非富勒烯受体有机太阳能电池稳定性研究进展

近年来,基于非富勒烯受体(NFAs)的有机太阳能电池(OSCs)取得了迅猛的发展。单异质结OSCs的光电转换效率(PCE)已突破19%,这进一步推动了有机光伏技术的商业化进程。光电转换效率的快速提升源于活性层材料的创新开发、器件工程的优化以及对器件物理的更深刻理解。然而,稳定性问题已成为制约其商业化的一个主要因素。目前,关于活性层材料和电池器件稳定性的研究仍相对有限。在本综述中,我们对NFA-OSCs不稳定性的机理进行了简要介绍,包括NFAs的光氧化降解、不稳定的共混薄膜形貌以及界面层诱导的NFAs不稳定性。同时,我们总结了近年来国内外关于提高NFA-OSCs稳定性的研究策略。期望本综述能为实现高效、稳定的NFA-OSCs提供有益的指导。

Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene基材料在锂空气电池正极中的研究进展

锂空气电池具有3500 W·h·kg^(-1)的理论能量密度,是极具发展潜力的新一代能源存储系统.在有机相锂空电池中,放电产物为固态Li_(2)O_(2),具有绝缘性,导致正极反应动力学缓慢,造成反应过电位高、倍率性能差、循环稳定性有限且能量效率低等后果.催化剂可以改善氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)和氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)动力学,提升各项性能参数,因此开发稳定且高活性的正极催化剂是改善锂空电池性能的关键.Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene是2011年被发现的二维层状钛碳/氮化物纳米材料,导电性高且表面可调,具有催化ORR和OER反应的双重功能,近年来受到广泛关注,在锂空电池中具有良好的应用前景.本文介绍了锂空电池的反应机制,总结了近几年Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基材料在锂空电池正极催化剂中的研究进展,探讨了锂空电池中Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基正极催化剂材料的反应机制与性能提升策略,并对此方向未来的发展作一展望.

锂金属电池隔膜涂覆的研究进展

锂金属电池(LMBs)是最具潜力的下一代高能量密度存储设备,能够满足新兴产业的需求。然而,严重的锂枝晶生长、较低的库仑效率和不稳定的正极材料结构限制了它的商业应用。隔膜是LMBs最重要的组成部分之一,在很大程度上影响着电池的倍率性能、循环寿命和安全性。对隔膜表面进行涂覆可以优化其与电极材料之间的界面,从而提高LMBs性能。本文从三个方面综述了近年来聚合物隔膜涂覆的研究进展,并展望了隔膜未来的发展方向。

通过非共价构象锁定和端基工程策略设计高效率的A-D-A型稠环电子受体

近年来,非富勒烯太阳能电池的发展迅猛。目前报道的高效率的非富勒烯稠环电子受体主要采用受体-给体-受体(A-D-A)型结构。本工作中,我们在给受体间引入3,4-二己氧基噻吩作桥,用5,6-二氯-3-(二氰基亚甲基)靛酮作端基设计合成了一种新的稠环电子受体(ITOIC-2Cl)。一方面,可以通过S···O和O···H等作用在分子内形成非共价键构象锁促进分子的平面性;另一方面,通过增加端基的缺电子性可以增强分子内的电荷迁移。在两者的协同作用下,ITOIC-2Cl的光谱吸收拓宽到近红外区,这有利于获得宽的光谱响应。将ITOIC-2Cl与一种吸收互补的给体聚合物(PBDB-T)共混制备活性层,我们用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征其形貌,发现共混薄膜可以形成纤维状的互传网络结构和合适纳米尺寸的相分离,这有利于电荷的分离和传输,从而获得高的短路电流(J_(sc))和填充因子(FF)。最终,基于PBDB-T:ITOIC的电池,我们获得了9.37%的光电转换效率,其开路电压(V_(oc))为0.886 V,J_(sc)为17.09 mA·cm^(-2),FF为61.8%。这些研究结果为我们提供了一种设计高效率的非富勒烯稠环电子受体的有效的策略。

有机敏化剂插层层状氢氧化铽纳米复合体的合成与发光性质

选择两种有机物对苯二甲酸(TA)和苯甲酸(BA)作为敏化剂,通过在水热条件下的离子交换反应,成功将其以有机阴离子形式插层至层状铽氢氧化物而获得纳米复合体。荧光性质测定表明TA2-和BA-通过有效的能量转移均增强了Tb3+的特征绿色荧光发射,并且TA2-的敏化增强能力大于BA-。从能级匹配角度讨论了敏化剂和Tb3+之间能量转移的机理。

新颖深紫外二阶非线性光学材料的研究进展

深紫外非线性光学晶体在光刻、微加工及高分辨光电能谱仪等领域有重要的应用.本文将深紫外非线性光学材料按其结构基元的几何特点分为π共轭体系(硼酸盐、碳酸盐和硝酸盐)和非π共轭体系(磷酸盐、硫酸盐和硅酸盐)2大类,并总结和讨论了各类材料的晶体结构、线性和二阶非线性光学性能以及设计合成策略.希望能为探索新一代深紫外非线性光学材料提供有益的帮助.

