顶刊动态｜Science/AM/Nano Letters等一周中国学术进展汇总【第51期】

国内周报第51期摘要：华东理工大学——在细粒度和充分有序的金属间铂-铁催化剂研究取得进展；中科院化学所——制备出高效率的非富勒烯聚合物太阳能电池；苏州大学&北京大学——通过螺纹状铂-铜纳米有界晶面指数提高电催化效率；清华大学——通过单层掺杂MoS2增强超导性；浙江大学——在乙烯-乙炔杂化多孔材料的空隙化学性质及尺寸控制获得进展；清华大学——利用Biginelli反应的原理使多元组合聚合取得进展；华南师范大学——在基于经典受挫自旋模型CuCrO₂的磁性状态的掺杂效应研究取得进展；中国科学技术大学——基于UIO-66多孔纳米八面体磷化钼实现高效率制氢。

1.Energ. Environ. Sci.：细粒度和充分有序的金属间铂-铁催化剂显著提高催化活性和耐久性

图1 加速耐久性试验的结果

催化活性和耐久性的改进一直以来都是燃料电池进行商业化的主要挑战。

最近，华东理工大学的Xin Xin Du（第一作者） 和Yan He(共同一作)、Jian Nong Wang（通讯作者）准备了尺寸为3.6nm且具有完全有序金属间结构的铂-铁颗粒，并在多孔碳（Pt-Fe@C）中俘获它们，以此来提高纳米催化剂对于氧还原反应（ORR）的性能和耐用性。这种氧还原反应的纳米催化剂在实际应用上比Pt/C商业催化剂的催化效果要高8-10倍。与其它相关文献中报道的金属间催化剂相比，这种催化剂具有最佳增强效果。加速耐久性测试已经引起有序结构发生微小变化，并且在恶劣的电化学条件下，成千上万的潜在周期也导致了轻微的活性损失。高活性和耐用性归因于晶粒度、纳米颗粒的有序结构及由该多孔碳提供的密闭效应。纳米颗粒(Pt-Fe@C)的应用对于性能优化，降低成本和提高燃料电池的实际应用是一种新策略。

文献链接：Fine-grained and fully ordered intermetallic Pt-Fe catalysts with largely enhanced catalytic activity and durability（Energy & Environmental Science，2016，DOI:10.1039/C6EE01204C）

2.  Advanced Materials：具有中带隙聚合物供体和窄带隙有机半导体受体的高效率的非富勒烯聚合物太阳能电池

图2 (a)该工作中使用的设备结构 ; (b)聚合物供体的化学结构 (J51 和J50)和非富勒烯受体(ITIC) ; (c)J51和ITIC薄膜的吸收光谱

聚合物太阳能电池，因其清洁、经济实惠、成本低、可再生等优点，在过去二十年内得到了广泛的研究。目前最常用的受主材料是富勒烯衍生物，但是这种受主材料存在着一定的缺点，如对于可见光的吸收较弱，化学和电子的调节能力比较差等。

最近，中科院化学研究所李永舫（通讯作者）和张志国（通讯作者）和美国劳伦斯伯克利国家实验室Feng Li（通讯作者）等人采用并二噻吩-转氨酶-氯苯的共聚体J51作为介质带隙聚合物供体和具有高消光系数的低带隙有机半导体ITIC作为受体得到了以9.26％的高效率的非富勒烯聚合物太阳能电池。这项研究很好的改进了以富勒烯为受主材料的聚合物太阳能电池的缺点，也提高了太阳能电池的效率。

文献链接：High-Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Medium Bandgap Polymer Donor and Narrow Bandgap Organic Semiconductor Acceptor（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601595）

3、Nano Letters：通过螺纹状铂-铜纳米有界晶面指数提高电催化效率

图3  螺纹状PtCu1.8的形态结构分析: (a)低倍率电镜图像;(b,e)高倍率电镜图像;（c）高角度环形暗场电镜图像;（d）高角度环形暗场电镜图像和映射图像;（f）高分辨率;（g）电镜图像和对应选区单一纳米线的电子衍射

 在醇的高性能催化剂环境下，由燃料驱动的质子交换膜燃料电池的研究中，铂是最常见且最有前途的金属部件，其有高活性和耐久性能获得更高的效率。

最近，苏州大学黄小青（通讯作者）和北京大学郭少军（通讯作者）等人通过将高晶面指数引入纳米晶体，为提高催化活性开辟了一条新的途径。他们制作了独特的三维螺纹状铂-铜纳米合金线，这些纳米合金线具有高密度以及高晶面指数，且组成可控。这种特殊的纳米线具有高达46.90m²/g的表面积，使其在乙醇条件下发生电氧化时，比铂铜纳米粒子有更好的性能。

文献链接：Screw Thread-Like Platinum–Copper Nanowires Bounded with High-Index Facets for Efficient Electrocatalysis（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01825）

4. PRB ：单层掺杂MoS2增强超导性

图4. 原始单层MoS2电子结构: (a)单层MoS2顶部、侧部视图; (b)带结构和DOS周围价带顶部和导带底部

超导体是1911年由荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人发现的。汞在极低的温度下，其电阻消失而呈超导状态。此后超导体的研究日趋深入。目前，超导体已经进行了一系列试验性应用并且开展了一定的军事、商业应用。

