材料牛

浙江大学再发Nature！！！

虚谷纳物 — Thu, 20 Mar 2025 00:33:22 +0000

一、【科学背景】

电子设备的小型化一直是信息科学和技术中永恒的追求，推动了计算能力和人机交互的革命。微LEDs通过将传统基于 III–V 族半导体的LEDs缩小到微米尺度而发展而来，展现出高亮度、高分辨率、低能耗和快速响应等增强的发光性能。这些优势推动了近眼显示技术（包括虚拟现实（VR）和增强现实（AR））的近期发展。因此，传统III-V半导体微型LED（micro-LEDs）因其高亮度、高分辨率和低能耗被视为显示技术的“终极方案”，但其生产成本高昂，且当像素尺寸缩小至10微米以下时效率显著下降，阻碍了商业化应用。钙钛矿LED（PeLEDs）作为一种新兴技术，具有低成本和高性能的潜力，但微型化过程中同样面临效率损失的挑战。现有研究显示，钙钛矿LED在微米尺度下的效率（如EQE）随尺寸缩小而下降，限制了其进一步小型化和高密度集成的可能性。因此，如何在保持高效率的同时实现钙钛矿LED的纳米级微型化，成为关键科学问题。

二、【科学创新】

今日，来自浙江大学的狄大卫教授和赵保丹研究员提出了基于钙钛矿半导体的微型和纳米级LED（micro-PeLEDs/nano-PeLEDs）的尺寸缩减技术，其像素特征长度从数百微米缩小至约90纳米。通过局部接触制造方案，有效抑制了像素边界的非辐射损耗。近红外（NIR）和绿色micro-PeLEDs在650至3.5微米的宽尺寸范围内，平均外部量子效率（EQE）维持在约20%，且效率几乎不随尺寸缩小而降低。当特征长度降至约90纳米时，nano-PeLEDs成为迄今报道的最小LED，实现了127,000像素/英寸（PPI）的创纪录像素密度。该研究还开发了基于商用薄膜晶体管（TFT）阵列的原型主动矩阵micro-PeLED显示器。与III-V半导体LED相比，micro/nano-PeLEDs在特征长度小于10微米时展现出显著优势，克服了传统LED的效率损失问题。这一成果凸显了钙钛矿LED作为下一代高密度、可扩展光源技术的巨大潜力。相关成果以“Downscaling micro- and nano-perovskite LEDs”为题发表在国际著名顶级期刊Nature上。

a.微米/纳米钙钛矿LED的关键制备步骤；

b. 微米/纳米钙钛矿LED的截面示意图；
c,d. 使用（c）和未使用（d）局部接触方法的电极原子力显微镜（AFM）图像；
e,f. 对应c和d中标记线的高度剖面；
g. RIE和光刻胶去除后的方形（1）和圆形（2）像素区域SEM图像。比例尺：20 μm（1），10 μm（2）；
h. 直径为1,000 nm（890 nm特征长度）、500 nm（440 nm）和100 nm（90 nm）的圆形像素局部接触区域SEM图像；

a. 工作状态的NIR微米钙钛矿LED（像素尺寸：200、100、50、30、20和10 μm）的光学图像；b. NIR微米钙钛矿LED的电致发光（EL）光谱。插图为特征长度10 μm的微米LED阵列的工作图像（驱动电压：2.5 V）；c. 电流密度-电压特性曲线；d. 辐射亮度-电压曲线；e. 外部量子效率（EQE）-辐射亮度数据；f. EQE-电流密度曲线；g. 纳米钙钛矿LED像素区域的SEM图像（对应图1a步骤8后的样品）；h. 纳米钙钛矿LED的辐射亮度-电压数据；i. 纳米钙钛矿LED的EQE-电流密度曲线；j. NIR微米/纳米钙钛矿LED的EQE随特征像素长度的变化。红色曲线为EQE分布的高斯拟合。背景色（青色、浅紫色、粉色）分别对应迷你、微米和纳米级LED的尺寸范围。

a,b. 工作状态的绿色（a）和红色（b）微米钙钛矿LED（特征长度：200 μm至约10 μm）的光学显微图像。驱动电压分别为3.0 V和3.2 V；c. 绿色微米钙钛矿LED的一维EL光谱分布；d. 绿色微米钙钛矿LED的EQE-亮度数据；e. 绿色微米/纳米钙钛矿LED的EQE随特征长度的变化。

a,b. 绿色微米钙钛矿LED在恒定电流密度10 mA cm⁻²（a）和50 mA cm⁻²（b）下的工作稳定性测试；c. 绿色微米钙钛矿LED的T50寿命随特征长度的变化；d–f. 基于商用TFT阵列的主动矩阵微米钙钛矿LED显示屏原型（像素尺寸：70 μm × 95 μm）显示的图像

不同类别LED的EQE随特征长度（或PPI）的变化曲线。微米/纳米钙钛矿LED在特征长度<10 μm时表现出显著优势；b. 本文钙钛矿LED的电致发光半峰宽（FWHM）与其他类别LED的对比（特征长度<100 μm）。

三、【科学启示】

本文的主要科学启示如下：

（1）技术突破：通过局部接触方案解决了微型化过程中的效率瓶颈，为钙钛矿LED的纳米级集成提供了新思路。127,000 PPI的超高像素密度为AR/VR近眼显示、超高清柔性屏幕等应用奠定了基础，可能推动显示技术革新。

（2）材料优势：钙钛矿材料在微型化中表现出的尺寸不敏感性（如宽范围内维持20% EQE），验证了其作为高效发光材料的独特优势。

（3）跨领域启发：该制造方法可拓展至其他光电器件（如太阳能电池、光电探测器），促进纳米光电子学的发展。

（4）可持续性：铅基与无铅（CsSnI₃）钙钛矿器件均展现出相似的微型化性能，为环境友好型器件的设计提供了参考。

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08685-w

【EES】华北电力大学庾翔&樊思迪团队:从分子工程到规模化生产，芳纶共聚物电介质用于高温储能

稀、饭 — Wed, 19 Mar 2025 23:58:37 +0000

一、【导读】

金属化薄膜电容器因其充放电速度快、功率密度高以及循环寿命长等特点，在现代化电气和电子系统得到广泛应用。然而，目前商用聚合物薄膜电容器通常采用双向拉伸聚丙烯（BOPP）作为薄膜材料，其相对介电常数较低，储能密度仅为2~3 J·cm^-3，且长期运行温度需要低于85°C，限制了电容器在高温环境下的应用。而传统耐高温芳香族聚合物材料，如聚酰亚胺（PI）和聚醚酰亚胺（PEI）等，虽然具有较高的玻璃化转变温度（Tg> 210°C），但在高温环境下电荷传导激增会导致能量损耗和焦耳热，易诱发高温下的介电失稳因此。因此，如何在提升聚合物电介质耐温性能的同时，有效抑制其高温漏电流，成为高温储能性能提升的瓶颈问题。

