顶刊动态 | Science：7月材料前沿科研成果十大精选

内容预览：瑞士洛桑联邦理工学院利用真空闪蒸溶液处理法制得大面积钙钛矿太阳能电池；清华大学&量子物质科学协同创新中心发现原子级厚度SnTe薄膜面内的铁电性；哈佛大学利用烯烃的非对称催化氟化生成二氟甲基鸟氨酸立体异构体；浙江大学&爱尔兰利莫瑞克大学&美国德克萨斯大学利用杂化多孔材料孔化学和尺寸控制实现乙炔乙烯分离；美国新墨西哥大学发现耐高温的单原子Pt/CeO2催化剂；麻省理工学院引入二维等离激元实现禁阻跃迁；麻省理工学院实现纳米复合材料与半无限石墨烯在有限板内的包覆；日本东北大学发明轻量化形状记忆镁合金；曼彻斯特大学&新加坡国立大学综述二维材料和范德华异质结的研究发展； 伊利诺伊大学&阿贡国家实验室发现用于离子溶液中吸收二氧化碳的纳米结构过渡金属二硫化物电催化剂。

1、真空闪蒸溶液处理法制得大面积钙钛矿太阳能电池

图1 钙钛矿薄膜的沉积及器件结构介绍

目前，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其较高的光电转换效率（PCE）和较低的制造成本，吸引着广大研究者的兴趣。但由于其不能在大型设备上发挥高性能，实际发展受到着巨大的阻碍。

瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Grtzel（通讯作者）研究小组提出了一种简单的真空闪蒸辅助溶液处理法，以获得能大面积运用且具有高电子质量的光泽、光滑、结晶性好的钙钛矿薄膜。研究者利用该方法制备了一个面积超过1cm2钙钛矿太阳能电池，其显示的最高效率为20.5%，认证效率为19.6%。这一数值远超目前同等大小的钙钛矿太阳能电池15.6%的认证效率记录。该方法使得制造一个面积超过1cm2且高效率的太阳能电池成为可能。同时研究人员证明了该方法的可重复性极佳，且电池J-V曲线中几乎不表现出滞后性。

文献链接：A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells（Sicence，2016，DOI:10.1126/science.aaf80600）

2、原子级厚度SnTe薄膜面内铁电性的发现

图2 由自发极化和畴壁调控诱发的能带弯曲

铁电体在临界转变温度之下出现自发极化。但对于高密度的电子设备或纳米级设备，铁电薄膜变得更薄，低于室温的居里点使铁电材料的自发极化消失，限制了其发展。

最近，清华大学物理系、量子物质科学协同创新中心的陈曦（通讯作者）和季帅华（通讯作者）等人成功利用分子束外延技术制备出了高质量、原子级厚度的SnTe薄膜，并利用扫描隧道显微镜（STM）观测到铁电畴、极化电荷引起的能带弯曲，以及STM针尖诱导的极化翻转，证明了单原胞厚度的SnTe薄膜存在稳定的铁电性。分析表明，量子尺度效应引起的能隙增大、高质量薄膜中缺陷密度以及载流子浓度的降低，是铁电增强的重要原因。同时，薄膜厚度的降低导致面内晶格增大在铁电性增强上起到部分作用。具有面内极化方向的SnTe铁电薄膜在电子器件方面有着潜在的广泛应用前景。

文献连接：Discovery of robust in-plane ferroelectricity in atomic-thick SnTe（Science ，2016，DOI: 10.1126/science.aad8609 ）

3、烯烃的非对称催化氟化生成二氟甲基鸟氨酸立体异构体

图3 β-取代苯乙烯的底物范围

氟烷基对分子物理、生物特性的影响，启发了研究者，力争发现通用方法以使该基团可控引入有机化合物。偕二氟基或1,1-二氟基，易从简单羰基化合物制得，已经显现出作为多种极性官能团的化学惰性电子等排体的有用特性。二氟甲基（CHF2）还有另一个特征，它携带有一个弱酸化的C-H键，这使它可作为一个亲脂性氢键供体，进一步，可作为醇和硫醇的生物异构体。因此，在分子中引入二氟甲基可赋予其诸多优良性能，如可调节生物有效性、代谢稳定性、亲脂性，同时引入或保持了生物靶子的关键识别元素。这些决定了其在生物成像、生物医药等领域的巨大潜力和科研价值。

