材料电化学研究

1. 模块化点击化学库用于筛选重氮试剂点击化学是一个概念，其中模块化合成用于快速发现具有所需特性的新分子。铜(i)催化的叠氮化物-炔烃环加成(CuAAC)三唑环化反应和硫(vi)氟化物交换(SuFEx)催化被广泛视为点击反应，可快速获得其产物，收率接近100％。但是，在CuAAC反应的情况下，由于叠氮化物试剂的潜在毒性和制备中涉及的爆炸危险，因此其可用性受到限制。中科院上海有机所的Karl Barry Sharpless教授和董佳家教授，报道了添加到点击反应族中的另一种反应：由伯胺形成叠氮化物。该反应仅使用一种当量的简单重氮化物氟磺酰叠氮化物（FSO2N3），并能够以安全实用的方式在96孔板上制备1200多种叠氮化物。这种可靠的转化是CuAAC三唑环化（目前使用最广泛的点击反应）的有力工具。该方法大大扩展了易获得的叠氮化物和1,2,3-三唑的数量，并且鉴于CuAAC反应的普遍性，该方法应在有机合成、药物化学、化学生物学和材料科学中得到应用。文献链接: Molar click chemistry libraries for functional screens using a diazotizing reagent (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1589-1)2. PdMo双金属烯（bimetallene）用于氧还原催化通过电催化过程实现化学物质和电力的有效相互转化对于许多可再生能源计划至关重要。长期以来，氧还原反应（ORR）和氧释放反应（OER）的动力学迟缓是该领域的最大挑战之一，通常需要使用昂贵的铂族金属为基础的电催化剂来提高其活性和耐久性。合金化，表面应变和优化的配位环境的使用已导致铂基纳米晶体在酸性介质中具有很高的ORR活性。然而，由于在氢氧化物的存在下难以在铂族金属上获得最佳的氧结合强度，因此提高在碱性环境中该反应的活性仍然具有挑战性。北京大学郭少军教授发现PdMo双金属烯（bimetallene）是碱性电解液中ORR和OER的有效和稳定的电催化剂，并显示出非常好的性能。与碱性电解液中的可逆氢电极相比，PdMo双金属片的薄层结构可实现较大的电化学活性表面积以及高原子利用率，从而在0.9伏特下对每毫克钯的ORR产生16.37安培的质量活性。该质量活性分别比市售Pt/C和Pd/C催化剂高78倍和327倍，并且在30000个潜在循环后几乎没有衰减。密度泛函理论计算表明，合金化效应、应变效应（由于弯曲的几何形状引起）、量子尺寸效应（由于薄层的厚度引起）调节了系统的电子结构，从而优化了氧的结合。考虑到PdMo金属链的性质和结构-活性关系，其他金属链材料在能量电催化中显示出广阔的前景。文献链接: PdMo bimetallene for oxygen rection catalysis (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1603-7)3. 六边形平面过渡金属配合物过渡金属配合物因在催化、合成、材料科学、光物理和生物无机化学中具有重要作用而被广泛用于物理和生物科学。该研究对过渡金属配合物的理解源自Alfred Werner的认识，即它们的三维形状会影响其性能和反应性，并且分子轨道理论可牢固地支撑了形状与电子结构之间的内在联系。尽管在该领域已有超过一个世纪的进步，但过渡金属配合物的几何形状仍仅限于一些易于理解的例子。六坐标配位过渡金属的原型几何形状为八面体和三棱柱形，尽管与理想键角和键长的偏差经常出现，但其他能替代的几何形状却极为罕见。六边形的平面配位环境是已知的，但仅限于缩合的金属相，配位聚合物的六边形孔隙或紧密相邻的包含多个过渡金属的团簇。[Ni(PtBu)6]已经考虑过这种几何形状；然而，对分子轨道的分析表明，这种配合物最好被描述为具有三角平面几何形状的16电子产物。英国帝国理工学院的Mark R. Crimmin教授报道了一个简单的配位化合物的分离和结构表征，其中六个配体与六边形平面排列的中央过渡金属形成化学键。该结构包含被三种氢化物和三种镁基配体包围的中心钯原子。这一发现有可能为过渡金属配合物引入其他设计原理，并涉及多个科学领域。文献链接: A hexagonal planar transition-metal complex (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1616-2)4. 通过成分来调整高熵合金中的元素分布，结构和性能高熵合金是一类材料，其中包含五个或更多个近等原子比例的元素。它们非常规的成分和化学结构有望实现前所未有的机械性能组合。此类合金的合理设计取决于对几乎无限的组成空间中的复合物-结构-性质关系的理解。浙江大学余倩教授、佐治亚理工大学Ting Zhu教授和加州大学伯克利分校的Robert Ritchie教授使用原子分辨率化学映射来揭示广泛研究的面心立方CrMnFeCoNi高熵合金和新型面心立方合金CrFeCoNiPd的元素分布。在CrMnFeCoNi合金中，五个组成元素的分布相对随机且均匀。相比之下，在CrFeCoNiPd合金中，钯原子的原子尺寸和电负性与其他元素显着不同，其均质性大大降低。这五个元素趋向于表现出更大的聚集，初始浓度波的波长小至1-3纳米。所得的纳米级交替的拉伸和压缩应变场导致对位错滑移的相当大的抵抗力。应变实验中的原位透射电子显微镜显示，从塑性变形的早期开始就存在大量的位错交叉滑移，从而导致多个滑移系统之间存在很强的位错相互作用。CrFeCoNiPd合金中的这些变形机理与Cantor合金和其他面心立方高熵合金中的明显不同，这是由于成分的明显波动和堆垛层错能量的增加而引起的，从而导致了较高的屈服强度而应变硬化和拉伸延展性丝毫不受影响。映射原子级元素分布为理解化学结构提供了机会，从而为调整组成和原子构型以获得出色的机械性能提供了基础。文献链接: Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1617-1)5. 在较宽的温度范围内，基于氧化物的多层电容器具有很大的电热效应利用磁热材料和电热材料中的场驱动转变的热泵利用再生，通过相对较大的温度范围将散热器与负载分离。但是，原型的性能受到限制，因为由永磁体驱动的实际磁热工作体和由电压驱动的电热工作体显示的温度变化高达3K。英国剑桥大学的X. Moya教授和N. D. Mathur教授以及日本村田制造公司的S. Hirose教授发现，当一阶铁电相变在290-K居里温度以上，使用29.0 V/μm电场超临界驱动时，高质量的PbSc0.5Ta0.5O3多层电容器在较宽的起始温度范围内显示出较大的电热效应。大中心区域的温度变化在室温下接近5.5 K峰值，对于跨越176 K的起始温度超过3 K（完全热化会将这些值减小到3.3 K和73 K）。