二、【成果掠影】

近日，华北电力大学庾翔&樊思迪团队通过分子工程开发了一种砜基改性芳纶共聚物（PSA-75），将具有非平面结构的砜基引入芳纶分子链中，打破芳环π-π共轭，从而抑制了分子链内的电荷转移。另外通过掺杂三蝶烯（TE）小分子，在PSA-75链间引入电荷陷阱并打破其π-π堆积，进一步抑制分子链间的电荷转移。在150°C下，PSA-75/TE复合电介质薄膜的放电能量密度为5.71 J·cm^-3，同时储能效率仍保持在90%以上。得益于其击穿过程中产生的大量气态热解产物，复合薄膜表现出良好的击穿自愈特性。此外，团队利用卷对卷制造工艺成功生产了大尺寸薄膜，并构筑了叠层电容器单元，验证了其在高温电容储能领域工业化应用的潜力。该成果以“Aramid dielectric co-polymer: from molecular engineering to roll-to-roll scalability for high-temperature capacitive energy storage”为题发表在Energy & Environmental Science上。论文通讯作者分别是华北电力大学电气与电子工程学院庾翔副教授和樊思迪副教授，第一作者为博士生杨瑞。

三、【核心创新点】

（1）通过引入非平面结构的砜基打破芳纶分子内的π-π共轭，抑制其分子内的电荷转移。

（2）通过引入三蝶烯小分子破坏了芳纶链之间的π-π堆积，有效提升了捕获载流子的活化能并减小了跳跃距离，从而抑制了分子间的电荷转移。

（3）砜基有助于热解过程中气态产物的生产，提供了良好的自愈特性。

（4）通过可扩展的卷对卷制造策略生产了工业规模的电介质薄膜，验证了其在大规模制造中的潜力。

四、【数据概览】

图1 基于分子工程的高温储能PSA共聚物设计

图2 PSA-75电介质的机械、介电和电气性能

图3 PSA-75电介质的高温储能性能

图4 PSA-75/TE全有机复合电介质的高温储能性能

图5 PSA-75电介质的自愈特性

图6 PSA-75电介质的规模化生产

五、【成果启示】

该研究报道了一种分子工程策略，通过引入非平面的砜基优化了芳纶分子结构并打破分子链内的π-π共轭，设计了用于高温电容储能的芳纶共聚物（PSA-75）。通过引入有机小分子TE形成PSA-75/TE的异质π-π堆积，构建界面能垒，阻碍电荷转移并加深载流子陷阱。复合电介质在150°C放电密度达到了5.71 J·cm^-3并保持90%以上的储能效率，在200°C下依然保持3.10 J·cm^-3的储能密度。由于分子链中砜基的引入，PSA-75可以在不消耗额外的氧自由基的情况下产生更多气态热解产物，赋予其良好的击穿自愈特性。此外，通过可扩展的卷对卷制造策略生产了工业规模的电介质薄膜，在150°C和400 MV·m^-1的高温高场条件下表现出稳定的高温储能性能。该工作为高温储能电介质的开发提供了一种简单且低成本的方案，为耐高温薄膜在电容储能领域的工业化应用提供了新策略。

原文详情：https://doi.org/10.1039/D5EE00368G

本文由作者供稿

哈尔滨工业大学《JMST》：通过优化结构有序度提高非晶合金的力学性能可靠性

稀、饭 — Wed, 19 Mar 2025 23:34:30 +0000

第一作者：苏爽

通讯作者：宁志良，张彦明，黄永江

通讯单位：哈尔滨工业大学材料学院

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.024

全文速览

本论文系统研究了退火处理对Zr₅₈Cu₃₀Ti₂Al₁₀非晶合金能量状态、微观结构和力学行为的影响规律。退火工艺通过降低能量状态，显著提高了非晶合金的结构有序度和均匀性，从而提高了其整体力学性能可靠性。具体而言，退火促进了局部二十面体近程有序的形成，有助于提高纳米硬度和抗拉强度。此外，退火过程中内应力的释放和重新分布进一步优化了内应力状态，显著提高了材料的断裂强度，获得了可靠的力学性能。本研究不仅阐明了退火对非晶合金微观结构的调控机制，也为探索高强度、高断裂可靠性的非晶合金材料提供了理论支持和实验依据。

本文亮点

退火显著降低了非晶合金的能量状态，使其微观结构更加有序。
非晶合金中有序度越高，纳米硬度越高且分布越均匀。
退火可提高非晶合金的拉伸断裂强度阈值和断裂可靠性。

图文解析

非晶合金样品的制备。(a) 熔体抽拉工艺制备非晶合金微丝示意图；(b) 快速凝固工艺制备非晶薄带示意图；(c) 非晶微丝和薄带纳米压痕位置示意图；(d) 非晶微丝、薄带和块体样品的拉伸试样尺寸示意图。

微观结构分析。不同能态非晶合金的高分辨透射电镜(HRTEM)图像及其快速傅里叶变换(FFT)和相应的自相关函数(ACF)图像：(a) 非晶微丝；(b) 非晶薄带；(c) 铸态块体非晶合金；(d) 退火0.5 h的块体非晶合金；(e) 退火1 h的块体非晶合金。(f) HRTEM的两种不同类型ACF（周期性和随机）模式及其FFT图像；(g) 有序度随弛豫焓∆H的增加而降低。

纳米硬度测试。纳米硬度分布：(a) 非晶微丝；(b) 非晶薄带；(c) 铸态块体非晶合金；(d) 退火0.5 h的块体非晶合金；(e) 退火1 h的块体非晶合金。(f) 纳米硬度最大值和最小值；(g) 每个样品在100个纳米压痕中的纳米硬度范围值。

纳米硬度的统计分析。(a) 纳米硬度的高斯拟合；(b) 高斯拟合曲线的半峰宽；(c) 高斯拟合曲线的峰值；(d) 高斯峰位置和纳米硬度平均值；(e) 平均值的标准差。

拉伸断裂强度的统计分析。(a) 最大和最小断裂强度值之间的范围；(b) 对数正态分布和Weibull统计分析的模量，插图显示对数正态分布的标准差；(c) 断裂强度的几何平均值和算术平均值；(d) Weibull统计分析的断裂阈值。

非晶合金原子分布示意图。(a) 低有序度的非晶合金（微丝/薄带），(b) 块体非晶合金（铸态），(c) 高有序度的非晶合金（退火态）。

全文总结

综上所述，通过调整制备过程中的冷却速率和后续的退火处理，我们获得了具有不同能量状态的Zr₅₈Cu₃₀Ti₂Al₁₀非晶合金。通过对其热力学行为的定量表征，结合多种统计分析方法，系统研究了不同能量状态下非晶合金结构均匀性和力学可靠性的演变及其内在机制。主要结论如下：

(1) 能量状态的降低有助于非晶合金中内应力的释放，促进短程有序团簇的形成，这些团簇随后连接形成中程有序结构，从而增加了类晶体有序区的数量。

(2) 在有序度较高的非晶合金中，软点的硬化和硬点的膨胀使原子堆积密度增大，导致纳米硬度和拉伸断裂阈值均升高。

(3) 退火使可移动的原子重新分布，减少易变形的薄弱区域，增强非晶合金的结构均匀性，同时平衡了原子尺度的应力分布。这种结构演变减少了纳米硬度值的分散程度，且提高了拉伸断裂的可靠性。

