国产期刊Carbon Energy、EcoMat、SmatMat、Nano Research、Science Bulletin研究进展

Science Bulletin：基于超疏水微裂纹导电Ti₃C₂T_x MXene/纸的超灵敏应变传感器用于人体运动监测和电子皮肤

随着可穿戴式智能设备的快速发展，迫切需要低成本、高灵敏度、低检测限的可穿戴式应变传感器。同时，在实际应用中还应考虑传感器在潮湿或腐蚀性环境中的传感稳定性。郑州大学Changyu Shen、Hu Liu等人通过涂覆导电Ti₃C₂Tx Mxene，然后在其表面沉积超疏水蜡烟灰层制备了超疏水微裂纹导电纸基应变传感器。由于导电涂层在干燥过程中与纸基板的弹性模量和热膨胀系数不匹配，导致导电涂层中产生超灵敏的微裂纹结构。制备的纸基应变传感器在0-0.6%的应变范围内具有较高的灵敏度(GF = 17.4)，极低的检测限(0.1%的应变)，在弯曲变形1000次以上具有良好的抗疲劳性能。有趣的是，它也适用于扭转变形检测，具有良好的扭转角依赖性，可重复性和稳定的传感性能。同时，由于微/纳米结构的存在和低表面能的蜡烛烟灰层的存在，表现出了卓越的防水、自洁和耐腐蚀性能。因此，制备的纸基应变传感器即使在水下环境下也能有效监测一系列大尺度和小尺度的人体运动，在实际恶劣的户外环境中具有广阔的应用前景。重要的是，该方法在组装成电子皮肤时，对人体运动时皮肤的空间应变分布检测也具有良好的适用性。本研究对下一代可穿戴式应变传感器的设计具有重要的指导意义。相关研究以“Ultrasensitive strain sensor based on superhydrophobic microcracked conductive Ti₃C₂T_x MXene/paper for human-motion monitoring and E-skin”为题目，发表在Science Bulletin上。DOI: 10.1016/j.scib.2021.04.041

图1 超疏水导电MXene/纸的制备与表征

Science Bulletin：ZIF-L膜具有膜-载体互锁型复合结构，用于H₂/CO₂分离

MOF膜在低能耗化工分离领域具有广阔应用前景。发展MOF膜的关键挑战是膜的微结构设计，例如，降低膜层厚度以极大减小传质阻力；调控膜的孔道取向以优化分子选择性传输；强化晶界结构以最大程度减少缺陷流等。在这里，大连化物所杨维慎、班宇杰等人通过界面组装过程完全限制在氧化铝载体的空隙中，产生一种吸引人的膜-连锁支撑(MIS)复合体系结构的ZIF-L膜，满足MOF膜的微观结构设计要求。结果表明，ZIF-L膜的平均氢气渗透率达到4000 GPU以上，H₂/CO₂分离因子(SF)达到200以上，分离性能达到历史新高，并进入工业靶区(H2渗透率> 1000 GPU和H₂/CO₂ SF > 60)。此外，以氧化铝颗粒为支架建立的MIS复合结构的ZIF-L膜具有机械稳定性，被硅橡胶反复刮擦，没有选择性损失。相关研究以“ZIF-L membrane with a membrane-interlocked-support composite architecture for H₂/CO₂ separation”为题目，发表在Science Bulletin上。DOI: 10.1016/j.scib.2021.05.006

