《中國科學：材料》2018年第3期

最新 03-05

SCIENCE CHINA Materials

Volume 61, Issue 3, March, 2018

Cover

As a special type of ceramics, optical ceramics are transparent and have great potentials for laser gain mediums and other optical devices. However, the strict requirements on crystal size/symmetry and the high-temperature fusing process confine optical ceramics to a few inorganic, nonmetallic materials. Zhang and coworkers show that, by simply slowing down the solvent evaporation rate, metal-organic framework nanocrystals can fuse at room temperature to form ceramic-like coherent masses with high optical transmittance and good amplified spontaneous emission performance. This finding can be also useful for adsorption, separation, and sensing applications (see the article on page 424).

Review

Recent progress on nanostructured conducting polymers and composites: synthesis, application and future aspects

張麟*,杜文雅, Amit Nautiyal,柳禎,張新宇*

納米結構導電聚合物及其複合材料的研究進展:製備,應用和展望

摘要:導電聚合物既具有金屬材料的導電性,又具備高分子材料的特性,因此近年來得到全世界的廣泛研究和應用.導電聚合物具有較寬和可調的電導率、簡捷的製備工藝、可靠穩定的機械性能,以及輕質低價的優點.相比大尺度的導電聚合物,具有納米結構的導電聚合物呈現出較高的導電性,較大的比表面積和較好的電化學活性.納米導電聚合物和其他納米材料結合形成的功能性納米複合材料實現了性能的改進,在諸如電子電器、能量儲存、能量收集、感測器和電磁保護防腐等各個領域有著潛在和廣泛的應用前景.在這篇綜述中,作者總結了近幾年來(涵蓋四百多篇文獻)納米結構導電聚合物及其複合材料的研究進展,討論了納米導電聚合物和複合材料的製備方法,列舉了不同的形貌和結構及其對應的導電機理和改性方法.結合大量的實例,介紹了納米複合材料在各領域的應用和最新動態.最後對納米導電聚合物複合材料這一領域存在的挑戰和亟待研究的熱點問題進行了展望.

SCIENCE CHINA Materials61(3), 303-352 (2018)

Article

Ni(OH)2nanoflakes supported on 3D hierarchically nanoporous gold/Ni foam as superior electrodes for supercapacitors

柯曦，張鄒鑫，程乙，梁耀華，譚植元，劉軍，劉麗英，施志聰*，郭再萍*

三維分級結構氫氧化鎳納米片@納米多孔金/泡沫鎳超級電容器電極材料

摘要:人們對攜帶型電子器件和混合動力汽車的需求不斷增長，激發了超級電容器等先進儲能體系的發展。本文通過三步法，包括電化學沉積金-錫合金、化學去合金除錫以及電化學沉積氫氧化鎳等，製備了無需粘結劑的氫氧化鎳@納米多孔金/泡沫鎳電極用作超級電容器電極材料。該電極材料由支撐在三維分級多孔的納米多孔金/泡沫鎳基底表面的氫氧化鎳納米片薄層組成，能夠為電子傳導與離子輸運提供快速通道，在2 A g-1的充放電電流密度下比電容值高達3380 F g-1，當充放電電流密度增大到50 A g-1時，其比電容值仍能保持為1927 F g-1，表現出優異的電化學性能。氫氧化鎳@納米多孔金/泡沫鎳電極材料具有優良電化學性能的原因在於其所擁有的三維分級多孔結構、納米多孔金/泡沫鎳複合集流體的高導電網路以及氫氧化鎳活性材料在納米多孔金/泡沫鎳表面的保形電沉積使整個電極的內外表面均形成互連的多孔結構。氫氧化鎳@納米多孔金/泡沫鎳電極材料所展現出的優異電化學性能令其有望成為未來最有前景的電化學儲能材料之一。

SCIENCE CHINA Materials61(3), 353-362 (2018)

Article

A stable lead halide perovskite nanocrystals protected by PMMA

李曉,薛振傑,羅聃,黃川輝,劉立志,喬學志,劉聰,宋倩,閆聰,李迎春,王鐵*

一種高分子保護的鉛鹵鈣鈦礦納米晶

摘要:有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦易於加工、帶隙可調、電荷轉移速率高,是一種具有廣泛應用前景的新型光電半導體材料.在潮濕空氣中的穩定性是鈣鈦礦實現產業化應用亟待解決的問題.本文介紹了聚甲基丙烯酸甲酯作為配體利用配體輔助再沉澱實現了鈣鈦礦納米晶的聚合物包裹.聚合物作為疏水性骨架通過功能性酯羰基與鈣鈦礦表面鉛化學鍵合實現了表面鉛位點的全覆蓋,有效阻止該位點被水分子佔據,形成的緊密界面層有效延緩水分子擴散到鈣鈦礦納米晶中.製備的薄膜表現出超高的浸水穩定性.

