1. 刘忠范Adv. Mater.:基于界面力调控的“粘毛辊”用于超净石墨烯制备

污染是表面和界面技术中的主要问题。鉴于石墨烯是具有极大表面积的2D单层材料,表面污染可能会严重降低其固有性能,并严重阻碍其在表面和界面区域的适用性。然而到目前为止,科学家们尚未开发出保持其优异性能的清洁石墨烯膜的大规模制备方法。

北京大学的刘忠范教授和彭海琳课题组报道了一种有效的生长后处理方法,该方法用于选择性去除表面污染以实现大面积超净石墨烯的制备。所获得的表面清洁度超过99%的超纯石墨烯,并可以转移到聚合物残留量显着减少的介电基材上,获得500000 cm2 V-1 s-1的超高载流子迁移率和118 Ωµm的低接触电阻。

文献链接: A Force-Engineered Lint Roller for Superclean Graphene (Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902978)


2. 崔屹Nat. Commun.:二维无机分子晶体

由零维分子组成的二维分子晶体由于其新颖的物理特性而非常有吸引力。但是,它们主要限于有机分子。由于难以控制晶相、尺寸、厚度和生长表面,因此二维无机分子晶体的合成仍然是一个巨大的挑战。

美国斯坦福大学的崔屹教授和华中科技大学的翟天佑教授设计了一种钝化剂辅助气相沉积方法,用于生长薄至单层的二维Sb2O3无机分子晶体。钝化剂可防止异相成核并抑制低能晶面的生长,并使分子沿高能晶面逐个分子横向生长。

作者使用拉曼光谱和原位透射电子显微镜发现,在热和电子束照射下,Sb2O3薄片的绝缘α相可以转变为半导体β相。此发现可以扩展到其他二维无机分子晶体的调控生长,并为潜在的分子级电子设备做铺垫。

文献链接: Two-dimensional inorganic molecular crystals (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-12569-9)


3. 冯金奎ACS Nano:可扩展锂离子电池和锂金属电池大体积层状合金的二维硅的物理合成

二维硅(2DSi)由于其独特的结构和性能,已广泛应用于储氢,传感器,电子设备,催化,电化学储能等领域。然而,高质量2DSi的可扩展且低成本的制造仍然是一个很大的优势挑战。

山东大学的冯金奎教授在这篇文章中设计了一种真空脱合金法,以从大体积层状钙硅合金获得高质量的2DSi。用这种方法,作者将较低沸点的钙金属蒸发以构建2DSi,并且可以进一步回收。深入研究了真空条件对形态,成分和电化学性能的影响。作为锂离子电池的负极,2DSi在5000 mA g-1的3000次循环后提供了835 mAh g-1的稳定循环能力。作者还探讨了电化学性能增强机制。

此外,通过将2DSi与2D MXene结合使用,可以构建2D/2D柔韧性和无粘合剂的纸张。作为锂金属电池的亲锂成核剂,2D/2D结构可以有效抑制Li枝晶的生长并减少成核壁垒,在600个循环左右达到高库仑效率,并具有1000 h的长寿命。作者研究了锂金属在铜箔和2DSi上的晶体生长差异。这项工作可为绿色,低成本和可扩展的2D材料合成提供途径。

文献链接: Scalable and Physical Synthesis of 2D Silicon from Bulk Layered Alloy for Lithium-Ion Batteries and Lithium Metal Batteries (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b06653)


4. 任文才Nat. Commun.:利用淬火法超快地生长纳米石墨烯薄膜

纳米晶化是一种众所周知的策略,可以极大地调节材料的性能。然而,由于纳米晶石墨烯的制备极其困难,因此其在纳米尺度上的晶粒尺寸效应在实验上仍然未知。

中国科学院金属研究所的任文才教授在这项研究中报道了,在液态碳源中通过淬火一个热金属箔,在几秒钟内实现石墨烯薄膜的超快速生长。以铂箔和乙醇为例,合成了四种平均粒径约为3.6、5.8、8.0和10.3 nm的纳米晶石墨烯薄膜。发现在纳米尺度下晶界的影响变得更加明显。

与原始石墨烯相比,3.6 nm的薄膜保留了高强度(101 GPa)和杨氏模量(576 GPa),而电导率却下降了100倍以上,显示出半导体性能,带隙约为50meV。这种液相前驱物淬灭方法为典型的石墨烯材料和其他二维纳米晶体材料的超快合成提供了参考。

文献链接: Ultrafast growth of nanocrystalline graphene films by quenching and grain-size-dependent strength and bandgap opening (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-12662-z)


5. 孙东明Nat. Commun.:垂直硅-石墨烯-锗晶体管

因为石墨烯的原子厚度所引起的基极穿越时间可忽略不计,石墨烯基晶体管已被提出用于高频应用。但是,通常使用的隧道发射极具有高的发射极势垒高度,这限制了晶体管向太赫兹工作的性能。为了克服这个问题,理论上已经提出了石墨烯基异质结晶体管,其中石墨烯基被硅层夹在中间。

