摘要：电催化是各种以化学品形式储存可再生电力能源技术的核心。目前,贵金属基催化剂广泛应用于提高电催化转化效率。然而,成本高、稳定性差等缺点严重阻碍了其在电合成和可持续能源器件中的大规模应用。碳基无金属催化剂(CMFCs)在提高催化性能方面展现出巨大潜力,且受到越来越多的关注。本文概述了用于电催化合成的CMFCs的最新研究进展,并讨论了其催化机理和设计策略。此外,简要总结了电催化合成过氧化氢、氨、氯以及各种碳基和氮基化合物的研究现状,并重点阐述了CMFCs目前面临的挑战和未来前景。

摘要：DNA纳米结构作为理想的纳米支架,具有空间可寻址、几何结构可编程、易于化学修饰、生物相容性好等优势,现已广泛应用于实现各类生物分子在纳米尺度的定向排列与组装,并逐渐在多个交叉领域发挥重大作用.DNA折纸术的出现更是提供了结构更为复杂且精确的DNA骨架设计.本文首先从寡核苷酸链与生物分子的偶联、DNA-生物分子复合物的组装与纯化这三个方面简述了DNA骨架与生物分子的基本组装方法.随后,着重总结了DNA纳米结构-生物大分子自组装体在酶级联反应体系构建中的应用以及DNA纳米支架在AFM、荧光以及冷冻电子显微镜等辅助生物成像技术方面的应用.最后,综合讨论了DNA纳米技术本身在以上领域中目前存在不足并提出展望.

摘要：石墨烯原子层厚度的二维平面结构以及其独特的物理化学性质引起了国际学术界的广泛关注1,同时也赋予石墨烯丰富多样的光、热、电、磁、力等功能。石墨烯的结晶度、旋转错位、物理形变等无不引起其功能的显著变化,而杂原子掺杂、可设计孔洞、选择性边缘结构、特异性复合等也往往赋予石墨烯特殊的性能与应用。

摘要：柔性电子设备自进入人们的视野以来就备受关注,而与之相适应的、具有更高能量密度的柔性储能器件是促进其发展的关键。在各种新型柔性储能装置中,锂-硫(Li-S)电池具备高能量密度和高理论比容量,是未来柔性电池体系的理想选择之一。近几年,虽然对Li-S电池进行了深入的研究,但是高性能与电极柔性之间的相互制约性阻碍了柔性Li-S电池的进一步发展。本文通过总结柔性Li-S电池的发展现状,以Li-S电池柔性化基底材料制备为主要切入点,对柔性硫正极、柔性锂负极和柔性电池三部分进行阐述。首先分析了构造柔性正极材料的基本方法,然后总结发展新型锂金属宿主材料对实现可变形锂硫电池负极的重要性,阐述柔性电池集成和测试方法对实现柔性Li-S电池未来应用的必要性,最后对柔性Li-S电池的前景进行了展望,分析探讨了其面临的问题及未来发展方向。

摘要：开发具有高开路电压(V_(OC))和有利于减少非辐射重组损失的有机太阳能电池新活性层材料至关重要.本文基于经典吸电子单元(A)-给电子单元(D)结合的A-DA'D-A型受体Y6,开发了一种具有高最低未占分子轨道(LUMO)能级的“Z”构型萘并[1,2-c∶5,6-c']双[1,2,5]噻二唑(NT)核A-DA'D-A受体(ZNT),此分子构型呈现“Z”构型,并通过提高退火温度实现了D18作为给体的器件非辐射复合损失的降低和V_(OC)的提升.为了研究此现象与热退火降低V_(OC)的普遍现象的不同,制备了D18∶Y6体系作为参考.通过提高热退火的温度, D18∶Y6体系的乌尔巴赫能量(EU)升高,非辐射复合损失增大,因此V_(OC)持续降低;与此相反, D18∶ZNT体系的EU随热退火温度升高而降低,非辐射复合损失也有效降低,因此实现了V_(OC)的提高. V_(OC)从未退火条件下的0.950 V提高到80℃退火时的0.963 V, 100℃退火时的0.993 V,直至110℃退火时的0.995 V.退火温度上升时电子迁移率增加,纯ZNT的晶体相干长度增大,证实了能量无序的减少来源于受体ZNT有序性的增加.此外, ZNT受体的(LUMO)、最高占有分子轨道(HOMO)能级和带隙都比Y6的高,结构的平面性更高,器件的激子分离效率较低,使得基于ZNT受体的器件效率低于以Y6为受体的器件.本文报道的“Z”构型A-DA'D-A受体的中热退火使V_(OC)升高的独特现象可为未来高V_(OC)有机太阳能电池的发展提供一个材料设计方向.

