溶解制造多孔金属玻璃（英文）

简单、精密、可控的制造技术在功能表面中具有广阔的应用前景.在这项工作中,我们通过使用食盐这种水溶性材料作为模板,利用金属玻璃优异的热塑成型性能,成功地实现了多孔金属玻璃的溶解制造.通过这种溶解制造方法制备的微/纳米结构具有良好的可调控性,不仅可以制备大面积多孔结构,还可以制备具有纳米级复制精度的有序规则阵列.其中,通过可溶性模板策略制备的无序多孔结构具有约140°的水滴接触角和接近于0°的油滴接触角,可用于油水分离,并且在强酸和强碱的环境中浸泡后表现出稳定的润湿性.即使在严重磨损后,带有多孔结构的表面仍可保持约130°的水滴接触角和约4°的油滴接触角.此外,该策略显示出优异的可重复使用性能.通过在同一个金属玻璃表面上重构三次多孔结构,发现每次重构的多孔结构的润湿性没有显著变化.本文的研究成果为制备多级孔结构及功能表面提供了一种简便可控的方法.     

通过Al掺杂促进可见光驱动的LaTaON2分解水(英文)

LaTaON₂是一种极具吸引力的可见光活性光催化水分解材料.它的吸收波长能够达到650 nm,并且符合水分解反应的热力学要求,是光催化水分解的候选材料.尽管LaTaON₂具有这些优异的性质,它的光催化活性通常不够理想.这是由于LaTaON₂材料通常具有较高的缺陷浓度,严重阻碍了电荷分离.在本文中,我们通过将Al掺杂到Ta亚晶格中来对LaTaON₂材料进行改性,得到LaTa_1-xAl_xO_1+yN_2-y(0≤x≤0.20). Al掺杂不仅抑制了LaTaON₂材料中的缺陷浓度,增加了其表面亲水性,而且还保持了材料原有的可见光吸收性质.这些改进显著改善了LaTaON₂材料内的电荷分离情况,并极大增强了材料可见光下的光催化氧化水制氧性能.在最佳条件下, Al掺杂的LaTaON₂在420±20 nm处水氧化的表观量子效率达到1.17%,这个性能要优于大多数已报...     

环丁砜凝胶化界面工程助力安全耐用的宽温域Li/LiCoO2电池(英文)

高能量密度锂金属电池在电化学储能领域受到了广泛关注,但其存在热失控的风险.尤其在高温或热滥用等恶劣条件下,安全隐患更加凸显.研发本征热稳定、高安全电解质是该领域的一个主要挑战.在该工作中,我们提出了一种简单易操作的凝胶化策略,制备出独特的、高热稳定的环丁砜基凝胶电解质.采用耐高温环丁砜作为增塑剂,通过强偶极-偶极相互作用,实现了聚偏氟乙烯/聚环氧乙烷基质之间的凝胶化,并系统地研究了砜基凝胶对凝胶化过程、锂沉积/剥离和固态电解质界面的影响.由于良好的界面特性,砜基凝胶电解质显著提高了锂金属电池的长循环和安全性能.由凝胶电解质组装的Li/LiCoO₂电池,在高温(高达90℃)条件下仍然呈现出优异的循环稳定性.此外,通过加速量热仪证实了Li/LiCoO₂软包电池的高热安全性(>190℃).该研究工作为开发耐滥用、高比能和长寿命的高安全性锂金属电池提供了新方法.     

基于肖特基势垒调控的低能耗高识别精度的有机突触晶体管（英文）

为了构建类脑神经形态计算网络,单一的人工突触器件应该表现出极低的能量消耗,达到飞焦耳级别.然而,大多数现有的基于欧姆接触的低能耗突触器件实施方案,要么结构复杂,要么需要特定材料,这些因素都阻碍了人工神经网络的进一步发展.本文报告了一种肖特基势垒调控的有机突触晶体管(SBROST).通过在源电极和半导体之间的接触界面引入肖特基势垒,显著降低了单个突触事件的能耗,与使用欧姆接触的传统有机突触晶体管相比, SBROST的性能得到了改善.SBROST不仅可在低工作电压和电流下运行,还具有可适用于不同有机突触器件的简单结构.此外, SBROST可以实现低能耗下的高识别精度.经过100个周期,基于SBROST的手写人工神经网络表现出卓越的识别精度(93.53%),接近理想精度(95.62%).将肖特基势垒引入突触晶体管的方案为构建类脑神经计算网络提供了新的视角.     