作者简介

宁志良，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室教师。先后主持承担国家自然科学基金面上项目、国家部委基金项目、HTH官网地址部国际合作项目、黑龙江省HTH官网地址攻关重点项目。获得省部级HTH官网地址进步二等奖三项，发表论文140余篇，其中SCI收录80余篇，获授权发明专利40项，申报发明专利70余项。

黄永江，教授，工学博士，博士生导师，英国皇家学会牛顿学者，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料(包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、液态金属等方向研究工作。获黑龙江省HTH官网地址进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials，Acta Materialia，International Journal of Plasticity，Additive Manufacturing，Materials Future，Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文230篇，被Science等权威杂志引用6218次（单篇最高SCI引用280余次），ESI高被引3篇，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare Metals杂志年度最佳论文，H因子40，申请专利79项，授权50项，担任6个国际期刊编委/青年编委。

张彦明，工学博士，毕业于美国伦斯勒理工学院，美国康宁Glass Age Scholar获得者。主要从事亚稳金属材料与无机非金属材料的研究工作。在Nature Nanotechnology，Nano Letters，Acta Materialia，Journal of the American Ceramic Society 等国际知名高水平学术期刊发表多篇论文，申报发明专利10余项。担任ACS Omega，Journal of Applied Physics等国际知名学术期刊审稿人。

苏爽，哈尔滨工业大学博士生，韩国首尔国立大学联合培养博士生。主要从事非晶合金及其复合材料的力学性能调控和增材制造研究。以第一及共同作者在Acta Materialia，Journal of Materials Science & Technology，Virtual and Physical Prototyping，Composites Part B: Engineering等国际著名学术期刊发表SCI收录论文10余篇，谷歌学术引用257次。参与国家自然科学基金面上项目的研究工作，担任Journal of Materials Research and Technology等国内外重要学术期刊审稿人。

同济大学张清然、河南大学田志红：新兴热聚合二维碳材料在电催化能源转换中的应用

稀、饭 — Tue, 18 Mar 2025 23:53:42 +0000

【引言】

随着气候变化、能源危机和环境恶化的日益严重，寻找清洁和可再生能源已成为实现可持续经济的基础。在这一转型过程中，先进的能源转换系统（如水/CO₂电解、燃料电池、金属-空气电池等）至关重要。然而，这些技术的发展在很大程度上依赖于高性能电催化剂的设计，这些催化剂需要具备高活性、高选择性、良好的导电性、长期稳定性、大表面积和低成本等特点。近年来，二维（2D）碳材料因其独特的结构特征和电子特性，在电催化领域展现出巨大的潜力。本文综述了通过高温化学方法设计和制备的二维碳材料在电催化能源转换中的应用，重点介绍了通过热聚合方法精细调控活性结构的设计、制备和机理研究。

【图文导读】

二维碳材料的热聚合基础

热聚合是碳纳米材料合成的关键过程。通过选择合适的有机前体，热聚合不仅可以调控催化剂的物理化学性质，还可以通过程序化的杂原子掺杂或缺陷工程创建理想的活性结构。例如，以二氰二胺（DCDA）为前体，在惰性气氛中热解可以生成石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为模板，进一步升高温度可以去除氮化碳框架，留下有序的二维氮掺杂碳纳米片。通过调控热聚合条件（时间/温度）和反应化学计量比，可以精确调控氮掺杂的类型和数量、厚度和长程有序形态。

2. 二维碳材料在电催化中的独特特性

二维碳材料通常具有原子级厚度（单层或多层），并具有极高的横向面积与厚度比。尽管原始碳在电催化中相对不活跃，但其二维衍生物（如石墨烯）通常表现出独特的结构特征、丰富的表面或边缘化学性质以及可调的电子特性，这些都有利于催化活性结构的形成。首先，二维碳电催化剂通常具有非常高的比表面积，其中大部分原子处于高能态（或高反应性）。其次，通过形成二维层状结构，表面电子性质（如费米能级附近的电子密度或状态）和物理化学特性（如电荷迁移率）发生显著变化，从而改变了电导率和电子亲和力，实现了可调的催化过程。此外，二维碳催化剂的良好导电性和大表面积进一步促进了电化学表面积的增加，加速了电荷转移。此外，暴露的二维表面赋予层状碳催化剂丰富的不饱和配位位点，这些位点位于结构缺陷和边缘，能够与反应物和中间体发生强化学相互作用。此外，通过锚定更具催化活性的组分（如单原子或合金），这些未饱和的表面或边缘位点也可以用于形成不同的混合电催化剂，以提高电化学性能。

3. 基于二维碳材料的电催化剂在电催化中的应用

基于上述原因，大量研究致力于设计和开发二维碳基材料（CMs）用于高效电催化。然而，尽管取得了一些进展，但由于对催化机理（特别是结构/活性关系）的理解不足，二维碳材料的低活性、选择性、稳定性和电流效率仍然阻碍了其进一步发展。幸运的是，近年来在材料设计、表征方法和机理研究方面的突破极大地推动了二维共价电催化剂的发展，揭示了多种具有高催化性能的二维材料，其性能甚至优于贵金属催化剂。基于活性位点的类型及其通过热解精细调控的策略，以下部分将介绍这些高性能的二维碳材料在电催化中的应用。

4.1 无金属杂原子掺杂

无金属二维碳材料具有许多优势，如低成本、高稳定性、化学耐受性、良好的导电性和可调的电子特性。然而，原始石墨烯片的电催化性能较差，主要是由于缺乏能够特异性结合反应物分子（如水、O₂、N₂和CO₂）的活性物种。因此，材料化学的多种工具被应用于设计理想的结合位点，通过引入杂原子或生成结构缺陷来扰动sp²杂化碳基底的电子对称性，从而调节结合和连续的电催化过程。值得注意的是，由于掺杂原子与宿主碳骨架之间的电负性不同，电荷变化以及酸碱相互作用被引入，以在二维电催化剂中形成理想的杂原子活性基团。通过密度泛函理论（DFT）计算或其他计算建模方法，可以清晰地阐明结构-活性/选择性关系，为未来开发高效的二维碳催化剂提供描述工具。为此，通过热聚合方法精确设计了具有不同杂原子（如N、O和B）的二维碳材料，以实现高效的催化过程。

