Pang、Qiang Xu聯合中科院寧波材料技術與工程研究所Ziqi Tian等人公開了一種基于Al-MOF的雙金屬有機框架(MOF)作為硫主體材料,通常稱為(Al)MIL-53。以獲得對聚硫鋰(Li2Sx, 4≤x≤8)的高吸附能力,研究提出了一種將具有高結合能的親亞硫金屬離子(Cu2+)引入Li2Sx骨架的有效策略。通過一步水熱法,將Cu2+均勻分散在Al-MOF中,制備出Al/Cu-MOF雙金屬材料作為先進的陰極材料。宏觀Li2S4溶液滲透實驗表明,Al/Cu-MOF對多硫化鋰物的吸附能力優于單金屬Al-MOF。輸硫過程是通過熔體擴散法來獲得含硫Al/Cu-MOF(Al/Cu-MOF-S)。Al/Cu-MOF-S組裝的鋰離子電池的循環性能明顯優于以單金屬Al- MOF作為硫主體的鋰離子電池。結果表明,化學固定比物理束縛更能有效地吸附多硫,而將親硫性Cu2+摻入多孔MOF中形成的Al/Cu雙金屬MOF為制備高效硫主體材料提供了一種新穎而有力的途徑。相關研究以“Bimetallic Metal-Organic Framework with High Adsorption Capacity toward Lithium?Polysulfides for Lithium-sulfur Batteries”為題目,發表在EEM上。DOI: 10.1002/EEM2.12196

圖2?Al/Cu-MOF-S合成原理圖

EER:CO2電化學還原用電解槽和催化劑設計

CO2電化學還原(CO2RR)由于其在可再生能源的儲存和碳循環中的重要作用,近十年來受到了廣泛的關注,研究了不同形貌和改性策略的催化劑來提高CO2RR的活性和選擇性。然而,大多數成果集中在初步還原產品,如CO和HCOOH。電化學CO還原反應(CORR)的發展和研究被認為是更有前景的多碳產品和更好的平臺來了解C-C的形成機理。中山大學Jingfu He、Changli Li等人介紹了CO2RR的最新研究成果,重點介紹了CORR的潛力,并對電解環境、電極襯底和電池設計對CORR催化劑性能的影響進行了綜述,以期為CORR的研究提供標準操作條件指導。分別分析了在H槽和氣相流槽中研究的CORR催化劑的組成-結構-活性關系,以全面了解催化劑設計的發展。最后,分析了CORR的反應機理、最新進展、主要挑戰和潛在機遇,為進一步提高CORR的性能提供了重要的綜述。相關研究以“Electrolyzer and Catalysts Design from Carbon Dioxide to Carbon?Monoxide Electrochemical Reduction”為題目,發表在EER上。DOI: 10.1007/s41918-021-00100-y

圖3?CO2RR和CORR的反應路徑

EER:鈣鈦礦陰極材料用于低溫固體氧化物燃料電池

在低溫固體氧化物燃料電池的發展中,加速陰極處的氧還原反應是至關重要的。在450-600°C的低操作溫度下,陰極材料的表面和大塊之間的相互作用極大地影響電極動力學,從而決定了燃料電池的整體效能和長期穩定性。澳大利亞昆士蘭大學Mengran Li、Zhonghua Zhu等人綜述了近年來鈣鈦礦氧化物表面-體相互作用及其對陰極反應性和穩定性的影響的研究進展。本文還將對陰極材料的體摻雜和表面功能化的發展策略進行綜述。此外,還將重點介紹表面偏析在表面和體相互作用的中介作用中所起的作用,這些作用對陰極表面性能、體性能乃至整體陰極性能有著深遠的影響。雖然在催化劑設計方面通常存在反應性和穩定性之間的權衡,但通過使用組合策略同時調節陰極表面和陰極體,也有機會獲得最佳的陰極性能。文章總結了未來的研究方向,包括氧空位和遷移率在催化中的作用,表面-體相互作用的合理調節和先進制造技術的使用,這些都可以優化陰極性能。相關研究以“Perovskite Cathode Materials for Low?Temperature Solid Oxide Fuel?Cells: Fundamentals to Optimization”為題目,發表在EER上。DOI: 10.1007/s41918-021-00098-3

