《中国科学:材料》2018年第7期

中国科学材料2018-06-25 20:44:47

SCIENCE CHINA Materials

Volume 61, Issue 7, July, 2018

Cover

Minerals represent a significant portion of our modern scientific databases, and the discovery of new materials from the mineral kingdom has significant impact on the laboratory bench. Herein, the proposed strategy on the natural mineral-inspired prototype evolution and new phase construction can accelerate the discovery of new LED phosphors. Accordingly, Sr9MgLi(PO4)7 phase is derived from the β-Ca3(PO4)2-type mineral structure, and Sr9MgLi(PO4)7:Eu2+ may be romising yellow-emitting phosphor for UV-pumped LED lamp, with a broad emission band from 450 nm to 700 nm peaking at about 580 nm (see the article by Xia and co-workers on page 985).

Review

Carbon nanocomposites with high photothermal conversion efficiency

张骞, 徐卫林, 王贤保*

具有高效光热转换性能的碳基纳米复合材料

摘要光热转换产生水蒸汽是一种高效的、全新的太阳能利用方式, 在污水处理和海水淡化等领域具有广泛应用前景. 本文介绍了光热转换的发展以及用作太阳能水蒸汽产生系统的吸光材料的种类, 进一步深入分析碳基纳米复合材料(碳纳米管和石墨烯)制备水蒸汽的转换效率, 并结合碳基纳米复合材料在光热转换领域的相关研究成果, 提出了碳基纳米复合材料在光热领域面临的各种挑战和机遇.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 905-914 (2018)


Article

Graphene-templated synthesis of sandwich-like porous carbon nanosheets for efficient oxygen reduction reaction in both alkaline and acidic media

汪韬, 王健宇, 王绪, 杨佳, 刘建国, 徐航勋*

石墨烯模板法制备类似三明治结构的多孔碳纳米片用于高效催化酸/碱性条件下氧还原反应的研究

摘要开发低成本, 高性能氧还原反应(ORR)电催化剂对于燃料电池和金属空气电池的规模化应用至关重要. 基于石墨烯的碳催化剂已经被广泛用于碱性电解质中的ORR. 然而, 与Pt/C催化剂相比, 石墨烯基催化剂在酸性电解质中的性能仍然需要进一步提升. 在这个工作中, 我们发展了一种非常高效的模板方法来制备基于石墨烯的具有三明治结构的多孔碳纳米片电催化剂, 其在碱性和酸性电解质中均具有非常好的ORR催化性能. 首先, 被氧化石墨烯吸附的苯二胺分子通过氧化聚合形成富氮聚合物网络, 接着铁(Fe)盐被吸附到聚合物网络中, 并且在热解之后形成ORR活性位点Fe-N-C以及Fe, FeSFeN0.05纳米颗粒, 最终得到类似三明治结构的碳纳米片ORR电催化剂. 由于这种结构中存在较高密度的ORR活性位点, 所获得的催化剂显示出非常高效的ORR活性, 在0.1 mol/L KOH中半波电位比Pt/C30 mV. 更重要的是, 在0.1 mol/L HClO4中, 催化剂的半波电位仅比Pt/C低约40 mV. 这种独特的平面三明治结构可以在催化反应中暴露出丰富的ORR活性位点, 同时, 石墨烯层和多孔结构可以提高电导率以及促进传质, 这两者对于实现高活性ORR催化至关重要. 在碱性和酸性条件中, 突出的电催化活性和耐久性表明这些碳纳米片作为贵金属基ORR催化剂的替代物具有很大的潜力, 优秀的锌空气电池和质子交换膜燃料电池性能直接证实这种材料在实际电化学能源转化装置中也非常有应用前景.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 915-925 (2018)


Article

Ir-Pd nanoalloys with enhanced surface-microstructure-sensitive catalytic activity for oxygen evolution reaction in acidic and alkaline media