4.2 缺陷工程

原始sp²杂化石墨烯网络的拓扑偏差通常会在碳基质的边缘或晶界或单空位处产生缺陷，如五边形、七边形或Thrower-Stone-Wales缺陷，这些缺陷对电化学反应（如CO₂还原和ORR）表现出高活性/选择性。通过DFT模型，已经阐明集体碳电子云上的轨道可以通过包含的碳缺陷轻松调节，从而赋予它们对反应中间体的改进亲和力，并加速ORR过程中的缓慢动力学。此外，结构缺陷的形成通常会改变孔隙率（如微孔、中孔甚至大孔）和堆积行为，从而影响电催化过程中的质量传递和反应选择性。因此，合理设计二维碳材料中的结构缺陷代表了一种提高惰性碳骨架电催化性能的可行解决方案。实验上，Tao等人通过等离子体辅助蚀刻工艺开发了富含边缘和无掺杂剂的石墨烯作为ORR电催化剂。由于形成了丰富的边缘和缺陷位点，该催化剂表现出高ORR活性，具有优异的燃料选择性和长期稳定性，甚至优于商业Pt/C电极，证明了在二维石墨烯材料中创建结构缺陷对电催化的有效性。通过理论模拟，Zhao等人描述了拓扑缺陷依赖的ORR活性，其中包含两个五边形和一个八边形的模型缺陷诱导了局部电子态的显著变化，从而促进了ORR过程中的速率决定步骤。此外，DFT模型表明，石墨烯边缘的拓扑缺陷对ORR性能的影响大于掺杂和普通边缘终止。然而，实验验证这些预测需要精确设计碳缺陷/空位，这仍然超出了简单热聚合的范围。为了通过创建特定缺陷实现高效的催化过程，Jia等人从氮掺杂前体中去除杂原子，开发了具有各种拓扑缺陷的二维石墨烯材料。使用高分辨率像差校正TEM，在石墨烯基底的边缘揭示了不同类型的碳缺陷（五边形、七边形和八边形），提供了关于掺杂二维碳催化剂中拓扑缺陷的清晰实验证据。受益于这种高度缺陷的结构，Jia等人开发的二维石墨烯材料还表现出改进的物理化学表面性质，导致不同的催化剂表面积和疏水性。正如预期的那样，缺陷石墨烯催化剂显示出比原始和掺杂石墨烯样品更高的ORR活性。此外，由于在这种二维碳材料中包含不同类型的结构缺陷，缺陷石墨烯在碱性介质中还表现出良好的OER和HER活性，作为ORR、OER和HER的三功能电催化剂，通过简单地设计碳缺陷实现了高效的电催化转化。这一概念得到了另一项工作的支持，该工作专注于使用从类似的氮去除策略衍生的缺陷介孔碳/石墨烯进行CO₂电还原为CO，其中碳缺陷在某些催化作用中可以超越杂原子掺杂剂的功能。值得注意的是，在最近的几项研究中，石墨烯基底中这些结构缺陷的催化活性也被证明在加速2e-ORR过程中有效，在具有面内或面外缺陷的边缘富石墨烯上表现出高H₂O₂选择性。然而，尽管有相当的电化学性能，但由于其局部化学环境的复杂性，关于二维碳材料中真正活性结构（如sp²或sp³缺陷、拓扑空位类型）的争论仍在继续。已知用于创建这些拓扑缺陷的高温也可能促进二维碳中石墨骨架的恢复（部分由于碳原子的强烈热运动），这可能会限制最终的缺陷含量。此外，尽管通过去除石墨烯中的外来杂原子（如N）更容易获得空位，但去除过程通常是不完全的，不可避免地会在最终产品中留下一定量的N残留。因此，精确控制二维碳电催化剂中的特定碳缺陷结构是未来机理研究的热门话题。为此，Chen等人展示了一种氨辅助热处理方法，用于彻底去除富氮多孔碳中的杂原子，旨在创建大量具有可区分碳结构的缺陷。结果，合成的碳材料表现出高密度的拓扑缺陷，这些缺陷与电催化CO₂-to-CO性能呈正相关。结合材料表征和DFT计算，所有结果都证实了5元环C缺陷边缘位点在促进CO₂RR行为中的不可或缺的作用，证明了拓扑空位对CO₂RR的催化有效性。除了这些碳空位之外，在这种缺陷碳中，氧功能基团的潜在影响也不应被完全忽视，因为催化活性氧物种倾向于与碳空位相互作用，从而可能影响反应路径。

Figure 1. Schematic illustration of bottom-up synthesis of 2D carbonaceous electrocatalysts through the thermal pyrolysis method.

Figure 2. Scanning electron microscopy (SEM) images of 2D carbons made of glucose in eutectic, noninnocent salt melts: (a) N-doped carbon sheets, N-CS; (b) S-doped carbon sheets, S-CS. (c) The nitrogen sorption isotherms, indicating that the sheets have a high outer surface area, but also inner microporosity.

Figure 3. TEM micrographs of (a) BMP-800 and (b) meso-BMP-800. (c) Electrochemical ORR performance of the meso-BMP-800 catalyst compared with the commercial Vulcan XC 72R carbon in 0.1 M HClO₄. The inset shows the cyclic voltammogram of meso-BMP-800 and Vulcan XC 72R measured without rotation in deaerated 0.1 M HClO₄. (d) Schematic illustration of the N-FLG preparation procedure. (e) TEM image of N-FLG. (f) ORR polarization curves of N-FLG-8, N-FLG-12, and N-FLG-16, showing the ORR current density on the disk (jdisk) and the detected H₂O₂ currents on the ring electrode (Iring). (g) The calculated H₂O₂ selectivity and corresponding electron transfer number.

Figure 4. (a) Schematic of N-doped topological defects catalyst (S-1-900) synthesis. (b) Low-resolution and (c) the aberration-corrected TEM images of S-1-900. Inset images in Figure 4c are enlarged images from the red dash squares from areas 1 and 2 in (c). (d) ORR activity of S-1-900, commercial Pt/C and N-doped carbon in 0.1 M HClO₄.

Figure 5. (a) TEM and (b) corresponding EDS mappings of BG-1 for B, C, and O. (c) The NH₃ production rates (left y axis) and Faradaic efficiency for NH₃ (right y axis) of BG-1. The error bars represent the average of three independent measurements. (d) Typical AFM image and (e) low-resolution TEM image of BG. (f) ORR activity of graphene/GCE, BG/GCE and bulk Pt disk electrode in an O₂-saturated 0.1 M KOH solution.

Figure 6. (a) Electrochemical ORR behavior of the as-prepared F-mrGO, A-mrGO, and XC72-based electrodes. (b) Idealized schemes of proposed low-overpotential active sites on F-mrGO and F-mrGO (600). (c) Different oxygen functional group type configurations examined in this study. The carbon atoms denoted by a blue circle are the active sites under investigation (M = H and Na). (d) Calculated two-electron (solid black) ORR-related volcano plot for the ORR to H₂O₂ displayed with the limiting potential plotted as a function of ΔGOOH*.

Figure 7. (a) ORR curves of BCN graphene with different compositions in 0.1 M KOH. (b) Polarization curves of B-doped graphene, N doped graphene, h-BN-dominated graphene, and h-BN-free graphene electrocatalysts in 0.1 M KOH and (c) their corresponding HO₂−selectivity and electron transfer number. (d) STEM image of BNG sample and EDS elemental maps for B, C, N, and O. (e) ORR activity of BNG samples.

Figure 8. (a) Schematic of synthesis procedure of CNB-ZIL catalysts. (b) TEM image and (c) corresponding elemental maps for B, N, and C on CNB-ZIL 8. (d) B K-edge near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectra of the CNB-ZIL catalysts and a boron nitride sample for comparison. (e) 2e− ORR performance of CNB-ZIL catalysts and (f) their HO₂ − selectivity in 0.1 M KOH.

