钴纳米颗粒嵌入的分级多孔碳正极用于高性能锂硫电池（英文）

锂硫电池理论能量密度大、成本低廉,被认为是最有前景的电化学储能系统之一.然而,硫和放电产物硫化锂的低电导率,充放电时的体积膨胀,以及多硫化锂的穿梭效应严重影响了其可逆容量和循环性能.本文采用了一种简单的模板法制备了Co纳米颗粒嵌入的分级多孔碳网络(Co-NHPC).通过合理结构设计,以及原位生成的Co纳米颗粒的嵌入,Co-NHPC表现出很强的对LiPSs的吸附和催化转化能力.结果表明,Co-NHPC在0.2 C时的初始可逆容量为1478.6 mA h g^-1,经过500次循环后,在1和5 C下仍可分别保留674.9和451.6 mA h g^-1的可逆容量.     

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.     

分子桥连石墨烯/银用于高性能导电浆料（英文）

印刷作为一种增材制备技术可以降低制备过程中的材料成本并减少对环境的污染.银导电浆料常用于各种电子印刷器件,如互联网、电感、天线等领域.然而贵金属银的高成本限制了其大规模应用.为了降低目前银导电浆料的成本,本文提出了一种分子桥连的石墨烯/银(MB-G/A)导电浆料,并应用于高导电性、低成本的纸基电子器件.石墨烯可以取代部分银纳米颗粒,降低成本的同时形成合适的导电网络,从而保证了良好的导电性能.采用巯基乙胺作为分子桥连剂,其一端通过叠氮反应锚定在石墨烯表面,另一端通过巯基官能团与银原子成键,实现石墨烯和银之间分子尺度的桥连,从而促进石墨烯/银界面的电荷传输.结果表明所制备的MB-G/A导电浆料的最大电导率可达2.0×10⁵S m^-1,且可成功应用于各种电子器件中.此外,最优的MB-G/A导电浆料的成本与纯银导电浆料相比减少了至少一半.该MB-G/A导电浆料在商业化电子器件领域具有良好的应用前景.     

硫掺杂氮化碳纳米片棒状聚集体用于光催化析氢（英文）

合成具有较宽吸收光谱的少层氮化碳是一个具有吸引力的课题.杂原子掺杂(特别是硫掺杂)可以有效地避免纳米级片层氮化碳中由于量子限制效应所引起的带隙加宽.与二次煅烧硫化不同的是,预硫化超分子前驱体可以原位地形成硫掺杂氮化碳纳米片堆叠聚集体(SCN).这种少层的框架结构呈现出了更大的比表面积(139.06 m² g^-1),暴露了更多的活性位点.此外,硫的引入使原七嗪环的共轭结构发生扭曲,从而通过激活价带电子的n→n^*跃迁而缩小带隙.在模拟日光条件下,SCN_0.8(3925.8μmol g^-1h^-1)的析氢速率是块体氮化碳(BCN,485.2μmol g^-1 h^-1)的8.1倍.本工作旨在最大限度地利用杂原子掺杂和形态调控的协同效应来提高光催化活性,且为光催化剂的多维同步优化提供了新的视角.     

用于高性能太阳能界面蒸发的织物交错复合水凝胶（英文）

二维织物材料已广泛应用于太阳能界面蒸发,然而织物基太阳能蒸发器要实现吸光材料与纤维之间的强相互作用,高效的输水能力,优异的脱盐性能和高蒸发率仍然具有挑战性.我们制备了一种织物交错复合水凝胶(FICH)用于高效的太阳能界面蒸发.由于酸化碳纳米管均匀分布在水凝胶中并与大分子链形成氢键,水可以通过超亲水织物连续泵入复合水凝胶中,从而降低水的蒸发焓.薄型FICH蒸发器具有优异的光热转换性能,具有高蒸发速率(2.47 kg m² h^-1),强耐盐性,长期蒸发稳定性和耐久性.此外,FICH可以用于腐蚀性溶液和乳液的净化,在太阳能海水淡化中显示出广阔的应用前景.     

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.     

碳纳米管锚定在中空碳上用于高效氧还原反应（英文）

设计和制备用于高效氧还原反应(ORR)的非贵金属基电催化剂对于清洁能源转换装置的开发至关重要,但又极具挑战性.在本工作中,我们通过热解双金属前驱体ZIF-Zn/Co,成功制备了一种新型的分级中空碳纳米复合材料HNCT-CNT.该材料富含Co-N_x位点以及原位形成的多壁碳纳米管.理论和实验表明, HNCT-CNT使ORR中间体的活化能垒降低,因而表现出了优异的ORR性能.最佳催化剂表现出较正的半波电位为0.85 V,极限电流密度高达6.36 mA cm^-2, Tafel斜率为58.2 mV dec^-1,且结构稳定性良好.此外,基于HNCT-CNT组装的锌空气电池还显示出1.49 V的开路电压和116.56 mW cm^-2的功率密度.综上,这种无机物模板法为制备金属有机框架化合物衍生的非贵金属基碳纳米电催化剂用于高效的电化学能源领域提供了一种新的方法.     

