SCIENCE CHINA Materials 2017年第8期

《Science China Materials》 Volume 60, Issue 8, August, 2017

分形结构在大自然中遍布各处，从广阔的星系到精致的雪花。具有分形结构的纳米晶体通常具有较大的表面积与体积比，丰富的低配位边缘和拐角，因此在实际应用中成为引人入胜的催化剂。匡勤和谢兆雄等开发了一种简单的溶剂热方法，用于直接制备独特的单晶Rh超支化结构，不仅具有很好的结构稳定性，而且易于调整生长级数。独特的结构使得制备的Rh纳米薄片在乙醇电氧化和苯乙烯氢化方面具有优异的催化活性（参见第685页的文章）。

1. Article

Synthesis of single-crystal hyperbranched rhodium nanoplates with remarkable catalytic properties

超支化Rh单晶纳米薄片的合成及其催化性能研究

Jiawei Zhang, Meishan Chen, Jiayu Chen, Huiqi Li, Suheng Wang, Qin Kuang, Zhenming Cao and Zhaoxiong Xie

贵金属纳米晶的催化性质与其结构密切相关。比表面积越大、配位不饱和的边角原子密度越高，贵金属纳米晶在催化反应过程中表现出的性能往往越优异。相比于常见的具有完整几何形貌的贵金属纳米晶，具有多重分级结构特征的超支化贵金属纳米晶拥有更大的比表面积以及更丰富的配位不饱和的活性位点，因此被认为是一种潜在的性能优异的催化剂。 但这种具有多重分级结构特征的超支化贵金属纳米晶无论是在生长机理研究还是可控制备上都还存在巨大的挑战。本文通过简单的湿化学法成功制备出一种具有多重分级结构特征的超支化Rh纳米薄片。该产物由三角形纳米片在扩散限制条件下分级生长形成，整体呈现三次对称性的单晶特征。研究表明，该纳米结构不仅具有出色的结构稳定性，而且其生长级数可通过反应溶剂比例的简单调节进行调控，从而实现Rh纳米薄片比表面积和位于边/角活性位点的原子比例的调控。由于拥有更大的比表面积以及更为丰富的配位不饱和的活性位点，这种具有多重分级结构的超支化Rh纳米薄片在乙醇电催化氧化和苯乙烯催化加氢催化反应中展现出了比目前主流商业催化剂Rh黑更为优异的催化活性。

SCIENCE CHINA Materials 60(8): 685-696

2. Article

Environmentally-friendly solvent processed fullerene-free organic solar cells enabled by screening halogen-free solvent additives

筛选非卤溶剂添加剂制备非富勒烯有机太阳能电池

Wenchao Zhao, Long Ye, Sunsun Li, Xiaoyu Liu, Shaoqing Zhang, Yun Zhang, Masoud Ghasemi, Chang He, Harald Ade and Jianhui Hou

虽然近年来有机太阳能电池的能量转换效率已经超过13%，但是加工高效率有机太阳能电池的溶剂大多数是含卤溶剂，这些溶剂体系阻碍了有机太阳能电池的进一步发展。因此, 探索使用绿色溶剂制备高效率电池具有重要意义。本文在非卤溶剂邻二甲苯作为主溶剂的前提下，通过筛选不同非卤溶剂作为添加剂制备高效有机太阳能电池，在PBDB-T:IT-M共混材料体系中，取得了11.6%的能量转换效率，该效率是使用非卤溶剂加工有机太阳能电池的最高效率之一。 我们通过一系列形貌测试将共混薄膜形貌的相区尺寸，相区纯度以及结晶性等重要形貌参数与器件性能进行关联，这对非富勒烯有机太阳能电池的性能优化具有指导意义。本研究表明，通过细致筛选非卤溶剂添加剂调节共混薄膜的形貌，从而可以获得高性能的有机太阳能电池。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 697-706

3. Article

Asymmetric indenothiophene-based non-fullerene acceptors for efficient polymer solar cells

含茚并噻吩的不对称非富勒烯受体材料及其高性能聚合物太阳电池

Changquan Tang, Shan-Ci Chen, Qi Shang and Qingdong Zheng

本文设计合成了三个新型含茚并噻吩的“受体-给体-受体”型不对称非富勒烯受体材料。通过使用具有不同吸电子能力的末端基团（如：二氰乙烯基、3-乙基绕丹宁、2-二氰亚甲基-3-乙基绕丹宁）实现了目标材料的带隙和能级调控。以这些非富勒烯受体材料与PTB7-Th给体材料共混制备的倒置聚合物太阳电池, 实现了高达7.49%的光电转换效率和1.02伏的高开路电压以及0.59电子伏的低能量损失。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 707-716

4. Article

Hydrothermal synthesis of coherent porous V₂O₃/carbon nanocomposites for high-performance lithium- and sodium-ion batteries