Figure 9. (a) The schematic of the formation mechanism of defective graphene. (b) HAADF image of defective graphene. Hexagons, pentagons, heptagons, and octagons were labeled in orange, green, blue, and red, respectively. (c) ORR, (d) OER, and (e) HER activity of defective graphene (DG), N-doped graphene (NG), graphene (G), and commercial Pt/C and Ir/C.

【成果简介】

同济大学张清然联合河南大学田志红从多个角度系统回顾了二维碳质材料在电催化领域的最新研究进展及其在可控催化的电化学能量转换与存储技术中的应用。总结了二维碳质材料在实际电催化应用中的主要挑战与机遇，包括合成方法的可重复性与规模化、活性基序的精确控制以及原位表征技术的开发等。同时，为二维碳质材料在电催化领域的未来发展提供了系统的理论指导和实践方向，为推动可持续能源技术的进步奠定了重要基础。相关研究成果以“Emerging two-dimensional carbonaceous materials for electrocatalytic energy conversions: rational design of active structures through high-temperature chemistry”为题发表于ACS Nano. （DOI: 10.1021/acsnano.3c12198）

【结论】

电化学能量转换和存储技术是未来最具前景的能源解决方案之一，其核心在于开发高效电催化剂，而二维碳材料凭借丰富的边缘位点、大表面积、高导电性及可调电荷/自旋密度，在电催化领域展现出卓越性能，甚至在某些应用中超越了贵金属基准（如Pt、RuO₂或IrO₂）。通过高温热聚合/退火方法，前体分子和退火温度可精细调控掺杂原子、边缘终止和缺陷，显著提升了无金属二维碳催化剂在ORR和CO₂RR等反应中的性能，其中B/N共掺杂材料的协同效应及界面B-N-C基序被证实为关键活性位点，而表面氧功能化和缺陷修饰（如C-O-C基序）进一步拓宽了催化路径的可调性。然而，二维碳催化剂的未来发展仍面临合成方法规模化、活性基序精确控制及原位表征技术开发等挑战，需进一步优化设计以满足绿色电力和氢经济的实际需求，推动可持续能源技术的进步。

【通讯作者简介】

张清然博士于2022年加入同济大学，现担任环境科学与工程学院长聘副教授兼特聘研究员，高等研究院青年百人（A岗），博士生、硕士生导师，国家高层次青年人才计划入选者，获上海市高层次人才（领军人才）称号等荣誉。博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学，师从女王生日勋章获得者，澳大利亚三院院士Rose Amal教授。近年来先后在 Science Advances，Nature Communications, Advanced Energy Materials, Energy and Environmental Science, Angewandte，ACS nano，Water Research 等国际一流期刊上发表高水平学术论文30余篇。

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本文由XXX供稿

上海大学 Materials & Design 封面论文：介电弹性体人工智能人工肌肉

稀、饭 — Tue, 18 Mar 2025 23:43:42 +0000

随着柔性机器人和各类仿生器件的迅速发展，以介电弹性体（DE）为代表的人工肌肉（AM）材料的研究也越来越受人关注。介电弹性体人工肌肉能在电场环境下发生响应，做出致动行为，有着与动物肌肉相似的功能。然而，在应用端要求不断提高的情况下，人工肌肉材料更新迭代的速度难以满足实际需求，这对材料研究、改进和创新的方法提出了全新的要求。

结合材料科学研究发展到第四范式——数据驱动研究的大背景，上海大学巫金波研究团队提出了人工肌肉材料结合人工智能工具加速其研究的数据驱动研究方法论。该成果以“Artificial intelligence artificial muscle of dielectric elastomers”为题发表在国际知名材料科学TOP期刊 Materials & Design 上，并被选作第251卷期刊封面。上海大学材料基因组工程研究院博士生黄东阳为第一作者，上海大学巫金波教授为通讯作者。该研究得到了香港HTH官网地址大学（广州）温维佳教授的支持。

该论文首先全面回顾了介电弹性体人工肌肉领域的最新进展，在此基础上引入材料基因组的理念，提出了世界上首个开放式的人工肌肉材料数据库，并在AI+AM和AI4Poly领域进行了基础研究和框架的构建。材料数据库的建设以及“试错法”向数据驱动实验的转变，将有助于加速介电弹性体等人工肌肉材料性能的改善和提高，并且将推动智能仿生机器人、柔性机器人等具身智能的迭代和应用推广。

介电弹性体人工肌肉材料包括硅橡胶、丙烯酸弹性体、聚氨酯及嵌段共聚物等多种类型。随着人工肌肉材料在电场下致动性能的不断提高，以及各类柔性抓手和仿生机器人应用的层出不穷，已经有学者初步尝试过建设数据库来推动该领域的研究，但这些尝试都未能满足实用的需求。该研究回顾了介电弹性体人工肌肉材料的理论和应用的发展，从材料本身的特点出发，确立了人工肌肉材料数据库的结构，并建立了世界上首个开放式的人工肌肉材料数据库。研究提出了人工肌肉材料数据库所需遵循的六条准则，为评价、判断和优化人工肌肉材料数据库理清了标准和方向。

在材料数据库建设的基础上，研究进一步引入人工智能工具革新了人工肌肉材料的研究范式，详述了人工肌肉材料数据驱动研究的方法论。人工肌肉材料领域内的专业知识、实验数据结合数据挖掘技术，能够大大提高人工肌肉材料改进和优化的效率，有助于加速指导实验发现新材料。此外，文中还分析了深度学习、自然语言处理、物理智能等新兴技术如何指导或辅助人工肌肉材料的研究，并对聚合物和聚合物基复合材料领域内的大语言模型进行了展望。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752500111X

封面链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127525001741

Nature Energy：新材料助力太阳能制氢

HTH登陆入口网页 — Tue, 18 Mar 2025 22:30:50 +0000

聚合物供体和非富勒烯受体作为光活性材料在有机太阳能电池的发展中发挥了重要作用，并在太阳能制氢设备中具有巨大潜力。然而，由于它们在水环境中的不稳定性以及与催化剂界面处的复合损失，这些材料在太阳能直接水分解设备中的应用受到了限制。帝国理工学院Salvador Eslava、Jenny Nelson、Flurin Eisner、Matyas Daboczi等人提出了一种新型石墨保护的有机体异质结（BHJ）光阳极结构，用于高效、稳定的太阳能水氧化和无辅助水分解。研究团队通过将PM6:D18:L8-BO三元共混光活性层与功能化石墨片（负载地球丰富的NiFeOOH催化剂）结合，解决了有机半导体在水环境中的不稳定性和界面复合损失问题。该光阳极在+1.23 V vs RHE下实现了超过25 mA cm⁻²的光电流密度，并展现出长达40小时的运行稳定性（保持初始电流的70%）。此外，通过单块串联结构（结合PM6:D18:L8-BO和PTQ10:GS-ISO光活性层），在无外加偏压下实现了5%的太阳能到氢能（STH）转换效率。该研究通过创新的材料组合与器件设计，突破了有机光阳极在效率和稳定性上的瓶颈，为低成本、可持续的太阳能制氢技术提供了重要进展。其核心在于石墨保护层的多功能集成与高效催化剂的协同作用，同时为未来优化光活性层稳定性和界面动力学指明了方向。