因此，PbSc0.5Ta0.5O3的多层电容器可以代替磁热冷却装置中的工作体，从而可以在不使用体积庞大且昂贵的永磁体的情况下重新利用既定的设计原理。文献链接: Large electrocaloric effects in oxide multilayer capacitors over a wide temperature range (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1634-0)6. 特定位点的烯丙基C-H键与铜键结合的氮中心自由基官能化选择性C-H键功能化的方法为化学家提供了广泛而强大的合成工具箱，例如无需长时间进行新颖合成即可对铅化合物进行后期修饰。鉴于有大量可用的HAT受体以及可用于生成的自由基中间体的反应途径的多样性，通过氢原子转移（HAT）裂解sp3 C-H键特别有用。然而，位点选择性仍然是一个巨大的挑战，特别是在具有可观性能的sp3 C-H键之间。如果中间基团可以进一步被对映选择性地俘获，这应该能够实现C-H键的高位和对映选择性官能化。上海有机化学研究所刘国生教授与香港科技大学林振阳教授合作报道了铜（Cu）催化的复杂烯烃的定点和对映选择性烯丙基CH氰化，其中以Cu（ii）结合的氮（N）为中心的自由基在实现精确的定点HAT中起关键作用。事实证明，该方法可有效收集各种含烯烃分子，包括空间要求结构和复杂的天然产物及药物。文献链接: Site-specific allylic C–H bond functionalization with a copper-bound N-centred radical (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1655-8)7. 非芳香壁纳米空间在过去的几十年中，已经报道了数种笼罩着纳米孔的分子笼，主体和纳米孔材料，包括配位驱动的纳米笼。在其他应用中，这种纳米笼已广泛用于分子识别、分离、稳定化和促进异常化学反应。分子宿主内大多数报告的纳米空间都具有芳香壁，芳香壁的特性有助于确定宿主-客体的行为。然而，由于非芳香族化合物的不稳定性，尚未开发出具有被抗芳香族壁包围的纳米空间的笼子。因此，非芳香剂壁对纳米空间性质的影响仍然未知。英国剑桥大学的Jonathan R. Nitschke教授演示了在由四个具有六个相同的非芳族壁的金属离子组成的自组装笼子中，一个非芳族壁纳米空间的构造。计算表明，围绕该纳米空间的非芳族部分的磁效应彼此增强。结合的客体分子的1H核磁共振（NMR）信号证实了这一预测，由于周围环的综合非芳族脱屏蔽作用，在高达百万分之24（ppm）的化学位移值下观察到该信号。该值与游离客体的值相差15 ppm，是迄今为止所观察到的非芳烃环境导致的最大1H NMR化学位移。因此，可以将这种笼子视为NMR移位试剂，将客体信号移动到通常的NMR频率范围以外，并为进一步探究非芳香族环境对纳米空间的影响开辟了道路。文献链接: An antiaromatic-walled nanospace (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1661-x)8. 通过"单击"功能性肽束制备具有可控组装和刚性的聚合物生物分子的工程设计是功能强大的精密材料设计中的关键概念。生物分子具有广泛的功能和结构，包括化学识别（例如，酶底物或配体的化学识别），精致的纳米结构（由肽，蛋白质或核酸组成）以及不寻常的机械性能（如丝状强度，刚度，粘弹性和弹性）。美国特拉华大学的Christopher J. Kloxin教授、Darrin J. Pochan教授和宾夕法尼亚大学的Jeffery G. Saven教授将物理（非共价）相互作用的计算设计与分层的“点击”共价组装相结合，以生产基于混合合成肽的聚合物。这些聚合物的纳米级单体单元是低分子量肽的同四聚体，α-螺旋束。这些捆绑的单体或“捆绑剂”可以设计为完全控制化学官能团的稳定性，大小和空间显示。束的蛋白质状结构允许精确定位不同束缚剂末端之间的共价键，从而产生有趣且可控制的物理特性的聚合物，例如刚性棒，半柔性或扭结链以及热响应性水凝胶网络。长链的刚度可以通过仅改变连接来控制。此外，通过控制沿捆扎机外围的氨基酸序列，作者使用特定的氨基酸侧链（包括非天然的“点击”化学功能）将部分缀合为所需的样式，从而能够创建各种各样的杂化纳米材料。文献链接: Polymers with controlled assembly and rigidity made with click-functional peptide bundles (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1683-4)9. 双回旋嵌段共聚物的软物质晶体中的介原子畸变超分子软晶体是由复杂成分的分级单元组装形成的周期性结构，并存在于各种各样的“软物质”系统中。基于通用对称性原理，此类软晶体展现出其“硬物质”原子固体对应物的许多基本特征和特性。软物质晶体的“介原子”构建基块由分子组组成，这些分子的亚单位细胞结构与超单位尺度对称性紧密耦合。迄今为止，用于表征软物质的详细局部结构，特别是用于量化多尺度可重构性影响的高保真实验技术非常有限。美国莱斯大学的Edwin L. Thomas教授和麻省大学Gregory M. Grason教授通过应用切片和显微镜技术在较大的标本体积上重建溶液浇铸的嵌段共聚物双螺线管的微米级域形态，可以清楚地表征其超单位和亚单位细胞的形态。这种多尺度分析显示，在响应力的作用下，双螺旋软晶体和硬晶体在结构松弛方面存在定性且未得到充分认识的区别，即子单元对称性断裂的非仿射模式，在较大范围内一致地保持多单元尺寸。受晶体生长过程中不可避免的应力的影响，相对较软的双螺线管网络的支杆长度和直径可以轻松适应变形，而角几何形状却很僵硬，即使在强烈的对称破坏变形下也能保持局部相关性。这些特征与硬质晶体的刚性长度和可弯曲角度形成鲜明对比。文献链接: Seeing mesoatomic distortions in soft-matter crystals of a double-gyroid block copolymer (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s-41586-019-1706-1)10. 干双面胶带，用于粘附湿组织和设备两个干燥的表面可以通过诸如氢键，静电相互作用和范德华力相互作用的分子间作用力立即相互粘附。然而，当涉及诸如人体组织的湿表面时，这种即时粘附是有挑战性的，因为水将两个表面的分子分开，阻止了相互作用。尽管组织粘合剂在缝合方面具有潜在的优势，但是现有的液体或水凝胶组织粘合剂存在以下局限性：粘合力弱，生物相容性低，与组织的机械匹配性差以及粘附形成缓慢。