鑽石舞台

過Al摻雜促進可見光驅動的LaTaON2分解水

第一作者: 楊林, 喻金星

通訊作者: 徐曉翔

LaTaON2是一種極具吸引力的可見光活性光催化水分解材料. 它的吸收波長能夠達到650 nm, 並且符合水分解反應的熱力學要求, 是光催化水分解的候選材料. 儘管LaTaON2具有這些優異的性質, 它的光催化活性通常不夠理想. 這是由於LaTaON2材料通常具有較高的缺陷濃度, 嚴重阻礙了電荷分離. 本文通過將Al摻雜到Ta亞晶格中來對LaTaON2材料進行改性, 得到LaTa1−xAlxO1+yN2−y (0 ≤ x ≤ 0.20). Al摻雜不僅抑制了LaTaON2材料中的缺陷濃度, 增加了其表面親水性, 而且還保持了材料原有的可見光吸收性質. 這些改進顯著改善了LaTaON2材料內的電荷分離情況, 並極大增強了材料可見光下的光催化氧化水制氧性能. 在最佳條件下, Al摻雜的LaTaON2在420 ± 20 nm處水氧化的表觀量子效率達到1.17%, 這個性能要優於大多數已報道的LaTaON2光催化劑. 這些發現驗證了Al作為摻雜劑的優越性, 也為進一步改性其他金屬氧氮化物光催化劑的活性提供了新思路.

Yang, L., Yu, J., Chang, S. et al. Boosting visible-light-driven water splitting over LaTaON2 via Al doping. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2085-4

超低濃度電解液助力K0.486V2O5高性能質子存儲

第一作者: 董昇陽

通訊作者: 董曉臣, 張一洲

高濃度電解液被認為是一種很有前景的拓寬電解液電化學穩定窗口和提高水系電池電化學性能的方法. 但是高濃度電解液也存在高成本、高粘度、低電導率等棘手問題. 因為特殊的Grotthuss機制, 質子電池能夠在低濃度電解液中獲得足夠的動力學性能. 本文採用罕見的超低濃度硫酸電解液(0.01 mol L−1)助力K+預嵌的V2O5 (K0.486V2O5, KVO)電化學穩定性. 在50 mA g−1的低電流密度下, KVO電極具有129 mA h g−1的比容量; 在1 A g−1的電流密度下, 循環20,000圈的容量保持為78%. 超低濃度電解液策略為開拓耐用的、低成本的水系能源存儲系統提供了一種新的路徑.

Dong, S., Lv, N., Ren, R. et al. Ultralow-concentration electrolyte boosting K0.486V2O5 for high-performance proton storage. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2084-x

陰陽離子協同作用在系列准一維氟化草酸銻中實現雙折射調控

第一作者: 張喋

通訊作者: 鄒國紅, 黃玲

具有較大光學各向異性的雙折射材料可以用來調製光的偏振, 在激光科學與技術中發揮着關鍵作用. 然而, 由於缺乏理性設計的有效策略, 新型高性能雙折射材料的探索研究進展極其緩慢. 本文通過採用π共軛C2O42−陰離子和含具有立體化學活性孤對電子的Sb3+陽離子相結合, 成功地合成了三例氟化草酸銻鹽, 分別為Na2Sb2(C2O4)F6、K2Sb2(C2O4)F6和Cs2Sb2(C2O4)F4•H2O. 它們都具有獨特的准一維鏈狀結構, 並表現出大的光學各向異性. 尤其是Cs2Sb2(C2O4)F4•H2O表現出巨大的雙折射率(0.325@546 nm), 在所有已報道的銻(III)基含氧酸鹽中最大. 詳細的結構分析和理論計算證實, 陽離子模版劑和陰離子功能基團的協同作用可以調節化合物的光學各向異性. 這項工作為高效設計優良的雙折射材料打開了一扇大門, 並為新型結構驅動功能材料的進一步發現提供了指導.

