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    Advanced Materials近三年高被引論文速覽
    來源：科學10分鐘 時間：2021-06-19 15:34:11 瀏覽：5606次


    Advanced Materials概述

    Advanced Materials是材料科學領域的頂級期刊，主要接收與材料領域相關的頂尖科研成果，在材料領域科享譽盛名。在Google公司對八大領域（商業經濟與管理、材料與化學、工程與計算科學、健康與醫藥科學、人類文學與藝術、生命與地球科學、物理與數學、社會學）所有期刊的排名中，Advanced Materials在工程與計算科學大學科領域所有雜志中排名第一，在材料與化學大學科領域所有雜志中排名第四（第一為The Journal of the American Chemical Society，即JACS；第二和第三均是綜述類期刊，所以Advanced Materials實際為第二）。

    筆者利用“Web of Science”數據庫統計了Advanced Materials期刊近十年來的發文量（圖1），可以看到雖然近十年來Advanced Materials的發文量略有增加，但截止到近幾年，其年發文量依然最高僅僅維持在1500篇左右，說明作為頂級期刊，其發文的要求與質量確實較高。

    圖1 Advanced Materials近十年發文量

    作為材料領域頂級學術期刊之一，Advanced Materials的文章質量毋庸置疑，因此，該期刊上發表的最新成果以及高被引文章在一定程度上也代表了材料領域的學術熱點。在此，筆者統計并解讀了Advanced Materials期刊近三年來引用量排名靠前的文章，希望能給相關科研工作者們帶來一絲啟發。


    近三年高被引論文速覽

    1、鋰離子電池發展的30年

    在過去的30年里，不管是商業化還是理論領域，以鋰離子為主題的研究都取得了突破性的進展。但不論如何發展，科研工作者們研究的關鍵目標多年來一直沒有改變：減輕/少電池的重量和尺寸；增加循環壽命；在降低成本的同時保持安全性。

    基于此，作者圍繞鋰離子電池關鍵組分之一的電極材料，全面介紹了鋰離子電池在過去30年的發展和進步，從小規模的實驗室研究到商業化制備，再到如今的科學前沿，作者重點討論了材料科學（尤其是結構和形貌）對于鋰離子電池發展的促進作用。最后，作者從商業化應用的角度展望了鋰離子電池的未來。

    圖2 “Web of Science”檢索“batteries”得到的研究工作增長趨勢 

    2、高穩定金屬有機框架材料的設計、合成與應用

    金屬有機框架(MOFs)是一類新興的多孔材料，在氣體儲存、分離、催化和化學傳感等方面具有潛在的應用前景。盡管具有許多突出優點，但許多MOFs材料的應用依然受到結構不穩定的限制。

    本文綜述了近年來穩定MOFs體系結構的研究進展，包括穩定MOFs體系結構的基本機理、設計和合成，以及它們的最新應用。在此基礎上，作者介紹了一些具有代表性的高穩定MOFs材料，描述了它們的結構，并簡要討論了它們的性能以及在氧化還原催化、光催化、電催化、氣體儲存和傳感等領域的廣泛應用。總的來說，該綜述將通過對已知結構MOFs的深入了解來指導穩定性MOFs的設計，有望進一步促進先進功能材料的發展。

    圖3 典型MOFs材料的合成過程 

    3、含氯聚合物使太陽能電池效率提升14%

    含氟聚合物已被廣泛應用于高效聚合物太陽能電池(PSCs)中，但由于其合成復雜、制備產率低，因此相對成本較高。本文論證了用氯替代高性能光伏聚合物供體中氟取代基的可行性，作者合成了兩種基于雙2乙基己基噻吩取代苯二氮噻吩(BDT-T)和1,3雙(4(2乙基己基)噻吩2基)5,7雙(2烷基)苯并[1,2 c:4,5 c]二噻吩4,8二酮(BDD)的聚合物供體PBDB-T-2F和PBDB-T-2Cl，并對其性能進行了比較。

    結果表明，雖然PBDB-T-2Cl和PBDB-T-2F具有非常相似的光電特性和結構特性，但氯化聚合物的分子能級比氟化聚合物低，且PBDB-T-2Cl的合成比PBDB-T-2F的合成更為簡單。對比之下，PBDB-T-2Cl基PSCs比PBDB-T-2F基PSCs器件具有更高的開路電壓(Voc)，功率轉換效率更是高出14%以上。該研究為用氯取代氟制備高效聚合物供體提供了一種更加經濟合理的設計思路。

    圖4 兩種聚合物的合成路線和化學結構

    4、鉑（II）絡合策略使單結聚合物太陽能電池的效率達到16.35％

    由于異質結聚合物太陽能電池(BHJ PSCs)具有低成本、輕重量和可大面積制造的潛力，在過去的十年中受到了巨大的關注。采用鉑(II)絡合的新策略調控多氮雜環聚合物的結晶度和分子堆積，并優化活性共混物的形態，可以提高非富勒烯聚合物太陽能電池(NF PSCs)的效率。通過在制備過程中添加少量的Pt(Ph)2(DMSO)2(Ph，苯基和DMSO，二甲亞砜)，可以使其發生鉑(II)絡合反應。鉑(II)配合物上的大苯環增加了沿聚合物主鏈的空間位阻，抑制了聚合物的聚集程度，調節了相分離，優化了形貌，從而使器件效率提高到16.35%，這是截止發文前報道的單結PSCs所能達到的最高效率。該工作對于單結PSCs的發展具有重要意義。