麻省理工学院的Zhao Xuanhe教授提出一种替代性的组织粘合剂，其形式为干式双面胶带（DST），由生物聚合物（明胶或壳聚糖）和接枝N-氢琥珀酰亚胺酯的交联聚丙烯酸组合而成。这种DST的粘附机制取决于从组织表面去除界面水，从而导致与表面的快速临时交联。随后与组织表面上的胺基进行共价交联进一步改善了DST的粘附稳定性和强度。在体外小鼠、体内大鼠和离体猪模型中，DST可以在五秒钟之内实现各种湿动态组织与工程固体之间的牢固粘附。DST可用作组织粘合剂和密封剂，以及将可穿戴和可植入设备粘附到湿组织上。文献链接: Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices (Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1710-5)11. 单层Bi2Sr2CaCu2O8+δ中的高温超导尽管氧化铜高温超导体构成了复杂多样的材料族，但它们都共享分层的晶格结构。这个奇怪的事实引发了一个问题，即在隔离的单层氧化铜中是否可以存在高温超导性，如果存在，那么二维超导性和各种相关现象是否与它们的三维对应性不同。答案可能会提供有关维数在高温超导中的作用的理解。复旦大学张远波教授和中国科学技术大学陈仙辉教授开发了一种制造工艺，该工艺可获得高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ的本征单层晶体。单层铜氧化物的最高超导转变温度与最佳掺杂体的最高一样高。与传统的二维超导体大大降低的转变温度相比，缺乏对转变温度的尺寸效应而无法满足Mermin-Wagner定理的期望。单层Bi-2212的性能变得极为可调；作者对各种掺杂浓度下的超导性、伪能隙、电荷阶数和Mott状态的调查表明，这些相与本体中的相没有区别。因此，单层Bi-2212显示了高温超导的所有基本物理原理。这个结果建立了单层氧化铜作为研究二维高温超导性和其他强相关现象的平台。文献链接: High-temperature superconctivity in monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1718-x)12. 可扩展的亚微米增材制造在广泛的应用领域中，产生具有纳米级特征的任意复杂的三维结构的高通量制造技术被寄予很大的期望。基于双光子光刻（TPL）的亚微米增材制造有望填补这一空白。但是，TPL的串行逐点写入方案对于许多应用程序来说太慢了。并行化尝试没有亚微米分辨率，或者无法对复杂结构进行图案化。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过在空间和时间上聚焦超快激光器来实现基于投影的逐层并行化，克服了这些困难。这将吞吐量提高到三个数量级，并扩展了几何设计空间。作者通过在几毫秒的时间刻度内打印宽度小于175纳米的纳米线（比横截面积大一百万倍）来证明这一点。文献链接: Scalable submicrometer additive manufacturing (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav8760)13. 使用固体电解质直接电化学合成高达20％的纯H2O2水溶液过氧化氢（H2O2）合成通常需要大量的后反应纯化。美国莱斯大学汪淏田教授报道了一种直接电合成策略，该策略将氢气（H2）和氧气（O2）分别输送到由多孔固体电解质隔开的阳极和阴极，其中电化学生成的H+和HO2-重组形成纯H2O2水溶液。通过优化用于双电子氧还原的功能化炭黑催化剂，作者在高达200毫安/平方厘米的电流密度下实现了对纯H2O2的> 90％的选择性，这表示H2O2生产率为3.4毫摩尔/平方厘米/小时。通过调节流过固体电解质的水流速，可以获得高达20％的各种浓度的纯H2O2溶液，并且催化剂在100小时内保持了活性和选择性。文献链接: Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aay1844)14. 非常规超导体β-Bi2Pd中半量子通量的观察磁通量量化是超导体的定义特性之一。美国约翰霍普金斯大学的C. L. Chien教授报道了超导β-Bi2Pd薄膜的介观环中半整数磁通量量化的观察。半量子磁通量在超导临界温度的量子振荡中表现为pi相移。此结果验证了β-Bi2Pd的超常规超导性，并且与自旋三重态配对对称性相符。这个发现可能对量子计算中的通量量子位有影响。文献链接: Observation of half-quantum flux in the unconventional superconctor β-Bi2Pd (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aau6539)15. 协同吸附剂分离技术，从四组分混合物中一步纯化乙烯乙烯（C2H4）的纯化是化学工业中最大的问题，目前涉及能源密集型过程，例如化学吸附（去除CO2），催化加氢（C2H2转化）和低温蒸馏（C2H6分离）。尽管先进的物理吸附剂或膜分离技术可能会降低能量输入，但一步一步去除多种杂质（尤其是痕量杂质）仍然不可行。西北工业大学陈凯杰教授联合爱尔兰利默瑞克大学Mike Zaworotko教授、David G. Madden博士和美国南佛罗里达大学Brian Space教授，首次实现了在四组份体系下乙烯的一步高效分离制备。利用三种高性能超微孔金属有机框架材料之间的协同作用，实现了一步分离制备。通过有效地串联三种MOF材料在单一吸附柱内，能够分别将乙炔，乙烷和二氧化碳依次高效地去除，从而在吸附柱尾端实现高纯度乙烯的一步分离收集，而且这种吸附分离工艺在常温下就能进行，有利于节约能耗。文献链接: Synergistic sorbent separation for one-step ethylene purification from a four-component mixture (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax8666)