张涛, 廖思安, 代林秀, 于静雯, 朱威, 张亚文*

在酸碱性介质中具有增强的表面微观结构敏感性的氧析出催化活性的铱-钯纳米合金研究

摘要近年来铱基催化剂已经在一系列电催化反应中被广泛研究, 氧析出反应(OER)是其中最突出的代表. 研究不同pH介质中表面微观结构敏感的催化活性对于开发高效电催化剂及其反应机理研究具有重要意义. 本文作者通过简单的一步溶剂热法合成了纳米空心球(NHSs), 纳米线(NWs)和纳米四面体(NTs)等形貌可调的Ir-Pd合金纳米晶. 通过电化学研究表明, Ir-Pd合金纳米催化剂在酸性和碱性介质中的OER活性增强表现出表面微结构敏感性. Ir-PdNWsNTs在酸性和碱性介质中0.25 V过电势下表现出商业Ir/C催化剂五倍以上的质量活性. XPS结果表明, 在Ir-Pd纳米催化剂表面缺陷位置产生的Ir(VI)物种可能是反应中的一种关键中间体. 在酸性介质中, Ir-Pd纳米催化剂的比活性与Ir-Pd纳米催化剂表面粗糙度呈正相关, 即NWs>NHSs>NTs. 而碱性介质中由于位于表面缺陷位点的IrO42物种快速分解阻碍了Ir(VI)物种的形成, 改变了Ir-Pd纳米催化剂的OER活性顺序.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 926-938 (2018)


Article

A highly-efficient oxygen evolution electrode based on defective nickel-iron layered double hydroxide

熊旭亚, 蔡钊*, 周道金, 张国新, 张倩, 贾茵, 段欣旋, 谢启贤, 赖仕斌, 谢添慧, 李亚平*, 孙晓明*, 段雪

基于富缺陷镍铁水滑石材料的高效析氧电极

摘要探索低成本高效率的析氧电极对于工业电解水技术的发展至关重要. 尽管镍铁水滑石已被公认为是一种高效析氧的非贵金属催化剂, 但其本征活性还有待进一步提高. 本研究通过将氧空位缺陷引入镍铁水滑石, 设计出一种低成本高效率的析氧电极. 通过精确电子结构调控, 暴露更多活性位点, 提高电极导电性, 富缺陷镍铁水滑石电极展现出1.40 V(vs. RHE)的低起峰电位. 同时, 它仅需200 mV过电势就能达到10 mA/cm2的电流密度, 这相比未经处理的镍铁水滑石降低了48 mV. 我们进一步通过密度泛函理论计算发现, 氧空位缺陷的引入使Fe的价态降低, 带隙减小, 使得催化过程中电子更容易被激发到导带中, 从而降低反应过电势并使析氧活性增强.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 939-947 (2018)


Article

Impact of structure and flow-path on in situ synthesis of AlN: Dynamic microstructural evolution of Al-AlN-Si materials

王哲, 王欣, 仝毅刚, 王亚平*

微观结构和流动路径对AlN原位合成的影响: Al-AlN-Si微观组织形成的动力学演变研究

摘要:本文采用粉末冶金结合原位反应方法制备了不同结构的Al-AlN-Si复合材料. 基于物相鉴别和显微分析方法, 建立了具有半连续Si结构(由高能球磨粉末制备)和孤岛Si结构(由混合粉末制备)的Al-AlN-50Si微观模型, 使用计算流体动力学(CFD)方法对Al-AlN-50Si微观组织形成过程进行了研究, 并分析了其动力学演变机理. 数学模型和模拟结果表明: 微观结构和流动路径((cg,N2/lg,N2)+(cs,AlN/ls,AlN))会强烈影响AlN的原位合成. 对于Al-AlN-50SiB(由高能球磨粉末制备)材料, 其流动路径会被半连续Si结构限制而促进强湍流的形成, 这种逐渐减弱的强湍流使AlN原位合成在Si骨架周围并呈现出相互贯穿的组织结构; 相比之下, 在Al-AlN-50SiM(由混合粉末制备)材料内部会形成线性趋势的弱湍流, 其流动路径可以很容易的绕开孤岛Si, 使AlN相被隔离并富集形成在基体中. 该工作为原位反应系统中复合材料微观组织动力学演变过程的研究提供了新的思路.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 948-960 (2018)


Article

Tuning crystal structure and magnetic property of dispersible FePt intermetallic nanoparticles

