林大牛 2020材料领域----崔屹、杨培东和王中林大牛学者最新成果速递

[崔屹研究小组]

1.电旋转液硫滴的研究

对具有实时可调形状和光学功能的液体的操纵对于电激活流动设备和光电设备来说是非常重要的，但是它仍然是一个巨大的挑战。斯坦福大学的崔屹教授首次在电化学电池中发现了电可调液滴的存在。他们在不同的恒电位条件下观察了硫滴的电润湿和合并，并通过选择磺基/硫保留基质成功地控制了这些过程。此外，他们还利用电润湿现象创建基于液硫液滴的微透镜，并通过快速、可重复和可控的方式改变液滴的形状来实时调整其特性。这些研究证明，原位光学电池平台可用于阐明硫化物的复杂反应机理，探索液态硫丰富的材料特性，为液态硫滴在微透镜等电子可调和光电器件中的应用提供启示。[1]相关研究题为“电调谐液体硫微滴”，发表在《自然通讯》上。

图1:原位光学观测装置示意图

2.氮掺杂纳米金刚石/铜界面协同促进CO2电催化还原为C2氧化物

目前很难有效可控地将CO 2还原成多碳产物(C≥2)。斯坦福大学崔屹教授课题组通过合理调整氮掺杂纳米金刚石和铜纳米粒子的组装，证明了一种具有选择性和强催化界面的多相催化剂的设计原理，可以将CO 2还原为C 2含氧化合物。与可逆氢电极相比，在-0.5 V的外加电位下，催化剂对C 2含氧化合物的法拉第效率可达63%..此外，该催化剂表现出优异的催化性能，持续时间超过120小时，稳定电流和活性衰减仅为19%。密度泛函理论计算表明，CO在铜/纳米金刚石界面的结合力增强，通过降低CO二聚的表观势垒，抑制CO解吸，促进C 2生成。催化剂的优异性能可归因于由组分的固有组成和电子可调性提供的无与伦比的催化界面控制程度，从而提供反应能量和动力学。[2]题为“在氮掺杂纳米直径/铜界面协同增强电催化二氧化碳还原为二氧化碳氧化物”的相关研究发表在《自然纳米技术》杂志上。

图2:密度泛函理论模拟结果示意图

3.提高锂电池安全性能的防火轻质聚合物固体电解质研究

近年来，锂离子电池因其无处不在的使用和与人体的密切接触，其安全性越来越受到关注。固体电解质(SSE)的使用可以有效解决这一问题，提高锂离子电池的能量密度。然而，研究最深入的聚合物和聚合物/陶瓷复合材料的固体电解质通常是易燃的，会留下一些安全隐患。斯坦福大学的崔屹教授首次设计了一种防火、轻质的聚合物SSE。SSE由多孔机械增强剂(PI)、阻燃添加剂(DBDPE)和离子导电聚合物(聚四氟乙烯/三氟甲基磺酰亚胺)(三氟甲烷)组成。整个SSE由厚度可调的有机材料(10-25μm)制成，其能量密度高于传统的隔膜/液体电解质。其中，PI/DBDPE薄膜具有热稳定性、不燃性和机械强度，可防止Li-Li对称电池在300小时循环后短路。磷酸铁锂/锂半电池具有高倍率性能(1℃时为131毫安时克-1)和60℃时的循环性能(2℃时为300次循环)..更有意思的是，这款SSE组装的软包装电池在暴露在火焰下依然可以正常工作。[3]题为“用于安全锂电池的防火、轻质、聚合物-聚合物固态电解质”的相关研究发表在《纳米快报》上。

图3:防火轻质聚合物固体电解质的设计原理及耐火试验图

[杨培东研究小组]

1.提高燃料电池电催化性能的铂钴纳米框架研究

铂基合金催化剂是燃料电池阴极氧还原反应(ORR)和阳极甲醇氧化反应(MOR)中最有前途的候选催化剂，其合理的组成和形貌对提高其催化性能至关重要。杨培东教授的研究小组通过化学蚀刻固体菱形十二面体中的一氧化碳来合成铂钴纳米框架。铂钴纳米框架在酸性电解液中表现出优异的ORR活性，在0.95 V RHE和10 000次电位循环后，初始可达0.40 mg pt-1，仍可达0.34 mg pt-1。此外，其在碱性介质中的MOR活性高达4.28 A mg Pt -1，比市售Pt/C催化剂高4倍。实验研究表明，中间碳毒物结合的减弱将增强MOR的活性。此外，铂钴纳米框架在长期循环试验中也表现出了显著的稳定性，这可归因于电化学中一氧化碳的极少量溶解。[ 4]相关研究为“用于燃料电池电催化的高性能ptco纳米框架”用于燃料电池电催化的高性能ptco纳米框架用于燃料电池电催化的高性能Ptco纳米框架，发表于Nano Letters。