纳米技术：单层材料的电化学调整依赖于缺陷！根据国际研究团队的研究表明，完美并不是一切，其二维材料研究表明缺陷可以增强材料的物理，电化学，磁性，能量和催化性能。“电子器件，如晶体管，通常由相对庞大的金属，氧化物和晶体半导体堆叠层制成，”宾夕法尼亚州立大学电气工程助理教授黄晟熙说。“我们希望用二维材料制作它们，以便它们更快，更小，更灵活。”为此，研究人员正在研究硫化钼单原子层。他们在最近一期ACS Nano上报告了他们的调查结果。硫化钼是由一个钼原子和两个硫原子连接而成的分子。当形成2-D单层薄膜时，分子与中间的钼和顶部和底部的硫原子对齐。将这些薄膜置于各种基材上 - 金，单层石墨烯，六方氮化硼和二氧化铈 - 并照射以在晶格结构中产生缺陷。创建二维材料并不是一个完美的制造工艺，晶格中总是存在缺陷。研究人员希望确定这些缺陷如何改变硫化钼的物理和电化学性质。辐射导致一些硫化钼从表面失去硫原子。使用这些不完美的电影，研究人员可以看到材料是如何使用各种显微镜和光谱学改变的。晶格缺陷的模拟允许研究人员操纵材料并产生与实验缺陷薄膜匹配的结构。他们发现模拟的材料特性结果与实验结果相符。“我们发现硫缺陷改善了材料的物理特性，”黄说。“通过选择缺陷的位置和数量，我们应该能够调整材料的带结构，改善其电子功能。”实验上，研究人员发现，与钼原子相比，硫原子损失的原因要多得多，因为硫在表面，而钼则在中间受到保护。他们还注意到，因为有这么多的硫原子离开了这种材料，所以由于没有硫而导致的缺陷压倒了晶格中没有钼的任何影响。研究不同基质如何增强或不增强二维材料的性质，研究人员发现“由于界面处的电荷转移，基板可以调节硫化钼中的电子能级。”基材的材料特性也改变了二维单层的性质。由于二氧化铈是氧化物，因此与其他基板不同地改变了材料的电特性。更小，更快，更灵活的电子设备并不是调整这些2-D材料的唯一可能结果。“如果我们有适量的硫空位，我们可以加强化学过程，如从水中析出氢，”黄说。硫化钼等材料用作化学反应的催化剂。Huang指的是水的分裂，这是一种用于从液态水中产生气态氢和氧的过程，其中适当缺陷的硫化钼 可以增强过程并减少所需的能量和成本并增加产生的氢气量。钼是过渡金属，该原子团的其他成员也形成称为二硫化物的分子。这些包括钨，铌，锆，钛和钽，它们与硫和其他硫族化合物如硒和碲形成层。其他二硫属化物可以制成2-D材料，也可以调节以增强其性质。

《Nature》作为殿堂级顶刊，发表在上面的论文往往具有广泛的影响力和重要意义。下面我们一起来回顾2019年材料领域发表的部分成果！主要介绍国内的成果以及部分国外重要成果。哪篇让你“怦然心动”呢？1《Nature》颠覆性发现！第四种热传递方式找到了热在真空环境下很难被传递，这是经典物理学中的一个基本概念，在中学物理课上，我们学习了热量的3种传递方式：热传导、热对流、热辐射。现在，第4种热传递方式被发现了，而教科书也会改写。2《Nature》重大突破：麦克斯韦方程扩展到纳米领域了！新模型和实验无论是对基础科学还是对各种应用学科都有重大意义，它在电磁学、材料科学和凝聚态物理之间建立了全新的联系，可能带来包括化学和生物学在内所有相关领域的新发现。3《Nature》中国科学家首次证实“临界冰核”存在！水是怎么变成冰的？近百年前，美国物理学家吉布斯基于简单假设，给出了 “临界冰核”这一答案。然而，“临界冰核”的真实面目却始终没人见过。中国学者证实了水结冰过程中临界冰核的存在。4 上海交大又发一篇Nature！控制光的一种全新手段莫尔晶格为未来的光束控制、图像传输、信息处理提供了一种更加简单易行的手段。此外，光子莫尔晶格的研究也为二维材料和冷原子系统中莫尔晶格的研究提供了极其有益的借鉴。5《Nature》成功研发新型触觉电子皮肤！皮肤是人体面积最大的感官系统。科学家成功研发出一套“皮肤集成的触觉界面”系统。这套以皮肤为媒介的VR和AR系统，可以通过紧贴皮肤的无线致动器，将能源转换成机械动能，将触觉刺激传送到人体。6. 3D打印再发《Nature》！超细晶粒高强度钛合金打印过程无需任何特殊的工艺控制或其他处理，打印的钛铜合金试样具有完全等轴的细晶粒组织。与在类似加工条件下的常规合金相比，它们还显示出有出色的力学性能，如高屈服强度和均匀的伸长率。7 南科大《Nature》突破性进展！实现分子催化剂高效电还原二氧化碳降低大气中CO2的含量及有效地开发利用CO2具有重大研究意义。利用可再生能源产生的电能驱动CO2还原是实现化学品和燃料可持续生产的一种有效途径，也是一个学术竞争激烈的研究方向。8 浙大最新Nature：让光急转弯，让物体隐身！光沿直线传播，这是我们的常识，科学家却有办法让光拐弯，发生许多有趣的现象，譬如隐身衣。浙江大学和新加坡南洋理工大学的科学家合作构建出世界上首个三维光学拓扑绝缘体。9 3D打印再登《Nature》！突破多材料多喷头技术瓶颈通过在单个喷嘴喷出材料时的快速切换，实现了体素级的多材料功能结构的快速打印，极大的拓展了3D打印在复杂功能结构的制造能力。也就是说，用一个喷头，快速切换打印材料，来实现多材料的精准打印。10 复旦一天连发两篇《Nature》正刊！高温超导重要进展！复旦大学张远波课题组及合作者在二维铜基超导体领域的研究取得进展。团队首次提供直接实验证据，证明了二维极限下的单层铜基超导体具有和块体铜基超导体相同的超导特性。11 谷歌重磅《Nature》！200秒完成超级计算机一万年计算量谷歌表示，其54比特Sycamore处理器能够在200秒内完成世界上最强大的超级计算机花费10000年所需的随机数计算量，这让目前所有的非量子计算机相形见绌。12《Nature》有机化学“圣杯”难题获解！实验室数据显示，原本需要几步、十几步，才能将一些初级石化产品转化为药物中间体，现在只需在室温，甚至更低温度下，一步就能实现，转化效率高达90%以上。13《Nature》木头已经不再是那个木头啦！这种技术可以高效地获得复杂、多尺度的微纳图案。通过多次压印，该团队利用一维光栅实现了木材表面的二维点阵结构。通过有限的模板类型多次压印，可以在木材表面制备复杂的图案和多尺度的复合结构。14 突破 ！浙大再发《Nature》或将改变无机材料！这一方法创造了“无机离子聚合”这类新型的反应体系，跨越了无机化学与高分子化学的分界，预示着无机材料将以崭新的结构与性能走进人类生活。15 浙大又发《Nature》！一种全新的强韧化机制！高熵合金内部的各元素分布存在明显的浓度起伏。这是科学界首次在实验上解析高熵合金中的元素分布规律。学界认为，调控浓度波将成为一种普适性的方法，帮助人们高效地寻找到更优秀的合金材料。16 南大再发《Nature》！史壮志团队另辟蹊径新发现该无金属策略适用于其它芳杂环邻位的碳氢键硼化，具有非常高的普适性。首次发现了三溴化硼的双重角色：既作为反应原料又是催化剂。具有重要的合成化学价值和良好的工业应用前景。17《Nature》意外发现！新的高通量有机合成方法在寻找新的SuFEx反应砌块的过程中，意外发现一种安全，高效合成罕见的硫（VI）氟类无机化合物FSO2N3的方法，他们同时发现该化合物对于一级胺类化合物有极高的重氮转移反应活性和选择性。18《Nature》北大研制出新型“双金属烯”大幅提升电池性能！研发了一类亚纳米厚且高端卷曲的双金属钯钼纳米片材料，突破了阴极反应的缓慢动力学对于相关电化学能源转换/存储器件的限制，显著提升了锌空电池和锂空电池的性能。19《Nature》重大里程碑：史上最大碳纳米管芯片！迄今为止用碳纳米管制造的最大的芯片问世了！