主要创新点在于：

1.石墨保护层的多功能设计：石墨片同时作为防水层、导电层和催化剂载体，消除了光活性层与催化剂之间的电学损失，并有效隔绝水环境对有机材料的侵蚀。其高孔隙率（50%）和大比表面积为NiFeOOH催化剂的高效负载提供了理想基底。

2高光电流与低起始电位：单结光阳极在+1.23 V vs RHE下的光电流密度达26.4 mA cm⁻²，接近理论极限（31 mA cm⁻²），起始电位低至+0.63 V vs RHE，显著优于同类有机光阳极（此前普遍低于5 mA cm⁻²）。聚合物-聚合物体系（如PM6:PY-IT）进一步降低起始电位至+0.63 V vs RHE，表明材料能级设计的优化潜力。

3.长期稳定性突破：通过石墨保护和催化剂优化，光阳极在持续运行中展现出数天的稳定性，远超传统有机光阳极（通常仅数分钟至小时）。

4.无辅助水分解技术：单块串联光阳极在无外加偏压下实现4.3 mA cm⁻²的光电流和95%的法拉第效率，STH效率达5%，为低成本有机材料在太阳能制氢中的应用提供了新路径。

图1：PM6：D18：L8-BO有机IPV阳极的结构、组成和能量

图2：在PEC电池中测量的PM6：D18：L8-BO有机IPV阳极的性能，活性面积为0.28 cm²

图3：PM6：D18：L8-BO有机IPV阳极和太阳能电池的光强度依赖性。

图4：PM6：D18：L8-BO有机IPV阳极在PEC电池中以及作为室温下太阳能电池中的操作稳定性

图5：在没有任何牺牲剂的PEC电池中，对报道的用于太阳能水氧化的单结全集成器件进行性能比较

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41560-025-01736-6

西安交通大学李平课题组Adv. Funct. Mater.:二维材料结构相变实现三铁序共存和多类型能谷极化

稀、饭 — Mon, 17 Mar 2025 23:40:21 +0000

通讯作者: 李平，西安交通大学

作者：Chao Wu (吴超)，Hanbo Sun (孙涵博)，Pengqiang Dong(董鹏强)，Yin-Zhong Wu (吴银忠)

研究背景：

随着器件尺寸不断减小、集成度不断提高，摩尔定律逼近物理极限，器件的功耗问题成为制约其发展的瓶颈。一种有前景的解决途径是寻找信息传输的新方式。近年来，能谷自由度被理论提出和实验证实。为了便于谷电子的应用，要求能谷极化具有非易失性，切需要在两个能谷极化态之间自由切换。目前，有两大类实现能谷极化切换的方法。一类是通过铁电打破空间反演对称性，使能谷极化方向和铁电极化方向锁定，在外电场作用下实现自由切换。另一类方法是利用磁性打破时间反演对称，这类材料是具有本征磁性的二维能谷极化半导体。但这类材料难以实现能谷极化态之间的切换。因此，需要与铁电材料形成异质结构，这将增加器件制造的难度。此外，在同一材料中实现多类型能谷极化是极具挑战性，但这将拓宽铁谷材料的应用场景。

文章亮点：

作者提出利用二维材料结构相变实现磁性、铁电和铁谷三铁序共存和多类型能谷极化的机制。1T和2H相OsBr₂单层分别呈现非磁性半导体和具有175.49 meV能谷极化的铁磁性半导体。有趣的是，1T相OsBr₂双层由于晶格对称性破缺展现出三态能谷极化，而2H相双层的能谷极化则源于时间反演对称性破缺和自旋-轨道耦合的共同作用。此外，1T相AB层和2H相AA层的能谷极化和铁电极化可以通过层间滑移来调控。重要的是，作者证实了Li⁺离子插入可以使2H相转变为1T相，而1T相可以通过红外激光诱导发生结构相变为2H相。该工作为调控能谷极化提供了一种可行的策略，并为非易失性纳米器件的设计提供思路。

图1. 磁性、铁电和铁谷三铁序共存和多类型能谷极化的物理图像。

图2. 1T相和2H相OsBr₂滑移势垒。

图3. 1T相双层OsBr₂不考虑自旋-轨道耦合作用的能带。

图4. 2H相双层OsBr₂考虑自旋-轨道耦合作用的能带和贝里曲率。

图5. 1T相双层OsBr₂全布里渊的能谷极化。

图6. 2H相双层OsBr₂全布里渊的能谷极化。

图7. 1T和2H相转变示意图和2H相转变为1T相的势垒。

通讯作者信息：

李平，西安交通大学材料科学与工程学院副教授，一直从事低维材料界面磁性质、电子态、拓扑性质及其多物理场调控的研究，主要兴趣包括磁性、铁电、铁谷等多铁性物理,自旋/反常/量子反常/非线性霍尔效应等，迄今为止以第一/共一/通讯作者在国际著名期刊在Nature Communications (1篇), Advanced Materials (1篇), Nano Letters (2篇),Advanced Functional Materials (2篇), npj Computational Materials (1篇), Physical Review系列 (8篇), Applied Physics Letters (3篇)等期刊发表论文40篇，这其中包含ESI高被引论文2篇。根据谷歌学术检索，论文总引用1000余次，入选了美国斯坦福大学发布的2023和2024年度全球前2%顶尖科学家榜单。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、陕西省青年HTH官网地址新星等14项科研项目。

文章链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501506

新兴二维碳材料在电催化能源转换中的应用

稀、饭 — Mon, 17 Mar 2025 23:12:15 +0000

【引言】

随着气候变化、能源危机和环境恶化的日益严重，寻找清洁和可再生能源已成为实现可持续经济的基础。在这一转型过程中，先进的能源转换系统（如水/CO₂电解、燃料电池、金属-空气电池等）至关重要。然而，这些技术的发展在很大程度上依赖于高性能电催化剂的设计，这些催化剂需要具备高活性、高选择性、良好的导电性、长期稳定性、大表面积和低成本等特点。近年来，二维（2D）碳材料因其独特的结构特征和电子特性，在电催化领域展现出巨大的潜力。本文综述了通过高温化学方法设计和制备的二维碳材料在电催化能源转换中的应用，重点介绍了通过热缩合方法精细调控活性结构的设计、制备和机理研究。

【图文导读】

二维碳材料的热缩合基础

热缩合是碳纳米材料合成的关键过程。通过选择合适的有机前体，热缩合不仅可以调控催化剂的物理化学性质，还可以通过程序化的杂原子掺杂或缺陷工程创建理想的活性结构。例如，以二氰二胺（DCDA）为前体，在惰性气氛中热解可以生成石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为模板，进一步升高温度可以去除氮化碳框架，留下有序的二维氮掺杂碳纳米片。通过调控热缩合条件（时间/温度）和反应化学计量比，可以精确调控氮掺杂的类型和数量、厚度和长程有序形态。

