氮化硼Science，一维范德华异质结Science；谢毅院士、吴锋院士、孙学良院士等成果速递丨顶刊日报20200201

1. Science: 一维范德华力异质结构材料

东京大学Shigeo Maruyama和Rong Xian团队报道了一维（1D）范德华异质结构材料的实验合成，该异质结构居于不同原子层同轴地堆叠。研究证明，六方氮化硼（BN）和二硫化钼（MoS₂）晶体在单壁碳纳米管（SWCNTs）上是以单晶层方式生长。对于SWCNTs，更容易合成克服应变效应的大直径纳米管。

研究人员还介绍了一个5 nm直径的异质结构纳米管，该结构由内部SWCNT，中间的三层BN纳米管和外部的MoS₂纳米管组成。电子衍射证实异质结构中的所有壳都是单晶结构。这项工作表明，当前2D库中的所有材料都可以卷成1D对应结构，并且可以实现大量功能可设计的1D异质结构。

One-dimensionalvan der Waals heterostructures, Science, 2020.

DOI:10.1126/science.aaz2570.

https://science.sciencemag.org/content/367/6477/537

2. Science: 同位素富集的立方氮化硼中的超高导热率

具有高导热率（κ）的材料具有技术重要性和基本利益。麻省理工学院Gang Chen 和波士顿学院David Broido团队在立方氮化硼（cBN）晶体中控制了硼同位素的丰度，并在室温下测量了富集¹⁰B或¹¹B的样品中κ大于1,600 W/(m^.K)。相比之下，研究发现磷化硼和砷化硼的κ同位素增强幅度要低得多，因为相同的同位素质量紊乱对声子越来越不可见。超高κ及其宽带隙（6.2 eV）使cBN成为微电子热管理，高功率电子和光电应用的有前途的材料。

Ultrahighthermal conductivity in isotope-enriched cubic boron nitride,

Science,2020.

DOI:10.1126/science.aaz6149.

https://science.sciencemag.org/content/367/6477/555

3. Chem. Rev.: 锂离子电池可持续回收技术及展望

近年来人们一直在努力地发展新型的电极材料、电解质和隔膜等来满足电动汽车、消费电子领域等对锂离子电池的不同需求。然而，人们对于锂离子电池以及各种新型高比能二次电池的可持续的关注却比较少。回收利用在未来电池的整体可持续性中发挥着重要作用，但是电池的回收利用受到包括电池的环境危害以及各组分价值等电池属性的影响。因此，在发展新型电池体系的过程中必须考虑到电池未来的回收利用情况。

在本文中，北京理工大学的吴锋院士与陈人杰教授等对二次电池的可持续性利用进行了系统性的总结与概括。文章以电动汽车为重点，从经济、环境、政策等方面分析了电池的市场竞争力。同时，考虑到未来几年将有大量锂离子电池面临退役，作者又从经济可行性、环境影响、技术性和安全性等方面对电池的利用与回收进行了深入评估。此外，作者还从生命周期评价的角度讨论了电池的可持续性，并从战略资源和经济需求的角度进行了分析。最后，作者提出了以高效、经济、环保、安全为目标的电池回收4H策略并强调了电池可持续性的新挑战和未来前景。

ErshaFan, Feng Wu, Renjie Chen et al, Sustainable Recycling Technology for Li-IonBatteries and Beyond: Challenges and Future Prospects, Chem. Rev., 2020

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00535

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00535

4. Nature Commun.: 单原子镍修饰的碳膜助力工业水平适配的CO₂电还原

CO₂电还原是制备CO燃料的有效手段，然而目前的电催化剂无法在工业水平的电流密度上长期保持高效稳定。近日，深圳大学何传新教授团队构建了一种高产率柔性自支撑的单原子镍修饰的多孔碳膜催化剂，该催化剂能够在工业水平的电流密度下对CO₂进行电化学还原。这种碳膜具有内部互通的纳米纤维和分级多孔结构，因而能够负载丰富的单原子镍催化剂来参与CO2的还原。