来自MIT的研究人员制造出一个完全由碳纳米晶体管构成的16位微处理器，包含14000多个碳纳米管晶体管。这是新型芯片制造的一个重大里程碑。20《Nature》封面重磅：清华发布新型类脑芯片！清华大学依托精密仪器系的类脑计算研究中心施路平教授团队发布了一项最新研究成果——类脑计算芯片“天机芯”。该芯片是面向人工通用智能的世界首款异构融合类脑计算芯片。21 Nature：新型硅太阳能电池方案，效率有望升至35%！美国研究人员设计出一种新型硅太阳能电池方案，通过改变钝化层材料提高硅电池能量转化效率的上限，可从目前的约29%提升到35%。22《Nature》封面发表一项重磅研究！史上最轻飞行机器人哈佛大学开发出史上最轻的自主飞行机器人！这个蜜蜂机器人仅259毫克，只需太阳能供电就能实现持续、不受束缚的飞行！23 Nature：影响巨大，日本研究出无墨水显色技术！利用这一方法，团队制作了约1平方毫米大小的高清浮世绘和名画。据称该技术还有望实现多种应用，如使纸币具备难以模仿的特定显色功能以防止伪造等。“该技术可谓是最先进的调色板。大概会给产业界造成巨大影响吧。”24 《Nature》科学家可能找到了接近室温的超导体材料！高温超导体的临界温度将再度突破吗？科学家最近发现称为“超氢化镧”的化合物，于高压环境中可以在零下23℃表现出超导特性，我们似乎越来越接近开发常温超导材料的愿景。25《Nature》二维材料大面积单晶的制备！在国际上首次报道利用中心反演对称性破缺的单晶铜衬底实现分米级二维单晶六方氮化硼的外延制备。该生长机制具有普适性，可推广到其它二维材料大面积单晶的制备。26《Nature》正刊：中科院开发出高温块状金属玻璃！设计了一种由铱/镍/钽三种金属和硼组合形成的金属玻璃，该金属玻璃的玻璃化转变温度已经高达1162K。报道的方法具有很强的实用性，对发现其他组合玻璃金属具有重要参考价值。27《Nature》铁电领域再度取得重大突破！该项工作首次在实空间揭示了电极化体系中的斯格明子晶格。揭示了极化体系中的电偶极子在一定条件下也具有类似特殊自旋凝聚结构的准粒子行为，无疑将为电极化拓扑结构及其性能关系研究打开新的篇章。28 华丽逆袭！面临毕业延期的南大博士，以一作发了Nature以前的方法是比较低效的，所以说不适合大规模地寻找，我们基于之前发展的一个很高效的拓扑材料的搜索方案，然后对一个已经合成的晶体材料数据库进行了大规模搜索，从而发现了数千种拓扑材料。29 重磅《Nature》：金属所新发现，为高效制冷提供新思路！报道的这些有机材料所需驱动压力小、成本低廉，具有明显的应用价值。同时，将塑晶引入固态相变制冷材料研究领域，将极大地丰富固态相变制冷研究的材料体系，为发现和设计性能更加优异的材料提供了可能。30 南大《Nature》首例催化[6+4]环加成反应的酶研究人员巧妙设计实验，通过体内敲除基因、体外酶催化反应、量子化学计算、分子动力学模拟以及蛋白晶体的研究等，表征了首例可催化[6+4]/[4+2]环加成反应的酶。31《Nature》Wi-Fi信号可充电！科学家发明了一种将Wi-Fi信号转换为电能、无需电池即可为设备供电的机器。这是一个仅由通过的Wi-Fi波供能的小型二维设备。32 登《Nature》正刊！中国科大攻克氢能源汽车应用关键难题研制出一种新型催化剂,攻克了新能源汽车——氢燃料电池汽车推广应用的关键难题：解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机，延长电池寿命，拓宽电池使用温度环境，在寒冬也能正常启动。如想详细了解这32篇文章，请关注 材料科学与工程微信公众号（ID：mse_material）1月2日推文。

中国科学院上海硅酸盐研究所刘建军研究员带领的科研团队多年来聚焦“计算电化学”设计电化学储能材料研究领域，形成计算局域结构（表/界面结构、配位结构）电荷转移能力表征电化学活性的特色方向，结合“材料基因”的理念设计高性能电化学储能材料。近日，该科研团队在“计算电化学”设计锂氧气电池正极材料和金属有机电极材料领域取得系列进展。 一、能带排列（Band-alignment）策略降低锂氧气电池过电位 尽管经过多年研究取得了一定进展，然而高的过电位问题仍然是限制锂氧气电池实际应用的重要瓶颈，不同研究工作从提高反应动力学速率与电荷转移、抑制副反应等多角度探索，但效果欠佳，归根结底是过电位本征机制还不明确。刘建军研究员带领的科研团队与中国科学院大学刘向峰教授、南方科技大学张文清教授团队合作，全面研究锂氧气电池中Li+/O2的化学脱附和电荷转移动力学对充电电位的关系规律，发现电极材料与Li2O2界面电荷转移决定性地造成高过电位，提出能带排列方法设计电极材料的新策略，计算预测Li2O2在6种正极材料上的过电位与实验测量值取得较好一致性，证明界面电荷转移的重要作用。进一步基于能带排列方法开展高通量计算，筛选出17种充电电压<3.7 V的高活性正极材料，针对3种实验证实的高活性正极材料（IrO2, RuO2, TiC），理论预测的充电电位与实验观测值误差在0.25 V以下，并预测了潜在的具有低充电过电位（<0.5 V）的正极材料MnN和Cr2O3。 (a) Li2O2分解过程，包括化学脱附（e·Udes）和在Li2O2内部的电荷传输（e·UHCT）以及在Li2O2@正极界面的电荷转移（e·UICT）；(b)能带排列（Li2O2中O22--π*能级与正极导带底能级的匹配关系）策略示意图；(c)充电电位计算值和实验值对比图；(d)化学脱附过程、电荷转移过程对充电电位的贡献占比。(a)完全放电（A）、充电至4 V时（B）、完全充电（C）的Li2O2@CoO和纯CoO正极（O）的SEM图像；(b) Li2O2@CoO的形貌变化示意图；(c)在充电电压低于4 V和高于4 V且中止0.5 h的情况下，Li2O2@CoO的DEMS、电压曲线；(d) LiO2和Li2O2分解的充电电位计算值与实验值的对比图。该工作指出固-固相界面电化学反应中，界面电荷转移过程是影响能量转化效率的关键因素，提出的能带排列策略可以进一步推广到其他固-固相界面电化学电池，如Li-CO2电池、Li-S电池等。研究成果发表在Energy Environ Sci杂志上，第一作者是上海硅酸盐所王有伟助理研究员。 文章信息：Energy Environ. Sci. , DOI: 10.1039/D0EE01551B二、高能量密度的金属有机电极材料 金属有机电极材料具有原料丰富、结构柔性、易于降解、环境友好等优势，然而电化学活性仅仅局限在金属阳离子位点造成能量密度低的问题，实现金属阳离子与有机结构协同电化学至关重要。高通量计算筛选高活性正极材料。(a)化学脱附过程对充电电位贡献关系；(b)界面电荷转移势垒对充电电位贡献关系；(c)能带排列粗略对充电电位的关系规律；(d)筛选的充电电位<3.7 V的高活性正极材料，并将其与TiC、MnO2、RuO2和IrO2实验获得数据对比。 [Cu2(p-O2NC6H4CO2)4(EtO)2]的(a)晶体结构和(b)多级化学键的电子结构 (c)电压曲线和理论比容量 和 (d)锂离子迁移路径以及MSD的动力学计算。 刘建军研究员带领科研团队通过利用金属有机材料中TM-X(X=O，F，S…)的强共价杂化作用，以及有机官能团-NO2，-N=N-，-C=O的高还原势，设计了一类具有“阴-阳离子协同电化学”特征的“多级化学键和多活性位点”的高能量密度金属有机电极材料[Cu2(p-O2NC6H4CO2)4(EtO)2]，8电子转移过程取得了697 Wh/kg的能量密度，高于当前已报道的具有最高能量密度680 Wh/kg的CuTCDQ。[Cu2(p-O2NC6H4CO2)4(EtO)2]中Cu-O的强共价杂化造成Cu-O阴阳离子协同电化学，提高了材料的放电电压（3.66~2.08 V），同时，官能团-NO2与Li+的嵌入反应电压高于析出反应Cux+（0<x<1）→Cu0+而优先提供活性位点，因此具有高比容量（243 mA h g-1）优势。研究成果发表在ACS Energy Lett上，第一作者是2019级博士研究生赵晓琳。文章信息：ACS Energy Lett.DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02630以上研究成果得到了国家自然科学基金面上项目、上海市科委国际合作、上海市“扬帆计划”等项目资助。来源：上海硅酸盐所

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】随着锂离子电池在电动汽车和小型电网储能等方面的应用，人们对其能量密度、循环性能和倍率性能等方面的要求也越来越高。锂离子电池的正极材料是限制其能量密度提升的重要一环。与目前商业化的钴酸锂、磷酸铁锂和三元材料相比，高镍层状材料具有容量高和成本低的优势，成为下一代动力电池正极材料的首选之一。然而，其较差的循环稳定性和倍率性能成为制约其商业化应用的主要因素。这和高镍正极材料的表面结构和化学特性有很大的关系。因此，研究高镍材料的表面结构，找出影响其电化学性能的结构起源和机理，对于提升高镍材料的电化学性能，加快其产业化进程，具有十分重要的意义。近日，由北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授领导的清洁能源中心研究团队和美国布鲁克海文国家实验室王峰和白健明教授合作，运用原位同步辐射X-射线衍射谱、X-射线吸收谱（XPS）、扫描透射显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）结合电化学表征，对锂离子电池高镍层状氧化物材料在制备过程中的表面重构现象及相关机理进行了深入研究，该工作近日发表在能源材料领域知名期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials， IF=24.884）上。此外，采用同步辐射技术对锂电池高镍层状氧化物材料在制备过程中表面重构对阳离子无序（锂镍混排）的影响及机理进行了深入系统的研究，相关工作发表在著名期刊《材料化学杂志A》（Journal of Materials Chemistry A, IF=10.733）上。高镍层状材料在降温过程中的表面重构机理潘锋课题组采用独特的原位同步辐射X-射线衍射结合各种表面表征技术，研究了高镍层状材料LiNi0.7Mn0.15Co0.15O2（NMC71515）在合成过程中由降温诱导的表面重构现象，包括Li2CO3在颗粒表面的堆积、表面缺Li层的形成及Ni3+的部分还原。这一现象主要是由颗粒近表面区域的Li/O丢失引起的，发生在350度以上的高温条件下。它和高镍材料在存储过程和电化学循环过程中的表面重构有很大的区别，具有形成速度快、降温速率依赖等特点。进一步的电化学研究表明，降温过程中采用淬火策略可以极大抑制表面重构现象，降低颗粒表面阻抗，显著提升材料的倍率性能。此外，采用同步辐射X-射线衍射系统地研究了NMC71515在合成过程中阳离子无序的热力学和动力学行为，发现体相中的阳离子无序和表面重构行为（颗粒表面Li2CO3的分解和Li/O丢失）紧密相关。在此基础上，通过调控表面重构，获得了高倍率和高容量的NMC71515。这两个研究工作为基于高镍材料自身表面化学特性调控，获得高容量、高倍率、高稳定性的正极材料提供了新的手段。 高镍层状材料在制备过程中表面重构对锂镍混排的机理及调控这两个工作由新材料学院潘锋教授和美国布鲁克海文国家实验室王峰和白健明老师共同指导完成。Advanced Energy Materials论文第一作者为张明建，潘锋、白健明、王峰老师为共同通信作者。Journal of Materials Chemistry A论文第一作者为段彦栋和杨卢奕，潘锋、王峰老师为共同通信作者。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。免责声明：以上内容转载自中国化学与物理电源行业协会，所发内容不代表本平台立场。全国能源信息平台联系电话：010-65367702，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社

中国青年报客户端讯（中青报·中青网记者 王聪聪）近日，钠离子电池论文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界顶级学术刊物《Science》上发表。论文由来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心、荷兰代尔夫特理工大学及法国波尔多大学的科研人员组成的研究团队撰写。据中科院物理所微信公众号，这是我国学者首次在《Science》发表有关钠离子电池正极材料研究成果。作为主要研究成员之一，中科院物理研究所研究员、中科海钠创始人胡勇胜介绍，该研究提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法，并在实验上证实了该方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和制备提供了理论指导。近年来，随着全球化学电池市场的快速发展和人们对环境问题的日益重视，二次电池（又称可充电电池或蓄电池）这种能实现电能与化学能转化的新型储能技术，在新一轮能源变革中受到广泛关注。锂离子电池虽然已成为占据全球电化学储能规模市场80%份额的“绝对一哥”，但由于其资源的稀缺性和较高昂成本，产业发展面临“天花板”，而资源储量丰富、成本低廉的钠离子电池，便成了极佳的补充。然而，钠离子电池的性能却受到可用电极材料的限制，尤其是以层状氧化物材料为主的正极材料的限制。胡勇胜表示，过去几年里，中科院物理研究所和中科海钠团队，就钠离子层状氧化物两种构型形成的影响因素展开了大量实验研究，并积极探索其在钠离子电池应用中的场景落地。作为专注于新一代储能体系钠离子电池研发与生产的高新技术企业，中科海钠实现了钠离子电池的大规模量产，希望能同更多行业内研究机构及企业展开交流合作，以市场需求倒推产品开发，推动钠离子电池的产业化应用。来源：中国青年报客户端