清华大学物理系倪军（通讯作者）等人用第一原理计算系统研究掺杂单层MoS2的超导体。通过实验发现，大多数掺杂的单层MoS2中电子-声子耦合是因为Mo原子在平面内的震动造成的，而这种情况可以通过应力来调整。此实验采用了双轴压缩应力，在超导转变温度（Tc）处有一个巨大转变，此处可以得到Tc在22k时的最佳掺杂浓度，同时电子掺杂结构中的电子-声子耦合却由于直接或间接带隙绝缘体的转变而减少。此项研究表明掺杂结合应力能够有效的调整电子-声子耦合，增强超导性。

文献链接：Strongly enhanced superconductivity in doped monolayer MoS2 by strain（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.024501）

5. Science：乙烯-乙炔杂化多孔材料的空隙化学性质及尺寸控制

图5 乙炔和乙烯的MOFs材料的吸附等温线

人们对气体分离、传感和存储解决方案的迫切需求推进了对多孔材料的研究。多孔材料又被称作有机金属框架（MOF）或多孔配位聚合物（PCPS）。这些材料因其内在的多样性，使其拥有精确的空隙化学性质和尺寸。

最近，浙江大学邢华斌（通讯作者）等人通过控制金属配位网络（连有六氟硅酸和有机物）中空隙化学性质和尺寸，以主-客体或客-客相互作用方式优先有序地结合乙炔分子。他们通过建模和中子粉末衍射的方式对乙炔特定结合位点进行验证。这项工作不仅揭示了工业中乙炔/乙烯的一个分离路径，也有利于多孔材料的进一步发展。

文献链接：Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylene capture from ethylene（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf2458）

6. JACS ：通过Biginelli反应进行多元组合聚合

图6. (a)基于A₂(8)B₂(1,2,3,5)C(1)聚合物（黑点）Tgs的模拟曲线 以及A₂(8)B₂(4)C(1)的Tg值的预测值（圆点）和实际值（蓝点）之间的比较; (b) A₂(X)B₂(Y)C(1)聚合物的Tg谱; (c) A₂(X)B₂(Y)C(2)聚合物的Tg谱; (d) 混合Tg谱（蓝色为A₂(X)B₂(Y)C(1)，绿色为A₂(X)B₂(Y)C(2)）

多元组合聚合方法已被开发为组合化学、高分子化学、有机化学的新交叉点。

近日，清华大学化学系陶磊（通讯作者）等人利用Biginelli反应的原理使多元组合聚合取得了一定的进展。三元比吉内利反应一直被用作为多组元反应模型，该模型能够有效地制备一个具有连续变化的链结构的缩聚物，使自然增加反应模块（单体）在数据库中的聚合物数量直接翻了一番，这有效地提高聚合物的制备效率。这些同源聚合物的玻璃化转变温度（T_g）已被映射为首次以优异的精度预测不存在的聚合物同系物的T_g值。同时，根据聚合物结构（连接基团、单体链长等），T_g图也用于揭示热重的规律性变化并初步提出了多组元聚合体系的理论意义。目前的研究开辟了一个通过多组元反应模型合成新的聚合物数据库的简单方法，并且该研究可能促使多组元反应模型在跨学科领域有更广泛的研究。

文献链接：Multicomponent Combinatorial Polymerization via the Biginelli Reaction（JACS , 2016 , DOI:10.1021/jacs.6b04425）

7. PRB：掺杂氧化铜铁CuCrO₂的自旋玻璃态和增强的螺旋相位

图7  自旋结构和一个干净的系统交换作用和掺杂系统

文献链接: Spin glass state and enhanced spiral phase in doped delafossite oxide CuCrO2 （PRB ，2016，DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.94.024410）

8. Angewandte Chemie：基于UIO-66多孔纳米八面体磷化钼的高效制氢

图8 a. 六条电催化剂极化曲线; b. 由极化曲线计算的Tafel图; c. 三条电催化剂的电化学阻抗光谱，Rs和Rct分别代表电解质和电荷转移电阻; d. MoP@PC与Mo2C@PC的耐久性

目前，化石能源的快速消耗造成了很多环境问题，如全球变暖和雾霾。寻找清洁能源和可再生能源替代化石能源是当务之急。

最近，中国科学技术大学李亚栋（通讯作者）和Yuen Wu（通讯作者）利用金属-有机框架（MOFs）的高温分解产生的孔隙率，使得高度分散的MoO₂小颗粒可通过化学气相沉积（CVD）方法沉积在多孔碳材料。经过碳化、氮化、磷化的处理，经碳催化剂作用的Mo₂C-、MoN-以及MoP-能够选择性地制备未改变的形态。在以钼基复合材料中，MoP多孔碳材料具有显著的析氢催化反应。这项研究表明多功能微粒结构实验室的发展具有乐观的前景。

文献链接：Porous Molybdenum Phosphide Nano-Octahedrons Derived from Confined Phosphorization in UIO-66 for Efficient Hydrogen Evolution（ACS Nano ， 2016， DOI: 10.1002/anie.201604315）

以上我们列举的仅为过去一周内（7.6-7.13）我国先进材料研究的最新进展的代表。整理过程中难免存在疏忽，还望各位读者谅解并诚挚欢迎大家提出意见/建议，或推荐最新的国内材料研究新闻线索给我们：tougao@cailiaoren.com。

本期周报由国内材料周报小组丁勇、昝菲、高依飞撰写，材料牛编辑整理。