此外，该碳膜具有良好的机械强度且单原子Ni催化剂在其上分布均匀，因此能够将气体扩散层和催化活性层集于一身。这种集成式的碳膜可以直接作为气体扩散电极来构建CO₂电化学还原过程中极其稳定的三相界面。因此，即便在高达308.4mA/cm²的局部电流密度下该复合碳膜也能够高效还原CO₂产生CO，其法拉第效率可以维持高达88%长达120h。研究人员希望该工作能够为设计具有工业应用前景的CO₂电还原催化剂提供有益的指导。

HengpanYang, Chuanxin He et al, Carbon dioxide electroreduction on single-atom nickeldecorated carbon membranes with industry compatible current densities,Nature Communications, 2020

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14402-0

5. Joule：集成半透明有机太阳能电池，实现零能耗净温室

温室大大提高了农业土地利用效率。但是，由于调节温室空间，与传统耕作相比，它们消耗的能量也大得多。减轻能耗增加的一种方法是将太阳能模块集成到温室结构中。半透明有机太阳能电池（OSC）由于其可以调节其光谱吸收，以最大程度减少植物光合作用光谱上的日照衰减。

鉴于此，北卡罗莱纳州立大学(雷利)的Brendan T. O’Connor团队通过详细的能源平衡模型可以确定将OSC集成到美国温室的零能耗需求中的好处。研究发现，这些系统在温暖和中性的气候下每年可能会有能量过剩。此外，研究表明通过适当的设计可以最大程度地减少进入温室的日光照射量。这些结果表明OSC是在温室中实施的极佳候选模块，并提供了使可持续能源生产技术多样化的机会。

AchievingNet Zero Energy Greenhouses by Integrating Semitransparent Organic Solar Cells，Joule，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119306336

6. JACS：含双键侧链诱导NDI分子界面单层组装

基底表面长程有序地超分子组装是当前热点的非共价表面功能化领域的一大挑战。发展无缺陷的表面分子组装方法将为很多纳米技术的应用铺平道路。最近，诺奖得主Ben L. Feringa和E. W. Meijer等报道了两组双侧脂肪链修饰的萘酰亚胺（NDIs）及其在1-苯己烷/高定向热解石墨（1-phenyloctane/Highly Oriented Pyrolytic Graphite (1-PO/HOPG)）界面的自组装。

作者发现，侧链上有无双键会影响到NDI分子在固液界面处的组装行为。含C=C双键的分子几乎只表现出相互交错的脂肪链排列。而饱和侧链表现出交错式和非交错式的混合排列。这使得含不饱和键侧链的NDI分子在全尺度上表现出无缺陷的单层组装。相关实验结果得到计算模型的进一步验证。

José Augusto Berrocal,‡ G. Henrieke Heideman,‡ E. W. Meijer,* Ben L. Feringaa,c* et al Engineering long-rangeorder in supramolecular assemblies on sur-faces: the paramount role of internaldouble bonds in discrete long chain-naphthalenediimides, J. Am. Chem. Soc.,2020

DOI:10.1021/jacs.0c00765.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00765

7. Nano Lett.：抗氧化型黑磷纳米片用于治疗急性肾损伤

黑磷纳米片（BPNSs）由于其独特的光学性质，已被广泛用作光热和光动力治疗的纳米药物。然而，它们作为一种有效的生物材料的化学反应性还没有得到充分的研究。在此，中国科学技术大学谢毅院士、中国科学院上海应用物理研究所王丽华等人报告了用BPNSs作为活性氧（ROS）清除剂治疗小鼠急性肾损伤（AKI）。

重要的是，在小鼠体内的分析表明，BPNSs主要在肾脏中积累。研究还发现，BPNSs减轻氧化压力诱导的细胞凋亡。在ROS引发的急性肾损伤（AKI）模型中，BPNSs有效地消耗了肾脏中的ROS，表明了治疗AKI的高效性。BPNSs还表现出良好的生物相容性和生物降解性，这使其成为治疗AKI和其他肾脏疾病的理想药物。 

JunjunHou, Hui Wang, Zhilei Ge, et al. Treating Acute Kidney Injury withAntioxidative Black Phosphorus Nanosheets, Nano Lett., 2020.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05218

8. AM：单晶金刚石纳米柱的塑性变形

众所周知，金刚石具有一系列非凡的性能，包括非凡的机械稳定性。近日，悉尼科技大学Igor Aharonovich等人证明了纳米级的金刚石柱不仅可以发生弹性变形(和脆性断裂)，而且还可以发生一种新的塑性变形形式，这种塑性变形主要取决于金刚石的纳米尺寸和结晶取向。

