[崔屹研究小組]

1.電旋轉(zhuǎn)液硫滴的研究

對具有實(shí)時(shí)可調(diào)形狀和光學(xué)功能的液體的操縱對于電激活流動(dòng)設(shè)備和光電設(shè)備來說是非常重要的，但是它仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。斯坦福大學(xué)的崔屹教授首次在電化學(xué)電池中發(fā)現(xiàn)了電可調(diào)液滴的存在。他們在不同的恒電位條件下觀察了硫滴的電潤濕和合并，并通過選擇磺基/硫保留基質(zhì)成功地控制了這些過程。此外，他們還利用電潤濕現(xiàn)象創(chuàng)建基于液硫液滴的微透鏡，并通過快速、可重復(fù)和可控的方式改變液滴的形狀來實(shí)時(shí)調(diào)整其特性。這些研究證明，原位光學(xué)電池平臺可用于闡明硫化物的復(fù)雜反應(yīng)機(jī)理，探索液態(tài)硫豐富的材料特性，為液態(tài)硫滴在微透鏡等電子可調(diào)和光電器件中的應(yīng)用提供啟示。[1]相關(guān)研究題為“電調(diào)諧液體硫微滴”，發(fā)表在《自然通訊》上。

圖1:原位光學(xué)觀測裝置示意圖

2.氮摻雜納米金剛石/銅界面協(xié)同促進(jìn)CO2電催化還原為C2氧化物

目前很難有效可控地將CO 2還原成多碳產(chǎn)物(C≥2)。斯坦福大學(xué)崔屹教授課題組通過合理調(diào)整氮摻雜納米金剛石和銅納米粒子的組裝，證明了一種具有選擇性和強(qiáng)催化界面的多相催化劑的設(shè)計(jì)原理，可以將CO 2還原為C 2含氧化合物。與可逆氫電極相比，在-0.5 V的外加電位下，催化劑對C 2含氧化合物的法拉第效率可達(dá)63%..此外，該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，持續(xù)時(shí)間超過120小時(shí)，穩(wěn)定電流和活性衰減僅為19%。密度泛函理論計(jì)算表明，CO在銅/納米金剛石界面的結(jié)合力增強(qiáng)，通過降低CO二聚的表觀勢壘，抑制CO解吸，促進(jìn)C 2生成。催化劑的優(yōu)異性能可歸因于由組分的固有組成和電子可調(diào)性提供的無與倫比的催化界面控制程度，從而提供反應(yīng)能量和動(dòng)力學(xué)。[2]題為“在氮摻雜納米直徑/銅界面協(xié)同增強(qiáng)電催化二氧化碳還原為二氧化碳氧化物”的相關(guān)研究發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上。

圖2:密度泛函理論模擬結(jié)果示意圖

3.提高鋰電池安全性能的防火輕質(zhì)聚合物固體電解質(zhì)研究

近年來，鋰離子電池因其無處不在的使用和與人體的密切接觸，其安全性越來越受到關(guān)注。固體電解質(zhì)(SSE)的使用可以有效解決這一問題，提高鋰離子電池的能量密度。然而，研究最深入的聚合物和聚合物/陶瓷復(fù)合材料的固體電解質(zhì)通常是易燃的，會(huì)留下一些安全隱患。斯坦福大學(xué)的崔屹教授首次設(shè)計(jì)了一種防火、輕質(zhì)的聚合物SSE。SSE由多孔機(jī)械增強(qiáng)劑(PI)、阻燃添加劑(DBDPE)和離子導(dǎo)電聚合物(聚四氟乙烯/三氟甲基磺酰亞胺)(三氟甲烷)組成。整個(gè)SSE由厚度可調(diào)的有機(jī)材料(10-25μm)制成，其能量密度高于傳統(tǒng)的隔膜/液體電解質(zhì)。其中，PI/DBDPE薄膜具有熱穩(wěn)定性、不燃性和機(jī)械強(qiáng)度，可防止Li-Li對稱電池在300小時(shí)循環(huán)后短路。磷酸鐵鋰/鋰半電池具有高倍率性能(1℃時(shí)為131毫安時(shí)克-1)和60℃時(shí)的循環(huán)性能(2℃時(shí)為300次循環(huán))..更有意思的是，這款SSE組裝的軟包裝電池在暴露在火焰下依然可以正常工作。[3]題為“用于安全鋰電池的防火、輕質(zhì)、聚合物-聚合物固態(tài)電解質(zhì)”的相關(guān)研究發(fā)表在《納米快報(bào)》上。

