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国内刊号:CN 22-1128/O6
国际刊号:ISSN 1000-0518
主 管:中国科学院
主 办:中国科学院长春应用化学研究所中国化学会
钙钛矿太阳能电池作为第3代新概念太阳能电池,具有高光电转换效率、低成本和可柔性加工等优点,近年来发展迅速,其光电转换效率从一开始的3.8%增长到近期的25.5%,逐渐比肩硅电池,已接近商业化应用水平。目前,实现钙钛矿太阳能电池产业应用的关键环节在于电池封装,它不仅可以解决钙钛矿光伏器件稳定性问题,还可以实现电池安全、环保和延长使用寿命等要求。结合近十几年来钙钛矿光伏电池封装材料和封装工艺两方面的发展现状,文中介绍了钙钛矿电池封装领域取得的成果和存在的不足,讨论了目前现有封装技术的优缺点,以及它们适用的不同器件类型。着重在不同温度湿度条件下,比较了不同封装材料性能、封装工艺条件对钙钛矿电池效率及稳定性的影响,归纳出影响钙钛矿电池薄膜封装效果的3个关键因素: 聚合物的弹性模量、水蒸气透过率、加工温度。比较了不同聚合物薄膜封装材料适宜的加工温度、优缺点及加工成本。可以看出,随着钙钛矿光伏电池工业化需求的强烈增长和人们对其封装材料研究的不断深入,研究适合大面积生产和光伏建筑一体化的新型功能聚合物封装材料将是必然趋势。
甲烷合成甲醇的方法包括间接法和直接催化氧化(DMTM)法,但是间接法对设备要求高,且甲烷转化率与甲醇选择性均不理想,DMTM法可通过一步反应高选择性制备甲醇,有巨大的应用潜力。对于甲烷DMTM法合成甲醇,均相催化体系通常需要特殊反应介质与贵金属催化剂相结合,虽然反应效率高,但对反应设备有腐蚀性,产物不易分离,应用前景差。液相-异相催化一般使用H2O2作为氧化剂,Au、Pd、Fe和Cu等金属元素作为催化剂主要活性组分,·OH是主要的氧化活性物,可在低温下实现甲烷的活化氧化。因此,异相催化体系是目前研究的主流。气相-异相催化主要使用O2和N2O为氧化剂,前者氧化性更强,后者对于产品选择性更好,此外,厌氧体系中H2O也可直接作为氧供体,常用Cu、Fe、Rh等元素作为催化剂。沸石分子筛是使用最广泛的载体,金属氧化物、金属有机骨架化合物(MOFs)和石墨烯也均有涉及,多金属协同催化已经取得了很好的效果。本文主要总结与概述了热催化甲烷直接催化氧化制备甲醇的近年相关研究,并对今后的研究方向做出了展望。
碳酸钙、磷酸钙为代表的生物矿物广泛分布于自然界中,经过不同的矿化过程,在生物体内呈现出多样的结构、形貌和功能,构成生物体多种组织和器官。在人工材料合成领域,仿生矿化通过调控碳酸钙、磷酸钙等矿物的成核与生长,获得具有复杂高级结构和特殊生物功能的无机或无机/有机复合材料。本文重点介绍仿生矿化机理和应用的最近研究进展,包括仿生矿化结晶理论(经典和非经典成核理论)、结晶过程调控方法(无机离子、有机小分子、生物大分子、有机聚合物)以及在生物工程领域的应用(骨组织工程、牙釉质修复、仿生增强材料等),简要展望仿生矿化未来的研究方向,为先进仿生材料的制备与应用提供参考。
商用锂离子电池电解液在应用过程中存在电解质锂盐六氟磷酸锂(LiPF6)易在痕量水环境中发生水解反应,进而导致锂离子电池体系的综合电化学性能受损。因此,亟需控制电解液本体中痕量水的引入以及减小锂盐与痕量水反应产物对电池体系影响的措施。本文主要综述了含有不同官能团的添加剂在除去电解液中痕量水和酸时所具有的特性,并重点分析介绍了其除酸除水的作用机理。 最后,对除酸、除水型添加剂未来的研究方向和应用前景进行了展望。