哈佛大学化学与生物学系的Eric N. Jacobsen教授（通讯作者）等人报道了一种β-取代苯乙烯的非对称可迁移催化偕氟化新方法，来制得带有二氟甲基鸟氨酸三级异构体和四级异构体的多种产物。反应利用已商业化的反应物（间氯过氧苯甲酸、氟化氢-吡咯络合物）和手性芳基碘催化剂，反应规模1克左右。作者还对其机理进行了研究，取代效应和对映选择性的温度依赖变化表明，阳离子-π相互作用在该催化剂的立体分化效应中扮演者至关重要的角色。

文献链接：Catalytic, asymmetric difluorination of alkenes to generate difluoromethylated stereocenters（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf8078）

4、杂化多孔材料孔化学和尺寸控制实现乙炔乙烯分离

图 4 杂化多孔材料和乙炔的中子衍射晶体结构图

近年来，人类社会的能源和资源越来越依赖于天然气、页岩气和乙烯等气体，这对高效节能的气体分离技术提出了迫切需求。然而气体分离过程中普遍存在选择性和容量难以兼具的现象（trade-off效应）。由于这一限制，工业界往往以高昂的设备投资和巨大的能量消耗作为代价，来实现高纯气体制备。

浙江大学邢华斌（Huabin Xing）教授（通讯作者）、爱尔兰利莫瑞克大学Michael J. Zaworotko教授（通讯作者）和美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校Banglin Chen教授（通讯作者）等人采用离子杂化多孔材料，突破了气体分离选择性和容量之间的trade-off效应，实现了乙炔乙烯的高效分离。该材料拥有三维网格结构，网格上嵌有的无机阴离子通过氢键作用可专一性的识别乙炔分子，获得迄今为止最佳的乙炔乙烯分离选择性。与此同时，调控阴离子的空间几何分布和孔径大小，促使被吸附的乙炔分子之间或乙炔-多孔材料之间形成协同作用，获得极高的乙炔吸附容量。从而解决了传统气体吸附过程分离选择性和容量难以兼具的巨大挑战。

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）

5、耐高温的单原子Pt/CeO2催化剂

图5 Pt纳米颗粒烧结示意图

“单原子催化”即采用单原子分散的金属催化剂进行催化反应，是近几年催化和材料研究领域非常热门的课题。由于催化剂表面的活性组分高度分散，其金属的利用率非常高（理论上达100%），催化活性高，在资源利用上有着普通催化剂不具备的优势。研究者们已经通过低负载量浸渍、嵌入合金特定位点、光化学沉积等方法制备了一系列的单原子催化剂，但是，单原子催化剂还面临着高温不稳定等问题，在反应条件或者强热下，原子发生迁移（或团簇迁移）从而团聚形成大颗粒，破坏原有的单原子分散状态，影响催化剂的稳定性。

美国新墨西哥大学Abhaya K. Datye（通讯作者）等人发现利用氧化铈（CeO2）与铂（Pt）的相互作用可以将Pt原子非常稳定地“铆”在CeO2的部分晶面上，使得原子级分散的Pt能够在高温下保持稳定而不团聚。研究者利用Pt与CeO2的相互作用，通过将Pt在高温下气化（PtO2形式）并沉积在CeO2表面的方式在800 ℃下制备得到了原子级分散的Pt催化剂，并表现出了一定的CO氧化活性。这是一种利用金属与载体之间的相互作用来制备稳定的单原子催化剂的方法。

文献链接：Thermally stable single-atom platinum-on-ceria catalysts via atom trapping（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf8800）

6、引入二维等离激元实现禁阻跃迁

图6 将二维的等离激元与发射体相偶联

一个系统中光与物质相互作用的差异主要受限于原子小的能带宽度，这与原子辐射的光的波长相关，另外也受限于较小的精细结构常数。因此，实现双量子自发辐射较单量子自发辐射更难。光的波长和频率与相位速度相关，要实现禁阻跃迁，光的相位速度则要接近0.001c，而这在实际中很难实现。

麻省理工学院物理系的Nicholas Rivera（通讯作者）带领的研究团队提出利用二维材料作为等离激元，实现光与物质相互作用的理论。这种二维等离激元如石墨烯、单层银可有效提高精细结构常数和原子与光之间的能带宽度。理论表明传统的禁阻的光-物质相互作用如高能级多级跃迁、双等离子自发辐射和单-三重态磷光辐射过程，可较传统的快速跃迁在更短的时间内发生。这项发现将翻开光谱学、传感及宽频光等领域一个新篇章，同时打开超强耦合体中量子动力学这个潜在的研究领域，并能够充分利用辐射体的全电子光谱。

文献链接：Shrinking light to allow forbidden transitions on the atomic scale（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf6308）