SCIENCE CHINA Materials61(3), 363-370 (2018)

Article

Nano-structured red phosphorus/porous carbon as a superior anode for lithium and sodium ion batteries

徐江,丁建寧*,朱文俊,周小雙,葛善海,袁寧一*

紅磷/多孔碳納米複合材料用於高性能鋰離子和鈉離子電池負極

摘要:為了提升鋰離子或鈉離子電池的電化學性能,通常的做法是將活性材料填充到多孔導電顆粒中來形成複合材料.然而,同時實現電池的高容量、高倍率、高首次庫侖效率和長循環壽命等性能仍是一項挑戰.針對這些需求,我們設計並製備了具有分等級微中孔結構的活性炭包覆碳納米管材料.採用蒸發冷凝轉化法製備了一種將紅磷限制在碳材料孔隙中的新型磷/碳(P/C)複合材料.在這種複合材料中,碳基的微孔被紅磷充斥而介孔被保留.材料顆粒表面的孔隙被紅磷所堵塞.由於所製備的P/C複合材料這種獨特的結構,其在鋰離子電池中以0.2 C倍率充放電時展現了高達1674 mA h g?1的比容量和92.2%的首次庫侖效率;在6 C倍率充放電時展現出1116 mA h g?1的高容量和優秀的循環穩定性.另外,所製備的複合材料在鈉離子電池中也展示了卓越的性能.這種採用特殊結構來改善電化學性能的方法可推廣到其他電池或儲能應用中.

SCIENCE CHINA Materials61(3), 371-381 (2018)

Article

Thermally-assisted photodegradation of lignin by TiO2/H2O2under visible/near-infrared light irradiation

陳駿,劉溫霞*,李真真,劉宏

利用TiO2/H2O2在可見/近紅外光照射下熱輔助光催化降解木素

摘要:木素是一種生物難降解有機物.造紙工業廢水中的木素通常利用諸如TiO2/H2O2紫外光催化技術之類的高級氧化技術去除,但紫外光在太陽光中的份額不足5%.本文提出了一種TiO2/H2O2熱輔助可見/近紅外光催化技術,利用該技術可在可見/近紅外光照射下將木素有效地催化降解. H2O2在TiO2上的吸附及提高溫度可促使光生電子在近紅外光和可見光照射下嚮導帶躍遷,並與H2O2反應促進光生載流子的分離及羥基自由基的形成.因此,提高H2O2濃度和適當提高溫度有助於提高木素的近紅外光催化降解速率,並在70°C時獲得最大木素降解速率.本文還根據實驗與分析提出了TiO2/H2O2熱輔助光催化體系降解木素時光生載流子的產生與傳遞機制.

SCIENCE CHINA Materials61(3), 382-390 (2018)

Article

Tuning optical properties of MOF-based thin films by changing the ligands of MOFs

殷文昌，陶呈安*，王芳，黃堅，曲天良，王建方*

配體改變法調控MOFs薄膜的光學性質

摘要：製備和開發新型光學薄膜材料對於功能性的光學和光電器件具有重要意義，特別是具有低折射率的光學薄膜材料。本論文選用一類典型的MOFs材料，MIL-101(Cr)，為研究對象，通過水熱法製備得到相應的MOFs納米顆粒，並通過旋塗法成功製備光學薄膜。通過改變配體(對苯二甲酸)苯環上功能團的種類:氫原子(H)、給電子基團(-NH2，-OH)和吸電子基團(-NO2，雙-NO2)，來調控對應的MOFs光學薄膜的光學性質。研究發現，MOFs薄膜的有效折射率neff隨著MOFs納米顆粒之間的孔隙的增加而減小，MOFs薄膜的消光係數k隨著給電子基團的增加而增大，而隨著吸電子基團的增加而減小。其中，含有吸電子基團的MOF即NO2-MIL-101(Cr)的折射率最小，低至1.2左右，而且消光係數特別小,該MOFs薄膜有望應用於減反射器件。此外，根據孔隙率計算得到，MOFs材料的本徵折射率ndense隨著功能基團的增加而增大，而且雙硝基取代的MOFs的折射率大於硝基取代的，大於羥基取代的折射率，而羥基取代的與氨基取代的折射率差不多。MOFs材料中配體的多樣性，使其有望成為新一代的光學材料。

SCIENCE CHINA Materials61(3), 391-400 (2018)

Article

Au NP@silica@europium coordination polymer nanocomposites for enhanced fluorescence and more sensitive monitoring reactive oxygen species

