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《自然》《科学》一周(4.2-4.8)材料科学前沿要闻

来源:新材料在线|

发表时间:2018-04-08

点击:1634

1. 光致晶格膨胀提高钙钛矿太阳能电池效率

(Light-induced lattice expansion leads to high-efficiency perovskite solar cells)


材料名称:卤化物

研究团队:美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Mohite研究组


光诱导结构动力学,在基于混合钙钛矿的光电子器件的物理性质、器件性能和稳定性方面发挥着重要作用。Tsai 等人报导了连续光照会导致混合钙钛矿薄膜中的均匀晶格膨胀,这是获取高效光伏器件的关键。相关的原位结构和器件表征揭示出,光诱导的晶格膨胀对混合阳离子纯卤化物平面器件的性能是有利的,能够将功率转换效率从 18.5% 提高到 20.5%。晶格膨胀导致了局部晶格应变的弛豫,这降低了钙钛矿-接触界面处的能垒,从而改善了开路电压和填充系数。即使在全光谱一个标准太阳(100毫瓦/平方厘米)照射下连续工作超过 1500 小时,光致晶格膨胀也不会损害这些高效光伏器件的稳定性。(Science DOI: 10.1126/science.aap8671)


2. 对范德华异质结构中分数 Chern 绝缘体的观测

(Observation of fractional Chern insulators in a van der Waals heterostructure)


材料名称:双层石墨烯-六方氮化硼异质结构

研究团队:加州大学圣芭芭拉分校Young研究组


拓扑有序相的特点是长程量子纠缠和分数统计,而不是对称性破缺。拓扑有序首次发现于分数填充的连续朗道能级中,自此之后便被提出在拓扑非平凡 Chern 能带的分数填充中会更普遍地出现。Spanton 等人报导了对于双层石墨烯-六方氮化硼异质结构中由于磁场和超晶格电势相互作用而产生的哈珀-霍夫斯塔特能带分数填充处的空隙态的观测,并在 Chern 指数 C = -1,±2 和 ±3 的能带的分数填充处观测到了相。这些相中,有一些在 C = -1 和 C = 2 能带中的,是以分数霍尔电导为特征,也就是说,它们是被称为分数 Chern 绝缘体,并且能够构成拓扑有序超越朗道能级的一个例子。(Science DOI: 10.1126/science.aan8458)



3.利用人造界面实现碳酸盐电解质中的可逆镁化学

(An artificial interphase enables reversible magnesium chemistry in carbonate electrolytes)


材料名称:碳酸盐电解质

研究团队:美国国家可再生能源实验室Chunmei Ban研究组


镁基电池与对应的锂基电池相比具有潜在的优势。但是,可逆的 Mg 化学需要低电位下热力学稳定的电解质,而这通常需要通过腐蚀性组分和以抗氧化稳定性为代价来实现。在锂离子电池中,电解质的阴极和阳极稳定性之间的冲突,是通过形成防止电解质被减少的阳极界面来解决的。这种策略不适用于镁电池,因为二价 Mg2+ 无法穿透这样的界面。Son 等人在 Mg 阳极表面上设计了一种人造 Mg2+ 导电界面,成功分离了电解质对阳极和阴极要求,并在抗氧化电解质中证实了高度可逆的 Mg 化学。这种人造界面促成了含水的基于碳酸盐的电解质中 Mg/V2O5 全电池的可逆循环。这种方法不仅为 Mg电池 ,也为面临相同问题的其他多价阳离子电池提供了新的途径,使它们朝着能量储存应用迈出了一大步。(Nature Chemistry DOI: 10.1038/s41557-018-0019-6)


4. 一种构建不对称催化剂的人造分子机器

(An artificial molecular machine that builds an asymmetric catalyst)


材料名称:轮烷分子机器

研究团队:英国曼彻斯特大学Leigh研究组


生物分子机器能够执行人造分子机器所渴望达到的复杂的分子水平任务。例如,核糖体可以将来自横贯其中的聚合物轨道的信息(信使 RNA)翻译成其构建的新聚合物(多肽)。其中读取的密码子的序列和数量决定了掺入生物机器合成聚合物中的构件的序列和数量。然而,在人造大分子的合成中,既不能轻易控制序列,也无法轻易将长度信息从一种聚合物转移到另一种(迄今为止只能在人造系统中通过模板合成完成)。开发出的基于轮烷的分子机器,通过沿着用氨基酸苯酚酯衍生的单分散低聚物轨道运动的大环的作用,能够连续地将氨基酸(包括β-氨基酸)添加至生长中的肽链。带螺纹的大环吸取阻断其路径的基团,并通过连续的天然化学连接反应连接它们从而形成对应于轨道上构件顺序的肽序列。Bo 等人研究表明,作为翻译序列信息的替代方式,轮烷分子机器可以将聚苯乙烯链的窄多分散性,转移至分子机器制造的同型亮氨酸低聚物,其中,这种聚苯乙烯链是通过原子转移自由基聚合合成的亮氨酸酯衍生的。所得到的窄分子量低聚物折叠成α-螺旋二级结构,充当用于查耳酮 Juliá-Colonna 环氧化的不对称催化剂。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0105-3)