圖4 典型固體氧化物燃料電池的微觀結構示意圖及相應的物理化學過程

InfoMat:基于芘二亞胺衍生物的高性能非揮發性有機場效應晶體管存儲器件

開發高質量的駐極體層對于制備高性能非揮發性有機場效應晶體管存儲器件(OFETNVMs)具有重要意義。蘭州大學Hao-Li Zhang、Yamin Zhang等人以萘二亞胺(NDI)、苝二亞胺(PDI)和芘二亞胺(PyDI)為n型摻雜材料,對三種具有代表性的芳香族二亞胺框架作為OFET-NVMs駐極體層的n型摻雜材料進行了比較研究。當與聚苯乙烯(PS)混合時來制備駐極體層,與未摻雜的存儲器件相比,所有含有芳香二亞胺摻雜的存儲器件的性能都有顯著提高,這表明這些摻雜的低LUMO能級有利于電荷注入。在超過400個連續寫-讀-擦-讀周期中,所有n型摻雜的器件顯示出較長的保留時間(超過104?s)和良好的開關可靠性。其中,基于PyDI的存儲器件表現出優于其他芳香族二亞胺的性能,實現了存儲窗口捕獲電荷密度為1.98 × 1012?cm?2,開關比大于104。研究結果表明,PyDI框架為今后高性能非揮發性有機場效應晶體管存儲器的n型摻雜劑設計提供了一個新的平臺。相關研究以“High performance nonvolatile organic field-effect transistor?memory devices based on pyrene diimide derivative”為題目,發表在InfoMat上。DOI: 10.1002/inf2.12186

圖5?(A) OFET存儲器件原理圖及(B-F) PS膜、PS: PyDI共混膜、PS: t-PyDI共混膜、PS: NDI共混膜、PS: PDI共混膜AFM表面形貌

InfoMat:Se錨定的氮摻雜多孔碳納米片用于高性能存儲鉀

硒陰極是低成本高能量密度鉀離子電池(PIBs)極具發展前景的陰極材料。然而,由于高階聚硒化物的穿梭效應、K+的緩慢擴散以及循環過程中巨大的體積膨脹等原因,使其電化學性能較差,阻礙了其應用。中科大Yan Yu等人通過將ZIF-8衍生的微孔碳接枝到N摻雜多孔碳納米片表面,設計了一種多功能硒載體(N-HCNS)。獲得的N-HCNS碳基質集成了電導率、囚禁和固定能力,抑制了聚硒化物穿梭,提高了硒的利用率,緩沖了循環過程中的體積變化。三維空心碳骨架增強了電解質的滲透。作為PIBs的陰極,Se@N-HCNS電極提供了前所未有的壽命(在1.0 A g?1,2000次循環后為260 mA h g?1),并表現出顯著的速率容量(339 mA h g?1,5.0 A g?1)。密度泛函理論(DFT)計算揭示了吡啶和吡咯氮摻雜對K2Se的有效吸附。獨特的電極協同設計不僅深入了解了反應機理,而且高度強調了氮摻雜碳在鉀硒電池中的潛在能力。相關研究以“Binding Se into nitrogen-doped porous carbon nanosheets for high-performance potassium storage”為題目,發表在InfoMat上。DOI: 10.1002/inf2.12176

圖6?Se@N-HCNS, Se@N-MCNS和Se@N-MC電極作為鉀硒電池陰極的電化學性能

Matter:3D打印聚合物相變復合材料熱能調節

相變材料(PCMs)是控制建筑冷暖的一個有吸引力的選擇。美國德克薩斯A&M大學Emily B. Pentzer等人提出了一種通過直接墨寫(DIW)技術生產和打印PCM填充油墨的簡易方法,該技術利用球形PCM顆粒作為光固化樹脂基質中的粘度調節劑。成功地制備63%的PCM油墨,具有優良的熱調節能力和在超過200熔化/凝固循環中幾乎沒有泄漏。用PCMs填充墨水打印的空心房子在加熱時,溫度比外部環境低40%。不同熔點的PCMs可以同時集成到樹脂中,并在不損害結構或完整性的情況下印刷。該方法使用PCM顆粒作為3DP和被動熱管理的粘度調節劑,以生產有效的熱緩沖液,并與廣泛的光聚聚合物基質和PCM兼容,而不需要預先對PCM進行微膠囊化。相關研究以“Thermal energy regulation?with 3D printed polymer-phase?change material composites”為題目,發表在Matter上。DOI:?10.1016/j.matt.2021.03.019