纯有机室温磷光材料研究进展

有机室温磷光(room temperature phosphorescence,RTP)材料凭借制备简单、类型丰富、毒性低等特点,以及在显示、传感、生物成像等方面广阔的应用前景而备受关注.一般的有机RTP材料,其磷光寿命<10 ms,而具有长寿命(τ>100 ms)有机RTP材料其磷光衰减过程裸眼可见,因而具有更广阔的应用前景.本文总结了近年来兼具高效率和长寿命有机RTP材料的分子设计策略,包括引入重原子、形成主-客体材料、构筑H聚集、形成氢键和设计成DonorAcceptor(D-A)结构.

钼-钴氧化物中空纳米球/石墨烯复合结构的制备及其电磁性能

利用溶剂热结合煅烧法合成了空心球状的四氧化三钴和钼酸钴的复合氧化物纳米材料(Co_(3)O_(4)-CoMoO_(4)),将其作为磁损耗材料,与石墨烯复合后进行了电磁性能测试,结果显示:复合后的材料具有更好的电磁波吸收能力,在2 mm时最小反射损耗值为-23.45 dB;吸收带宽为2.55 GHz;其有望成为一类具有“薄、强、轻、宽”优异特性的新型吸波材料.

分子基光功能材料在信息加密领域中的应用

分子基光功能材料由于具有丰富的可设计性和可识别性,在信息加密和防伪安全等领域中具有重要的应用.本文将近年来常见的3大类研究体系(长余辉发光材料、微/纳米结构材料以及薄膜/涂层材料)及其应用场景进行总结,并对每种材料所涉及的信息加密和存储模式进行了归纳,以期为今后分子基光功能材料在信息安全领域的发展提供有益的指导和支持.

镝磁弛豫体系中溶剂分子的调控作用

在介绍磁弛豫行为和磁滞效应等基本概念的基础上,总结了近些年已发表的镝单/多核以及配位聚合物磁弛豫体系中溶剂分子调控磁弛豫行为的研究成果,分析了溶剂分子的改变对配合物磁弛豫和磁滞行为的调控作用,探讨了溶剂分子对磁弛豫以及磁滞行为的调控机制,以期为未来分子纳米磁体领域的研究提供参考与支持.

含炔键的聚合物给体材料设计合成及在有机太阳能电池中的性能研究

利用结构简单、成本低廉的初始原料,设计合成了主链含炔键的聚合物给体材料PBEA-F和PBEA.由于炔键的强吸电子能力,分子的最高占有轨道能级(HOMO)得以降低,使得聚合物的带隙变宽.同时,引入炔键的聚合物给体材料与受体小分子材料BTP-eC9-4F共混制备有机太阳能电池器件,可实现较低的非辐射能量损失与高的开路电压(open circuit voltage,Voc).最终基于PBEA的器件可得到0.91 eV的Voc、20.70 mA/cm^(2)的短路电流密度(short-circuit current density,Jsc)和10.39%的能量转化效率(power conversion efficiency,PCE),远高于PBEA-F器件的PCE (5.50%).

利用苯并二噻吩基聚合物给体和三芳胺基非稠环电子受体构筑简单高效有机太阳能电池

使用简单的聚合物给体P(Cl)和简单非稠环受体2BTh-2F,构建了低成本的高性能有机太阳能电池.并选用固体添加剂二碘苯(DIB),对共混膜形貌进行精细调控.通过原子力显微镜、高分辨透射电镜以及原位紫外-可见光吸收光谱等手段,深入研究了活性层的成膜过程、共混膜相分离形貌等.最终,基于P(Cl):2BTh-2F的器件获得0.861 V的开路电压(open circuit voltage,V_(OC))、23.18 mA/cm的短路电流密度(short-circuit current density,J_(SC))、71.21%的填充因子(fill factor,FF)以及14.21%的功率转换效率(power conversion efficiency,PCE).