近日，我校在新型电化学储能技术（锌空电池和铝基离子电池）研究方面取得系列进展，研究成果分别发表在Nano Research，Science China Materials，Chemical Communciation，Electrochimica Acta四个化学类和材料类期刊。多价金属基离子电池、金属-空气电池等高效、低成本新型电化学储能技术的开发是解决传统石化资源过量消耗而造成的能源短缺、环境污染等问题的有效举措。其中，由于金属锌和铝具有储量丰富、比能量高、成本低和安全稳定等其他金属材料无可比拟的优势，因此可充电铝基离子电池、锌-空气电池和铝-空气电池储能技术受到广泛关注。鉴于此，以阎子峰教授领衔的催化材料课题组分别针对锌/铝-空气电池中电极反应催化剂成本高、效率低、稳定性差等问题以及铝基离子电池正极材料种类匮乏、储能性能差等缺点，设计合成了一系列纳米材料，有效改善了上述不足，提高了电池综合性能。题目为《牺牲碳-氮模板制备中空FeCo-NC材料用于高效氧还原反应和铝空气电池》（Sacrificial carbon nitride-templated hollow FeCo-NC material for highly efficient oxygen rection reaction and Al-air battery）的研究论文发表在电化学领域专业期刊Electrochimica Acta (DOI information: 10.1016/j.electacta.2020.136066)。硕士生王玉为该论文第一作者，张颖副教授和张国新教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位，该项工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划专项、山东自然科学基金、山东省重点研发计划以及研究生创新工程项目资助。中空碳纳米材料集碳材料、纳米材料和独特的空间结构等优势于一身，呈现出特殊的光、电催化性质，然而传统固相模板需要额外去除模板，步骤复杂。该项工作开发了一种无需后续处理，通过牺牲甲酰胺碳化得到的氮化碳模板(f-NC)，一步法实现了空心碳质结构f-NC@FeCo-NC材料的有效构建，同时氧化态的Fe和Co在高氮掺杂（~13.2 at.%）的碳材料中也实现了高分散分布。电化学测试结果表明，f-NC@FeCo-NC在碱性介质中表现出高效的氧还原反应性能，与未加f-NC的FeCo-NC相比，起始电位和半波电位分别提高至1.01和0.89 V，当作为铝-空气电池的阴极材料时，具有1.91 V的高开路电压和241 mW cm-2的高峰值功率密度，表现出优异的电池性能。这种牺牲f-NC的方法也为相关空心结构碳基材料的制备提供了参考价值。题目为《高品质粉化石墨纳米薄片用于铝离子电池正极材料》（Small graphite nanoflakes as an advanced cathode material for aluminum ion batteries）的研究论文发表在化学领域权威期刊Chemical Communications (DOI information: 10.1039/c9cc06895c)。硕士生胡浩宇和博士生蔡同辉为该论文第一作者，邢伟教授为通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位，该项工作得到国家自然科学基金、山东省泰山学者基金和山东省自然科学基金重大项目的资助。基于以往研究基础，（Energy & Environmental Science,2018, 11(9): 2341-2347.;Journal of Power Sources, 2018, 401, 6-12.），该项工作开发了一种高品质粉化石墨纳米薄片的制备方法，通过预锂化插层和浸水脱锂的方法成功制备了片层尺寸小和石墨层数少的高品质无损粉化石墨纳米薄片。通过增多[AlCl4]—的石墨断面可嵌入活性位点，缩短[AlCl4]—在石墨晶间的扩散路径，减小[AlCl4]—在石墨晶间的扩散阻力和提高石墨晶间活性位点的利用率，实现了天然石墨基正极材料比容量和倍率性能同步提高。其在1000 mA g-1的大电流密度下容量可达到107 mAh g-1。该工作为铝基离子电池的石墨类正极材料的容量提高和倍率性能增强提供了新的设计思路。题目为《基于层状双金属氢氧化物的Ni-Co复合金属硫化物用于铝离子电池正极材料》（Layered double hydroxides derived NiCo-sulfide as a cathode material for aluminum ion batteries）的研究论文发表在电化学领域专业期刊Electrochimica Acta (DOI information:10.1016/j.electacta.2020.136174)。我校邢伟教授、硕士生李晓晨和博士生蔡同辉为该论文共同第一作者，邢伟教授为通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位，该项合作研究成果得到国家创新型人才国际合作培养项目资助。该项工作以镍钴双金属氢氧化物为前驱体制备合成了Ni-Co复合金属硫化物正极材料，提出了基于Al3+进入复合金属硫化物晶相内发生可逆的转化反应生成AlmNinS和AlpCoqS4反应产物的储能机制。同时，通过引入还原石墨烯（rGO）包覆层合成S-NiCo@rGO有效缓解了Ni-Co复合金属硫化物类正极材料容量衰减问题。研究发现了S-NiCo@rGO正极材料中rGO包覆层能显著提高复合金属硫化物材料的导电性并有效抑制电极材料的粉化等问题，进而解决了正极材料循环性能不佳的难题。优秀的课题组阎子峰教授课题组主要从事吸附与催化新材料、烃类催化转化、固体表面化学、纳米储能材料与应用等领域的研究。近五年来，在催化和储能材料方向承担了包括国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目、山东省自然科学杰出青年基金、山东省自然科学重大基础研究项目、山东省泰山学者青年专家计划等项目，在Energy & Environmental Science、Coordination Chemistry Reviews、Nano Today、Nano Energy等知名国际期刊发表多篇论文，参与申报的研究成果获山东省自然科学奖一等奖、教育部自然科学奖二等奖等奖励。来源：中国石油大学华东 创造太阳新闻网 编辑：智嘉慧、李德龙 责任编辑：宋宇璇 审核：陈勇、白山岭