超薄金属性MoO2纳米片可控合成及其范德华接触应用研究(英文)

在二维半导体与金属材料间引入范德华接触构建器件被认为是解决二维材料电接触问题的有效途径之一.然而,迄今为止,研究主要集中在半导体材料合成与改性上,而对金属材料的制备和性能的研究较少.在这项工作中,我们报道了利用化学气相沉积法可控合成厚度从3.5到106 nm的层状MoO₂金属二维纳米片.利用X射线衍射、扫描隧道显微镜和透射电子显微镜对制备的MoO₂纳米片进行了系统表征,结果表明,制备的MoO₂为单斜晶型、晶质质量高、稳定性好.电学表征表明, MoO₂具有优良的导电性能,其导电率超过10⁶S m^-1,可与石墨烯和某些金属相媲美.此外,我们还通过引入MoO₂薄片作为范德华接触材料,探索了其在MoS₂场效应晶体管中的接触应用.所获得的MoS₂场效应晶体管表现出低肖特基势垒(3 6 m e V)和高载流子迁移率(210 cm²V^-1s^-1     

TM-N2O2Cx单原子催化剂的设计及电催化CO2还原研究(英文)

电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)被认为是一种潜在的碳循环技术,因为它可以利用CO₂作为资源在温和条件下生产高附加值燃料和化学品.因此,开发高效的二氧化碳还原反应催化剂极其重要.本文设计了一系列TM-N₂O₂C_x (TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)单原子催化剂,并利用密度函数理论研究了其对CO₂RR的催化活性.这些TM-N₂O₂C_x催化剂在相对较低的过电位下对三种不同的产物,包括CH₄、CO和HCOOH,表现出优异的CO₂RR产品选择性,其中ScN2O₂Cx、Mn-N₂O₂C_x、Zn-N₂O₂C_x的CO₂RR产品是CO,V-N₂     

SnO2修饰MoS2薄膜的n-p可调室温氢气响应及其原位SKPM研究(英文)

研发高性能氢气传感器对氢能及相关产业发展具有重要意义.2D-MoS₂纳米材料在构建快速可靠的室温氢气传感器方面优势显著,但灵敏度和选择性较差.本文报导了具有n-p可调型氢敏响应行为的SnO₂修饰MoS₂薄膜,其原位SKPM研究表明SnO₂(0.38 eV)和MoS₂(0.26 eV)在氢敏响应中会出现不同的表面电势变化,使其界面势垒随SnO₂覆盖率的增加而改变,从而使界面效应对体系n型氢敏响应的积极贡献转变为负面补偿.当SnO₂覆盖率为6.4%时,传感器具有增敏、提速且选择性好的n型氢敏响应,当其提高至95.6%时呈现p型响应.这种随结构n-p可调的氢敏响应既能用于传感层的敏感性能调节,还可为MoS₂基二维材料的气敏响应类型调控提供简单易行、成本低廉的方法.     

金属诱导Bi2WO6中氧空位的形成以实现高效的光还原CO2(英文)

基于半导体的高效太阳能转换光催化是应对日益严重的全球能源和环境危机的理想策略.然而,光催化的发展仍然受到可见光利用率低、电荷转移和分离效率低、反应位点不足等问题的限制.本文采用一步还原法将Au纳米颗粒沉积在Bi₂WO₆表面,同时诱导Bi₂WO₆表面形成氧空位.我们发现氧空位浓度随着Au负载的增加而增加. Au纳米颗粒和氧空位改善了材料的光吸收,并促进了光生载流子的分离和运输.此外,氧空位与附近的金属活性位点协同作用,优化了反应物在催化剂表面的吸附能,改变了CO₂分子在催化剂表面的吸附形式,最终在无需牺牲剂的气固体系中实现了高达34.8μmol g^-1h^-1的CO光催化产出速率,比未改性的Bi₂WO₆高出9.4倍.这项工作有望进一步加深我们对金属纳米颗粒与氧空位之间的关系及其在光催化中的协同作用的理解.     