圖7?聚合物-PCM復合材料的設計概念、制備和印刷

Matter:COF膜中離子傳導途徑的仿生構建用于高效鋰

生物膜作為最復雜的分離系統,由于其具有特殊的離子通道,具有高的滲透性和溶質選擇性,已成為設計人工膜的天然原型。然而,開發穩定的、選擇性的人工離子通道仍然是一個巨大的挑戰。在此,浙江大學Qi Sun、北德克薩斯州大學Shengqian Ma等人演示了在二維共價有機框架(COFs)中構建鋰納米通道來創建仿生膜。植入親鋰寡聚醚賦予了特異性,并促進了Li+沿COF孔通道的擴散。離子通道特性顯示,相對滲透率按Li+?> K+?> Na+?> Ca2 + > Mg2+順序遞減。Li+轉移增強,而其他離子被阻礙,允許高選擇性和通透性。Li+?/Mg2+的分離系數為64,證實了鋰的高親和力。本研究可作為開發選擇性人工膜有效分離離子的設計原則。相關研究以“Bio-inspired construction of ion conductive?pathway in covalent organic framework?membranes for efficient lithium extraction”為題目,發表在Matter上。DOI:?10.1016/j.matt.2021.03.017

圖8?擴散概念架構

文中如有不妥之處,歡迎評論區留言~

本文由Junas供稿。

本內容為作者獨立觀點,不代表材料人網立場。

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王春生/許康Nature Nanotechnology:氟化界面使得可逆的水性鋅電池化學成為可能 http://www.cnsanshan.com/221964.html http://www.cnsanshan.com/221964.html#respond Fri, 14 May 2021 03:45:22 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=221964 第一作者:Longsheng Cao

通訊作者:Kang Xu, Oleg Borodin,Chunsheng Wang

通訊單位:美國馬里蘭大學、美國陸軍研究實驗室

DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-021-00905-4

背景

金屬鋅是一種理想的電池陽極材料,因為它具有很高的理論容量(820 mAh·g-1)、低氧化還原電位(相對于標準氫電極為-0.762 V)、高豐度和低毒性。當用于水系電解質中時,雖然它具有一定的安全性,但仍存在嚴重的不可逆性,表現為庫侖效率低、枝晶生長和水消耗問題。這被認為是由于在鍍鋅和剝離過程中嚴重的析氫所導致的,且到目前為止,鋅電極在水系電解液中原位形成固體電解質界面膜(SEI)仍是很大挑戰。

研究的問題

本文報道了一種水性鋅電池,其中含有烷基銨鹽添加劑的低濃度酸性水系電解質有助于形成堅固的、可傳導Zn2+且防水的SEI。這種SEI的存在實現了優異的電池性能: 在鈦||鋅不對稱電池中,以99.9%的庫侖效率進行1000次循環未出現枝晶鍍鋅/剝離現象;在鋅||鋅對稱電池中可進行6000次循環(6000小時)的穩定充放電;高能量密度(136 Wh/kg?的Zn||VOPO4全電池,在6000次循環情況下容量保持率超過88.7%;325 Wh/kg?的Zn||O2全電池可以運行超過300次循環;218 Wh/kg的Zn||MnO2全電池1000次循環情況下容量保持率超過88.5%)。形成SEI的電解質還允許Ti||ZnxVOPO4的無陽極袋式電池在100%放電深度下可逆運行100次循環,從而奠定了水性鋅電池為實際應用的可行電池系統的地位。

圖文分析

圖1 |不同電解質的電化學性質。

要點:

  • Zn電鍍/剝離可逆性:在非活性鈦(Ti)電極(圖1a-c)上測量各種含水電解質的電化學穩定性區域,其中,在4m Zn(OTF)2+H2O中的5mMe3EtNOTF發現電解質延長陰極的極限電流。仔細檢查發現,在-64mV的微小還原之前,Me3EtNOTF從358mV下降至157mV。

圖2 |在0.5mA/cm2和0.25?mA/cm2的鋅對稱電池中,在不同電解質中電鍍/剝離50次之后的鋅金屬的掃描電鏡和透射電鏡圖像。

要點:

  • Zn電鍍/剝離形態:掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)用于在含有4m Zn(OTF)2電解質的Zn||Zn電池中的50次循環后進行Zn表面研究的實驗。在循環的Zn表面上檢測到大量裂縫和樹突生長(圖2a、b)。
  • 沉積的Zn(5μm)的大厚度歸因于高度多孔/苔蘚結構(在圖2C中的紅線之間),這也可以通過X射線光譜中的元素的不均勻分布來證實。相比之下,含有Me3EtNOTF的電解質的Zn的表面是光滑且緊湊的(圖2d、e)。

圖3 |在0.5?mA/cm2的電流密度下,在4m?Zn(OTF)2?+ 0.5m?Me3EtNOTF中進行50次電鍍/剝離循環后,鋅金屬的F1s和C1s的XPS光譜。

要點:

  • 富ZnF2的SEI化學:使用X射線光電子能譜(XPS)研究了SEI化學物質。在~7eV中檢測到無機的ZnF2,并且通過Ar+蝕刻無機氟與有機氟的比例增加(圖3a-c)。
  • 總百分比從表面的22%增加到2分鐘的后的35%,并在10分鐘內保持相對穩定(圖3g)。

圖4 |本文提出的機制:用于證明三氟甲酸酯和三甲基乙基銨之間的協同反應,以形成富含氟化物和碳酸鹽的SEI

要點:

  • 密度函數理論計算表明,由烷基銨分解引起的下游反應會形成ZnCO3(圖4)。

圖5 | Zn氧化物和Zn離子電池的電化學性能。

要點:

  • 將先前報告的Zn||O2和Zn||O2與4m Zn(OTF)2電解質進行比較(圖5a),Zn||O2電池含有Me3EtNOTF電解質并且出現有限的鋅陽極過量的情況(圖5b),同時顯示出顯著的循環壽命(300個循環)。

圖6 |人工ZnF2?SEI的制造和電化學性能。

要點:

  • 人造ZnF2SEI:為了排除碳酸鋅等鋅鹽和聚陰離子對SEI的影響,本文設計了一種純的ZnF2?SEI。由于雙(氟磺?;?酰亞胺陰離子(FSI)在水溶液中逐漸分解,因此選擇它作為飽和的ZnF2的電解質中的氟源(圖6a、b)。ZnF2?SEI的形成可由XPS結果證明(圖6c)。

結語

本文用Me3EtNOTF配制了一種酸性水系電解液,通過原位形成由ZnF2、ZnCO3、ZnSO3和聚陰離子組成的復合界面SEI,可在低電流強度下實現高度可逆和無枝晶的鍍鋅/退鋅工藝。這種Zn2+傳導的SEI抑制了H2的析出并增加了電解質的電化學穩定性區域。另外,本文利用這種高可逆性展示了幾種鋅基全電池性能,所有這些鋅基電池性能都優于使用不含Me3EtNOTF的電解質的同類電池性能。Zn||O2系統在300次深度循環中表現出高可逆性,而Zn||VOPO4電池表現出優異的循環穩定性。盡管鋅的供應有限,但在100%的循環電流下,在6000次循環之后依然保持了約88.7%的原始容量。即使在最具挑戰性的無陽極配置中,50毫安時的袋式電池也能在90個循環周期之后保持80%的容量。為了進一步證明ZnF2在提高鋅可逆性方面的有效性,在Zn0上沉積了一種人工ZnF2?SEI,并在使用有限Zn0的ZnF2電池中進行了演示,該電池在1000次循環后表現出350 Wh/kg的極高能量密度和88.5%的容量保持率。

團隊介紹

王春生是美國馬里蘭大學化學與生物分子工程系Robert Franklin 和 Frances Riggs Wright杰出講座教授、ACS Applied Energy Materials《應用能源材料》副主編、馬里蘭大學—陸軍實驗室(UMD-ARL)極限電池研究中心主任。主要研究領域是可充電電池和燃料電池,已在Science、Nature、Nature Mater.、Nature Chem.、Nature Energy、Nature Nanotech.、Nature Comm.等頂尖期刊上發表論文230余篇,論文被引用超過30000次,h指數為98。2013年獲美國馬里蘭大學詹姆斯·克拉克工程學院青年教師杰出研究獎,2015年和2021年兩次獲馬里蘭大學年度發明大獎。