2. 二维碳材料在电催化中的独特特性

3. 基于二维碳材料的电催化剂在电催化中的应用

4.1 无金属杂原子掺杂

无金属二维碳材料具有许多优势，如低成本、高稳定性、化学耐受性、良好的导电性和可调的电子特性。然而，原始石墨烯片的电催化性能较差，主要是由于缺乏能够特异性结合反应物分子（如水、O₂、N₂和CO₂）的活性物种。因此，材料化学的多种工具被应用于设计理想的结合位点，通过引入杂原子或生成结构缺陷来扰动sp²杂化碳基底的电子对称性，从而调节结合和连续的电催化过程。值得注意的是，由于掺杂原子与宿主碳骨架之间的电负性不同，电荷变化以及酸碱相互作用被引入，以在二维电催化剂中形成理想的杂原子活性基团。通过密度泛函理论（DFT）计算或其他计算建模方法，可以清晰地阐明结构-活性/选择性关系，为未来开发高效的二维碳催化剂提供描述工具。为此，通过热缩合方法精确设计了具有不同杂原子（如N、O和B）的二维碳材料，以实现高效的催化过程。

4.2 缺陷工程

原始sp²杂化石墨烯网络的拓扑偏差通常会在碳基质的边缘或晶界或单空位处产生缺陷，如五边形、七边形或Thrower-Stone-Wales缺陷，这些缺陷对电化学反应（如CO₂还原和ORR）表现出高活性/选择性。通过DFT模型，已经阐明集体碳电子云上的轨道可以通过包含的碳缺陷轻松调节，从而赋予它们对反应中间体的改进亲和力，并加速ORR过程中的缓慢动力学。此外，结构缺陷的形成通常会改变孔隙率（如微孔、中孔甚至大孔）和堆积行为，从而影响电催化过程中的质量传递和反应选择性。因此，合理设计二维碳材料中的结构缺陷代表了一种提高惰性碳骨架电催化性能的可行解决方案。实验上，Tao等人通过等离子体辅助蚀刻工艺开发了富含边缘和无掺杂剂的石墨烯作为ORR电催化剂。由于形成了丰富的边缘和缺陷位点，该催化剂表现出高ORR活性，具有优异的燃料选择性和长期稳定性，甚至优于商业Pt/C电极，证明了在二维石墨烯材料中创建结构缺陷对电催化的有效性。通过理论模拟，Zhao等人描述了拓扑缺陷依赖的ORR活性，其中包含两个五边形和一个八边形的模型缺陷诱导了局部电子态的显著变化，从而促进了ORR过程中的速率决定步骤。此外，DFT模型表明，石墨烯边缘的拓扑缺陷对ORR性能的影响大于掺杂和普通边缘终止。然而，实验验证这些预测需要精确设计碳缺陷/空位，这仍然超出了简单热缩合的范围。为了通过创建特定缺陷实现高效的催化过程，Jia等人从氮掺杂前体中去除杂原子，开发了具有各种拓扑缺陷的二维石墨烯材料。使用高分辨率像差校正TEM，在石墨烯基底的边缘揭示了不同类型的碳缺陷（五边形、七边形和八边形），提供了关于掺杂二维碳催化剂中拓扑缺陷的清晰实验证据。受益于这种高度缺陷的结构，Jia等人开发的二维石墨烯材料还表现出改进的物理化学表面性质，导致不同的催化剂表面积和疏水性。正如预期的那样，缺陷石墨烯催化剂显示出比原始和掺杂石墨烯样品更高的ORR活性。此外，由于在这种二维碳材料中包含不同类型的结构缺陷，缺陷石墨烯在碱性介质中还表现出良好的OER和HER活性，作为ORR、OER和HER的三功能电催化剂，通过简单地设计碳缺陷实现了高效的电催化转化。这一概念得到了另一项工作的支持，该工作专注于使用从类似的氮去除策略衍生的缺陷介孔碳/石墨烯进行CO₂电还原为CO，其中碳缺陷在某些催化作用中可以超越杂原子掺杂剂的功能。值得注意的是，在最近的几项研究中，石墨烯基底中这些结构缺陷的催化活性也被证明在加速2e-ORR过程中有效，在具有面内或面外缺陷的边缘富石墨烯上表现出高H₂O₂选择性。然而，尽管有相当的电化学性能，但由于其局部化学环境的复杂性，关于二维碳材料中真正活性结构（如sp²或sp³缺陷、拓扑空位类型）的争论仍在继续。已知用于创建这些拓扑缺陷的高温也可能促进二维碳中石墨骨架的恢复（部分由于碳原子的强烈热运动），这可能会限制最终的缺陷含量。此外，尽管通过去除石墨烯中的外来杂原子（如N）更容易获得空位，但去除过程通常是不完全的，不可避免地会在最终产品中留下一定量的N残留。因此，精确控制二维碳电催化剂中的特定碳缺陷结构是未来机理研究的热门话题。为此，Chen等人展示了一种氨辅助热处理方法，用于彻底去除富氮多孔碳中的杂原子，旨在创建大量具有可区分碳结构的缺陷。结果，合成的碳材料表现出高密度的拓扑缺陷，这些缺陷与电催化CO₂-to-CO性能呈正相关。结合材料表征和DFT计算，所有结果都证实了5元环C缺陷边缘位点在促进CO₂RR行为中的不可或缺的作用，证明了拓扑空位对CO₂RR的催化有效性。除了这些碳空位之外，在这种缺陷碳中，氧功能基团的潜在影响也不应被完全忽视，因为催化活性氧物种倾向于与碳空位相互作用，从而可能影响反应路径。

Figure 1. Schematic illustration of bottom-up synthesis of 2D carbonaceous electrocatalysts through the thermal pyrolysis method.

三、【成果简介】

河南大学田志红联合同济大学张清然从多个角度系统回顾了二维碳质材料在电催化领域的最新研究进展及其在可控催化的电化学能量转换与存储技术中的应用。总结了二维碳质材料在实际电催化应用中的主要挑战与机遇，包括合成方法的可重复性与规模化、活性基序的精确控制以及原位表征技术的开发等。同时，为二维碳质材料在电催化领域的未来发展提供了系统的理论指导和实践方向，为推动可持续能源技术的进步奠定了重要基础。相关研究成果以“Emerging two-dimensional carbonaceous materials for electrocatalytic energy conversions: rational design of active structures through high-temperature chemistry”为题发表于ACS Nano. （DOI: 10.1021/acsnano.3c12198）

四、【结论】

电化学能量转换和存储技术是未来最具前景的能源解决方案之一，其核心在于开发高效电催化剂，而二维碳材料凭借丰富的边缘位点、大表面积、高导电性及可调电荷/自旋密度，在电催化领域展现出卓越性能，甚至在某些应用中超越了贵金属基准（如Pt、RuO₂或IrO₂）。通过高温热缩合/退火方法，前体分子和退火温度可精细调控掺杂原子、边缘终止和缺陷，显著提升了无金属二维碳催化剂在ORR和CO₂RR等反应中的性能，其中B/N共掺杂材料的协同效应及界面B-N-C基序被证实为关键活性位点，而表面氧功能化和缺陷修饰（如C-O-C基序）进一步拓宽了催化路径的可调性。然而，二维碳催化剂的未来发展仍面临合成方法规模化、活性基序精确控制及原位表征技术开发等挑战，需进一步优化设计以满足绿色电力和氢经济的实际需求，推动可持续能源技术的进步。