摘要：选择性转化甲烷为C_(2)烃类是一种高效利用天然气并减少对传统化石燃料依赖的方法。与高温高压的热催化途径不同,光催化方法可以在温和条件下实现甲烷活化和选择性转化,是一种非常具有前景的可持续途径。然而,使用廉价光催化剂在流动条件下实现高效C_(2)化合物的生成仍然是一个巨大挑战。本文通过简单的化学还原法合成了一种具有超低负载量的AuPd合金纳米颗粒负载的TiO_(2)光催化剂(Au_(0.05)-Pd_(0.05)/TiO_(2)),用于光催化甲烷转化。在流动反应条件下,含水蒸气的甲烷可以高效转化为包括乙烷和乙烯在内的C_(2)化合物,C_(2)产率高达10092μmol·g^(−1)·h^(−1),选择性为77%。更重要的是,在反应持续32 h后,催化活性没有显著降低。Au_(0.05)-Pd_(0.05)/TiO_(2)的光催化甲烷转化的活性和稳定性超过了迄今为止报道的结果。Au_(0.05)-Pd_(0.05)/TiO_(2)良好的催化活性可以归因于金和钯的协同效应,不仅促进了光生载流子的分离而且有利于·CH_(3)的C―C键耦合进而产生C_(2)化合物。同时,引入水蒸气有助于及时补充在甲烷活化过程中消耗的晶格氧,从而保持催化剂的稳定性。这项工作有望为设计甲烷到C_(2)化合物的可持续光催化转化途径提供一个典范。

摘要：在光能作用下,利用半导体催化剂将CO2和H2O转化为太阳燃料(H2和CO),有望同时减少碳排放和获取高附加值的替代能源与化工产品,因而成为研究热点之一.半导体光催化剂具有较宽的光谱响应范围和合适的导价带位置(即光生电子/空穴应具有适宜的还原/氧化能力),这是其作为高效催化剂的前提条件之一.但是,当调控半导体的禁带宽带以使其有利于捕获太阳能时,通常也会同时改变其导价带位置,从而影响光生电子/空穴的还原/氧化能力,降低反应驱动力,进而可能导致光催化活性降低.根据能带工程理论,构筑固溶体是一种有效地改变该窘境的方法.它主要是通过调控固溶体组成,进而调控其能带结构,即不仅能够调控半导体材料的光谱响应范围(调控禁带宽带),还能调控半导体的导价带位置(调控光生电子/空穴的还原/氧化能力),从而实现反应光捕获与驱动力之间的最佳平衡,达到提高半导体催化剂光催化性能的目的.ZnS具有较好的光催化性能,但其禁带宽度较高,不利于对可见光的吸收.考虑到ZnS和ZnSe都具有六方纤锌矿结构,且S和Se的电负性和二价负离子半径相近,因此,本文以ZnS1–xSex(en)0.5为前驱体,通过简便易行的热处理法,成功制备了具有不同组成的ZnS1–xSex纳米带固溶体.结果发现,通过改变反应物中的Se/S摩尔比可调控所得固溶体的组成,进而调控其能级排列(禁带宽度与导价带位置等),第一性原理计算进一步证实了该实验结果.当Se/S的摩尔比从0增加到1时,所得固溶体的禁带宽度在3.69~2.68 eV之间连续可调;同时,导带底不断向下移动,而价带顶持续向上移动,即光生电子/空穴的还原/氧化能力不断降低.利用所得样品进行光催化还原制备太阳燃料实验,发现ZnS0.75Se0.25表现出最高的光催化活性.这主要是因为在该固溶体中实现了光捕获(禁带宽带)与反应驱动力(光生电子/空穴的还原/氧化能力)的最佳平衡.因此,本文有助于更好地设计与制备基于固溶体的高效光催化剂,从而为将来的实际应用奠定理论与实验基础.