余靓, 高伟良, 刘飞, 鞠艳敏, 赵帆, 杨子煜, 储鑫, 车声雷, 侯仰龙*

单分散FePt金属间化合物纳米颗粒的可调化学结构和磁性能

摘要具有可调组分的单分散FePt金属间化合物纳米颗粒由MgO包覆的A1-FePt (或者A1-FePt-Fe3O4)经过热退火, 再通过酸处理除去MgO制备得到. 高温退火有助于FePt从无序合金转变为有序金属间化合物. 在MgO的保护下, FePt的扩散受到限制, 因而晶格中的FePt原子能够重构形成FePt金属间化合物, 再通过简单的酸腐蚀可得到分散的纳米颗粒. FePt金属间化合物纳米颗粒形成面心立方和面心四方结构, 通过组分调节可以改变其磁性能. 随着铁含量的增加, 其饱和磁化强度从8 emu g−1提高到52 emu g−1, 在铁含量为44%时, 矫顽力达到最大值33 kOe. 利用含巯基分子对纳米颗粒表面进行亲水或疏水性改性, FePt金属间化合物纳米颗粒可以溶于水和烃类溶剂. 亲水的L10-FePt金属间化合物纳米颗粒可作为磁共振成像造影剂, 表现出高的横向弛豫率(328.6 mmol−1 L s−1), 这表明FePt金属间化合物纳米颗粒有望用于肿瘤诊断的分子探针.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 961-968 (2018)


Article

A skin-like stretchable colorimetric temperature sensor

陈颖芝, 席崟, 柯宇杰, 李文昊, 龙祎, 李静媛, 王鲁宁*, 张晓宏*

皮肤式可拉伸变色温度传感器

摘要可穿戴传感器最主要的形式为直接与皮肤接触式, 用于测量各种皮肤表面参数. 一种创新型的传感器使用柔软和极端轻薄的材料, 其机械性质和延展性与人体表皮相似, 因此也被称为表皮传感器. 表皮传感器能够自发地附着在皮肤上, 顺应皮肤的表面形态. 本论文利用PCDA聚合后的热致变色特性, 及PDMS高分子基体良好的拉伸性, 通过物理交联的方法, 制备了可拉伸的柔性热致变色温度传感器. 对PDA/PDMS薄膜进行热致变色及力学性能探究发现, PDA薄膜具有较低的变色温度区间25–85°C, 其断裂延伸率平均可达300%, 杨氏模量接近表皮约为230 kPa. 该方法为发展生物相容性传感体系提供了良好的理论与实际参考.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 969-976 (2018) 


Article

A FeSe-based superconductor (C2H8N2)xFeSe with only ethylenediamine intercalated

高展, 曾涑源, 朱百川, 厉彪, 郝巧燕, 胡屹伟, 王大可, 唐凯斌*

仅有乙二胺插层的铁硒基超导体(C2H8N2)xFeSe

摘要:本文采用水热法成功合成了一种新型铁硒基超导体(C2H8N2)xFeSe, FeSe层间只有乙二胺分子而不包含其他任何金属. 碳氢氮元素分析和热重-红外-质谱联合分析的数据都表明层间的乙二胺分子是完整而且独立的. X射线衍射图指出插层化合物是一个正交格子, 而以往铁硒基超导体在常温下几乎都是四方格子. 磁性测量的数据显示产物在10 K左右有一个大的超导转变, 可归结于插层产物(C2H8N2)xFeSe. 此外, 在30 K处也观察到一个很小的超导转变, 这可能是杂质引起的.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 977-984 (2018)


Article

Near UV-pumped yellow emitting Sr9MgLi(PO4)7:Eu2+ phosphor for white-light LEDs

乔建伟, 夏志国*, 张志超, 胡彬涛, 刘泉林*

近紫外芯片激发的白光LED用黄色荧光粉Sr9MgLi(PO4)7:Eu2+

摘要: 发现新型白光LED用荧光粉一直是材料科学领域一项重要的挑战. 采用本课题组提出的矿物结构模型, 高效设计了稀土发光材料新物相, 并解析、确定新物相的晶体结构. 本论文用黄色荧光粉Sr9MgLi(PO4)7:Eu2+设计合成了一种新型白光LED, 并对其结构和发光特性进行了分析表征. 研究发现: 其物相结构是源于β-Ca3(PO4)2矿物模型. 在365 nm近紫外光激发下, Sr9MgLi(PO4)7:Eu2+呈现出一个从450 nm700 nm的宽带发射. 通过把Sr9MgLi(PO4)7:Eu2+黄粉与商用蓝粉BaMgAl10O17:Eu2+混合涂敷在蓝光芯片表面, 制作得到了白光LED器件. 测试结果显示, LEDRa, CCT, CIE值分别为83, 5612 K,(0.324, 0.358), 表明Sr9MgLi(PO4)7:Eu2+可作为白光LED用黄光荧光粉.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 985-992 (2018)