丙二醇电解液键结构调控及其水系锌离子电池稳定性研究（英文）

水系锌基电池具有低成本和高安全性的优点,是很有潜力的储能技术.然而,枝晶、副反应和较差的低温性能限制了其实际应用,这与电解液的溶液组成密切相关.在本工作中,我们通过调控丙二醇电解液的溶剂结构及键相互作用,有效抑制了锌枝晶和副反应.丙二醇具有较高的电子云密度和DN (Donor number)值,可以破坏水分子间和水分子与Zn²⁺间的相互作用,从而提高H–O共价键的强度,降低水活性和冰点,改变Zn²⁺的溶剂化结构.制备的电池器件表现出高的循环稳定性(Zn//Zn电池循环超过1000 h),高可逆性(库伦效率达到98.9%),高储锌性能(在5 A g^-1下比容量为225 m A h g^-1,循环5000圈容量保持率为9 2.6%)和优异的防冻性能(在-2 0°C下循环5 0 0圈比容量为190 m A h g^-1).本工作为高性能水系锌离子电池的发展提供了一种有前景的策略.     

可定制多孔玻璃表面的溶解制造策略（英文）

玻璃表面微纳结构的设计和制造在实现所需功能方面具有重要意义.然而,玻璃固有的硬度和脆性给传统制造方法带来了不便.因此,开发一种简单且可控的制造策略对于制备具备功能应用的微纳结构玻璃至关重要.在本文中,我们提出了一种创新方法,利用可溶性氯化钠颗粒作为前驱体模板,在玻璃表面上创建可定制的多孔结构.通过我们的先导成型策略,成功利用可溶性氯化钠颗粒的潜力作为前驱体模板,从而便于制造量身定制的多孔玻璃表面.通过调节这些颗粒的大小和组合,我们实现了对所得多孔玻璃的连续调控,范围从超亲水(1°)到超疏水(142°).值得注意的是,制备的多孔玻璃表面表现出显著的亲油性,展示了在油水分离和自清洁等多种应用方面的巨大潜力.最重要的是,即使经过了10次制造迭代,玻璃表面的疏水-亲油功能依然完好,凸显了我们策略的耐久性和可重复性.这种方法为实现玻璃的特殊功能提供了方便且具有成本效益的途径,为不同领域的进展铺平了道路.     

超细铂纳米颗粒复合多孔碳纳米纤维催化剂用于高效氧还原反应（英文）

合理设计铂纳米颗粒尺寸是制备高效氧还原电催化剂的关键.本工作中,我们借助静电纺丝和ZIF-8的双重限域作用合成了超细铂纳米颗粒锚定在多孔碳纳米纤维上的催化材料.低Pt负载(4.2 wt%)的Pt@PCNFs在碱性和酸性电解质中均表现出优异的氧还原反应活性,其质量活性分别为41和51 A g_Pt^-1,分别是商业Pt/C催化剂相应值的8倍和10倍.在不同温度的碱性和酸性环境的计时安培试验和加速稳定性实验中, Pt@PCNFs的稳定性均优于Pt/C基准.该催化剂的优异性能可归因于小尺寸的Pt纳米颗粒、丰富多孔的纤维结构、Pt纳米颗粒与N掺杂碳纳米纤维之间的强金属载体相互作用以及碳壳层的保护作用.     

具有双离子吸附的多级结构氮掺杂碳球助力超高倍率及稳定的锌离子超级电容器（英文）

尽管高能量水系锌离子超级电容器(ZHSCs)的研究取得了重要的进展,但缓慢的锌离子扩散及不理想的阴极材料仍然限制了其能量密度和循环寿命.在本文中,我们设计了具有合适的孔径分布及优异的锌离子储存能力的氮掺杂分级碳球(NMCSs).组装的ZHSCs在0.2 A g^-1的电流密度下,表现出优异的电容量(157.8 m A h g^-1)及能量密度(126.2 W h kg^-1),具有卓越的功率密度(39.9 kW kg^-1).此外, ZHSCs表现出了超长的循环稳定性,在50,000次循环测试后仍能保持96.2%的初始电容量.此外,我们设计了一种新型的平面ZHSCs,表现出优异的低温电化学性能,超高的体积能量密度(31.6 mW h cm-3)和极佳的集成性能.通过原位/非原位表征,系统地揭示了NMCSs电极优异的电化学性能主要来源于阳离子和阴离子的协同吸附以及NMCSs的可逆化学吸附作用机理.本工作不仅为新型高性能ZHSCs的构建和开发提供了新思路,也为进一步理解ZHSCs的电化学储能机理提供了依据.     