摘要：随着新型小分子给体材料和非富勒烯小分子受体材料的开发和应用,非富勒烯全小分子有机太阳能电池(NF-ASM OSCs)的光电转换效率已经突破15%,并逐渐接近聚合物太阳能电池的效率.相比于聚合物电子给体材料,小分子电子给体材料拥有其独特的优势,例如合成批次性差异小、分子量明确和易于提纯等;但是,对小分子给体材料的结晶性难于精确调控,使获得合适的纳米级结构的混合膜仍然是一个挑战.本综述以给体小分子中心共轭单元的扩展为主线,从分子设计的角度汇总了近年来对苯并二噻吩、萘并二噻吩和二噻并苯并二噻吩类小分子给体材料的结晶性研究,并为进一步改善电池活性层形貌和获得更高的光伏性能提供了未来发展的建议.

摘要：二氧化碳作为一种常见的温室气体,其浓度的升高造成了全球性的生态环境问题,有效地捕集和利用二氧化碳,不仅具有环境保护意义,也具有工业和经济意义.有机多孔聚合物(POPs)作为一种新兴的多孔材料,具有高孔隙率、低密度、可设计的结构和组成、易于官能化和高稳定性等特点,在气体存储/分离、生物医药、污染处理、能源、催化等领域具有广阔的应用前景.咔唑类化合物构建的聚咔唑具有微孔结构,富含氮元素,对二氧化碳具有高吸附容量和选择性;功能性基团的引入也有助于进一步提升材料的吸附性能.线型的二氧化碳分子具有高稳定性,其转化需要催化剂的参与以实现高效反应.利用功能性分子直接构建或后修饰策略,均能制备出具有催化活性的聚咔唑,多孔性、吸附性、催化活性的结合使聚合物在二氧化碳化学转化、电催化和光催化还原中表现出优异的性能.与分子催化剂相比,聚咔唑的多孔性不仅能保证催化位点与反应物充分接触,而且可实现底物的富集并对反应有限域作用,提升反应效率和选择性.作为异相催化剂,聚咔唑回收方便,在循环实验中依然能保持高催化活性.本文将重点介绍多孔聚咔唑的制备方法及其在二氧化碳吸附与催化转化等方面的应用,分析材料结构与性能的关系,总结高性能聚合物所需的关键因素.

摘要：金属有机骨架(MOFs)是由金属离子或簇与有机配体以配位键组装而成的晶态多孔材料,其高的孔隙率及功能可设计性使其广泛应用于各种领域。然而,传统MOFs多数电导率非常低,这严重制约了其在电学相关领域的发展。近年来,导电金属有机骨架尤其是二维导电金属有机骨架(2D ECMOFs)材料因其结构中独特的π-π堆积及π-d共轭作用而呈现出半导体甚至类金属的电子输运性质而受到广泛关注,已在传感器、电子器件、电催化、电池和超级电容器等电学和能源相关领域展现出潜在的应用价值。本文将从2D ECMOFs的导电机理、结构、合成方法及应用等方面对近几年该领域的重要进展进行综述,并对其未来发展的挑战和机遇提出展望。