去年3月份中科院宁波材料所合成了世界首个锌MAX相材料后，一直没有停下科研的脚步。近日，又有好消息传来，他们探索出了MAX相的二维衍生物MXene的新合成方法，引起了业界高度关注。上世纪60年代，科学家们发现了一类具有特殊功能的层状陶瓷材料，因其由元素周期表上的M、A、X三类元素构成，统称为“MAX相”， 独特的纳米层状晶体结构使其兼备金属和陶瓷的性能，高导电性、耐高温、抗氧化、耐辐射耐腐蚀等。而MXene是MAX相的衍生材料，如果把MAX相比喻成一本线装书的话，MXene就像是去掉了装订线后散开的一页一页的薄纸，它的表面可以与更多的功能原子和分子相互作用，从而受到新能源和电子领域科学研究者的青睐。“而在制备MXene的过程中，传统方法一般要用到高毒性的氟化物，很不环保，我们创新使用了与生活中常见的氯化钠相类似的氯化物盐进行制备。我们还发现，这种方法具有一定的通用性，可以被用来推广到更多的MAX相家族材料的合成。”中科院宁波材料所黄庆研究员告诉记者。这项研究在材料科学界顶尖期刊《Nature Materials》发表后，一周的时间里，光是线上的阅读量就高达4000多次，而同期其他的研究成果点击量大多是1000左右，“表明国内外对此突破性工作非常关注。”原先，受到制备方法的限制，MXene的应用领域没法大范围铺开，如今，随着实验过程化学安全性的提高和废液处置难度、成本的降低，有望进一步推动这种材料在能源存储、快速充电、通信电磁信号管理、生物诊断等领域的研究进展。“比如，在储能方面，我们和法国科学院院士Simon Patrice教授以及四川大学林紫锋研究员合作，采用新的制备方法合成的MXene材料开展了系统储能电化学研究。MXene电极在0.2-2.2V电压区间的恒流充放电曲线，充放电具有较好的对称性，在循环2400次后，容量保持率达90%，具有优异的循环稳定性。”黄庆表示，这为MXene在电化学储能系统（电池和锂离子电容器）的实际应用铺平了道路。MAX相和MXene研究是中国科学院院士柴之芳来宁波工作之后确定的重要前沿基础研究方向之一，目前宁波材料所在这一材料科学领域已经逐步从跟随走向引领，也将成为宁波新材料发展历程中的一张闪亮名片。记者 王心怡 通讯员 高晓静【来源：宁波晚报】版权归原作者所有，向原创致敬

钴酸锂（LiCoO2）是最早商业化的锂离子电池正极材料。由于其具有很高的材料密度和电极压实密度，使用钴酸锂正极的锂离子电池具有最高的体积能量密度，因此钴酸锂是消费电子用锂离子电池中应用最广泛的正极材料。随着消费电子产品对锂离子电池续航时间的要求不断提高，迫切需要进一步提升电池体积能量密度。提高钴酸锂电池的充电电压可以提高电池的体积能量密度，因此开发下一代更高电压的钴酸锂材料已经成为科研界及企业共同关注的热点。目前，钴酸锂电池充电截止电压已经从1991年最早商业化时的4.20V逐渐提升至4.45V （vs Li/Li+），体积能量密度已经超过700Wh/L。然而随着充电电压的提高，钴酸锂材料会逐渐出现不可逆结构相变、表界面稳定性下降、安全性能下降等问题，限制了其实际应用。中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室E01组王怡博士在禹习谦研究员和李泓研究员的指导下，发展了一种利用固态电解质材料Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3（LATP）包覆钴酸锂的技术。通过该技术改性的钴酸锂材料具有目前实验室所报道的最佳室温和高温电化学性能。进一步，研究团队与张庆华副研究员和谷林研究员合作，通过细致研究改性材料表面结构发现，在材料合成过程中，LATP与钴酸锂材料发生反应，在表面转化成具有较高结构和电化学稳定性以及优良离子和电子导电特性的均匀界面层，从而有效地解决了钴酸锂材料在高电压充电过程中的表面稳定性问题。该研究结果近日发表在《先进能源材料》上（Advanced Energy Materials, 2020, 10, 2001413），文章题为An In Situ Formed Surface Coating Layer Enabling LiCoO2 with Stable 4.6 V HighVoltage Cycle Performances。近年来，清洁能源实验室E01组锂电池研究团队一直专注于高电压钴酸锂材料技术开发与基础科学问题研究。前期研究表明高电压钴酸锂材料改性需要采用表面和体相改性等多种技术相结合的方法。继研究团队去年成功开发了Ti-Mg-Al痕量元素掺杂改性技术并通过多种实验方法结合揭示各掺杂元素的作用机制后（Nature Energy, 2019, 4, 594），最近研究团队博士研究生洪彦帅在禹习谦和李泓研究员指导下，与美国布鲁克海文国家实验室黄晓靓博士和美国斯坦福线性加速器国家实验室刘宜晋博士合作，进一步利用先进同步辐射X射线三维纳米衍射成像技术研究了Ti-Mg-Al共掺杂钴酸锂材料颗粒结构与材料在充放电过程中反应可逆性的关系。该实验技术可以观察到微米级颗粒材料内部50nm空间尺度下晶体结构缺陷及其空间分布。研究结果表明掺杂元素可以调控钴酸锂颗粒内部的缺陷及其分布，进而抑制钴酸锂材料在高电压充放电过程中导致材料电化学性能衰减的结构相变。该结果近日发表在 Cell子刊《Chem》上（Chem. 2020, DOI: 10.1016/j.chempr.2020.07.017）。文章题为Hierarchical Defect Engineering for LiCoO2 through Low-Solubility Trace Element Doping。这些研究结果阐明了从体相结构、表面结构和材料亚微米尺度微观结构等不同维度材料综合设计对于提升材料性能的重要性，为设计高电压、高容量正极材料提供了理论依据。同时也展现了多尺度、高精度的分析表征方法对于揭示材料内在物理化学过程的重要性。该工作得到的结论对于其他电池体系电极材料设计同样具有借鉴意义。相关工作得到了科技部重点研发计划（2016YFB0100100）、基金委优秀青年基金（51822211）、基金委联合基金重点项目（U1932220）和中国科学院国际伙伴计划（GJHZ2068）的支持。图1. LATP改性LiCoO材料的表面结构和改性机制图2. 未改性和LATP改性LiCoO材料电化学性能对比图3. 未掺杂和Ti-Mg-Al掺杂LiCoO颗粒内部结构缺陷分布对比图4. Ti-Mg-Al掺杂LiCoO颗粒内部缺陷调控充放电结构相变机制编辑：他和猫