中国科学院金属研究所的孙东明教授在这项研究中演示了一种垂直硅-石墨烯-锗晶体管,其中实现了由单晶硅和单层石墨烯构成的Schottky发射极。这种Schottky发射极的电流为692 A/cm2,电容为41 nF/cm2,因此,通过使用当前的隧道发射极,晶体管的alpha截止频率有望从大约1MHz增加到1 GHz以上。随着进一步的工程设计,半导体-石墨烯-半导体晶体管有望成为超高频工作最有希望的器件之一。

文献链接: A vertical silicon-graphene-germanium transistor (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-12814-1)


6. 徐斌Small:适用于高性能锂离子电池的柔性3D多孔MXene

2D过渡金属碳化物和氮化物(称为MXenes)是十分有前景的能量存储材料,但由于2D纳米片的聚集和重新堆叠,这限制了它们的电化学性能。

北京化工大学的徐斌教授为了克服这个问题并实现MXene纳米片的全部潜力,通过简单的硫模板法建立了具有发达的多孔结构的3D MXene泡沫,这种产物具有柔韧性和高导电性,可以直接用作锂离子电池中的电极。MXene泡沫的3D多孔结构提供了大量的活性位点,以增强锂的储存能力。

此外,其泡沫结构有助于电解质渗透,从而实现Li+的快速转移。这种柔软的3D多孔MXene泡沫在50 mA/g时表现出455.5 mAh/g的显着增强的容量,出色的速率和超长期循环稳定性。这项工作不仅证明了3D多孔MXene泡沫的巨大优势,而且提出了在相对较低的温度下可控地从2D纳米片构造3D泡沫的方法。

文献链接: Flexible 3D Porous MXene Foam for High-Performance Lithium-Ion Batteries (Small, 2019, DOI: 10.1002/smll.201904293)


7.于振中Adv. Funct. Mater.:仿生叶状的柔性多功能织物——MXene/银纳米线,用于电磁干扰屏蔽和湿度监测

随着可穿戴设备的迅速发展,电子织物的研究成为一个新的热点,多功能、智能化的需求带来了机遇与挑战。但在赋予织物新功能的同时,保证其基底原有结构、透气性、舒适性等成为一个亟需解决的问题。与传统导电填料相比,过渡金属碳化物/碳氮化物(MXene)作为一种新的二维导电纳米材料,具有优异的导电性和丰富的表面官能团,在可穿戴织物领域展现出了巨大的应用前景。

北京化工大学张好斌教授和于振中教授通过真空辅助的逐层组装技术在纺织品上共形沉积导电物质,从而开发出具有出色的电磁干扰(EMI)屏蔽性能,超疏水性和高度敏感的湿度响应的多功能和柔性纺织品。形成的叶状纳米结构由作为高导电骨架的银纳米线(AgNWs)和作为薄片的过渡金属碳化物/碳氮化物(MXene)纳米片组成。MXene的存在可保护AgNWs免受氧化,并增强AgNWs与织物基材的结合,其官能团的转化导致自衍生的疏水性。

这种柔软的多功能纺织品在120微米的小厚度下表现出0.8 Ωsq-1的低薄层电阻,出色的X波段EMI屏蔽效率和高度敏感的湿度响应,同时保持令人满意的孔隙率和渗透性。具有较大接触角的自衍生疏水性是通过使亲水性MXene涂层的老化而实现的。可穿戴多功能纺织品在智能服装,湿度传感器和EMI屏蔽中的应用前景非常广阔。

文献链接: Flexible and Multifunctional Silk Textiles with Biomimetic Leaf-Like MXene/Silver Nanowire Nanostructures for Electromagnetic Interference Shielding, Humidity Monitoring, and Self-Derived Hydrophobicity (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905197)


8. Yong-Wei Zhang Chem. Mater.:磷的析氢性能可与铂媲美

氢是最清洁的燃料,它是最有前途的能源之一,可以潜在地减少对化石燃料的依赖。如今,氢气的90%是通过化石燃料的改造产生的,这是不可持续的,并伴随着严重的CO2排放。因此,探索有效、低成本和清洁地生产氢气的替代途径是一个活跃的研究主题。

氢分解反应(HER,2H++2e→H2)是电化学水分解中的阴极反应,这种方式提供了产生H2的潜力。先进的HER催化剂由于其高效的功能性,主要由贵金属(尤其是Pt)组成。但是,贵金属的稀缺性和高成本限制了它们的可扩展性应用,并促使人们寻找低成本的替代品。

新加坡A*STARGang Zhang教授和Yong-Wei Zhang教授发现,虽然理想的磷片具有催化惰性,但具有原子缺陷的磷却能够用作高级HER催化剂。通过筛选空位和/或边缘含磷的磷原子位置,可以确定HER过程的活性位。通过考察吉布斯自由能,作者发现单空位和三空位等奇数空位包含多个活性位点,这些活性位点具有与铂相当的催化能力。尽管空位处的原子位点本质上是惰性的,但适当的拉伸应变可以使其具有催化活性。

作者进一步揭示,磷光体中优异的HER活性是由于这些缺陷处键的强烈扭曲的局部状态引起的。从氢原子到缺陷的电荷转移以及缺陷中局部扭曲的晶格位点都证明了良好的氢-磷原子相互作用和优异的HER。

文献链接: Design of Phosphorene for Hydrogen Evolution Performance Comparable to Platinum (Chem. Mater., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b03031)

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