图2 ZIF-L膜的微观结构设计

Carbon Energy：通过合理设计硅价梯度，提高SiOx@C阳极材料的电池性能

对于高性能SiO_x阳极而言，缓解与体积变化相关的应力或应变是非常可取的，以稳定的固体电解质界面膜(SEI)生长为条件。在此，福建师范大学Jiaxin Li、Yingbin Lin教授等人优化了SiOx复合材料的硅价梯度，以规避伴随锂插入/提取的大体积应变。SiO_x@C在850℃退火，具有沿径向平缓的硅价梯度和优异的电化学性能，在1.0 A g⁻¹下提供506.9 mAh g⁻¹的高容量，400次循环的库仑效率高达~99.8%。结合理论预测，得到的结果表明: SiOx@C中平缓的硅价梯度有助于抑制塑性变形，保持SiO_x@C粒子内部连接的完整性。此外，一个温和的硅价梯度会形成一个应力梯度，并影响悬空键的分布，导致在锂化/消解过程中局部应力的释放，并增强锂离子的动力学扩散。此外，最小的界面应力变化保证了界面处SEI膜的稳定，从而提高了循环稳定性。因此，合理设计SiO_x中的硅价梯度可以为实现大量生产高性能SiO_x阳极提供进一步的见解。相关研究以“Boosting the cell performance of the SiO_x@C anode material via rational design of a Si‐valence gradient”为题目，发表在Carbon Energy上。DOI: 10.1002/cey2.141

图3 SiO_x@C复合材料超声喷雾热解示意图及表征

Carbon Energy：Ni基普鲁士蓝类似物在Co和Fe的协同作用下具有优越的钠存储性能

普鲁士蓝模拟物Na₂Ni[Fe(CN)₆] (Ni-PB)因其优异的循环性能而被广泛研究为钠离子电池正极材料。由于Ni的电化学惰性，Ni-PB的理论容量仅为85 mAh g⁻¹。三峡大学Xue‐Lin Yang等人采用Co和Fe在Ni 位双掺杂的方法成功合成了三元Ni-PB，并通过理论计算和电化学测试，系统研究了Co和Fe掺杂对Ni-PB电化学性能的影响。第一性原理计算证实了Co和Fe能显著降低Ni-PB合金的能垒和能带。X射线衍射和成分分析结果表明，三元NiCoFe-PB复合材料结晶度好，钠含量高，缺陷和结晶水少。电化学测试表明，除了高自旋Co/Fe和低自旋Fe的容量贡献外，Co掺杂提高了低自旋Fe的电化学活性，而Fe掺杂提高了高自旋Co的活性; 此外，双掺杂还可以降低扩散电阻Na⁺离子通过固体电解质界面膜，加速了离子扩散过程和法拉第反应的动力学，增加了活性位点。在Co和Fe的协同作用下，NiCoFe-PB三元合金表现出优异的电化学性能，在20 mA g⁻¹时初始放电容量高达120.4 mAh g⁻¹，在2 A g⁻¹的高电流密度下，即使经过10000次循环，容量衰减率也极低，为0.0044% /周，显示出三元NiCoFe-PB在大规模储能领域的巨大应用潜力。相关研究以“Ternary Ni‐based Prussian blue analogue with superior sodium storage performance induced by synergistic effect of Co and Fe”为题目，发表在Carbon Energy上。DOI: 10.1002/cey2.142

图4 (A) Ni–PB, (B) NiCo–PB, (C) NiFe–PB, (D)NiCoFe–PB形貌表征

EcoMat：基于3D打印的摩擦电纳米发电机的一站式制造

摩擦电纳米发电机（TENG）适用于采集低频、弱机械能，在分布式无线传感器网络节点供电方面具有广阔的应用前景。寻求一种经济、简单、高效的制造方法是致力于绿色创新能源发展的研究者们的兴趣所在。在这里，中科院北京纳米能源与系统研究所张弛等人提出了一种基于三维(3D)打印的一站式制造TENG的方法。首次将镍粉和聚四氟乙烯微粒子以不同比例掺杂到Dragon Slow Skin 10 (DSS10)基板中，制备出一系列功能性油墨。采用接触分离模式的TENG每一层都可以用配制好的油墨在可编程的三轴平移阶段按顺序打印，具有完全的封装性、各向同性、灵活性和可拉伸性。在此基础上，制作3D打印的足底能量收集器和能量收集手环，分别植入脚底和手腕，收集生物机械能，为电子手表、温度计等便携式电子设备提供持续动力。本工作为TENG提供了低成本、环境友好的先进制造策略，显示了TENG在标准化和大规模制造方面的巨大前景。相关研究以“One-stop fabrication of triboelectric nanogenerator based on 3D printing”为题目，发表在EcoMat上。DOI: 10.1002/eom2.12130