缺陷导致单层WS2中截然不同的激子-激子相互作用(英文)

具有原子层厚度的过渡金属硫族化合物(TMDs)的光电性质深受缺陷数量(DPs)的影响.在本工作中,我们通过多种制备方法得到了具有不同缺陷数量的单层WS₂,并进一步揭示了他们之间不同的激子-激子相互作用.稳态荧光(PL)实验观察到在低的激发功率下,具有最少缺陷密度的单层展示出了最高的荧光强度,但在高的激发功率下却被具有更多缺陷的单层所追赶并大幅超越.激发功率依赖实验表明这些单层展现出了不相同的荧光饱和行为,其饱和阈值功率差异甚至高达四个数量级.结合原位荧光成像以及时间分辨荧光实验,我们将这些单层中的荧光演化差异归因于不同的缺陷数量.而这些缺陷数量的差异大大地影响着激子扩散行为并随之带来不同的非辐射激子-激子湮灭.通过谷偏振实验,我们再次检验了这些单层的缺陷数量.本工作揭示了不同缺陷过渡金属硫族化合物单层中截然不同的荧光行为和潜在的激子动力学,很大程度上促进了面向实际应用的相关高性能器件的设计.     

基于Er3+的力致温度传感(英文)

近年来,力致发光(ML)材料引起了科研人员的广泛关注,因其在众多领域特别是温度传感领域具有潜在的应用价值.值得注意的是,基于ML的温度传感尚处于萌芽期,且目前没有理论支持.本文中,我们基于CaZnOS:Er³⁺力致发光材料和玻尔兹曼分布建立了ML温度传感技术的理论框架.在外部应力刺激下, CaZnOS:Er³⁺力致发光材料能够发射出明亮的绿色荧光,且遵从玻尔兹曼分布理论.基于此,我们证实了该ML温度传感理论框架的适用性,并将其应用到实际案例中,即监测水壶的温度.与此同时,我们也开发了CaZnOS:Er³⁺力致发光材料的多重功能,验证了其在动态防伪和信息加密提取方面的应用.简言之,本工作从实验和理论两方面进行研究,奠定了ML温度传感技术实用化的基础.     

超拉伸水凝胶热电偶（英文）

可拉伸温度传感对实现人机触觉交互和温度调节至关重要,这些传感元件需要贴合特异性表面,且在拉伸条件下保持温度感知的精度.现有可拉伸温度传感器由于温度和形变引起电阻变化的相互干扰,在拉伸过程中存在固有的传感不稳定问题.本文提出了一种超可拉伸水凝胶热电偶,通过构建具有动态交联双网络的热电水凝胶,实现水凝胶热电偶的超拉伸性.通过设计的P型和N型热电水凝胶,构建热电偶单元.热电偶表现出1.93 mV K^-1的高塞贝克系数,即使在100%的拉伸应变下,灵敏度依然保持稳定.本文的研究结果为可拉伸温度传感器提供了一种新的策略,并有望广泛应用于智能可穿戴设备.     

利用AlGaN耦合作用调控WS2层内和层间谷激子(英文)

二维材料中的激子跃迁和能谷极化过程具有丰富的能谷物理特性,因此具有极大的研究价值.本文发现,单层和双层WS₂中激子和能谷特性可以通过耦合不同掺杂浓度的AlGaN进行有效调控.当WS₂和n型AlGaN耦合时,会出现显著的激子能量红移.值得一提的是,来自AlGaN的层间电荷转移作用会促使双层WS₂形成II型能带,进而产生层间激子跃迁.层内激子峰和层间激子峰的能量和强度还可以通过双层WS₂中的转角进行调控.在13 K条件下,通过耦合n型AlGaN,单层WS₂的谷极化率高达82.2%.这是由于AlGaN的电子-声子相互作用会带来更高的激子衰减速率,且掺杂导致的载流子屏蔽效应会减少层间谷散射.层间激子的谷极化率明显高于层内激子,这是由于在层间激子中电子-空穴相互作用较弱,导致层间谷散射受到抑制.本文提出了一种简便有效的方法来调控二维材料的激子特性,在单层WS₂中实现了极高的谷极化,并在双层WS₂中诱导出层间激子.这些发现将激发谷激子物理学的创新...     