原位电化学改性的预插层钒青铜水系锌离子电池正极材料（英文）

钒青铜是一种极具潜力的水系锌离子电池正极材料.然而,传统的单离子预插层V₂O₅材料由于自身结构的限制和储锌过程中发生不可逆的相变使其储锌能力接近上限.本文采用原位阴极氧化法将准层状材料Ca V₄O₉在特定的电解液中将双离子(Ca²⁺, Zn²⁺)引入δ-V₂O₅晶体骨架中,形成超薄钒青铜材料Ca_0.12Zn_0.12V₂O₅·n H₂O.该材料表现出超高的能量密度(366 W h kg^-1)和功率密度(6627 W kg^-1),并在大电流10 A g^-1下循环3000圈后可逆比容量仍高达205 m A h g^-1.通过多种原位/非原位表征,系统地揭示了材料与Ca²⁺电解液添加剂的协同作用,使结构、电...     

硼酸盐:氧离子导体设计的一个新方向（英文）

降低固体氧化物燃料电池(SOFCs)的工作温度正在推动新型氧离子导体材料的开发.在此,受氧离子导体材料结构共性的启发,基于Sr(Si/Ge)O₃材料中刚性(Si/Ge)₃O₉基团无法容纳氧空位,以及BO_n多面体在配位数、旋转、变形和连接上的巨大灵活性,我们首次通过计算预测和实验验证,报道了基于硼酸盐的新型氧离子导体材料(Gd/Y)_1-x-Zn_xBO_3-0.5x.(Gd/Y)BO₃中的氧空位可以通过孤立的B₃O₉三元环形成B₃O₈结构单元来容纳,并通过B₃O₉和B₃O₈单元之间的氧交换合作机制来传输,而这些结构单元作为过渡态的打开和伸展则有助于氧的传输.这项研究为设计和开发新型氧离子导体开辟了新方向,有望从硼酸盐家族发现更多新的氧离子导体.     

一种原位还原策略用于构筑无枝晶锌负极（英文）

结合了三维结构和亲锌物种的集流体构筑策略被认为是构建高稳定锌金属负极的有效方法.然而,高昂的成本和复杂的制备工艺阻碍了其实际应用.本文通过在有均匀Cu²⁺锚定的碳布集流体(ACC-600@Cu²⁺)上沉积锌,合理设计了一种稳定的三维锌金属复合阳极(Zn@ACC-600@Cu²⁺).在锌成核过程中,Cu²⁺原位还原为金属Cu,然后随着锌的进一步沉积,碳布表面逐渐形成均匀的亲锌的Cu-Zn合金界面层.密度泛函理论计算和实验观察表明,Cu-Zn合金界面不仅可以作为锌离子的亲锌沉积点,而且可以提高导电率,使电场和锌离子通量均匀化.因此,ACC-600@Cu²⁺集流体可以实现高的镀锌/剥离可逆性,并在15.8 mV的极化电压下稳定循环410 h以上.作为概念验证,我们组装的Zn@ACC-600@Cu²⁺‖MnO₂全电池具有良好的电池倍率性能,与原始碳布相比,其比容量显著提高至110 mA h g^-1.本文提出的原位还原策略...     

金属有机硫化物框架用于制备高载量单原子Pt（英文）

原子级分散的贵金属位点在多相催化中具有广阔的应用前景.然而当金属含量较高时极易引起团聚,因此其负载量通常限制在2 wt%以下.本研究中,通过模拟金属酶的多中心金属硫簇,基于金属有机硫化物(MOS)框架仿生合成了高载量贵金属单原子催化剂.以[Mo₃S₇Br₆]^2-团簇和二硫醇分别为组装单元和连接结构,通过化学键合构筑MOS框架材料,并在上述合成过程中原位负载贵金属盐.进一步通过Na BH₄还原,制备出负载型的Pt单原子催化剂,且负载量高达18.5 wt%.通过改变二硫醇中苯环的数量,可以调节MOS框架的孔径及浸润性.此外,制备得到的Pt-MOS单原子催化剂,可以在有机溶剂或纯水中选择性将苯乙炔加氢生成苯乙烯.密度泛函理论计算表明,富硫配位环境中的原子Pt位点可以有效活化H₂分子,并通过较低的反应能垒高选择性地催化苯乙炔半氢化为苯乙烯.这种基于金属有机硫化物的金属化策略将启发人们合成结构明确的仿生催化材料,在未来有望实现更多样化的应用.     

