Science/Nature盘点: 十二月材料领域重大进展

1、Science：新型界面结构推进钙钛矿太阳能电池商业化进程

埃尔朗根-纽伦堡大学Yi Hou、Christoph J. Brabec（共同通讯）指出基于混合有机卤化物铅钙钛矿的薄膜太阳能电池进一步商业化的主要瓶颈是器件中的界面损失。并经过研究提出了一种通用的界面结构，该界面由可溶液加工的，高度可靠性的和具有成本效益的空穴传输材料组成，使用这种界面结构不会影响钙钛矿太阳能电池的效率，稳定性或可扩展性。钽掺杂的氧化钨（Ta-WO_x）/共轭聚合物多层膜提供小界面阻挡层，并且与各种可缩放的共轭聚合物一起形成准欧姆接触。在具有常规平面结构和自组装单层的简单器件中，Ta-WO_x掺杂的钙钛矿太阳能电池实现的最大效率为21.2％，并具有超过1000小时的光稳定性。通过消除额外的离子掺杂剂改善界面结构大大提高了电池的综合性能，这些发现将对其他有机物作为用于钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料的研究提供重要的参考依据。

文献链接：A generic interface to reduce the efficiency-stability-cost gap of perovskite solar cells（Science，2017，DOI:10.1126/science.aao5561）

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2、Science：美国可再生能源国家实验室提出生产可再生丙烯腈的新方法

美国可再生能源国家实验室Gregg T. Beckham（通讯作者）团队提出了一种使用3-羟基丙酸（3-HP）生产可再生丙烯腈（ACN）的新方法，所述3-羟基丙酸（3-HP）可由糖微生物产生。该方法通过用廉价的二氧化钛固体酸催化剂脱水和氨氮化从3-羟基丙酸乙酯（乙基3-HP）获得超过90％的ACN摩尔收率。随后，该团队进一步阐释了一个基于这种化学反应的大规模集成工艺，可以实现丙烯酸乙酯近乎定量的ACN产率（98±2％）。这种吸热方法消除了反应过程中失控的危险，并且比标准丙烯氨氧化方法获得更高的产率，既避免氰化氢作为副产品同时也提高了工艺安全性并减少了产品处理要求。

文献链接：Renewable acrylonitrile production（Science，2017，DOI:10.1126/science.aan1059 ）

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3、Science：Pt/CeO₂低温活化一氧化碳

华盛顿州立大学王勇教授、美国新墨西哥大学Abhaya K. Datye（共同通讯）团队该研究证明了已经热稳定的二氧化铈（CeO₂）上原子分散的离子铂（Pt²⁺）如何可以通过蒸汽处理（在750℃）进行活化，以实现低温一氧化碳（CO）氧化活性的目标，同时提供优异的水热稳定性。研究发现，在Pt²⁺附近的CeO₂上形成新型的活性位点，改善了反应条件。在氧化环境中，这些活性位点在800°C以下稳定。蒸汽处理后，Pt²⁺催化剂可以在150℃下变得对CO氧化有活性。在模拟汽车尾气的研究中，这种催化剂处理还改善了其对诸如碳氢化合物等其它尾气成分的氧化活性。

文献链接：Activation of surface lattice oxygen in single-atom Pt/CeO2 for low-temperature CO oxidation（Science，2017，DOI：10.1126/science.aao2109）

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4、Science：晶界边缘对二氧化碳电还原催化的选择性增强

多晶材料通过经过位移在晶界出会产生应变区，因而有可能产生高能表面用以催化。材料催化活性与晶材料中的晶界密度被认为有关联性，但缺乏直接证据。斯坦福大学Matthew W. Kanan（通讯作者）等人研究利用电化学测量和具备微米分辨率的扫描电化学显微镜技术，表明金电极的晶界表面边缘比晶粒表面对CO₂电还原为CO具有更高的催化活性，但与H₂析出反应没有可比的活性。研究结果为进一步探索异质催化剂中晶界效应提供新策略。

文献链接：Selective increase in CO₂ electroreduction activity at grain-boundary surface terminations（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aao3691）

5、Science：磁性拓扑绝缘体畴壁上的量子化手性边缘传导

对畴壁（DW）构型和运动的控制可以实现磁性和介电材料在微小外部磁场下的非易失响应。东京大学K. Yasuda和Y. Tokura（共同通讯作者）利用磁力显微镜尖端设计并制造出在量子反常霍尔态中的磁畴，通过运输测量证明了沿指定DW手性一维边缘传导现象的存在。研究结果可促进低功耗的自旋电子器件的实现。

文献链接：Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aan5991）

6、Science：过渡金属硫族化合物中激子凝聚的特征

伊利诺伊大学Luc Venema（通讯作者）等人利用动量分辨电子能量损失谱仪（M-EELS）研究过渡金属硫族化物半金属1T-TiSe₂中的电子集合模式。研究发现接近相变温度后电子模式能量在非零动量处下降为零，标志着等离子体波动变慢，价电子结晶成激子聚体。研究结果为三维固体中激子凝聚现象提供确信证据并证实可利用M-EELS研究量子材料中的价带激发。

文献链接：Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aam6432）

7、Science：在二氧化硅载体上合成超小双金属纳米颗粒

南卡罗莱纳大学J. R. Regalbuto（通讯作者）设计了一种相对简单、高效、普适的方法制备高度分散、良好合金化的双金属纳米颗粒，该方法可实现贵金属和碱金属（Pt、Pd、Co、Cu、Ni）中任意两种金属的共同吸附，制造出分散均匀，合金化均匀，颗粒平均尺寸为0.9-1.4纳米的负载型双金属纳米颗粒。

文献链接：Synthesis of ultrasmall, homogeneously alloyed, bimetallic nanoparticles on silica supports（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aao6538）

8、Nature：“电鳗”启发水凝胶软电源

推进技术与生物体的结合要求电源具有生物可相容性、机械灵活性，并能利用生物系统内部的化学能。密歇根大学Michael Mayer（通讯作者）等人受电鳗启发开发出一种软电源。通过将阳离子和阳离子选择性凝胶膜的重复排列形成微型聚丙烯酰胺凝胶，实现凝胶组分间离子梯度变化，体系堆叠后形成的导电通路可产生110伏的开路电压，同时每凝胶电池平方米达到27毫瓦。这种电力设备可用以为下一代可移植材料如起搏器、传感器或假体等设备供能。

文献链接：An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels（Nature，2017，DOI:10.1038/nature24670）

本文由材料人学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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