晶格应变和异质界面工程协同促进铋基催化剂高效电催化CO2还原生成甲酸(英文)

表面应力耦合异质结构是一种改善非均相催化剂催化性能的有效策略.它可以在调控催化剂电子结构的同时,促进电荷传输.一般来说, Bi基催化剂对CO₂电还原为甲酸的选择性高于ZnO,但是金属Bi的价格高于Zn.本文以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂,通过一步水热法合成了一种具有多孔纳米片形貌的Bi₂O₂CO₃/ZnO异质结催化剂,用于高效电催化CO₂还原制备甲酸.在-1.0 V vs. RHE下,该催化剂展现出最大甲酸盐法拉第效率(92%),且在施加-1.2 V vs. RHE电压下甲酸盐偏电流密度为200 m A mgBi^-1.更重要的是,对Bi的质量进行归一化发现, Bi₂O₂CO₃/ZnO的质量活度比纯Bi₂O₂CO₃的质量活度提升了3.1倍.通过X-射线光电子能谱和X-射线吸收谱测试表明,在该催化剂中,界面Zn原子电荷向Bi原子转...     

定向控制介孔PbI2支架制备效率达22.7%的钙钛矿太阳能电池(英文)

顺序沉积技术为钙钛矿薄膜的制造提供了一种有前途的策略.然而, PbI₂薄膜的高度结晶和致密形态会影响钙钛矿薄膜的质量和再现性.本文将烟酰胺(NTM)衍生物作为简单有效的多功能配体引入到PbI₂前体溶液中,获得了方向可控的介孔PbI₂支架,这源于强烈的化学相互作用和溶剂的加速挥发.本文还制备了位于钙钛矿薄膜晶界处并具有NTM衍生物的纳米带PbI₂晶体,其可以钝化缺陷并提高载流子寿命.基于6-(三氟甲基)烟酰胺(6-F-NTM)调制薄膜的钙钛矿太阳能电池的功率转换效率可提高到22.7%,在2000小时老化后,其功率转换效率为原始值的98.8%.本工作为调节PbI₂薄膜的结晶和控制过量的PbI₂结构以实现高效钙钛矿太阳能电池提供了新思路.     

锡掺杂稳定残留氧促进中间体解吸以增强CO2向CO转化(英文)

铜基氧化物表面的氧化物种可以增强CO₂吸附,降低含氧中间体的结合能,从而提高电还原CO₂的一步还原产物的产率.鉴于此,在还原过程中,Cu₂O上的残留氧通过Sn²⁺稳定,并且残留氧的保留通过原位拉曼光谱(Cu–O_ads)得到了证实.同时,原位拉曼光谱和密度泛函理论计算结果证明,由于残留氧的存在,一氧化碳中间体在SnO/Cu₂O催化剂的吸附能比Cu₂O催化剂明显降低.这使得其在-0.8 V (相对于可逆氢电极)的电位下获得高达97.5%的法拉第效率.铜基氧化物催化剂的氧稳定策略对设计高性能电还原CO₂催化剂具有指导意义.     

非均相掺杂诱导表面形貌重构构建高性能LiNiO2正极材料用于锂离子电池(英文)

具有高容量的LiNiO₂(LNO)是高能锂离子电池最受欢迎的正极材料之一,但是其存在结构和界面稳定性差,循环性能不理想等问题.常规Mg、Al元素掺杂可有效改善稳定性,但会导致可逆容量及倍率性能的损失.本文通过分段的共沉淀法制备了铝镁不均匀掺杂的LNO二次球形前驱体,利用不均匀掺杂减少了掺杂剂用量并诱导实现了前驱体表面形貌的重构,煅烧后形成具有疏松多孔表层形貌的二次颗粒.改性后的LNO正极具有良好的循环稳定性(全电池150次循环后容量保持率为95.1%)和大倍率放电能力(10 C时达到177.9 mA h g^-1),这是由于比表面积的增加促进了锂离子传输,以及镁、铝的掺杂缓解了LNO循环过程中的有害相变.该工作揭示了通过设计掺杂元素的分布可以有效地调节LNO的形貌、结构和性能,为合成高性能的LNO正极材料提供了新的策略.     

