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本文為楊站長技術團隊製作的《Materials Studio入門手冊》第八篇，本教程旨在從零開始帶大家入門MS軟件DFT計算，文末可下載更多學習資料。

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背景介紹
隨着商用電子設備、電動汽車和可再生能源電網的快速發展，對高效、可持續和經濟高效的電化學儲能（EES）系統的需求越來越大。由於能量密度大、效率高、重量輕，可充電鋰離子電池（LIBs）已成為當前EES系統中應用範圍最廣的電池。傳統LIBs通常使用具有插層機制的無機過渡金屬氧化物或磷酸鹽。雖然在優化它們的電荷存儲性能方面已經取得了實質性進展，但進一步改進電化學性能正變得越來越具有挑戰性。對LIBs需求的增長也引起了人們對Li成本和稀缺性的擔憂。因此，鹼金屬離子電池成為替代鋰離子電池的材料。
研究出發點
近年來，碳基儲能材料在電化學電容器和鹼金屬離子電池中的應用得到了廣泛的研究。碳量子點(CQDs)是一類具有量子尺寸（小於10 nm）、豐富表面官能團、均勻色散的新型碳材料。然而，將CQDs作為儲能材料，特別是作為二次電池的正極材料的研究工作相對較少。儘管CQDs及其衍生物已被用作各種鹼金屬離子電池的負極材料，但CQDs在正極上的應用僅限於其他活性材料的表面改性。CQDs是一種很有前景的正極材料，具有豐富的含氧官能團，可以儲存鹼金屬離子。由於CQDs體積小，在溶劑中的溶解度高，加工非常具有挑戰性。此外，與其他納米碳相比，CQDs的電導率較小，需要一種功能性基底來提高電導率，並防止CQDs在電化學反應過程中溶解到電解質中。
全文速覽
基於此，佐治亞理工學院Seung Woo Lee和Seung Soon Jang教授團隊通過一鍋熱還原法製備了還原氧化石墨烯和氧功能化碳量子點（CQDs）組成的雜化碳骨架，並對其氧化還原機理和與Li、Na、K離子的電化學性能進行了系統研究。由於CQDs的加入，混合陰極為鹼金屬離子提供了持續的電荷存儲性能改進，並提供了令人印象深刻的可逆容量（50 mAh g-1時為257 mAh g-1），倍率能力（1 A g-1時為111 mAh g-1）和鋰離子循環穩定性（10000次循環後保留79%）。此外，密度泛函理論計算揭示了不同鹼金屬離子對CQDs結構-電化學反應性的變化趨勢。研究結果為採用CQDs物種進行最佳鹼金屬離子儲存提供了重要的參考。
文章以「Carbon Quantum Dot Modified Reduced Graphene Oxide Framework for Improved Alkali Metal Ion Storage Performance」為題發表在Small上。
圖文解析
圖1.計算了不同尺寸和組成的碳材料的氧化還原電位(vs Li/Li+)。

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三重態融合上轉換Triplet-fusion-based photon upconversion，從光伏到生物成像，呈現廣泛的應用前景。然而，在傳統分子和聚合物體系中，三重態融合的效率，基本上受到其自旋依賴限制。

今日，美國 麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）Dong-Gwang Ha，Marc A. Baldo，Mircea Dincă等，在Nature Materials上發文，報道了金屬-有機框架材料metal–organic frameworks ，MOFs，固有的可裁剪性，結合其高度多孔但有序的結構，最大限度地減少了三重態間的交換耦合，並在單重態和五重態-三重態對之間設計了有效的自旋混合。
在基於芘pyrene金屬-有機框架MOF（NU-1000）中，演示了單重態-五重態耦合。在NU-1000上，觀察到了一種反常的磁場效應，對應於單重態和五重態之間的誘導共振，在室溫下，在相對較低的外加磁場（0.14T）下，產生了更高的融合速率fusion rate。
這一研究結果表明，金屬-有機框架材料MOFs為設計多激子過程的自旋動力學和改善其上轉換性能，提供了特別的希望。

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Exchange controlled triplet fusion in metal–organic frameworksNature Materials，Pub Date:2022-10-06,
DOI:10.1038/s41563-022-01368-1Dong-Gwang Ha, Ruomeng Wan, Changhae Andrew Kim, Ting-An Lin, Luming Yang, Troy Van Voorhis, Marc A. Baldo, Mircea Dincă
Triplet-fusion-based photon upconversion holds promise for a wide range of applications, from photovoltaics to bioimaging. The efficiency of triplet fusion, however, is fundamentally limited in conventional molecular and polymeric systems by its spin dependence. Here, we show that the inherent tailorability of metal–organic frameworks (MOFs), combined with their highly porous but ordered structure, minimizes intertriplet exchange coupling and engineers effective spin mixing between singlet and quintet triplet–triplet pair states. We demonstrate singlet–quintet coupling in a pyrene-based MOF, NU-1000. An anomalous magnetic field effect is observed from NU-1000 corresponding to an induced resonance between singlet and quintet states that yields an increased fusion rate at room temperature under a relatively low applied magnetic field of 0.14 T. Our results suggest that MOFs offer particular promise for engineering the spin dynamics of multiexcitonic processes and improving their upconversion performance.
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01368-1


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Plasma-electrified up-carbonization for low-carbon clean energy

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期刊的順利上線是源自全球傑出科研人員對Carbon Neutralization的信任與貢獻，亦是歸功於Wiley出版集團、編委團隊等多方力量的鼎力支持。學術期刊是學術研究交流的重要平台，是促進理論創新和科技進步的重要力量。打造具有世界影響力的國際一流期刊，把優秀的研究工作寫在祖國大地上，為提升國家科技話語權、增強國家科技實力貢獻力量，助力我國早日實現「雙碳」戰略目標，是Carbon Neutralization不變的初心！

Carbon Neutralization（碳中和）第二期共收錄了7篇文章， 包括4篇綜述性論文和3篇原創性研究論文。其中三篇被選為本期的封面文章：

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本文授權自：女神匯

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碳纖維與炭/炭複合材料論壇


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