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《自然》《科学》一周(11.02-11.08)材料科学前沿要闻
发布:lee_9124   时间:2015/11/11 12:44:12   阅读:1147 
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1.二维锡烯的外延生长

(Epitaxial growth of two-dimensional stanene)

 
随着石墨烯材料通过实验手段被证实,其他一些具有优异电子性质的超薄材料也逐渐被开发,特别是第IV族中的 Si、Ge 和 Sn 元素。二维 Si 基材料硅烯可以通过分子束外延生长法制备, Ge 基材料锗烯既可以通过分子束外延生长法制备,也可以通过机械剥离法制备。不过, Sn 基材料锡烯的制备到目前为止还是一个挑战。 Zhu 等人报道通过分子束外延法成功制备了 2D 的锡烯材料,并通过实验和理论手段验证了这一结果。锡烯及其衍生物的成功合成会刺激科学家们对其性质的进一步研究,如 2D 拓扑绝缘性、热电转换性、拓扑超导性以及近室温下的量子异常 Hall 效应等。(Nature Materials  DOI : 10.1038 / NMAT 4384 )

2.铁敏化剂可将92%的光子转化为电子

(Ironsensitizer converts light to electrons with 92% yield)
 
 
无论在太阳能电池中,还是在光催化剂中,运行时都以光子的捕获或敏化为第一步。稀有金属常常用于这一方面,不过它们却不是大规模应用的理想材料。科学家们投入大量精力来研究用富有金属(如铁)来取代稀有金属,但却未能取得很大进展。 Harlang 等人开发了一种基于铁-氮-杂环-卡宾的敏化剂,这种敏化剂的激发态寿命比传统的铁多吡啶复合物高出上千倍。通过电子顺磁共振、瞬态吸收光谱、瞬态太赫兹光谱以及量子化学计算等手段表征发现,这种铁敏化剂通过 3MLCT 态可将 92% 的光子转化成电子。这一工作打开了利用富有元素制造太阳能转化材料的大门。(Nature Chemistry  DOI : 10.1038 / NCHEM. 2365 )

3.稳定、结晶、多孔、共价有机骨架用作手性有机催化剂

(Stable, crystalline, porous, covalent organic frameworks as aplatform for chiral organocatalysts)
 
 
 
共价有机骨架(COFs)的周期性排列和有序纳米通道使得这类材料适于催化化学反应。不过, COFs 较低的稳定性限制了其实际应用。 Xu 等人合成了一种晶体多孔 COF ,这种材料在水、强酸、强碱中都十分稳定,并且它可以作为材料模板来进行结构设计和功能化。在多孔氨基 COF 上,他们通过在空隙壁上引入甲氧基强化了层间相互作用,增强了材料的稳定性。随后他们将这种非手性材料转化成两种独立的手性材料,并保持了其结晶性和多孔性。所得的 COFs 集催化活性、对映选择性、可循环性为一体,在不均相催化和水相条件下的不对称 C-C 偶联方面有很大的应用潜力。(Nature Chemistry DOI : 10.1038 / NCHEM. 2352 )

4.基于无腐蚀性、安全、低成本材料的水相聚合物氧化还原液流电池

(An aqueous, polymer-based redox-flow battery using non-corrosive, safe, and low-cost materials)
 
 

对于新型能源(如太阳能、风能等),若想使其高效的并入到电网中,配备大规模储能装置以减轻输出波动是十分必要的。氧化还原液流电池(RFBs)被认为是一种有希望的大规模储能技术,但是目前种类还很少,而且容量和稳定性也较差。 Janoschka 等人报道了一种廉价、安全、可大规模应用的 RFB 。这种电池以有机聚合物作为储能材料,并搭配以低成本的透析膜。电池以氯化钠溶液为电解质,能量密度达到 10 瓦特/公斤,单位平方厘米的电流密度达到 100 毫安。这种 RFBs 的一大优势在于应用的是环境友好的电解质材料和膜材料,从而有效避免了酸性电解质对电池的腐蚀作用。(Nature  doi : 10.1038 / nature 15746 )

5.在三联吡啶修饰的电极上将243Am(III)进行电化学氧化

(Electrochemical oxidation of 243Am(III) in nitric acid by a terpyridyl-derivatizedelectrode)


你可能听说过铀元素或者是钚元素,但未必听说过镅(Am)元素。不过在核燃料后处理过程中,如何将重放射性的镅元素从核废液中分离出来是研究的重点。困难在于很难将三价的镅元素与价态相近的镧系元素分离开。 Dares 等人发现,将三联吡啶悬挂于电极上可以使三价的镅离子进一步氧化为五价或是六价状态。这些更高价态的离子可以很容易的被分离出来,并且有望应用于下一代核反应器中。(Science  DOI : 10.1126 / science.aac 9217 )

6.利用带电表面活性剂控制沸腾表面气泡的开关

(Turning bubbles on and off during boiling using charged surfactants)
 

沸腾—自从蒸汽时代便为工业提供动力—可以通过气泡的形成来控制。当前的工艺主要是调节表面粗糙度和湿度来提高气泡形成,最终提升效率。不过,若没有有效的原位气泡控制法,在给定热量输入的情况下就无法调节温度或是蒸汽量。 Cho 等人通过控制表面活性剂的办法,独立的控制气泡“开关”。他们可以快速并可逆的改变热量转移效率,最高达到 1 个数量级的程度。实验结果显示,这种控制是通过静电吸附/解吸附带电表面活性剂,进而改变表面湿度,最终提升成核性能来实现的。这种方法可以提高效率并且简单,也可以应用于其他能量应用方面。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9599 )

7.本征褶皱对石墨烯机械性能的影响

(The effect of intrinsic crumpling on the mechanics of free-standing graphene)
 
 
由于动态弯曲声子和静态褶皱的双重作用,无支撑石墨烯在面外方向上是褶皱的。 Nicholl 等人研究了这些褶皱对于石墨烯机械性能的影响。他们开发了一套灵敏的实验装置,测试在低温到常温范围内,石墨烯膜在低外加应力下的拉伸响应。他们发现,石墨烯面内强度为 20-100Nm-1 ,远低于 340Nm-1 (平面石墨烯的理论强度)。此外,当温度降低到 10K 时,面内的强度只有少量增加,不过随着膜长宽比的增加,膜强度却大幅增加到 300Nm-1 。这说明在低于 400K 时,石墨烯的软化主要归因于静态褶皱的作用,而非弯曲声子。这一结果解释了早前对石墨烯器件机械强度报道的大幅变化,并为今后控制石墨烯的机械性质开辟了道路。(Nature Communications  DOI : 10.1038 / ncomms 9789 )

8.钙钛矿和宽带隙染料制备的光谱裂分太阳能电池

(Spectral splitting photovoltaics using perovskite and widebanddye-sensitized solar cells)
 

将太阳能电池的吸收光谱拓展至近红外区域对于提升电池效率是十分重要的。尽管卤化铅钙钛矿太阳能电池的发展非常迅猛,效率已经超过 20% ,但是其吸收光谱在长波长范围只能达到 800nm 。为了进一步提升钙钛矿太阳能电池的能量转化效率,可以在电池中加入近红外吸收部分。 Kinoshita 等人报道了一种全光谱敏化剂(编号: DX3 ),它的吸收边可以达到接近 1100nm 处。在 1.5 个标准太阳光照下,其电流值可以超过 30mAcm-2 。基于 DX3 和钙钛矿材料的杂化太阳能电池可以达到 21.5% 的能量转化效率。(Nature Communications  DOI :  10.1038 / ncomms 9834 )
 

来源:新材料在线 
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