《自然》《科学》一周(9.14-9.20)材料科学前沿要闻

1.可见光波段下的超薄隐身斗篷

An ultrathin invisibility skin cloak for visible light)

隐身斗篷可以通过将环绕于其周围的光引导开而使目标物体被隐藏。不过,目前开发出的隐身材料大多是体结构的,因此很难大规模制备隐藏大型目标。为了获得超薄、可卷曲到目标物体表面的隐身材料,Ni等人设计开发了一种二维超材料。这种材料的厚度仅为80nm,可以完全反射730nm波长的可见光,被覆盖的物体可以实现隐身。作者称,这种柔性、高反射率的材料未来可实现大规模生产,用来隐藏大型目标。(Science  DOI: 10.1126/science.aac9411)

       2.低纬度、室温下出现的铁电现象

Emergence of room-temperature ferroelectricity at reduced dimensions)

铁电薄膜常用于计算机或医疗器械中。不过,传统的铁电材料随着薄膜厚度的减小,其极性也越来越小。在低维度下提升铁电材料的功能性对于开发纳米级电子器件是非常重要的。Lee等人对SrTiO3进行了研究,他们发现在体结构下,这种材料不具备铁电性质,而在极薄的薄膜状态下,SrTiO3自发的形成纳米尺度的极性区域,产生了铁电性。这一发现打破了传统对铁电材料性能的认知,并有利于未来开发用于电子器件的纳米级的铁电材料。(Science  10.1126/science.aaa6442)

3.金属玻璃中的分形原子扩散

Fractal atomic-level percolation in metallic glasses)

金属玻璃因其具有极高的强度、并且在弯曲状态下不会碎裂等特性而受到关注。这类材料的原子是无序排列的,不过却没有常见于晶体物质中的结构缺陷。Chen等人开发了一种金属玻璃模型。原子首先在液相中自由流动,接着开始聚集阻塞,最后在玻璃化转变温度下形成短程分形结构。这一模型也可以用来解释金属玻璃的高密度和高强度特性的由来。(Science  DOI: 10.1126/science.aab1233)

4.低温、高效、易加工的质子型陶瓷燃料电池

Readily processed protonic ceramic fuel cells with high performance at low temperatures)

质子型燃料电池(PCFCs)因具有比氧化物燃料电池更低的活化能和质子传导速度,因而可以在更低的温度下运行(250°-550°C vs ≥600°C)。Duan等人开发了一种新型的阴极材料BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-d (BCFZY0.1),可以在较低的温度下大幅提高氧化还原速率。他们制备了5种不同的PCFC,均表现出极佳的效率,同时在运行1400小时后效率不会衰减。(Science  DOI: 10.1126/science.aab3987)

5.光催化芳烃C-H氨基化反应

Site-selective arene C-H amination via photoredox catalysis)

过去几十年中,有机金属催化偶联反应一直是制备复杂芳香化合物最有效的手段,不过它需要反应物预先被氧化。最近,过渡金属催化的碳-氢活化反应克服了这个问题,它不需要反应物预先被氧化,但是这类反应却受限于难以进行胺基化的反应。Romero等人报道了借助光催化剂,直接催化C-H氨基化反应的进行。他们使用可吸收蓝光的吖啶离子来活化芳香环上的C,接着硝基自由基共催化剂(TEMPO)将H转化成O。反应可以在多种底物上进行,包括利用铵盐作为N源。(Science  DOI: 10.1126/science.aac9895)

6.可促进电化学析氢反应的多孔金属-有机骨架材料

A porous proton-relaying metal-organic framework material that accelerates electrochemical hydrogen evolution)

开发高效析氢反应(HER)催化剂对于有效利用太阳能,减少碳排放是非常重要的。虽然Pt电极是极佳的HER电催化剂,但是制氢技术的大规模应用需要开发廉价、高效、原料丰富的Pt替代物。Hod等人开发了一种高孔隙率、金属-有机骨架(MOF)薄膜,可以作为支架沉积Ni-S电催化剂。相比于无MOF的Ni-S,新制备的杂化材料显著的提升了HER反应的效率,同时还将过电势降低了200mV。效率的提升主要是由于MOF的可传导质子的特性改善了硫基催化剂的化学反应环境。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9304)

7.通过控制温度在纯水中直接剥离、分散二维材料

Direct exfoliation and dispersion of two-dimensional materials in pure water via temperature control)

大量合成片状的二维材料在很多方面的应用都是必要的。虽然水因其丰富廉价的特点被认为是理想的分散媒介,但是薄片表面的疏水性却限制了水在这方面的应用。Kim等人报道了在不添加任何表面活性剂的条件下,在纯水中直接剥离2D材料。为了在水中剥离分散这些材料,他们提高超声波浴的温度,并通过超声引入能量。所得的二维材料可以稳定的保存一个月。此外,由于薄片表面电荷的作用,这些材料在水中表现出良好的溶解性。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9294)

8.调节钴磷酸盐配体获得高效的水氧化催化剂

Coordination tuning of cobalt phosphates towards efficient water oxidation catalyst)

开发高效、稳定的水氧化催化剂对于实现裂解水系统十分重要。尽管大量研究都集中在金属-氧化物催化剂上,但是金属配体对于催化剂稳定性的影响却尚不清楚。Kim等人选取了四种带有不同配体的钴基磷酸催化剂作为研究对象,研究分子结构与催化性能之间的关系。相比于无定型的钴磷酸盐,带有扭曲四面体构型的Na2CoP2O7 显示出最高的水氧化催化活性和稳定性。第一性原理计算表明,焦磷酸配体引起的表面重组诱导产生扭曲四面体结构,这使得水分子更容易与之结合。他们的研究表明配体对催化性能有重要影响。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9253)