《自然》《科学》一周(9.21-9.27)材料科学前沿要闻

1.高效体异质结太阳能电池中分子螺线作为电子受体材料

Molecular helices as electron acceptors in high-performance bulk heterojunction solar cells)

在过去十多年中,尽管科学家们合成出了各种用于太阳能电池的有机半导体材料,但是富勒烯依然是最广泛使用的电子受体材料。目前还没有非富勒烯受体材料可以达到与富勒烯受体一样高的效率。非富勒烯受体材料的设计原理在该领域中还尚未明确。Zhong等人报道了一种螺线型半导体分子,当作为电子受体材料可以时,效率可以与富勒烯材料相媲美。基于此分子制备的电池效率可以达到8.3%。飞秒瞬态吸收光谱表征结果表明,电子和空穴转移过程均发生在给-受体界面。原子力显微镜表明受体材料形成直径为数十纳米的网状结构,有利于激子分离和电荷传输。这项研究为设计高效有机电子受体材料提供了新的思路。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9242)

2.在金属-有机骨架中原位制备铂-镍结构用于制氢及过滤分子

Platinumnickel frame within metal-organic framework fabricated in situ for hydrogen enrichment and molecular sieving)

开发既可以提供足够的活化能,又能使金属表面选择性吸收底物的催化剂,对于提高氢化反应的活性和选择性非常重要。Li等人报道了一种独特的原位刻蚀及配位的合成策略,可以在金属-有机骨架中嵌入铂-镍双金属框架。这种生长出的金属有机骨架可以提高氢富集率并提高铂-镍表面的反应活性。此外,它还可以将小于孔洞尺寸的底物选择性的输送到铂-镍表面,并催化其进行氢化反应。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9248)

3.从原子角度认识还原氧化石墨烯作为超薄纳米多孔膜在分离过程中的作用

Atomistic understandings of reduced grapheme oxide as an ultrathin-film nanoporous membrane for separations)

还原氧化石墨烯(rGO)在还原过程中形成的本征缺陷可被当做纳米孔洞,利用这一点可制备用于分离的超薄薄膜。为了评估rGO在这方面的应用潜力,科学家们利用分子动力学技术来研究rGO的缺陷形成行为以及在水分离和天然气净化上的表现。Lin等人建立了rGO的合成条件以及缺陷尺寸间的关系,找到一种有希望控制iGO纳米孔洞尺寸的办法。此外,他们还发现,在合适的条件下制备的rGO薄膜可以有效的进行分离,比当前的常规薄膜具有高得多的渗透通量。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9335)

4.应用有机热电材料制备的柔性、自发电温度-压力双系数传感器

Flexible and self-powered temperaturepressure dual-parameter sensors using microstructureframe- supported organic thermoelectric materials)

皮肤状的温度传感器和压力传感器对于下一代的人工智能产品来说很重要。前期对电子皮肤的研究主要集中在柔性压力传感器上,但是对同一个器件,同时感应温度和压力是一个挑战。Zhang等人用微结构骨架支撑的有机热电材料(MFSOTE)制备出柔性的温度-压力双系数传感器。器件可以将温度刺激和压力刺激转化成两个独立的电信号,因此可以获得温度和压力的同时感应。器件的温度分辨率为0.1K,最大承受压力达到28.9KPa-1。更重要的是,这个器件可以自发电来驱动运行。作者称他们开发的这种低成本、高性能器件有望用于电子皮肤和健康监测上。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9356)

5.具有原子级厚度的二维有机-无机杂化钙钛矿

Atomically thin two-dimensional organic-inorganic hybrid perovskites)

有机-无机杂化钙钛矿材料具有优异的光伏特性,目前已经可以制备成原子级厚度的二维(2D)薄片。Dou等人报道了溶液生长的溶液加工单层和多层单晶2D杂化(C4H9NH3)2PbBr4钙钛矿,晶体呈现出正方形的结构,并具有较大的尺寸。与其他2D材料相比,杂化钙钛矿薄膜显示出不寻常的结构弛豫,这种结构变化导致了带隙变化。高质量的2D晶体展示出高效的光致发光性能,此外,发光颜色也可以通过调节薄膜厚度和组分来改变。(Science  DOI: 10.1126/science.aac7660)

6.碱性醌液流电池

Alkaline quinone flow battery)

液流电池中的氧化还原组分分别盛放于不同的容器中,且都与电池的活性模块分割开。这类电池可以储存大量的能量。不过,大规模使用液流电池的一个挑战在于应避免使用有毒金属离子作为活性组分。Lin等人发现,醌类物质可以溶液于碱性溶液中,与铁氰化物结合使用可以制备液流电池。这一发现为开发低成本、高效率、稳定、安全的液流电池带来了希望。(Science  DOI: 10.1126/science.aab3033)

7.双酶体系将乙醇转化为胺类

Conversion of alcohols to enantiopure amines through dual-enzyme hydrogen-borrowing cascades)

酶可以在水中发挥作用,并且相对来说毒性较小。因此,在有机合成中使用酶的一个重要优势就是它可以在环境友好的条件下进行反应。Mutti等人报道了一种双酶体系—乙醇脱氢酶和胺基脱氢酶,二者逐级反应可以将乙醇转化成胺类。反应可以将一系列不同结构的芳香醇和脂肪醇转化为胺类,产率可达96%以上,且旋光异构体过量率为99%。作者称这一逐级反应体系具有极高的原子效率,并且无有害的副产物生成(副产物只有水)。(Science  DOI: 10.1126/science.aac9283)

8.认识共轭聚合物的非辐射激发态

An insight into non-emissive excited states in conjugated polymers)

共轭聚合物在固态下常表现出低的荧光量子效率,这限制了它在很多方面的应用,如发光二极管。尽管科学家们作了大量的努力,但对于机理的认识仍十分有限并且模糊。Hu等人通过观察聚噻吩在不同介电常数(ε)的溶剂中的聚集特性,对聚噻吩的激发态的性质进行了研究。在高极性溶剂中(ε>3),聚合物的荧光量子效率较低,为2-5%;在低极性溶剂中(ε<3),聚合物表现出高得多的荧光量子效率,达到20-30%。一系列的量子计算模拟表明,电介质可以诱导非辐射电荷转移态(CT)稳定存在,因而降低了荧光量子效率。(Nature Communications  DOI: 10.1038/ncomms9246)