鋅電池領域工作

1) A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry

W Sun, F Wang, B Zhang, M Zhang, V Küpers, X Ji, C Theile, P Bieker, ...C. Wang

Science 371 (6524), 46-51

2) Solid Electrolyte Interphase Design for Aqueous Zn Batteries

D Li, L Cao, T Deng, S Liu, C Wang

Angewandte Chemie International Edition

3) Hydrophobic Organic‐Electrolyte‐Protected Zinc Anodes for Aqueous Zinc Batteries

L Cao, D Li, T Deng, Q Li, C Wang

Angewandte Chemie International Edition 59 (43), 19292-19296

4) Realizing high zinc reversibility in rechargeable batteries

L Ma, MA Schroeder, O Borodin, TP Pollard, MS Ding, C Wang, K Xu

Nature Energy 5 (10), 743-749

5) Solvation Structure Design for Aqueous Zn Metal Batteries

L Cao, D Li, E Hu, J Xu, T Deng, L Ma, Y Wang, XQ Yang, C Wang

Journal of the American Chemical Society

6) Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries

F Wang, O Borodin, T Gao, X Fan, W Sun, F Han, A Faraone, JA Dura, ...C. Wang

Nature materials 17 (6), 543-549

本文由SSC供稿。

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繼上周Science后,浙大聯合中科院物理所再發Science:控制界面超導性 http://www.cnsanshan.com/222025.html http://www.cnsanshan.com/222025.html#respond Fri, 14 May 2021 00:48:05 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=222025 【引言】

利用電場控制超導性不論是對于基礎研究還是未來應用都是極具吸引力的。而與半導體場效應管類似,超導體的二維載流子密度n2D能夠通過外源的柵電壓(gating voltage VG)來進行調控。然而,對于大多數超導體來說,n2D值都非常高且遠超過典型電選通的容量(~1014 cm?2或更低),使得控制超導性成為了巨大的挑戰。

成果簡介

中科院物理所的Jirong Sun、Yi Zhou和浙江大學謝燕武(共同通訊作者)團隊利用LaAlO3和 KTaO3(111)(LAO/KTO(111))之間的氧化物界面可展現出超導態這一現象,通過施加穿過KTaO3VG,來實現從超導到絕緣態的連續調控,同時還產生了圓頂型Tc-VG相關性(為轉變溫度)。研究顯示,電選通對載流子密度作用較小,但對遷移具有比較大的影響。研究認為這一對遷移行為調控主要是由于載流子在界面的空間狀態發生變化,即產生“有效的無序性”。這一工作表明LaAlO3/ KTaO3(111)可作為理想平臺,以探索無序二維超導體中的豐富物理現象。2021年05月14日,相關成果以題為“Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface”的文章在線發表在Science上。

圖文導讀

圖1 LAO/KTO(111)器件的表征

2 輸運性質的電場控制

3 VG150變化至-170V過程中的電流-電壓行為

4 由垂直于界面的磁場驅動的量子相變(QPT)中的VG調節

文獻鏈接:Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface(Science, 2021, DOI: 10.1126/science.abb3848)

本文由材料人學術組NanoCJ供稿。

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暨南大學唐群委團隊ACS Nano:面向低頻波浪能采集的多軌道定向獨立層式摩擦納米發電機 http://www.cnsanshan.com/221924.html http://www.cnsanshan.com/221924.html#respond Thu, 13 May 2021 22:30:48 +0000 http://www.cnsanshan.com/?p=221924 引言

發展海洋能量轉換技術是優化海洋能源結構、拓寬“藍色經濟”領域的戰略要求,摩擦納米發電機(TENG)以其獨特的優勢為高效捕獲波浪能提供了一種潛在的方法。近年來,TENG的結構設計逐漸從液-固接觸式轉變為基于獨立層滑動模式的球形結構,因為球形結構易于漂浮在海面上,能夠捕獲多向波。然而,球形結構的TENG將不可避免地遇到與波浪同時運動而不受約束的情況,這將嚴重影響波浪能轉換效率。對于其他類型的TENG,如鴨式和船式結構,無論是球還是桿在曲面上滾動時,滾動體都會發生無序運動和碰撞,從而造成摩擦能量損失,降低轉換效率。因此,TENG內部結構設計的核心問題不僅是充分利用內部空間進行波浪能的采集,而且要最大限度地提高波浪能向TENG動能的轉化效率。值得注意的是,波浪和TENG裝置之間的匹配頻率也會顯著影響能量轉換效率。當TENG的運動頻率與波浪的固有頻率發生共振時,TENG就可以實現穩定的最大功率轉換效率。