隔膜对锂-铜电池短路时间的影响

隔膜在锂离子电池中起着防止正负极直接短路和提供离子传输通道的作用,决定着电池的安全性能.在本文中,我们利用锂-铜电池的短路时间建立了一种评价隔膜安全性能的方法.通过对电池短路时间的研究发现,对于同一种类型的隔膜,短路时间与隔膜厚度和内阻的线性相关度较高,隔膜厚度和内阻的增加均能延长电池的短路时间.同一厚度不同类型的隔膜,其电池的短路时间与隔膜自身的微孔结构相关.电池的短路时间与隔膜的穿刺强度之间的线性相关程度较低,结合电池短路后隔膜表面枝晶形貌的观察,我们推测枝晶是沿隔膜的孔道持续生长最终穿透隔膜,而非刺穿隔膜导致的电池短路.利用不同厚度的隔膜组装锂硫电池,发现循环寿命与隔膜厚度具有显著线性相关性,验证了测试方法在实际电池使用中的有效性.同时,研究也证实,利用功能隔膜调控锂的沉积行为、抑制锂的枝晶沉积能极大延长电池的短路时间,提升电池的安全性能,这为新型高安全性复合隔膜及电池的研究和设计提供了新的思路和理论依据.

聚集诱导发光

聚集诱导发光(AIE)是唐本忠院士于2001年提出的一个科学概念,是指一类在溶液中不发光或者发光微弱的分子聚集后发光显著增强的现象。高效固态发光的AIE材料有望从根本上解决有机发光材料面临的聚集导致发光猝灭难题,具有重大的实际应用价值。从分子内旋转受限到分子内运动受限,从聚集诱导发光到聚集体科学,AIE领域已经取得了许多原创性的成果。在本综述中,我们从AIE材料的分类、机理、概念衍生、性能、应用和挑战等方面讨论了AIE领域最近取得的显著进展。希望本综述能激发更多关于分子聚集体的研究,并推动材料、化学和生物医学等学科的进一步交叉融合和更大发展。

用于高效电催化析氧反应的锰掺杂镍铁双金属氢氧化物催化剂

随着国内能源需求不断增加以及温室气体排放持续增长,寻求高效、清洁、可持续的能源成为目前亟待解决的问题.廉价、高效和稳定的氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)催化剂在电解水制氢领域具有广泛的应用前景.镍铁层状双金属氢氧化物(NiFe-layered double hydroxides,NiFe-LDHs)被认为是一种潜在、理想的析氧反应电催化剂.然而,对于NiFe-LDHs层板,普遍认为其边缘金属位点相较于内部金属位点具有更高的催化活性,这就导致其层板内部的金属位点无法充分利用,降低对OER反应的催化效率.因此,为了充分提升NiFe-LDHs的层板利用率,本研究将具有变价特征的锰离子引入NiFe-LDHs层板(Mn doped NiFe-layered double hydroxides,Mn-NiFeLDHs)中,利用锰离子的变价特征,充分提升层板载流子迁移率,促进层板内电子转移,同时,由于锰离子的电负性特征,部分电子将从镍位点附近转移到锰位点的周围,导致镍位点表现出缺电子特征,从而作为“电子饥饿”位点,提升层板整体对于具有富电子含氧官能团的捕获,进而有效地增强OER催化活性.催化反应结果表明,Mn-NiFeLDHs电极在电流密度10 mA/cm^(2)时表现出过电位仅为332 mV,低于初始NiFe-LDHs的384 mV.锰离子的合理掺杂有效地调整Ni^(2+)位点活性,增强其电催化活性,并为更进一步地阐明掺杂对LDHs层板活性的影响提供了实验事实支持.

稀土铕、铽配合物在温度发光传感领域的研究进展

稀土发光配合物材料基于其独特的4f-4f电子跃迁表现出优异的发光性能,特别是铕和铽配合物材料,发光波长在可见光区范围内,发射谱带狭窄且尖锐(半峰宽通常小于10 nm),非常适合应用于显示设备和传感装置。同时,具备温度依赖发光性能的铕和铽配合物能够实现高灵敏度、高效的温度传感过程,使其有望用于流体动力学、航空航天、环境工程、能源技术等领域温度的测量和监控。本综述详细介绍了近10年来,铕和铽配合物温度传感体系的研究进展,总结了配合物材料类别以及温度响应灵敏度影响因素,进一步归纳了振动弛豫、能量转移等几类响应机制,并详细介绍了铕/铽发光配合物光学比率温度计的研究成果,为镧系金属配合物温度传感性能的研究进行了全面总结,以期打开此类材料实际应用的大门。

