《自然》《科学》一周（5.14-5.20）材料科学前沿要闻

1.垂直排列的液晶 MXenes 的电容与厚度无关

（Thickness-independent capacitance of vertically aligned liquid-crystalline MXenes）

材料名称：二维碳化钛（Ti3C2Tx）

研究团队：美国宾夕法尼亚大学Shu Yang研究组

具有高能量和高功率密度的厚电极膜的可扩展性和可持续性制造对于用于运输和固定电网中电化学能量的大规模存储来说至关重要。由于二维纳米材料缺乏固态扩散以及具有较大的表面积与体积之比，因此二维纳米材料已成为追求高能量和高功率密度电极材料的主要选择。然而，传统的电极制造方法通常会导致二维纳米材料的重新堆叠，这限制了在这种薄膜中的离子传输，并导致其中电化学性能高度依赖于薄膜厚度的体系。促进离子传输的策略（如通过插层增加层间距或通过设计纳米结构引入膜孔隙）则导致材料体积能量储存较低以及离子传输路径漫长且复杂，这阻碍了高充电放电速率下的性能。二维薄片的垂直排列使定向离子输送成为可能，并使得厚膜中电化学性能与厚度无关。然而，此前报道的进展都比较有限，并且在使用厚度接近或超过 100 微米工业标准的二维纳米材料膜时，如何缓解性能损失仍是主要的挑战。Xia 等人展示了垂直排列的二维碳化钛（Ti3C2Tx）的电化学储能与厚度无关，其中 Ti3C2Tx 是 MXene 家族中的一员（二维碳化物和过渡金属氮化物（M），其中 X 表示碳或氮）。垂直排列是通过对 Ti3C2Tx 的盘状片状液晶相进行机械剪切来实现的。由此产生的电极薄膜厚度高达 200 微米，表现了出优异的性能，且性能几乎与薄膜厚度无关，这使得它们对于能量存储应用来说非常有吸引力。此外，这一研究中介绍的自组装方法是可扩展的，可以扩展到涉及定向输运的其他系统，如催化和过滤。（Nature  DOI: 10.1038/s41586-018-0109-z）   

2.范德瓦尔斯金属-半导体结逼近肖特基-莫特极限

（Approaching the Schottky–Mott limit in van der Waals metal–semiconductor junctions）

材料名称：金属-半导体结

研究团队：加州大学洛杉矶分校段镶锋教授研究组

金属电极和半导体材料接触形成的结是电子和光电子器件的关键组成部分。金属半导体结的特征在于能垒为肖特基势垒，在理想情况下，能够通过肖特基-莫特法则，基于能级的相对对准来预测其高度。然而，这种理想的物理现象很少在实验中实现，因为在典型的金属-半导体界面处不可避免地会产生化学无序性和固定费米能级。Liu 等人报导了范德瓦尔斯金属半导体结的创造，将原子级平整的金属薄膜压到二维半导体上而没有直接的化学键合，从而形成了基本上不受化学无序和固定费米能级约束的界面。高度接近肖特基-莫特极限的肖特基势垒是由金属的功函数决定的，因此高度可调。Liu 等人通过转移具有与 MoS2 价带边缘匹配的功函数的金属（Ag 或 Pt）膜，实现了在室温下具有 260cm2/V·S 双端电子迁移率和 175cm2/V·S 空穴迁移率的晶体管。此外，还通过利用具有不同功函数的不对称接触对，展示了开路电压为 1.02V 的 Ag-MoS2-Pt 光电二极管。这一研究不仅在实验上验证了理想金属半导体连接点的基本极限，而且还定义了可用于高性能电子和光电子的金属集成的高效无损的策略。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0129-8）

3.n 型 SnSe 晶体中由 3D 电荷输运和 2D 声子输运促成的高平面外 ZT 值

（3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals）

材料名称：溴掺杂SnSe晶体

研究团队：北京航空航天大学赵立东教授研究组

热电技术能够收集废热并将其直接转化为电能。转换效率则由材料品质因数 ZT 决定。Chang 等人展示了在 773K 温度下实现的 n 型硒化锡（SnSe）晶体平面外最大 ZT 约为 2.8±0.5。层状 SnSe 晶体的热导率在面外方向[二维（2D）声子传输]中是最低的。Chang 等人利用溴掺杂 SnSe 制备了具有重叠层间电荷密度（3D 电荷输运）的 n 型 SnSe 晶体。连续的相变增加了对称性并使得两个会聚导带发散。这两个因素改善了载流子迁移率，同时保留了较大的 Seebeck 系数。这一研究结果可应用于二维分层材料，并为增强平面外电输运性能同时不降低热性能，提供一种新的策略。（Science DOI: 10.1126/science.aaq1479）

4.二氧化碳进行电还原产生乙烯

（CO₂ electroreduction to ethylene via hydroxide-mediated copper catalysis at an abrupt interface）