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本文由XXX供稿

JACS: 压电纳米材料，助力无铜点击反应催化

稀、饭 — Mon, 17 Mar 2025 23:03:57 +0000

【科学背景】

电场作为可触发或加速化学反应的“智能试剂”，正日益受到人们的关注与重视。理论与实验研究均已证实了外部电场在诱导和调控化学反应方面的独特作用，例如静电催化。然而，静电催化在某些场景的规模化应用受到有线电极的限制。压电材料因具备将机械能转化为电能的特性而闻名，该过程依靠超声波等无线刺激源实现。目前，利用压电材料产生电场来驱动静电催化的策略尚未被探索。

【创新成果】

近日，暨南大学唐侨副研究员与苏黎世联邦理工学院Carlos Franco高级研究员、Salvador Pané教授和巴塞罗那大学Josep Puigmartí-Luis教授等合作，开发了一种无需电极的压电-静电催化点击反应策略，即利用超声作用下的压电BaTiO₃（BTO）纳米颗粒，来催化非水环境中的叠氮化物-炔烃Huisgen环加成反应。密度泛函理论计算和有关实验共同证实了其催化效果来自于BTO响应超声（压电效应）而在表面产生的原位电场。该工作以封面文章形式发表在《Journal of the American Chemical Society》上。上述研究成果为静电催化的可扩展性作出了积极贡献，并强调了压电材料在化学合成和催化领域中的应用潜力。

【图文解析】

图1 压电BTO NPs和UPA修饰的BTO-UPA NPs的表征

作者选用常用的BTO NPs作为压电-静电催化的模型压电材料，并对其进行表征。末端具有炔烃基团的膦酸分子(UPA)被锚定在BTO NPs表面，用于提供反应必需的炔烃基团。

图2 压电-静电催化介导的叠氮化物-炔烃Huisgen环加成反应性能研究

使用BTO-UPA NPs与末端具有叠氮基团的二茂铁分子(azide-Fc)，在超声下进行压电-静电催化介导的叠氮化物-炔烃Huisgen环加成反应。电化学数据中，超声组可见来自Fc的显著氧化还原可逆特征峰，而非超声组未见Fc的氧化还原信号，从而证实超声协助的压电-静电成功催化了叠氮化物-炔烃Huisgen环加成反应。

图3 非压电SiO₂ NPs在叠氮化物-炔烃Huisgen环加成反应中的催化性能

为进一步排除超声本身的空化作用或机械力对于上述点击反应的影响，选用具备相似尺寸和形貌的SiO₂进行UPA修饰，并与azide-Fc共混后在超声下进行反应。电化学数据中，超声组未见Fc的氧化还原信号，从而可排除超声自身对于上述点击反应的影响。

图4 压电-电场的催化理论分析

理论计算表明，在合理的应变范围内，距离BTO NP表面10 nm处的有效电场依然可达到10⁸ V/m附近。而BTO NP表面的UPA层仅为1-2 nm厚度，远小于10 nm。此外，压电-电场强度被证明与距离有关。因此，将反应基团接枝到BTO NP表面，为通过压电-静电催化叠氮化物-炔烃Huisgen环加成反应提供了合适的条件。

清华大学Science子刊：分子诱导的量子点熟化抑制策略构建高性能QLED

稀、饭 — Sat, 15 Mar 2025 23:54:50 +0000

半导体量子点（QDs）具有高荧光量子产率（PLQYs）、超纯发光、兼容溶液工艺等优点，在光电材料与器件领域展现了广阔的应用前景和巨大的经济价值，并因此获得2023年诺贝尔化学奖。量子点具有极大的比表面积和表面能，因此其表面状态与化学环境深刻影响了量子点及其发光器件（QLED）的性能。

与传统的II-VI族和III-V族量子点（如CdSe, CdS, InP等）相比，钙钛矿量子点展现了成本低、合成工艺简单、光谱连续可调等独特的优势。基于钙钛矿QLED近年来蓬勃发展，其外量子效率（EQEs）已被大幅提高至20%以上，初步达到了商业应用门槛。然而，钙钛矿量子点易遭受化学和光学降解，导致QLED的运行半衰寿命仅为数十或数百小时，阻碍了其进一步产业化。

钙钛矿量子点需要配体与其表面结合以保持胶体稳定。然而，在钙钛矿量子点的生长、纯化、成膜和储存过程中，表面高动态且不稳定的配体容易脱落，导致表面原子配位不足，不饱和键和悬空键增加。然后，量子点表面的非配位原子容易与其他原子结合，导致量子点团聚或奥斯瓦尔德熟化，产生各种缺陷，进一步影响量子点的发光性能和稳定性。

清华大学化学系马冬昕等人提出了一种分子诱导的量子点熟化控制策略，实现了高效稳定的钙钛矿QLED。相关研究成果以“Molecule-Induced Ripening Control in Perovskite Quantum Dots for Efficient and Stable Light-Emitting Diodes”为题，于3月14日发表于《科学进展》（Science Advances）。

团队设计了一系列小尺寸的双齿有机小分子（PZPY, BTZ, TZPY, OZPY）。系列分子具有较小的尺寸和源自吡唑C-N键的分子柔韧性，可以避免空间位阻，通过扭曲其本身结构粘附在量子点表面，与失配位的Pb²⁺相互作用。因此，量子点与典型小分子（PZPY）之间的强相互作用能够始终维持量子点的稳定表面状态，抑制了量子点的不良熟化和团聚现象，降低量子点的表面缺陷态密度，使其PLQYs提高至94%。

团队基于高性能量子点构筑了QLED器件，其电致发光峰位于686 nm，EQE为26.0%。器件展现了优异的操作稳定性，在初始辐射亮度为190 mW sr⁻¹ m⁻²（对应于发光峰为525 nm绿光钙钛矿QLED的100 cd m⁻²）下的工作半衰期为10,587 h；在13.3 mA cm⁻²的恒定高电流密度下，器件工作半衰期为310 min。此外，量子点溶液展现了优异存储性。基于存储一个月量子点溶液构筑的QLED展现了21.7%的EQE，溶液在存储三个月后构筑的QLED展现的EQE为20.3%。这些结果表明，本工作提出的分子诱导的量子点熟化控制策略可以有效提升钙钛矿QLED的效率和稳定性，使其在未来的高清显示和生物医学治疗中具有特定的实用价值和应用前景。

论文信息：Jiawei Chen et al., Molecule-Induced Ripening Control in Perovskite Quantum Dots for Efficient and Stable Light-Emitting Diodes. Sci. Adv.11, eads7159 (2025).

DOI:10.1126/sciadv.ads7159

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads7159