Zhang, D., Wang, Q., Zheng, T. et al. Cation-anion synergetic interactions achieving tunable birefringence in quasi-one-dimensional antimony(III) fluoride oxalates. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2088-0

三元鉑釕碲合金納米纖維用於高效持久的鹼性氫氣氧化電催化

第一作者: 馬思閱

通訊作者: 何傳新

由於金屬鉑在鹼性介質中針對氫氣氧化反應的電催化活性比酸性介質中低兩個數量級, 陽極上緩慢的反應動力學不利於陰離子交換膜燃料電池的商業化. 因此, 發展高效且穩定的鉑基催化劑顯得十分迫切. 本文報道了一種電置換反應合成鉑原子比僅為11%的三元PtRuTe合金納米纖維的簡易方法. 通過調節碲對鉑和釕的電子貢獻可以優化表面鉑和釕原子與氫和羥基物質之間的吸附強度. 基於此, 該PtRuTe催化劑的動力學電流密度和交換電流密度在50 mV(相比於可逆氫電極)時達到了30.6 mA cm−2geo和0.426 mA cm−2metal, 分別是鹼性介質中商業Pt/C催化劑活性的3倍和2.5倍. 此外, PtRuTe催化劑在2000次電勢循環後活性僅衰減5%, 展現出了優異的穩定性. 本研究可為合理設計多元合金以提高鹼性介質中氫氣氧化電催化效率提供參考.

Ma, SY., Ma, T., Hu, Q. et al. Ternary PtRuTe alloy nanofibers as an efficient and durable electrocatalyst for hydrogen oxidation reaction in alkaline media. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2089-6

基於本徵離子導電的納米微纖構築低工作電壓的超薄生物憶阻器

第一作者: 張藝

通訊作者: 張耀鵬, 范蘇娜

兼具低工作電壓、良好穩定性及環境友好性的憶阻器在數據存儲和邏輯電路領域具有重要的作用, 但其製備依然是一個較大的挑戰. 本研究報告了一種基於純絲素納米微纖(SNFs)的超薄生物憶阻器. 絲素納米微纖的本徵離子導電性、高介電性能及納米級的厚度, 可將憶阻器的工作電壓降低至0.1–0.2 V, 並使其實現了超過180次的穩定電阻切換及105 s的阻態保持時間. 此外, 基於SNFs的憶阻交叉陣列具備穩定的憶阻性能, 實現了圖像記憶和邏輯運算功能. 電學變溫實驗和開爾文探針力顯微鏡的測試結果表明, 憶阻器的工作機制為空間電荷限制傳導(SCLC)機制. SNFs基憶阻器的低工作電壓、良好的穩定性和超薄厚度有望使其成為理想的生物電子器件.

Zhang, Y., Fan, S., Niu, Q. et al. Intrinsically ionic conductive nanofibrils for ultra-thin bio-memristor with low operating voltage. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2115-6

通過反鐵磁到弱鐵磁的調節實現磁製冷劑性能的極大提升

第一作者: 徐僑飛

通訊作者: 龍臘生

磁製冷劑的主要目標是在低場(≤2 T)下實現大的磁熱效應. 以往的研究表明, 弱鐵磁相互作用和高磁性密度的磁製冷劑可以實現這一目標. 然而, 由於缺乏有效的合成策略, 人們很難同時獲得弱鐵磁相互作用和高磁密度的磁製冷試劑. 本文研究了Gd(HCOO)(OH)2 (1)和Gd(HCOO)F2 (2)的合成及其磁熱效應. 磁性研究表明, 化合物1呈現反鐵磁相互作用, 磁相變溫度為1.4 K; 而化合物2表現出弱鐵磁相互作用, 磁相變溫度為1.0 K. 這些結果清楚地表明, 通過在反鐵磁化合物中引入氟橋不僅可以調節其磁相互作用, 還可以調節它們的磁相變溫度. 值得注意的是, 雖然化合物2的磁密度與化合物1的磁密度幾乎相同, 但化合物2在1 T時的磁熱效應(27.6 J kg−1 K−1)接近化合物1在1 T時磁熱效應(10.2 J kg−1 K−1)的3倍. 本研究為提高磁性製冷劑的磁熱效應提供了一種有效方法.

Xu, Q., Liu, B., Xu, H. et al. Enhancing the performance of magnetic refrigerants through tuning their magnetism from antiferromagnetism to weak ferromagnetism. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2109-9