材料名称：铜电催化剂

研究团队：加拿大多伦多大学Cao-Thang Dinh研究团队

二氧化碳（CO2）电还原可以作为乙烯的有效来源，但转化效率低下、生产率低下以及催化剂稳定性低下限制了当前的系统。Dinh 等人报导了，在碱性电解质中突变反应界面处的铜电催化剂，在相对于可逆氢电极（RHE） -0.55 V 电位下能够以 70％ 的法拉第效率将 CO2 还原成乙烯。铜表面上或表面附近的氢氧离子降低了 CO2 还原和一氧化碳 （CO）-CO 偶联的活化能垒；结果，相对于在 10 摩尔氢氧化钾中 RHE 的 -0.165 V 下，几乎同时开始释放乙烯与产生 CO。通过引入基于聚合物的气体扩散层（将反应界面夹在单独的疏水性和导电性载体之间）来增强操作稳定性，在最初 150 个工作小时内提供了恒定的乙烯选择性。（Science  DOI: 10.1126/science.aas9100）   

5.无机半导体在黑暗中的超常可塑性

（Extraordinary plasticity of an inorganic semiconductor in darkness）

材料名称：硫化锌（ZnS）

研究团队：日本名古屋大学Matsunaga研究组

无机半导体通常倾向于碎裂的方式损坏。而 Oshima 等人报导了，如果变形是在“完全黑暗的环境中”进行的，那么无机半导体可以出现超常的“可塑性”。在不同的光照条件下进行了硫化锌（ZnS）的室温变形试验。ZnS 晶体在光照下变形时会立即断裂。与之相反的，发现 ZnS 晶体在完全黑暗中可以塑性变形达到变形应变εt = 45％。另外，变形后 ZnS 晶体的光学带隙明显减小了。这些结果表明，ZnS 中的位错在完全黑暗中会变得可移动并且倍增的位错会影响整个晶体的光学带隙。无机半导体并不一定是脆性的。（Science  DOI: 10.1126/science.aar6035）

6.混合分子胶体液晶

（Hybrid molecular-colloidal liquid crystals）

材料名称：液晶

研究团队：美国科罗拉多大学Smalyukh研究组

有序性和流动性经常是共存的，涉及的从生物膜到液晶的例子不尽相同，但这些软物质系统的对称性通常高于构成它的基础成分的对称性。Mundoor 等人将微米长的无机胶体棒分散在分子棒的向列液晶流体中。两种类型的单轴构筑块在自由扩散时相互作用形成斜方向向列流体，其中相似尺寸的棒大致彼此平行并且分子有序方向与胶体棒正交。粗粒度模型解释了实验温度-浓度相图（其中包括一个双轴向列相和两个单轴向列相，以及棒的取向分布）。这些显示出双轴光学晶体特性的混合分子-胶体流体可以通过电场和磁场进行切换。（Science  DOI: 10.1126/science.aap9359）

7.金属/氧化物界面对 CO 氧化过程中长程金属颗粒活化的作用

（The role of metal/oxide interfaces for long-range metal particle activation during CO oxidation）

材料名称：长程金属颗粒

研究团队：奥地利维也纳技术大学Rupprechter研究组

因为载体可能改变纳米粒子的表面性质和电子结构，所以，数十年来金属纳米粒子与氧化物载体在非均相催化中的相互作用已被深入讨论。了解载体引起的现象是设计高级材料的关键。Suchorski 等人展示了金属/氧化物界面对 Pd 在 CO 氧化反应中的长程效应。这一效应是由光电子显微镜（PEEM）直接观察得到并通过密度泛函理论（DFT）计算合理化的。研究表明，在金属/氧化物界面的纳米尺度周边位点更高的 CO 耐受性使得整个微米尺寸的 Pd 颗粒更能耐受 CO 毒害。这归因于周边位点对于用于探测金属/氧化物界面效应的去活化和再活化前沿的关键作用。这一发现将影响对更好的一氧化碳氧化催化剂的追求，而这是汽车停车启动系统和混合动力汽车的热门话题。（Nature Materials  DOI: 10.1038/s41563-018-0080-y）  

8.拉伸强度超过 80 GPa 的碳纳米管束

（Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa）

材料名称：碳纳米管束

研究团队：清华大学魏飞教授研究组

碳纳米管被认为是目前发现的最强的几种材料之一。然而，当用其组装成纤维时，它们的强度会受到缺陷、杂质、随机取向和间断长度的影响。想要制造接近单根碳纳米管强度的碳纳米管管束，一直以来都是一项挑战。Bai 等人展示了利用超长无缺陷 CNT 制造出的拉伸强度超过 80 GPa 长度达到厘米的 CNT 束（CNTB）。由于组分中初始应力的不均匀性，使得 CNTB 的拉伸强度受到 Daniels 效应的控制。对此 Bai 等人提出了一种同步张弛的策略来释放这些非均匀的初始应力。由大量具有平行排列、无结构缺陷、连续长度和均匀初始应力的组分构成的 CNTB 表现出了 80 GPa 的拉伸强度（对应 43 GPa 的工程拉伸强度），这一拉伸强度远高于任何其他强力纤维。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0141-z）