圖3:防火輕質(zhì)聚合物固體電解質(zhì)的設(shè)計(jì)原理及耐火試驗(yàn)圖

[楊培東研究小組]

1.提高燃料電池電催化性能的鉑鈷納米框架研究

鉑基合金催化劑是燃料電池陰極氧還原反應(yīng)(ORR)和陽極甲醇氧化反應(yīng)(MOR)中最有前途的候選催化劑，其合理的組成和形貌對提高其催化性能至關(guān)重要。楊培東教授的研究小組通過化學(xué)蝕刻固體菱形十二面體中的一氧化碳來合成鉑鈷納米框架。鉑鈷納米框架在酸性電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性，在0.95 V RHE和10 000次電位循環(huán)后，初始可達(dá)0.40 mg pt-1，仍可達(dá)0.34 mg pt-1。此外，其在堿性介質(zhì)中的MOR活性高達(dá)4.28 A mg Pt -1，比市售Pt/C催化劑高4倍。實(shí)驗(yàn)研究表明，中間碳毒物結(jié)合的減弱將增強(qiáng)MOR的活性。此外，鉑鈷納米框架在長期循環(huán)試驗(yàn)中也表現(xiàn)出了顯著的穩(wěn)定性，這可歸因于電化學(xué)中一氧化碳的極少量溶解。[ 4]相關(guān)研究為“用于燃料電池電催化的高性能ptco納米框架”用于燃料電池電催化的高性能ptco納米框架用于燃料電池電催化的高性能Ptco納米框架，發(fā)表于Nano Letters。

圖4:鉑鈷納米框架結(jié)構(gòu)示意圖

2.可擴(kuò)展全無機(jī)鹵化物鈣鈦礦陣列的兩步構(gòu)圖

鹵化物鈣鈦礦具有許多重要的光電特性，包括高發(fā)射效率、高吸收系數(shù)、色純度和發(fā)射波長可調(diào)，因此有望直接用于光電應(yīng)用。然而，不能精確控制鹵化鈣鈦礦的大規(guī)模圖案化生長限制了它們在各種設(shè)備應(yīng)用中的潛力。楊培東教授的研究小組提出了一種鉛銫鹵化物鈣鈦礦單晶陣列生長的圖形化方案。它包括兩個(gè)步驟:(1)鹵化銫鹽陣列的構(gòu)圖和(2)將鹽陣列轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鈦礦單晶陣列的化學(xué)氣相傳輸過程。合成的鈣鈦礦陣列的化學(xué)組成和光學(xué)性質(zhì)通過能量色散x光光譜和光致發(fā)光進(jìn)行表征。這種構(gòu)圖方法可用于大規(guī)模構(gòu)圖生產(chǎn)具有晶面間距(2-20μm)和晶體尺寸(200 nm-1.2μm)的單晶鉛銫鹵化物鈣鈦礦陣列(陣列中的幾乎每個(gè)像素都可以成功地通過轉(zhuǎn)換的鈣鈦礦晶體生長)。[5]相關(guān)研究題為“可擴(kuò)展全有機(jī)鹵化物鈣鈦礦陣列的兩步構(gòu)圖”，發(fā)表在《納米快報(bào)》上。

圖5:無機(jī)鹵化物鈣鈦礦陣列兩步構(gòu)圖示意圖

[王忠林研究小組]

1.恒輸出電流圓柱DC摩擦納米發(fā)電研究

摩擦納米發(fā)電機(jī)最大的局限性是瞬時(shí)脈沖的存在，導(dǎo)致其波峰因數(shù)高，會(huì)給電子設(shè)備的使用帶來不利影響。為了解決這一問題，王忠林教授的研究小組首次提出了耦合可以產(chǎn)生低波峰因數(shù)、輸出電流幾乎恒定的圓柱形DC摩擦納米發(fā)電機(jī)(DC-滕)，并研究了相位(P)和基團(tuán)數(shù)(G)對DC-滕的影響。實(shí)驗(yàn)表明，電流波峰因數(shù)隨著相位的增加而顯著降低，而輸出性能隨著組數(shù)的增加而顯著提高。三相五組(3P 5G)DC-騰單相摩擦發(fā)電裝置在600轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)產(chǎn)生149.5伏的開路電壓、7.3μA的短路電流和56.7 nC的電荷。