水热法制备多孔V₂O₃/碳复合材料用于高性能锂离子电池和钠离子电池的研究

Xinxin An, Hulin Yang, Yaping Wang, Yan Tang, Shuquan Liang, Anqiang Pan and Guozhong Cao

碳复合材料已经在能量储存和转换设备中得到广泛的研究，并且通常由液体前驱体制备. 本文报道了在LiH₂PO₄的帮助下，VO₂微米球通过“溶解和重结晶”，形成V₂O₃和碳纳米复合材料的特殊过程。得到的钒氧化物纳米颗粒在碳基体中分布均匀。V₂O₃/碳复合材料继承了KB碳的多孔特征，比表面积为76.59 m²g⁻¹。作为锂/钠离子电池的负极材料，V₂O₃/碳复合材料表现出比V₂O₃纳米颗粒更高的放电比容量，更好的倍率性能和循环稳定性。电化学性能提高归因于V₂O₃/碳纳米复合材料的多孔结构，其允许电解质渗透，缩短离子扩散距离并提高电子导电率。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 717-727

5. Article

Structure and electrochemical performance of BaLi2−xNaxTi6O14 (0≤x≤2) as anode materials for lithium-ion battery

锂离子电池BaLi2−xNaxTi6O14 (0≤x≤2)负极材料的结构与电化学性能

Wei Tao, Mao-Lian Xu, Yan-Rong Zhu, Qianyu Zhang and Ting-Feng Yi

本文采用简单的高温固相法制备了BaLi_2-xNa_xTi₆O₁₄ (0≤x≤2)系列化合物作为储锂材料。XRD Rietveld精确表明Bragg点与BaLi₂Ti₆O₁₄相对应，由于Na⁺的半径比Li⁺的半径大55%，因此Na⁺掺杂的BaLi₂Ti₆O₁₄化合物具有比纯BaLi₂Ti₆O₁₄更大的晶胞体积。SEM测试结果表明，BaLi_2-xNa_xTi₆O₁₄ (x=0, 0.5, 1)粉末呈相似的不规则的颗粒状, 粒径大约在500到1000 nm之间。但是，BaLi_2-xNa_xTi₆O₁₄ (x=1.5, 2)展示了棒状的形貌. 循环伏安结果表明, 钝化膜主要在第一次嵌锂过程时形成, BaLi_2−xNa_xTi₆O₁₄ (0≤x≤2)表面的SEI膜主要在第一次循环且电位在0.7 V以下时形成. 相对于其他样品, BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄具有较高的可逆容量, 较好的倍率性能和优异的循环性能. 电流密度为50、100、150、200、250和300mA g⁻¹时, BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄的脱锂容量分别为162.1、158.1、156.7、152.2、147.3和142 mA h g⁻¹. 有趣的是, BaNa₂Ti₆O₁₄作为阳极也展示了可接受的电化学性能。BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄所提高的电化学性能可以归因于其最小的极化和最高的锂离子扩散系数。因具有优异的循环性能、简单的合成路线和宽的放电区间，BaLi_0.5Na_1.5Ti₆O₁₄可作为锂离子电池负极候选材料。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 728-738

6. Article

Exploring an effective oxygen reduction reaction catalyst via 4e⁻ process based on waved-graphene

波浪型石墨烯作为高效四电子氧气还原反应电催化剂的探索

Lujie Cao, Mingyang Yang, Zhouguang Lu and Hui Pan

本文基于第一性原理，针对一种本征或氮掺杂的石墨烯在不同晶胞参数压缩比和在酸性条件下的氧气还原反应机理进行了探索。文章假设了两种不同的反应机理，并逐步分析了从氧气吸附到水分子形成的整个过程，结果表明基于氧气分子解离机理的四电子过程是唯一有效的路径。文章进一步提出了一种有效的氧气还原反应机理，这为设计新的非金属电催化剂提供了新的思路。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 739-746

7. Article

A new two-dimensional TeSe₂ semiconductor: indirect to direct band-gap transitions

新型二维半导体TeSe₂：间接带隙到直接带隙的转变

Bozhao Wu, Jiuren Yin, Yanhuai Ding and Ping Zhang

本文基于第一性原理计算预测了一种新颖的二维稳定结构TeSe₂，结果显示单层TeSe₂是一种半导体材料, 其带隙值为2.392 eV。有趣的是单层TeSe₂的间接能带在宽范围的双向负应变(0.02~0.12)作用下转变为直接能带。比单层黑磷烯更小的有效空穴电子质量预示了TeSe₂具有更高的载流子迁移速率。此外, 对不同厚度TeSe₂的声子模及光学性质也进行了计算，结果显示不同厚度的TeSe₂具有较强的光学各向异性，尤其是多层TeSe₂具有更宽的吸收波长。这些结果表明，TeSe₂作为一种新颖的二维结构在纳米器件领域具有巨大的应用潜力，如高速超薄晶体管, 纳米力学传感器，紫外-可见红光区声光偏振器及光电子器件等。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 747-754