部分磷化双金属中心集成制备高性能三功能催化剂用于制氢和柔性锌-空气电池（英文）

开发高效且性能稳定的氧析出(OER)、氧还原(ORR)和氢析出(HER)三功能催化剂是制备能源存储与转换设备的关键.本文使用一步磷化法,在氮磷共掺杂碳基上制备了Fe Co金属合金/磷化物催化剂(Fe Co-P/PNC).该催化剂显示了良好的ORR性能,展现了0.86 V (vs.RHE,相对于可逆氢电极)的半波电位;在OER和HER反应中,催化剂在10 m A cm^-2的电流密度下的过电位分别为350和158 m V.密度泛函理论计算表明,磷在Fe Co磷化物和碳基体中皆起主导作用,使得该催化剂同时具有良好的ORR、OER和HER功能.以Fe Co-P/PNC为空气阴极组装的水系电池和柔性锌-空气电池的峰值功率密度分别为195.1和90.8 m W cm^-2,且两种电池均具有优异的充放电性能、长寿命和高柔性.此外,自供能的整体水分解系统表现出较低的(1.71 V)工作电压以驱动10 m A cm^-2的电流密度,进一步证实了该催化剂出色的多功能性.     

Sb掺杂的CaZnOS层状半导体中的宽带多模发射（英文）

力致发光(ML)智能材料由于其独特的机械能-光能转换特性,有望用于应力传感器、新型显示和先进的柔性光电器件.然而,单一材料的窄波长范围ML发射特性限制了它们的应用范围.在这项工作中,我们报道了Sb掺杂的Ca Zn OS层状半导体中的宽带多模态发射.使用高温固相法合成了一系列具有不同Sb³⁺掺杂浓度的Ca Zn OS层状结构粉末. Ca Zn OS:Sb³⁺荧光粉实现了400–900 nm ML的宽谱发光范围,可调光致发光,两个发射峰位于465和620 nm,我们还系统研究了X射线诱导发光特性.我们还实现了Sb³⁺和Bi³⁺共掺杂样品的超宽暖白光ML发射.因此,这些ML荧光粉将有望用于智能照明、显示、可见应力传感器以及X射线成像和检测.     

室温液态金属合成纳米多孔铜铟异质结构材料应用于高性能二氧化碳转化合成气（英文）

纳米多孔金属作为电催化剂使用时表现出了优异的性能.我们报道了一种利用共熔镓铟合金和铜基底制备而成的自支撑铜铟双金属多孔异质结构材料.该多孔铜铟异质结构电催化剂具有良好的二氧化碳转化为合成气的性能.通过调整工作电压,可以使氢气和一氧化碳的比例控制在0.47–2.0之间.且该催化剂非常稳定,经过70小时连续测试后还可以保持96%的电流密度.密度泛函理论计算表明,得益于这种铜铟异质结构的存在,铜表面电荷发生了转变,形成了Cu~δ和Cu⁰等不同位点,从而协同作用分别增强了催化剂生成一氧化碳和氢气的能力.本工作可为多孔金属异质结构电催化剂的设计提供新思路.     

基于联硼结构的新型剪切增稠超分子材料（英文）

剪切增稠型聚硼硅氧烷(PBS)通常以“silly putty”,“bouncing putty”或“solid-liquid”被熟知.因其独特的抗冲击性能, PBS广泛应用于防护装甲、运动器材、玩具等领域.然而,自第二次世界大战PBS被发明后, PBS材料的更新升级较少.本论文中,我们通过设计联硼/氧配位键制备了一类新型剪切增稠材料——聚联硼硅氧烷(PDBS).结果表明,与单硼/氧配位键相比,联硼/氧配位键具有更多的配位结构和更高的键能,导致PDBS具有更类固体性的剪切增稠行为.因此, PDBS具有比PBS更优异的抗冲击性能与防护功能,为新一代智能装备、阻尼器和传感器的开发提供了一类高性能防护材料.     

类液晶作为高性能有机场效应晶体管的有源层（英文）

高载流子迁移率和器件性能的一致性对于有机场效应晶体管在阵列和集成电路上的应用至关重要.然而,同时具备高性能和小批间差的方法当前仍然是个挑战.本论文在原子力显微镜和偏振荧光显微镜表征的基础上,报道了在PTCDI-C₁₃分子模板上生长具有大晶畴的dif-TES-ADT类液晶状薄膜的方法.我们进一步将所获得的薄膜用作有机场效应晶体管的载流子传输通道,其饱和载流子迁移率高达1.62±0.26 cm²V^-1s^-1.更重要的是,在重复三个批次之间,每次50个器件的迁移率批间差仅为16%.这一发现为设计材料和器件结构以同时实现高载流子迁移率和器件均匀性提供了一种新思路.