通过聚合物脱卤策略合成氧化硼掺杂碳及其高效O2还原制H2O2(英文)

O₂通过电化学法直接合成H₂O₂是目前最有可能替代工业上高耗能的蒽醌氧化/还原法的合成方法,但其一直受限于难以开发出高效且低成本的电催化剂.在此,我们通过聚合物脱卤的绿色策略合成了氧化硼掺杂碳(O-BC)材料,将其用作2e-氧还原反应(ORR)的电极材料,采用电化学的方法制备H₂O₂.通过实验调控硼源(H₃BO₃)的用量和退火温度,优化了O-BC材料的催化活性.电化学测试表明:最佳的O-BC-2-650样品表现出高达98%的H₂O₂选择性;在H型碱性电解槽中H₂O₂平均产率为412.8 mmol gcat.^-1h^-1.密度泛函理论计算模拟表明:与一个氧原子相连的硼原子是最佳的活性位点,在吸附O₂的氢化过程中获得最低的吉布斯自由能差(ΔG)0.03 e V;而没有与氧原子相连或者与两个...     

探索Bi2SeO5的高介电性能:从块体到双层和单层(英文)

Bi₂SeO₅是一种具有优异电绝缘性能的范德华(vdW)层状介电材料,引起了极大关注.然而,目前关于Bi₂SeO₅的研究主要停留在实验层面,仍然缺乏对其原子级薄膜的介电性能的相关理论认识.本文通过第一性原理计算确定了Bi₂SeO₅的介电性能,发现其块体、双层和单层均具有超高平均介电常数(εr> 20).研究表明,单层Bi₂SeO₅与双层Bi₂O₂Se之间的导带和价带能量偏移量均大于1 eV,表明单层Bi₂SeO₅依然可作为原子薄Bi₂O₂Se的良好介电层.此外,不同于h-BN或其他2D vdW绝缘体, Bi₂SeO₅的εr由其离子部分主导,且随着厚度的减小几乎保持不变.计算发现,单层Bi₂SeO₅     

通过钴离子抑制羟基自由基提高WO3/SnO2光阳极在强酸中的稳定性(英文)

酸性环境中光电化学水分解具有广阔的应用前景,但由于缺乏稳定的光阳极以及有效的非贵金属助催化剂,其发展受到了极大的阻碍. WO₃是能够在酸性环境下稳定的半导体之一,但其在光照下的快速性能衰减仍然是一个悬而未决的问题.本研究提出WO₃和WO₃/SnO₂光阳极光电流的快速下降是因为电极/电解质界面上产生的羟基自由基(OH·)导致的.我们发现在pH为0.3的电解质中引入钴(Co²⁺)离子可以有效解决这个问题. Co²⁺的存在可以促进H₂O高效氧化为O₂,而不是产生不利的OH·自由基.最终在Co²⁺存在条件下,可以将光电分解水的法拉第效率从40%提高到95%,将光电流密度从0.6提高到0.8 mA cm^-2,并在1.2 V (可逆氢电极)下稳定25 h.重要的是,在利用维生素C淬灭OH·自由基以后,其光电流稳定性表现出与引入Co²⁺离子时一致,进一步表明Co...     

MXene负载的锇单原子催化剂Os1/Ti2CS2催化低温CO氧化反应的理论研究(英文)

本文报道了一种对CO氧化反应具有低温催化活性的新型硫功能化MXene-Ti₂C (Ti₂CS₂)负载的锇金属单原子催化剂Os₁/Ti₂CS₂.通过密度泛函理论计算,从一系列过渡金属(M=Fe, Co, Ni, Cu; Ru, Rh, Pd,Ag; Os, Ir, Pt, Au)中筛选出最稳定的锇金属单原子催化剂.计算结果表明, Os1/Ti₂CS₂有利于O2和CO的共吸附,且O₂分子的吸附能略高于CO分子.此外,由于O2+2CO能稳定地共吸附在Os₁单原子上, CO氧化反应可能通过三分子反应机理进行.因此,我们研究了CO在Os₁/Ti₂CS₂单原子催化剂上发生氧化反应的四种不同的催化机理:Langmuir-Hinshelwood (L–H)、Eley Rideal (E–R)、termolecular L...