以邻苯二甲酸结构与四苯基乙烯核心构筑点亮型Pb^(2+)与Al^(3+)荧光传感器

铅和铝在生产生活中的广泛使用会造成环境及水体污染而危害人类健康,对环境及生物体中Pb^(2+)和Al^(3+)的实时监测有重要的意义.荧光探针可对金属离子实现高灵敏度、实时快速检测.传统的荧光分子易发生聚集淬灭而影响荧光探针的性质,而以具有聚集诱导发光性质的荧光分子为核心,可设计合成高灵敏度的点亮型荧光探针.本文以邻苯二甲酸结构为电子受体,以四苯基乙烯(tetraphenylethylene,TPE)为核心,构筑了两个具有不同电子给体结构的水溶性点亮型Pb^(2+)和Al^(3+)荧光探针,具有强电子给体的探针与被检测物作用后发出更长波长的荧光.研究了两种荧光探针的检测灵敏度和抗干扰性,探究了其检测机理,两个荧光探针对Al的检出限均低于世界卫生组织(WHO)饮用水中Al含量标准.

具有高价氧化态的超薄二维Ni–MOF高性能电催化剂用于苯甲醇氧化反应

超薄二维金属有机框架(Two-dimensional metal-organic frameworks(2D MOFs))具有较大的比表面积和开放的催化活性中心,在电催化反应中具有潜在的应用价值.本工作报道了一种溶剂热法制备的具有开放位点的超薄2D Ni–MOF纳米片阵列及其在电催化苯甲醇氧化(Electrocatalytic benzyl-alcohol oxidation(EBO))方面的应用.作为一种高性能的EBO电催化剂,2D Ni–MOF表现出较低的过电位和优异的化学耐久性,仅需要约1.50 V的电位即可达到250 mA cm^(−2),苯甲醇氧化效率达85%.2D Ni–MOF纳米片阵列相比于同样具有超薄结构的2D Ni(OH)_(2)纳米片阵列,反应过电势降低约35 mV(@50 mA cm^(−2)),具有更快的反应动力学.在同一恒电位下进行苯甲醇氧化反应时,具有更高的响应电流,并且在连续电解20000 s后,可保留25 mA cm^(−2)的电流密度,接近Ni(OH)_(2)纳米片的两倍,表现出更优异的电催化活性.Ni–MOF纳米片中的Ni具有更高的氧化态,在EBO反应中更容易转化成活性位点NiOOH,使得其在更低的电位下能有效催化苯甲醇的电氧化反应.这一结果为进一步设计高性能电催化苯甲醇氧化反应电催化剂提供新的视角.

小分子脂肪酮亚胺的光致发光行为

非传统有机发光材料因其独特的发光行为和发光机理近年来受到越来越多的关注.一些芳香族亚胺类化合物(席夫碱)已被发现具有聚集诱导发光的行为,但还没有关于小分子脂肪酮亚胺发光行为的报道.本工作发现多种小分子脂肪伯胺与丙酮在室温下反应就可以得到具有强荧光发射的产物,其荧光发射随反应时间增加而增强,且其最大激发波长和发射波长均发生显著的红移,最大发射波长超过600 nm.对各种伯胺和丙酮反应产物的结构表征证实均生成了脂肪酮亚胺化合物.脂肪酮亚胺化合物表现出浓度增强荧光发射行为,随浓度的增大,荧光强度增大且荧光发射红移.酮亚胺的荧光发射具有聚集增强特性,其聚集体尺寸随浓度增大而增大.酮亚胺的荧光发射还对溶剂等刺激有响应.理论计算结果显示,随聚集分子数增加,聚集体的HOMO–LUMO能级差逐渐减小.该研究拓展了非典型发光物质的范围,具有潜在的应用价值.

密度泛函和π共轭限域理论研究KBe_(2)BO_(3)F_(2)深紫外非线性光学性能的构效关系

KBe_(2)BO_(3)F_(2)(KBBF)不仅是目前唯一能够商用的深紫外倍频晶体,还为该类材料设计提供了优秀的模板,因此其构效关系的研究具有重要意义.本文运用密度泛函理论(DFT)深入探讨了KBBF的成键模式和电子结构,首次依据“π共轭限域”理论,从全新的角度诠释了KBBF晶体结构的两种构筑基元(π共轭BO_(3)基团和非π共轭BeO_(3)F基团)对该化合物表现出的优异深紫外非线性光学性能所起的重要作用,并指出“π共轭限域”结构特征确保了KBBF能实现带隙和双折射率的平衡,从而使得KBBF能够在深紫外波段直接实现倍频转换.对构效关系的理解和阐释为设计合成高效深紫外非线性光学材料提供了重要参考.