石墨烯量子点(GQDs)是一种新型碳基准零维材料,不但具有石墨烯的独特平面结构,同时具备碳点的量子限制效应和边界效应。GQDs具有独特的光学性质、低毒性、高荧光稳定性和高生物相容性,被广泛应用于检测、传感、催化、细胞成像、药物递送和污染治理等领域。GQDs的合成分为自上而下法和自下而上法,前者将大尺寸的石墨烯、石墨、碳材料切割成纳米级的量子点,后者使用不同的前驱体,通过水热法、热裂解法等方法合成石墨烯量子点。柠檬酸(CA)是一种重要的有机酸,室温下是白色结晶状粉末,是自下而上法合成GQDs的一种常用前驱体,近年来有许多关于以CA为前驱体合成不同GQDs的研究,以CA为前驱体合成的GQDs(CA-GQDs)在生物医药、荧光检测、成像等领域均有应用,具有较好的应用前景。对近年来基于CA的合成方法和具体应用进行了总结和回顾,旨在将现有CA-GQDs的相关成果尽可能汇总和展现,以对相关领域研究工作者提供一定参考,并对未来CA-GQDs较有前景的研究方向进行了展望。
获得高性能聚烯烃材料是化学家们不断的追求。烯烃聚合催化剂的结构对其催化性能有重要影响,而聚烯烃的改性则能够改善聚合物实际应用中表面形貌、本体性能中存在的缺陷,如通过改性可增加聚合物韧性、降低聚合物表面的摩擦系数或提升表面能等。 本文系统总结了金属烯烃聚合催化剂研究进展,包括Ziegler-Natta催化剂、茂金属催化剂、非茂金属催化剂的结构及调控策略,探讨了位阻效应、双金属协同效应以及其他效应对催化效果的影响。
液晶弹性体(LCEs)是一种可响应外界刺激、并产生可逆驱动的智能高分子材料。在LCEs基体中添加各种功能性材料,所得的复合材料能对光、电和磁场等外界刺激做出响应,极大地扩展了LCEs材料的应用领域。磁场刺激由于具有远程非接触调控、响应速度快、生物安全性高和穿透力强等特点,逐渐引起研究者的兴趣。本文介绍了磁响应LCEs复合材料的研究现状,同时探讨了磁响应LCEs复合材料在相关领域的应用前景。
调控DNA的变性解链过程是DNA扩增与检测的关键步骤。对于传统的热循环DNA扩增策略,由于变温过程中热量分布不均一以及变温速度慢等不利因素,会直接影响DNA变性解链过程,从而降低DNA检测放大的效果、延长检测的时长。因此,探索快速、高效的调控DNA变性解链的方法具有重要的研究意义。本文发展了以胞嘧啶在酸性条件下的质子化反应为基础,通过改变溶液的pH值,来诱导DNA构象在Watson-Crick(WC)碱基对与Hoogsteen(HG)碱基对之间的分子构象转换,从而实现精准、快速、高效的DNA变性解链调控目标。结果表明,相较于传统的温控方法,pH调控方法能显著提高DNA变性的速率约6倍以上。本文发现pH调控方法通过降低双链DNA的反应焓约160 kJ/mol,从而提高双链DNA变性速率和效率。该方法具有用于DNA信号放大与检测等相关应用的潜力。
液晶材料作为信息化时代的基础材料已经在显示领域实现了广泛的商业化应用。 液晶/高分子复合材料既具有液晶材料的各向异性及外场响应特性,还具有高分子易加工成本低等特点,可以加工成大面积柔性调光薄膜,因而在建筑玻璃、智能车窗中具有广阔的应用前景。 此外,液晶与高分子材料之间的相互作用会对液晶小分子取向产生影响,液晶小分子也可以作为模板控制高分子网络的形成的方向,使复合材料薄膜实现一些新的功能和特性,因此激发了大量国内外学者的研究兴趣。 本文将详细介绍液晶/高分子复合材料的类型、特点、在调光膜中的应用及反式电控调光膜的最新研究进展。 在此框架下,将重点阐述基于液晶/高分子复合材料的反式电控调光膜的一些新的制备方法,同时介绍目前存在的挑战及需要解决的问题,最后对反式电控调光膜近期可能实现的应用进行了展望。
蛋白质是一切生命体的物质基础,是生命活动的主要承担者,参与各种生理功能的调节。设计具有特定功能的蛋白质在蛋白质工程、生物医药、材料科学等领域具有重要意义。蛋白质序列设计的目标是设计能够折叠成期望结构并具有相应功能的氨基酸序列,是所有理性蛋白质工程的核心问题,具有极其重要的研究和应用潜力。随着蛋白质序列数据的指数型增长和深度学习技术的快速发展,生成模型越来越多地被应用于蛋白质序列设计。本文简要介绍了蛋白质序列设计的重要意义和主要方法,概述了应用于蛋白质序列设计的主要生成模型,介绍了近年来生成模型在蛋白质序列表示、生成和优化方面的最新研究和应用现状,并对未来的发展方向进行讨论与展望。