成果簡介

近日,暨南大學唐群委教授研究團隊研制了一種用于低頻波浪能采集的多軌道獨立層式摩擦納米發電機(NDM-FTENG)。系統地研究和優化了軌道數、連接方式、振蕩頻率和振蕩幅度等結構參數對NDM-FTENG電學輸出性能的影響。在波浪振蕩頻率為0.21 Hz和擺幅為120°的條件下,單個NDM-FTENG測得最大開路電壓為507 V,可獲得4 W/m3的最大瞬時功率密度,同時點亮320個LED燈。NDM-FTENG使用約兩個月后電學輸出性能基本沒有衰減,具有良好的穩定性和耐用性。NDM-FTENG被證明是在真實的波浪環境中驅動小型電子器件的有效裝置,并且通過將更多的NDM-FTENG裝置并聯在一起,形成一個面向大規模藍色能源收集的網絡,擁有進一步增大波浪能發電功率的巨大潛力。相關成果以題目“Nodding Duck Structure Multi-track Directional Freestanding Triboelectric Nanogenerator toward Low-Frequency Ocean Wave Energy Harvesting”發表在ACS Nano期刊上,第一作者為劉利強博士,暨南大學楊希婭副教授和唐群委教授為共同通訊作者。

原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c00345?

圖文簡介

圖1 NDM-FTENG的結構設計和工作機理

圖1.(a-b)NDM-FTENG結構及內部多軌道FTENG裝置的示意圖;(c)單個FTENG的工作機理及(d1-d3)COMSOL模擬的電勢分布;NDM-FTENG使用不同介電材料時的(e)Voc和(f)Isc;(g)PPCF表面改性后的SEM和AFM圖。

圖2不同連接方式時NDM-FTENG的輸出性能

圖2.(a-b)FTENG單元之間的不同連接方式示意圖;(c)NDM-FTENG不同層之間的并聯連接示意圖; FTENG在并聯、串聯模式下的(d)Voc、(e) Isc和(f)Qsc;單個NDM-FTENG內部三層之間并聯的(g)Voc,(h)Isc和(i)Qsc。

圖3 NDM-FTENG的內部結構優化

圖3.(a-b)COMSOL模擬尼龍球直徑為10~35mm時FTENG的電勢分布和最大電位差;NDM-FTENG第一層的(c)Voc、(d)Isc和(e)Qsc;尼龍球表面改性前后NDM-FTENG的(f)Voc、(g)Isc和(h)Qsc。

圖4 不同波浪條件下NDM-FTENG的輸出性能

圖4. 在(a-c)擺動頻率0.13~1.64 Hz和(g-i)擺動角度0~120°條件下NDM-FTENG的電學輸出性能;(d)NDM-FTENG的輸出性能隨頻率的變化趨勢和誤差帶圖;(e)尼龍球在弧形軌道上滾動的受力和擺動頻率的動態分析;(f)NDM-FTENG的擺動角示意圖。

圖5 NDM-FTENG的輸出功率及應用潛力

圖5.(a)單個NDM-FTENG輸出電流和功率密度;(b)在0.21 Hz條件下單個NDM-FTENG的充電能力;(c)在兩個月內單個NDM-FTENG的Voc、IscQsc穩定性測試;(d)NDM-FTENG通過電源管理電路驅動320個LED燈和電子計時器;(e)雙機組并聯NDM-FTENG在水池中的應用及面向大規模海浪能量采集的NDM-FTENG網絡設計;(f-h)兩個NDM-FTENG并聯在水池中運行時的Voc、IscQsc;(i)單個和兩個并聯的NDM-FTENG的充電電壓對比;(j)單個、兩個并聯或串聯的NDM-FTENG的儲能統計。

本文由作者投稿。

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