5. 由相位相干超快速淬熄引起的铜酸盐中超导电性崩溃

(Collapse of superconductivity in cuprates via ultrafast quenching of phase coherence)


材料名称:铜酸盐

研究团队:加拿大英属哥伦比亚大学Damascelli研究组


超疏水性是多种天然表面表现出的显着的进化适应性。单独分别具有良好机械坚固性、基材附着力和化学稳健性的人造超疏水涂料已经能够实现了。但是,想要同时表现出这些特征并抵抗通过高速坠落或喷射撞击的液体穿刺仍是具有挑战性的。Peng 等人描述了一种全有机、柔性超疏水纳米复合涂料,这些涂料在循环胶带剥离和 Taber 磨损下表现出了强大的机械稳定性,可持续暴露于高腐蚀性介质,即王水和氢氧化钠溶液中,并可通过可扩展技术作为喷涂和刷涂应用于表面。此外,这种涂层的机械灵活性使得对高速液滴和湍流喷嘴的抗穿刺性至少达到约 35 m•s-1,韦伯数达到约 43000。这些涂料具有多方面的坚固性和可扩展性,应该能够在苛刻的化学工程以及基础设施、运输车辆和通信设备中发现其潜在的用途。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0044-2)



6. 高相位纯度的 1T'-MoS2 和 1T'-MoSe2 层状晶体

(High phase-purity 1T’-MoS2- and 1T’-MoSe2-layered crystals)


材料名称:1T'-MoS2 和 1T'-MoSe2 层状晶体

研究团队:新加坡南洋理工大学张华研究组


因为相位结构对诸如电导率和化学稳定性等性质具有深远影响,所以相位控制在无机材料的精确合成中起着重要作用。金属相 VI-族过渡金属硫族化合物(过渡金属是 Mo 和 W,硫族元素是 S,Se 和 Te)在电催化方面表现出的性能比其半导体对应物还要好,但相控制剂却一直面临着挑战。Yu 等人报告了高纯度的微米尺寸金属相 1T'-MoX2(X = S,Se)层状体单晶的大规模制备,并发现 1T'-MoS2 晶体具有畸变的八面体配位结构,在热退火或激光照射后可转变为 2H-MoS2。电化学测量表明,在酸性介质中,对于电催化析氢反应 1T'-MoS2 的基面比 2H-MoS2 的基面更有活性。(Nature Chemistry DOI: 10.1038/s41557-018-0035-6)


7. 利用分层纳米结构凝胶实现高效太阳能水蒸发

(Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels)


材料名称:纳米结构凝胶(HNG)

研究团队:德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华研究组


太阳能水蒸发是收集太阳能来净化污染水或含盐水的有效方式。然而,水蒸发受到太阳能利用效率低下或需要复杂昂贵的光集中配件的影响。Zhao 等人展示了一种基于聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)的分层纳米结构凝胶(HNG),用作独立的太阳能蒸汽发生器。它可以原位地利用转化的能量,来驱动 PVA 网络的分子网格中包含的水进行蒸发,而其中水凝胶的骨架则可以促进水分的蒸发。漂浮的 HNG 样品可以利用一个标准太阳照射的 94% 的能量实现 3.2kg·m-2·h-1 的破纪录的蒸发量,置于纯净盐水时每平米每天可以蒸发纯化 18-23 升的盐水。而之所以能实现如此高的水蒸发速率,主要得益于在太阳光照射下,分子级网孔中水蒸发的潜热大幅降低。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0097-z)



8. III-V 族硅基太阳能电池在双端配置下达到 33% 的光转换效率

(III–V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration)


材料名称:III-V 族硅基太阳能电池

研究团队:德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所Cariou研究组


硅在光伏产业占主导地位,但硅单结太阳能电池的转换效率固有地限制在了 29.4%,并实际上限制在了 27% 左右。在多结器件中,通过将硅与高带隙材料(如 III-V 半导体)相结合,可以克服此限制。但与这种材料结合相关的重大挑战却阻碍了高效 III-V/Si 太阳能电池的发展。Cariou 等人展示了一种能够达到与标准 III-V/Ge 三结太阳能电池类似性能的 III-V/Si 电池。这种器件采用晶片键合技术制造,将 GaInP/GaAs 顶电池与硅底电池永久地连接在一起。利用了多晶硅/SiOx 钝化触点和用于硅底电池的新型后侧衍射光栅来解决 III-V/Si 的界面重组和硅的弱吸收两个关键问题。依靠这些综合特性,Cariou 等人展示了一款双端 GaInP/GaAs//Si 太阳能电池,其在一个标准太阳照射下 AM1.5G 转换效率达到了 33.3%。(Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0125-0)


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