随着半导体产业的技术发展与进步,芯片制造在摩尔定律的推动下也在不断向先进工艺节点推进。与此同时,我们迫切需要开发与之相匹配的光刻材料来满足光刻图形化的快速发展需求。本文从光刻材料的成分和性能出发,介绍了光刻图形化技术所用的从紫外光刻胶、深紫外光刻胶、极紫外光胶、共轭聚合物光刻材料到导向自组装光刻材料,分析了光刻材料的发展现状,最后总结全文并对国内光刻材料的未来发展趋势进行展望。
全息高分子/液晶复合材料是一类具有全息功能的结构有序复合材料,通过富高分子相与富液晶相的周期性排列,存储相干光的振幅、相位等全部信息。依据液晶含量和制备方法,全息高分子/液晶复合材料主要分为全息聚合物分散液晶 (HPDLC)、全息聚合物稳定液晶(HPSLC)、聚合物-液晶-聚合物层状物 (POLICRYPS)。主要综述了近5年HPDLC的结构及性能调控方法,概述了HPSLC和POLICRYPS的发展动态,总结了它们在高端防伪、增强现实等高新技术领域的应用,并对未来发展方向进行了展望。
液相磷-31核磁共振波谱技术(31P NMR)是当前国内外土壤有机磷(Po)分子形态表征的主流分析技术,其主要利用乙二胺四乙酸-NaOH溶液提取,然后在高pH值(pH=13)条件下采集谱图。然而,高pH值条件下Po可能水解,同时鉴于实际土壤pH值通常在6~8范围内,因此有必要探究pH值对Po核磁谱图的影响。对D-葡萄糖-6-磷酸(D-G-6-P)、5′-单磷酸腺苷(5′AMP)和磷酸二氢钠(NaH2PO4)标准品进行研究,溶解于一系列pH梯度的溶液中进行31P NMR测试和谱图解析。结果发现:pH变化显著影响供试化合物的核磁谱图,不同pH值显著改变D-G-6-P吸收峰的形状和位置;但主要影响5′AMP和NaH2PO4吸收峰的位置。D-G-6-P已被证明以α-和β-两种形态存在于溶液中。且在碱性条件下发生异构化或分解两种反应。部分磷酸葡萄糖异构化的产物是甘露糖磷酸和果糖磷酸,而在高pH值时超过50%的D-G-6-P分解,且主要以二羟基丙酮磷酸酯赋存;5′AMP在溶液中存在3种构象,因此主要存在一个三重峰,高pH环境下出现次生峰,可能是水解产生正磷酸盐的结果;而NaH2PO4受溶液pH影响,导致质子化程度不同,进而吸收峰位置改变。综上,常规高pH溶剂会改变某些Po分子结构,所得的核磁谱图并非原样。研究结果对于深入理解基于核磁的Po形态表征及开发实际土壤pH范围的核磁分析方法提供了参考依据。
选择性加氢在功能材料合成和化学产品提纯等化工领域中有非常重要的应用,并且近年来为减少温室效应的影响,将CO2催化选择性加氢转化成其他有应用价值的物质成为研究热点之一。其中热催化是应用较为广泛、易得到多种目标产物并且获得产品收率较高的方法。目前,利用CO2多相热催化加氢制得甲烷、甲醇、轻烯烃等多种高价值的燃料和化学品已取得了一定进展,但仍存在一些难点问题,其中制备高效催化剂是催化加氢反应的关键问题之一。一直以来,研究人员致力于解决催化剂的活性和选择性问题,通过助剂掺杂和加入功能性载体对催化剂进行改性。针对这些问题,本文简要介绍了CO2催化加氢的研究背景,总结了近5年来热催化CO2加氢制得甲烷、甲醇、轻烯烃产品过程中使用催化剂的种类及对加氢反应的影响,期望为CO2多相催化加氢中新型催化剂的开发提供参考。