李慧勤*，楊建輝*，鄧青青，竇樹梅，趙微微，林沖，劉曉芳

複合納米材料Au@SiO2@Eu配位聚合物的熒光增強及其對活性氧的高靈敏檢測研究

摘要：本論文通過兩步工藝成功合成了Au NP@SiO2@TDA-Eu複合納米材料:採用改進的一鍋法製備了納米複合材料Au NP@SiO2,然後利用水熱法,在無水乙醇中通過亞硫基二乙酸[S(CH2COO)22?，TDA]和Eu(NO3)3·6H2O反應，生成銪的配位聚合物,並將其沉積在Au NP@SiO2的表面合成複合納米材料Au NP@SiO2@TDA-Eu。該複合材料在二氧化硅層厚度為30 nm時，熒光增強最大，增強因子為6.81，在對活性氧的檢測中,表現出高靈敏度。

SCIENCE CHINA Materials61(3), 401-408 (2018)

Article

Spherical periodicity as structural homology of crystalline and amorphous states

張爽,董丹丹,王子鑒,董闖*, Peter H?ussler

晶態與非晶態結構的球周期同源性

摘要:球周期在液體與非晶的結構形成過程中佔有主要地位,根據Friedel振蕩理論,原子傾向於聚集在球周期殼層上.本文提出在非晶晶體相結構中依然隱藏著球周期序列.在一個給定的相中,所有非等效原子佔位皆衍生出相應的最近鄰團簇,其中必然存在一個具有代表性的主團簇,以其為中心時,球周期最明顯.該主團簇加上特定的連接原子組成了對應非晶態的團簇加連接原子結構單元.本文通過全面分析Cu-(Zr, Hf), Ni-(Nb, Ta), Al-Ca與Pd-Si二元塊體非晶形成體系中的晶化相,進一步指出球周期序代表了晶態與非晶態在中程序的結構同源性.

SCIENCE CHINA Materials61(3), 409-416 (2018)

Article

Achieving superior low temperature and high strain rate superplasticity in submerged friction stir welded Ti-6Al-4V alloy

吳利輝，張昊，曾祥浩，薛鵬，肖伯律，馬宗義*

Ti-6Al-4V合金水下攪拌摩擦焊接頭的低溫與高應變速率超塑性

摘要：鈦合金焊接接頭超塑成型用於生產整體構件具有廣泛應用前景。熔焊或常規攪拌摩擦焊(FSW)通常得到具有片層組織的焊核，從而導致過低超塑性、或過高超塑溫度以及低應變速率，成為影響接頭整體成型的關鍵。本研究首次採用水下FSW(SFSW)對Ti-6Al-4V進行焊接，得到焊核為條帶組織的無缺陷接頭。焊核在600°C下仍具有超塑性，是目前實現鈦合金焊接頭超塑性的最低溫度。此外，焊核可在800°C下和高應變速率(3×10?2 s?1)下實現超塑性，並在1×10?3 s?1下獲高達615%的延伸率。與常規FSW相比，SFSW焊核的最佳超塑溫度下降了100°C且流變應力大幅下降，其優異超塑性能主要是由於條帶組織在超塑變形中極易球化，提高了晶界/相界滑移能力的結果。

SCIENCE CHINA Materials61(3), 417-423 (2018)

Letter

Room-temperature sintered metal-organic framework nanocrystals: A new type of optical ceramics

葉嘉文,周學宏,王昱,黃瑞康,周浩龍,程小寧,馬於光,張傑鵬*

室溫燒結的金屬—有機框架納米晶:一種新型光學陶瓷

摘要:光學陶瓷是一種透明的特種陶瓷,可兼備單晶的高穩定性和玻璃、流體和其他非晶材料的大尺寸的優點,是有潛力的激光增益介質.因為對晶體尺寸和對稱性有嚴格要求,而且需要高溫燒結過程,只有少數無機非金屬材料可用於製備光學陶瓷.本文報道了一種由配位聚合物(或稱金屬—有機框架)組成的新型陶瓷.通過簡單地降低溶劑揮發速度, MAF-4(即SOD型二甲基咪唑鋅,也稱ZIF-8)的納米晶即可融合形成緻密的陶瓷狀塊體,甚至具有毫米級尺寸和高達84%可見光透過率.該金屬—有機光學陶瓷MOOC-1可以負載熒光染料sulforhodamine 640並保持其發光特性,包括很高的量子產率63.6%和極低的放大自發輻射閾值31μJ cm-2.其他幾種金屬—有機框架的納米晶也可以在類似條件下融合成陶瓷或光學陶瓷.考慮到金屬—有機框架的結構和功能多樣性,金屬—有機陶瓷不但可用作光學器件,還可能在吸附、分離、感測等相關領域展現潛力.