7、纳米复合材料与半无限石墨烯在有限板内的包覆

图7 平面复合材料电学性能的研究

二维材料可以在最大强化限制下独特地跨越其周围复合材料基体的物理尺寸。纳米复合材料的概念是由观察得到的，填料颗粒增强加固否则就是像聚合物一样形成轻而坚固的复合材料（软性材料）。目前，高体积分数的连续二维组件的对准和装配对于二维材料技术仍具有一定挑战性。

麻省理工学院化学工程系的Michael S. Strano（通讯作者）等人使用堆叠的方法来生产对齐的石墨烯/聚碳酸酯复合材料，该材料由320个约0.032mm - 0.11mm厚的平行层组成，显著增加了有效的弹性模量和强度，而且体积分数仅为0.082%。类似的横向剪切滚动的方法生成了阿基米德螺旋纤维，得到可伸缩的断裂伸长率为110%，大于芳纶的30倍之多。该复合材料保留了沿石墨烯平面轴导电的各向异性。在大量减少体积分数的情况下这些复合材料可以保证高机械强度，电学和光学性能。

文献链接：Layered and scrolled nanocomposites with aligned semi-infinite graphene inclusions at the platelet limit（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf4362）

8、轻量化形状记忆镁合金

图8 多晶SMAs的最大超弹性应变和比重对比

形状记忆合金（SMA）材料：加热后能恢复形状，并具有超弹性。SMA材料可恢复超过2%的应变，因此应用于各种工业，如手机天线，镜框、耦合设备、紧固件、医疗器械和地震阻尼器等。此外，因为其拥有自展开和减震的特性，航天材料最近也着眼于SMA材料的应用。形状记忆合金（SMAs）在高温状态下能够恢复形状和超弹性，这种独特的行为曾在除镁合金以外的多种合金中观察到。

日本东北大学的Daisuke Ando（通讯作者）和Yuji Sutou（通讯作者）等人发明一种超轻形状记忆镁钪合金，密度为此前常见的镍钛形状记忆合金的70%，有望应用于航天等领域。这种合金在特定温度下发生“超弹性”效应，表现为能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。 新的超轻镁钪合金除了具有以往最密堆积结镁合金的六方晶构造，还可形成体心立方结构，在零下150摄氏度时展现出超弹性特征。此外，还可通过改变钪的含量来改变镁钪合金发生超弹性效应的操作温度。这种合金因此弹性极好且有形状记忆特性，在高强度和高延展性方面具有很好的平衡性。

文献链接：A lightweight shape-memory magnesium alloy（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf6524）

9、二维材料和范德华异质结

图9 2D材料量子相转变相图

二维(2D)材料和基于这种晶体的异质结方面的物理学已经发展的非常快了。与这些新材料有关的真正的二维物理学已经开始出现(例如：缺乏长程有序、二维激子、公度非公度转变等等)。新型异质结器件-如：隧穿晶体管、谐振隧穿二极管和发光二极管-也开始出现了。由单个二维晶体组成的这种器件，利用这些材料的特性塑造出其他异质结无法达成的功能。

最近，英国曼彻斯特大学的K. S. Novoselov（通讯作者）和新加坡国立大学的 A. H. Castro Neto（通讯作者）等人综述了包括石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物和黑磷等新型二维晶体材料的特性，并讨论了如何将它们的这些特性应用到新型异质结器件中去。该项工作对二维材料异质结器件的发展方向做出了合理的预测和评估，对微纳器件的发展具有重要的意义。

文献链接：2D materials and van der Waals heterostructures（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aac9439）

10、用于离子溶液中吸收二氧化碳的纳米结构过渡金属二硫化物电催化剂

图10 “人工树叶”工作原理示意图

二氧化碳转换成燃料是解决目前人类社会众多能源和环境挑战的一种具有很强吸引力的解决方案。然而，二氧化碳是一种在空气中可以稳定存在的气体，其化学惰性致使很多电化学和光化学转换反应效率很低。

伊利诺伊大学Amin Salehi-Khojin（通讯作者）和阿贡国家实验室Larry A. Curtiss（通讯作者）等人报道了一种过渡金属硫属化物纳米结构电化学催化剂，其可用于在离子溶液中将二氧化碳催化转变为一氧化碳。研究发现，二硒化钨纳米片在54mV超低电势作用下，显示有高达18.95mA/cm2的电流密度，高达24%的一氧化碳法拉第电流效率和0.28s-1的一氧化碳形成转换频率。研究者将该催化剂成功应用于光捕获人工树叶平台，使其在缺少外在电势的情况下，依然可以进行水的氧化反应。作者表明，这一技术适应性强，不仅能大规模使用于太阳能电厂，还可以小规模使用。将来甚至还可以用在大气主要成分是二氧化碳的火星上。

文献链接: Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf4767）

本文由材料人编辑部学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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