    圖5 聚合物的設計策略和化學結構

    5、氮配位的鈷原子催化劑用于催化質子交換膜燃料電池中的氧還原

    由于存在Fenton反應（芬頓反應），電極中Fe和過氧化物的存在會產生自由基，導致有機離聚物和膜的嚴重降解。因此，設計制造耐用且廉價的質子交換膜燃料電池（PEMFC）迫切需要無Pt和無Fe的陰極催化劑。

    在此基礎上，作者通過一步熱活化的方法，從Co的金屬有機框架(MOFs)中獲得了一種高性能的氮配位Co原子催化劑。該催化劑具有高活性和穩定性且在原子水平上驗證了CoN4配位。結果表明，該催化劑性能可與Fe基催化劑相媲美且電位比Pt/C催化劑低60 mV。經過燃料電池試驗證實，該催化劑的活性和穩定性對于PEMFC的電化學性能具有顯著提升。分析認為，氧還原反應（ORR）性能的顯著提高是由于在3D多孔MOFs碳顆粒中嵌入了分散良好的CoN4活性位點，從而取代了不活躍的Co團聚體。

    圖6 催化劑的電化學性能 

    6、MOFs衍生的雙功能催化劑用于鋅空氣電池和水分解

    金屬有機框架(MOFs)及其衍生材料作為貴金屬電催化劑的替代品，近年來引起了人們的極大興趣。本文作者以一對對映異構手性3D MOFs為原料，在一定溫度下熱裂解，合理設計并合成了一種新型復合納米材料：氮摻雜碳包覆的鈷納米顆粒(C-MOF-C2-T)。制備的C-MOF-C2-900具有獨特的三維分層棒狀結構，研究發現，該材料對氧還原和析氧反應(ORR和OER)的電催化活性分別高于工業Pt/C和RuO2。基于C-MOF-C2-900的鋅空氣電池在放電電位為1.30 V時，比容量為741 mAh g-1（10 mA cm-2）；作為雙功能催化劑，其首次充放電電位分別為1.81 V和1.28 V（2 mA cm-2），表現出良好的循環穩定性。此外，所合成的可充電鋅空氣電池可用于電化學水分解系統的動力源，展示出了作為集成綠色能源系統的潛力。

    圖7 C-MOF-C2-T材料的電化學氧還原和氧析出性能 

    7、釕單原子催化劑實現高效電化學固氮

    化石燃料的短缺和全球氣候的變化使得探索在溫和條件下合成NH3的催化反應顯得尤為重要。有鑒于此，本文作者選擇金屬有機框架材料(ZIF-8)為基體，在其反應制備過程中添加釕基化合物，然后通過高溫煅燒最終得到了高度分散的N配位釕單原子催化劑(Ru SAs/N-C)。在N2電化學還原過程中，釕單原子催化劑在-0.2 V vs RHE的電壓下，N2還原成NH3的法拉第效率達到了29.6%，有效電流密度達到了-0.13 mA cm-2，產氨速率高達120.9 μgNH3 mgcat.-1 h-1，比此前文獻報道的最高值高一個數量級。實驗結果和理論計算研究進一步表明，釕單原子催化劑的高效催化性能主要來源于單原子催化劑對N2分子的高效解離。該項研究工作不僅開辟了單原子催化劑在電化學合成NH3反應中的新途徑，而且進一步推進了電化學方法合成NH3的可行性。

    圖8 Ru SAs/N-C材料的電催化固氮性能

    8、分層光催化系統提高光催化CO2還原

    化石能源的大量使用會產生溫室氣體CO2，從而導致全球氣候變暖并威脅全球生態環境。因此，獲得有效CO2吸附能力和高電荷分離效率的穩定光催化劑迫在眉睫。在此，作者設計并合成了海膽狀赤鐵礦（α-Fe2O3）和氮化碳（g-C3N4）組成的分層全固態Z型光催化系統（Z-Scheme），增強了CO2還原為CO的光催化活性，在沒有助催化劑和犧牲試劑的情況下，CO的分解速率為27.2 μmol g-1 h-1，是純g-C3N4（10.3 μmol g-1 h-1）的2.2倍以上。這主要是因為獨特的三維結構有效地促進了CO2的吸附。此外，作者還通過密度泛函理論計算模擬了CO2和CO在三種不同原子尺度表面上的吸附行為，進一步解釋了分層Z-Scheme具有優異性能的潛在機理。該研究對探索合成催化活性高且穩定性好的Z-Scheme光催化系統具有重要的意義。

    圖9 光催化CO2還原性能


    總結與展望

    可以看到，Advanced Materials期刊近三年來高被引文章里面，頻頻涉及儲能器件（鋰離子電池、太陽能電池、鋅空氣電池）、催化以及金屬有機框架材料（MOFs），而這些關鍵詞也確實是近年來材料相關領域的焦點。筆者希望通過上文的解讀，能給“新生”的科研人員指明方向。

    參考文獻

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    [4] Xu X, Feng K, Bi Z, et al. Single‐Junction Polymer Solar Cells with 16.35% Efficiency Enabled by a Platinum (II) Complexation Strategy. Advanced Materials, 2019, 31(29): 1901872.1-1901872.7.

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    全部 3小時前 四川
    文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字，很多小語種，有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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