图4:铂钴纳米框架结构示意图

2.可扩展全无机卤化物钙钛矿阵列的两步构图

卤化物钙钛矿具有许多重要的光电特性，包括高发射效率、高吸收系数、色纯度和发射波长可调，因此有望直接用于光电应用。然而，不能精确控制卤化钙钛矿的大规模图案化生长限制了它们在各种设备应用中的潜力。杨培东教授的研究小组提出了一种铅铯卤化物钙钛矿单晶阵列生长的图形化方案。它包括两个步骤:(1)卤化铯盐阵列的构图和(2)将盐阵列转变为钙钛矿单晶阵列的化学气相传输过程。合成的钙钛矿阵列的化学组成和光学性质通过能量色散x光光谱和光致发光进行表征。这种构图方法可用于大规模构图生产具有晶面间距(2-20μm)和晶体尺寸(200 nm-1.2μm)的单晶铅铯卤化物钙钛矿阵列(阵列中的几乎每个像素都可以成功地通过转换的钙钛矿晶体生长)。[5]相关研究题为“可扩展全有机卤化物钙钛矿阵列的两步构图”，发表在《纳米快报》上。

图5:无机卤化物钙钛矿阵列两步构图示意图

[王忠林研究小组]

1.恒输出电流圆柱DC摩擦纳米发电研究

摩擦纳米发电机最大的局限性是瞬时脉冲的存在，导致其波峰因数高，会给电子设备的使用带来不利影响。为了解决这一问题，王忠林教授的研究小组首次提出了耦合可以产生低波峰因数、输出电流几乎恒定的圆柱形DC摩擦纳米发电机(DC-滕)，并研究了相位(P)和基团数(G)对DC-滕的影响。实验表明，电流波峰因数随着相位的增加而显著降低，而输出性能随着组数的增加而显著提高。三相五组(3P 5G)DC-腾单相摩擦发电装置在600转/分钟时产生149.5伏的开路电压、7.3μA的短路电流和56.7 nC的电荷。

经各相输出整流叠加后，DC腾能产生21.6μA耦合电流和2.04 mW平均输出功率。此外，输出电流的波峰因数降低到1.08，并且实现了直流电流的几乎恒定的高性能特性。该研究对TENG在低功耗传感器供电方面的实际应用具有重要意义。[6]相关研究《圆柱形直流摩擦电纳米发电机恒输出电流》发表在《高级能源材料》上。

图6:DC-腾原型示意图

2.受人体反射启发的应变控制电源装置研究

受生物学启发的电子产品正在迅速推动人工智能的发展。自主驾驶、机器人等新兴AI应用技术日益刺激了动力设备的发展。王忠林教授的研究小组开发了一种受人体反射启发的应变控制装置，可以直接快速地调整输出功率。悬臂结构的AlGan/AlN/氮化镓基高电子迁移率晶体管在1伏栅极偏置下可以用微弱的机械激励(0-16毫牛顿)控制显著的输出功率(2.30-2.72×10 ^ 3瓦·厘米-2)。我们进一步证明了输出功率可以根据加速度的变化实时有效地调整，即当加速度为1-5g时，在15 V的电源电压下，δ P可以达到72.78-132.89 W·cm-2。题为“受人类反射启发的应变控制功率器件”的相关研究发表在《自然通讯》上。

图7:受人体反射启发的应变控制功率器件(SPD)概念图

3.具有学习记忆功能的自供电触觉传感器的研究

人工智能触觉传感器的制造对人机交互界面的发展是一个有趣的挑战。受基于神经可塑性的体感信号产生和信号处理的启发，王忠林教授的研究小组基于摩擦纳米发生器原理开发了一种具有学习和记忆功能的智能神经形态触觉传感器。触觉传感器可以根据压力刺激的历史产生各种幅度的信号，因为它们具有模仿突触增强和记忆的神经形态功能的能力。这些触觉传感器保持存储信息的时间是可变的，这使得级联设备具有多级遗忘过程，可以存储大量信息。此外，通过使用触觉传感器构建智能手指可以用于记录与手指的当前操作和先前操作相关的大量信息。因此，这种智能触觉传感器可以作为人工智能的功能部件。[8]题为“具有学习和记忆的自供电轻触传感器”的相关研究发表在ACS Nano上。

图8:人工智能触觉传感器模拟机械感受器和神经形态系统的结合

参考

1.周庚，杨阿安，王勇，等.电沉积液态硫微滴[J].中国生物医学，2002 .《自然通讯》，2020，11(1): 1-9。

2.[1]王辉，曾永康，纪勇，等.氮掺杂纳米金刚石/铜界面协同增强CO 2电催化还原为C 2含氧化合物[J].自然纳米技术，2020: 1-7。

3.崔勇，万军，叶勇，等。一种用于安全锂电池的防火、轻质高分子固体电解质[J]。纳米字母，2020。

4.陈s，李敏，高，等。燃料电池电催化用高性能铂钴纳米框架[J]。纳米字母，2020。

5.林春凯，赵青，张勇，等。可伸缩全无机卤化物钙钛矿阵列的两步构图[J]。ACS nano，2020。

6.[2]王军，李勇，谢智，等.圆柱形恒流摩擦电纳米发电机[J].高级能源材料，1904227。

7.张s，马博，周x，等.受人体反射启发的应变控制功率器件[J].《自然通讯》，2020，11(1): 1-9。

8.[2]吴春，金铁伟，朴振海，等.具有学习和记忆功能的自供电触觉传感器[J].ACS nano，2019。

本文由李欧吴投稿。

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