图5 油墨的机械性能和电导率表征

EcoMat：界面光蒸汽转换驱动铅从污染土壤中去除

界面光蒸汽转换是一种绿色、可持续的技术，在海水淡化、净水废水净化等领域得到了深入研究。在这里，该技术被进一步开发用于土壤修复。澳大利亚南澳大学Haolan Xu、Gary Owens等人设计了一种新型光热蒸发器，用于加速土壤溶液中铅的提取，从而成功地快速修复铅污染土壤。在2周内，这种太阳能驱动的蒸发修复降低了38.4%的生物可利用铅(从359 mg kg^-1到221 mg kg^-1)，没有过多的营养损失，也没有二次污染。修复后植物试验表明，修复后土壤的植物毒性显著降低，地上根Pb含量降低50%。由于这种技术不涉及外部能量输入; 除了太阳辐照，持续运行的成本很低，因此具有显著的可持续实际应用潜力。综上所述，本研究首次证明界面光蒸汽转换可以成功地应用于土壤修复。相关研究以“Interfacial solar evaporation driven lead removal from a contaminated soil”为题目，发表在EcoMat上。DOI: 10.1002/eom2.12140

图6 太阳能驱动的修复系统示意图

Nano Research：用纳米试管合成超薄二硫化铼纳米带

英国诺丁汉大学Andrei N. Khlobystov等人建立了单壁碳纳米管(SWNTs)内超薄二硫化铼(ReS₂)纳米带的合成方法。十碳羰基二铼配合物被封装在碳纳米管中，提供了受限的铼原子来源，这些铼原子容易与碘反应，形成分散的纳米尺寸的簇状碘化铼[Re₆I₁₄]²⁻嵌入在碳纳米管中。合成的最后一步是让硫化氢气体进入纳米试管，生成缠绕在碳纳米管中的二硫化铼纳米带，ReS₂@SWNTs。二硫化铼纳米带的宽度、结构和组成受到宿主SWNT的严格限制。在每个合成步骤中，采用互补成像和分析相结合的整体分析方法来阐明客体材料的结构和组成，并揭示SWNT对封装无机结构的电子相互作用的作用。由于ReS₂纳米带有望保留块体材料的电子特性，如直接带隙，该材料的低维形式可用于纳米级电子器件。相关研究以“Synthesis of ultrathin rhenium disulfide nanoribbons using nano test tubes”为题目，发表在Nano Research上。DOI: 10.1007/s12274-021-3650-2

图7 通过Re团簇的包封反应合成ReS₂@SWNT

SmartMat：具有双重保护的蜂窝状分层多孔硅复合材料具有超稳定锂离子电池阳极

硅为阳极锂存储提供了高的理论比容量。但由于体积变化剧烈而导致电极不稳定，绝缘性能限制了速率性能，阻碍了其应用。在这里，香港科技大学Tianshou Zhao等人介绍了一种简单和快速的方法制备与多孔结构MXene和碳涂层硅结合的蜂窝状硅基阳极(MXene‐Si@C)。来自表面涂层和形成的层间空隙的双重保护改善了硅的体积膨胀，从而增强了电极的机械稳定性。此外，高导电性的MXene与表面碳涂层形成了层次性和连续性的电子导电网络，电阻明显降低。利用该复合材料，可获得较高的平均库仑效率，即使在1.5 mg/cm²的面积负荷下，也能达到99.73%和82.4%的高容量保留率。加上一个NCM523阴极，概念验证全电池提供高容量164.2 mAh/g，在0.2 C下的能量密度为574 Wh/kg(基于电极材料的质量)，在0.5 C下的循环性能良好，可循环100次，容量保持率(80.28%)。相关研究以“Honeycomb‐like hierarchical porous silicon composites with dual protection for ultrastable Li‐ion battery anodes”为题目，发表在SmartMat上。DOI: 10.1002/smm2.1061

图8 MXene‐Si@C的制作流程，优点及结构的功能的示意图

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本文由Junas供稿。

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