金属-有机框架(MOFs)作为一种无机-有机杂化材料,由于其结构的多样性和独特的功能而在众多领域有着潜在的应用价值。尤其是液相外延层层组装的MOFs薄膜(称为表面配位MOFs薄膜,SURMOFs)因其具有可控的厚度、优选的生长取向以及均匀的表面等优点备受关注。本文总结了液相外延(LPE)层层组装MOFs薄膜的技术方法,如层层浸渍法、层层泵式法、层层喷雾法、层层旋涂法等组装方法,并介绍了经典的SURMOF HKUST-1的层层组装策略以及其在光致发光、光致变色、光催化以及电催化方面的相关应用。HKUST-1是经典的SURMOF材料之一,在光电领域具有广泛的应用,SURMOF HKUST-1具有以下独特的性能:可以作为发光载体实现良好的光学性能;具有独特的Cu催化活性位点的优势,有效地降解水中的污染物;因其具有介电特性而在电子器件方面有着潜在的应用。虽然HKUST-1在许多方面均具有独特的性能,但也面临着一些挑战:需要将薄膜的合成步骤简单化;薄膜结构和电催化行为间的机理也需要进一步的研究;降低HKUST-1的内阻的方法也需要进行改进。SURMOFs在大规模工业应用和扩展到其它未探索的领域还任重道远。
液晶弹性体是一种交联的聚合物网络,各向异性的刚性介晶单元连接在聚合物网络中,其特殊的结构将橡胶的弹性和液晶的各向异性有机结合起来,产生特殊的光学和物理特性。通过改造基于熔融沉积技术的3D打印机,实现了液晶弹性体的精准墨水直写打印技术。在此过程中,刚性介晶单元被直接写入具有可控分子序列的三维结构中。介晶排列顺序是通过打印路径设置的,不同的排列顺序可以实现不同的刺激响应性能。基于迈克尔加成反应生成液晶大分子前驱体墨水并调控其流变性能使之可以用直径0.25 mm的细小针头挤出,并与打印参数相配合,获得形貌规整,介晶高度取向的打印样品。取向的单根液晶弹性体纤维在加热时会沿着印刷方向实现40%以上的可逆收缩。具有受控几何形状和刺激响应的结构,可以实现热致变形和无限制热致运动。除了简单的热致变形行为如弯曲、凸起和螺旋等,通过调整打印参数可以实现仿跳蚤跳动和热压弹起,以及无限制的热致滚动。这一发现使得4D打印液晶弹性体样品不再局限于简单的驱动器,而是具备智能仿生行为的软体机器人。通过4D打印批量生产的软体机器人可以实现智能仿生、运输、探索未知环境等应用。
水凝胶力学性质与生物组织相似,生物相容性好,在生物电子学领域具有独特的优势。受生物组织——如皮肤、神经、肌肉等启发,发展了具有仿生结构和功能的水凝胶材料。以这种水凝胶材料制作而成的柔性电子器件具有感知温度、压力、应变、电场等外界刺激的功能,可模拟生物组织的传感能力,在仿生电子皮肤,人工肌肉,人工神经等领域具有重要的应用前景。总结了水凝胶仿生柔性电子学的研究进展,包括水凝胶柔性电子器件,水凝胶仿生柔性电子学的应用以及目前面临的主要挑战,并对未来需要解决的科学问题和发展方向进行了展望。
锂硫电池因其较高的理论比容量和能量密度而成为最有前途的下一代储能系统之一。然而,硫和放电产物硫化锂的低导电率、可溶性多硫化锂(LiPSs)的穿梭以及缓慢的反应动力学致使锂硫电池的循环寿命短、倍率性能低。近年来,研究表明具有强催化活性的单原子(SAs)是理想的LiPSs锚定中心和催化位点。用SAs修饰正极和隔膜有助于吸附多硫化物并催化其转化,修饰负极则可显著提高锂的剥离/沉积效率,抑制锂枝晶的生长。本文综述了SAs在锂硫电池中的研究进展,包括材料合成、表征方法以及应用方向。最后,对SAs应用在电池中所面临的挑战和未来发展方向进行总结。
氢能作为一种重要的清洁可再生能源受到越来越多的关注。本文首先从能源资源、CO2减排、大规模能源储存3个方面简略地说明了氢能的发展机遇。 随后更多的是对氢能发展面临的一些挑战进行了介绍,这些也是氢能发展的瓶颈,这些问题不解决,氢能难以产业化应用。所以本文围绕着制氢、储运、基础设施、关键设备、安全等一些领域,对国内外的研究状况以及最新动态进行了介绍,并对一些具体问题和技术做了进一步的说明,给出了一些方向和技术指标。另外,对氢能应用,也提出了一些多样化的建议,可供产业化开发参考。