經(jīng)各相輸出整流疊加后，DC騰能產(chǎn)生21.6μA耦合電流和2.04 mW平均輸出功率。此外，輸出電流的波峰因數(shù)降低到1.08，并且實(shí)現(xiàn)了直流電流的幾乎恒定的高性能特性。該研究對TENG在低功耗傳感器供電方面的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。[6]相關(guān)研究《圓柱形直流摩擦電納米發(fā)電機(jī)恒輸出電流》發(fā)表在《高級能源材料》上。

圖6:DC-騰原型示意圖

2.受人體反射啟發(fā)的應(yīng)變控制電源裝置研究

受生物學(xué)啟發(fā)的電子產(chǎn)品正在迅速推動(dòng)人工智能的發(fā)展。自主駕駛、機(jī)器人等新興AI應(yīng)用技術(shù)日益刺激了動(dòng)力設(shè)備的發(fā)展。王忠林教授的研究小組開發(fā)了一種受人體反射啟發(fā)的應(yīng)變控制裝置，可以直接快速地調(diào)整輸出功率。懸臂結(jié)構(gòu)的AlGan/AlN/氮化鎵基高電子遷移率晶體管在1伏柵極偏置下可以用微弱的機(jī)械激勵(lì)(0-16毫牛頓)控制顯著的輸出功率(2.30-2.72×10 ^ 3瓦·厘米-2)。我們進(jìn)一步證明了輸出功率可以根據(jù)加速度的變化實(shí)時(shí)有效地調(diào)整，即當(dāng)加速度為1-5g時(shí)，在15 V的電源電壓下，δ P可以達(dá)到72.78-132.89 W·cm-2。題為“受人類反射啟發(fā)的應(yīng)變控制功率器件”的相關(guān)研究發(fā)表在《自然通訊》上。

圖7:受人體反射啟發(fā)的應(yīng)變控制功率器件(SPD)概念圖

3.具有學(xué)習(xí)記憶功能的自供電觸覺傳感器的研究

人工智能觸覺傳感器的制造對人機(jī)交互界面的發(fā)展是一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)。受基于神經(jīng)可塑性的體感信號產(chǎn)生和信號處理的啟發(fā)，王忠林教授的研究小組基于摩擦納米發(fā)生器原理開發(fā)了一種具有學(xué)習(xí)和記憶功能的智能神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感器。觸覺傳感器可以根據(jù)壓力刺激的歷史產(chǎn)生各種幅度的信號，因?yàn)樗鼈兙哂心７峦挥|增強(qiáng)和記憶的神經(jīng)形態(tài)功能的能力。這些觸覺傳感器保持存儲(chǔ)信息的時(shí)間是可變的，這使得級聯(lián)設(shè)備具有多級遺忘過程，可以存儲(chǔ)大量信息。此外，通過使用觸覺傳感器構(gòu)建智能手指可以用于記錄與手指的當(dāng)前操作和先前操作相關(guān)的大量信息。因此，這種智能觸覺傳感器可以作為人工智能的功能部件。[8]題為“具有學(xué)習(xí)和記憶的自供電輕觸傳感器”的相關(guān)研究發(fā)表在ACS Nano上。

圖8:人工智能觸覺傳感器模擬機(jī)械感受器和神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的結(jié)合

參考

1.周庚，楊阿安，王勇，等.電沉積液態(tài)硫微滴[J].中國生物醫(yī)學(xué)，2002 .《自然通訊》，2020，11(1): 1-9。

2.[1]王輝，曾永康，紀(jì)勇，等.氮摻雜納米金剛石/銅界面協(xié)同增強(qiáng)CO 2電催化還原為C 2含氧化合物[J].自然納米技術(shù)，2020: 1-7。

3.崔勇，萬軍，葉勇，等。一種用于安全鋰電池的防火、輕質(zhì)高分子固體電解質(zhì)[J]。納米字母，2020。

4.陳s，李敏，高，等。燃料電池電催化用高性能鉑鈷納米框架[J]。納米字母，2020。

5.林春凱，趙青，張勇，等。可伸縮全無機(jī)鹵化物鈣鈦礦陣列的兩步構(gòu)圖[J]。ACS nano，2020。

6.[2]王軍，李勇，謝智，等.圓柱形恒流摩擦電納米發(fā)電機(jī)[J].高級能源材料，1904227。

7.張s，馬博，周x，等.受人體反射啟發(fā)的應(yīng)變控制功率器件[J].《自然通訊》，2020，11(1): 1-9。

8.[2]吳春，金鐵偉，樸振海，等.具有學(xué)習(xí)和記憶功能的自供電觸覺傳感器[J].ACS nano，2019。

本文由李歐吳投稿。

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