塑性变形可以用碳的有序碳同素异形体O8-carbon的出现来解释。作者通过对变形动力学的模拟预测了新相的产生，显示了(001)取向金刚石的sp³键是如何在变形金刚石纳米柱的局部区域重组为O8‐carbon的。该结果展示了金刚石前所未有的力学行为，并为纳米材料的变形动力学提供了重要的见解。

BlakeRegan, Alireza Aghajamali, Johannes Froech, Toan Trong Tran, John Scott, JamesBishop, Irene Suarez‐Martinez, Ying Liu, Julie M. Cairney,  Nigel A Marks, Milos Toth,  Igor Aharonovich. Plastic Deformation of Single‐Crystal Diamond Nanopillars. Advanced Materials. 2020

DOI: 10.1002/adma.201906458

https://doi.org/10.1002/adma.201906458

9. AM：2D COFs和石墨烯集成超高响应光电探测器

2D材料在电子和光电领域显示出优异的性能，对高性能光电器件的广泛需求促进了研究者们对多种2D材料的探索。近年来，二维共价有机骨架（COFs）由于具有预先设计的π电子骨架和高度有序的拓扑结构，已经成为下一代层状材料，有望设计其光电性能。然而，由于各向异性的生长，COFs通常以固体粉末的形式存在，这使得它们很难集成到器件中。

近日，南京大学袭锴、詹鹏、徐飞、陆延青等人通过选择具有光电活性的四苯乙烯单体，通过精心设计在石墨烯上原位合成了高度有序的供体-受体拓扑结构的光敏2D‐COFs，最终形成了COF-石墨烯异质结构，并将其该异质结构成功制备了超敏光电探测器，表现出优异的整体性能，在473 nm处的光响应约为3.2×10⁷ AW^-1，响应时间约为1.14 ms。此外，由于COFs的高表面积和极性选择性，可以通过特定的靶分子可逆地调节光电检测器的光敏特性。该研究工作为构建具有可编程材料结构和多样化调节方法的先进功能器件提供了新的策略，为光电子学和许多其他领域的高性能应用铺平了道路。

YifengXiong, Qiaobo Liao, Zhengping Huang, Xin Huang, Can Ke, Hengtian Zhu, ChenyuDong, Haoshang Wang, Kai Xi, Peng Zhan, Fei Xu, Yanqing Lu. UltrahighResponsivity Photodetectors of 2D Covalent Organic Frameworks Integrated onGraphene. Advanced Materials. 2020

DOI: 10.1002/adma.201907242

https://doi.org/10.1002/adma.201907242

10. AEM: Sn取代的多功能Li₆PS₅I固态电解质助力高性能全固态锂电池

硫化物固态电解质由于具有离子电导率高、机械强度大等优势而在诸多固态电解质体系中颇受青睐。然而，硫化物固态电解质与金属锂兼容性较差且在空气环境中不稳定，这严重限制了其实际应用。最近，加拿大西安大略大学的孙学良教授团队将Li₆PS₅I（LPSI）固态电解质中的P(Ⅴ)元素用Sn(Ⅳ)进行取代制备了一种新型的LPSI-xSn（x为Sn元素取代的百分比）固态电解质。

相比原来的LPSI固态电解质，这种新型LPSI-20Sn电解质由于Sn原子的半径较大而使得其离子电导率提高了125倍之多。这种高离子电导的LPSI-20Sn电解质使得硫化物固态电解质与金属锂负极之间存在一层富含I的固态电解质稳定层，从而赋予了全固态锂电池更好地循环稳定性和更优异的倍率性能。更为重要的是，由于电解质中存在更强的Sn-S键，因此该电解质在O₂和潮湿条件下能够保持较高的稳定性。这种多用途Sn取代策略为开发新型空气稳定的硫化物固态电解质提供了新的方案。

FeipengZhao, Xueliang Sun et al, A Versatile Sn-Substituted Argyrodite SulfideElectrolyte for All-Solid-State Li Metal Batteries, Advanced Energy Materials, 2020

DOI: 10.1002/aenm.201903422

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201903422?af=R

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