8. Article

In-situ phase transition to form porous h-MoO₃@C nanofibers with high stability for Li⁺/Na⁺ storage

原位液相转变制备多孔h-MoO₃@C纳米线用于锂/钠离子储存

Zhi Chen, Yongkang Liu, Hang Zhang, Shuangshuang Ding, Taihong Wang and Ming Zhang

基于金属氧化物存储机制, MoO₃比MoO₂具有更高的理论容量。本文通过热的硝酸氧化MoO₂@C纳米线成功制备出具有400.2 m² g⁻¹高比表面积的多孔h-MoO₃@C纳米纤维，且碳壁没有明显破坏. 作为锂离子电池的负极，与MoO₂@C纳米线相比多孔h-MoO₃@C纳米纤维电极表现出更好的性能, 其中在2 A g⁻¹的电流密度下500循环后展现出302.9 mA h g⁻¹的可逆容量。作为钠离子电池的负极，h-MoO₃@C电极同样具有很好的倍率性能。在2 A g⁻¹的电流密度下500循环后仍具有108.9 mA h g⁻¹的容量，并且在2 A g⁻¹的电流密度下1200循环后还能保持91 mA h g⁻¹的容量。由于碳壁可以维持结构的完整性且可提高导电性；同时h-MoO₃ 的隧道结构可作为分离电子孔并为Li⁺/Na⁺嵌入脱出提供更多的特有位置,使得该复合纳米线作为电极材料表现出更好的性能。本工作为合成具有高价的过渡金属氧化物/碳复合材料在电池和催化剂领域的运用提供了依据。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 755-765

9. Article

Rectangular flake-like mesoporous NiCo₂O₄ as enzyme mimic for glucose biosensing and biofuel cell

基于矩形片状介孔NiCo₂O₄用于非酶葡萄糖生物传感器和葡萄糖生物燃料电池的研究

Shiqiang Cui, Jiangjiang Zhang, Yaping Ding, Shuqing Gu, Ping Hu and Zongqian Hu

矩形片状介孔NiCo₂O₄催化剂被首次同时用于非酶葡萄糖传感器和非酶葡萄糖燃料电池中。结果表明：在传感器上，介孔NiCo₂O₄催化剂对葡萄糖具有优异的传感特性，如超快的响应时间(小于1 s)，超高的灵敏度(662.31 μA (mmol L⁻¹) ⁻¹cm⁻²)以及超低的检测限(0.3 nmol L⁻¹ at S/N= 3)；在燃料电池上，介孔NiCo₂O₄催化剂作为负极材料展示出了良好的应用前景，包括0.63 V的开路电压，0.092 mW cm⁻²的最大输出功率和1.3 mA cm⁻²的极限电流密度。该材料对葡萄糖优异的催化能力归因于介孔结构引起的巨大比表面积能够提供更多的活性位点和NiCo₂O₄本身具有的良好的催化能力。本研究为促进非酶葡萄糖超敏感检测和丰富非酶葡萄糖燃料电池负极催化材料的发展提供了有利的依据。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 766-776

10. Article

Multifunctional Cu_1.94S-Bi₂S₃@polymer nanocomposites for computed tomography imaging guided photothermal ablation

多功能Cu_1.94S-Bi₂S₃@polymer纳米探针用于CT成像指导的光热治疗

Xiaoquan Lu, Yuanbao Li, Xilin Bai, Gaofei Hu and Leyu Wang

铋掺杂硫化铜纳米晶用于CT成像指导的光热治疗已经引起了人们的广泛关注。然而，低剂量的铋掺杂CT信号弱，高剂量铋掺杂又会减弱硫化铜的光热效果。本文报道了一种多功能纳米探针，用两亲性高分子将油溶性Cu_1.94S和Bi₂S₃纳米晶同时封装于约85 nm大小的纳米微球中,用于CT成像指导光热治疗. 多功能纳米探针中Cu_1.94S和Bi₂S₃纳米晶的量和比例能够灵活调节, 从而得到较高的光热转换效率(~31%)和良好的CT成像能力(27.8 HU g L⁻¹)。这些纳米探针在4T1荷瘤小鼠进行瘤内注射后，显示了良好的CT成像与肿瘤光热治疗效果。该复合纳米探针的制备方法还可用于其他多功能纳米探针的制备。

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 777-788

11. Highlights

Universal organic anodes enable safe low-cost aqueous rechargeable batteries with long cycle life, high capacity, and fast kinetics

Weixing Song and Guozhong Cao

SCIENCE CHINA Materials 60(8), 789-791

本文由材料人编辑部特邀编辑、《Science China Materials》实习编辑吴禹翰整理、发布。