Article

Rational design of sustainable polyurethanes from castor oil: towards simultaneous reinforcement and toughening

安许沛, 陈嘉慧, 李以东, 朱江, 曾建兵*

持续蓖麻油基聚氨酯的设计合成: 同时实现增强与增韧

摘要蓖麻油基聚氨酯(COPU)链柔顺性大且交联密度高, 导致其力学强度与韧性俱差. 本文将双官能度刚性物质引入COPU, 一方面, 利用其刚性增强COPU的力学强度与模量; 另一方面, 利用双官能度结构, 降低COPU的交联密度, 提升其韧性, 同时实现COPU的增韧与增强. 我们将生物基异山梨醇(IS)用作COPU的结构调节单元, 设计合成了一系列生物基聚氨酯(CIPU). 研究发现: 当IS含量较少时, CIPU表现出弹性体的拉伸行为, 其拉伸强度与断裂伸长率均随IS含量增加而大幅增加; 当IS含量高于蓖麻油时, CIPU表现出塑料的拉伸行为, 拉伸强度与断裂伸长率分别可达~34 MPa与~200%, 为COPU的44与5倍. 此外, 该CIPU还表现出优异的热稳定性与耐热性. 该研究可为植物油基高分子新材料的设计合成提供借鉴.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 993-1000 (2018)


Letter

Fluorescein supramolecular nanosheets: A novel organic photocatalyst for visible-light-driven H2 evolution from water

张国强欧伟徐杨森*

光素超分子纳米片: 一种可见光分解水产氢的新型有机光催化剂

摘要氢能源是未来最理想的清洁能源, 可以利用太阳能和光催化材料分解水获得. 开发廉价、资源丰富、环境友好的光催化材料, 成为近年来能源和环境领域的研究热点. 基于此, 我们报道了一种新型有机光催化材料-不含金属的荧光素超分子纳米片, 其在可见光下显示出高效的光催化分解水产氢活性, 产氢速率接近341 μmol g−1 h−1, 在420±10 nm的波段下表观量子效率达到1.2%. 这是荧光素超分子晶体首次被报道并应用于可见光下分解水产氢, 这一发现丰富了有机和超分子光催化剂的种类.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 1001-1006 (2018) 

Letter

Fabrication and photocatalysis of ZnO nanotubes on transparent conductive graphene-based flexible substrates

于琦, 林锐, 姜立运, 万家炜, 陈晨*

透明导电石墨烯柔性衬底上ZnO纳米管的制备及其光催化性能研究

摘要本论文以水热法在透明导电石墨烯柔性衬底(GPET)上生长氧化锌(ZnO)纳米管阵列, 发现其纳米管形成机理为选择性地沿(001)面生长, ZnO/GPET异质结具有较好的整流特性. 光催化测试表明, ZnO/GPET复合结构可提高光催化性能, 并具有良好的循环性. 此方法可在柔性衬底上稳定生长ZnO纳米管, 并可应用于相关光电器件及光催化领域中.

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 1007-1011 (2018) 


Highlight

A breakthrough in direct conversion of methane to oxygenates under mild conditions

Zhao Yan-Xia,  He Sheng-Gui

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 1012-1014 (2018) 


Highlight

Welding molecules into polymeric chains in one fell swoop

Li Longyu,  Ke Chenfeng

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 1015-1016 (2018) 


Highlight

Surprisingly fast cooling in graphene-based van der Waals stacks

Peng Hailin,  Tan Zhenjun

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 1017-1018 (2018)


Highlight

Catch twin nucleation in action at atomic scale

Zhu Yuntian

SCIENCE CHINA Materials 61(7), 1019-1020 (2018)




点击左下角“阅读原文”,阅读以上文章PDF原文


—关注中国科学材料,请长按识别二维码—