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Advanced Materials近三年高被引論文速覽

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2021-06-19 15:34:11 瀏覽：6078次

Advanced Materials概述

Advanced Materials是材料科學(xué)領(lǐng)域的頂級期刊，主要接收與材料領(lǐng)域相關(guān)的頂尖科研成果，在材料領(lǐng)域科享譽(yù)盛名。在Google公司對八大領(lǐng)域（商業(yè)經(jīng)濟(jì)與管理、材料與化學(xué)、工程與計(jì)算科學(xué)、健康與醫(yī)藥科學(xué)、人類文學(xué)與藝術(shù)、生命與地球科學(xué)、物理與數(shù)學(xué)、社會學(xué)）所有期刊的排名中，Advanced Materials在工程與計(jì)算科學(xué)大學(xué)科領(lǐng)域所有雜志中排名第一，在材料與化學(xué)大學(xué)科領(lǐng)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(shí)際為第二）。

筆者利用“Web of Science”數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)了Advanced Materials期刊近十年來的發(fā)文量（圖1），可以看到雖然近十年來Advanced Materials的發(fā)文量略有增加，但截止到近幾年，其年發(fā)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(fā)文的要求與質(zhì)量確實(shí)較高。

圖1 Advanced Materials近十年發(fā)文量

作為材料領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)期刊之一，Advanced Materials的文章質(zhì)量毋庸置疑，因此，該期刊上發(fā)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(lǐng)域的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。在此，筆者統(tǒng)計(jì)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(guān)科研工作者們帶來一絲啟發(fā)。

近三年高被引論文速覽

1、鋰離子電池發(fā)展的30年

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

基于此，作者圍繞鋰離子電池關(guān)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(fā)展和進(jìn)步，從小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)化制備，再到如今的科學(xué)前沿，作者重點(diǎn)討論了材料科學(xué)（尤其是結(jié)構(gòu)和形貌）對于鋰離子電池發(fā)展的促進(jìn)作用。最后，作者從商業(yè)化應(yīng)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(wěn)定金屬有機(jī)框架材料的設(shè)計(jì)、合成與應(yīng)用

金屬有機(jī)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(xué)傳感等方面具有潛在的應(yīng)用前景。盡管具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，但許多MOFs材料的應(yīng)用依然受到結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的限制。

本文綜述了近年來穩(wěn)定MOFs體系結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，包括穩(wěn)定MOFs體系結(jié)構(gòu)的基本機(jī)理、設(shè)計(jì)和合成，以及它們的最新應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，作者介紹了一些具有代表性的高穩(wěn)定MOFs材料，描述了它們的結(jié)構(gòu)，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(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。總的來說，該綜述將通過對已知結(jié)構(gòu)MOFs的深入了解來指導(dǎo)穩(wěn)定性MOFs的設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步促進(jìn)先進(jìn)功能材料的發(fā)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(yīng)用于高效聚合物太陽能電池(PSCs)中，但由于其合成復(fù)雜、制備產(chǎn)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(jìn)行了比較。

結(jié)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)思路。

圖4 兩種聚合物的合成路線和化學(xué)結(jié)構(gòu)

4、鉑（II）絡(luò)合策略使單結(jié)聚合物太陽能電池的效率達(dá)到16.35％

由于異質(zhì)結(jié)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(guān)注。采用鉑(II)絡(luò)合的新策略調(diào)控多氮雜環(huán)聚合物的結(jié)晶度和分子堆積，并優(yōu)化活性共混物的形態(tài)，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(fā)生鉑(II)絡(luò)合反應(yīng)。鉑(II)配合物上的大苯環(huán)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(diào)節(jié)了相分離，優(yōu)化了形貌，從而使器件效率提高到16.35%，這是截止發(fā)文前報(bào)道的單結(jié)PSCs所能達(dá)到的最高效率。該工作對于單結(jié)PSCs的發(fā)展具有重要意義。

圖5 聚合物的設(shè)計(jì)策略和化學(xué)結(jié)構(gòu)

5、氮配位的鈷原子催化劑用于催化質(zhì)子交換膜燃料電池中的氧還原

由于存在Fenton反應(yīng)（芬頓反應(yīng)），電極中Fe和過氧化物的存在會產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致有機(jī)離聚物和膜的嚴(yán)重降解。因此，設(shè)計(jì)制造耐用且廉價(jià)的質(zhì)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(chǔ)上，作者通過一步熱活化的方法，從Co的金屬有機(jī)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(wěn)定性且在原子水平上驗(yàn)證了CoN₄配位。結(jié)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(jīng)過燃料電池試驗(yàn)證實(shí)，該催化劑的活性和穩(wěn)定性對于PEMFC的電化學(xué)性能具有顯著提升。分析認(rèn)為，氧還原反應(yīng)（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(diǎn)，從而取代了不活躍的Co團(tuán)聚體。

圖6 催化劑的電化學(xué)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(jī)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(gòu)手性3D MOFs為原料，在一定溫度下熱裂解，合理設(shè)計(jì)并合成了一種新型復(fù)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(dú)特的三維分層棒狀結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，該材料對氧還原和析氧反應(yīng)(ORR和OER)的電催化活性分別高于工業(yè)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(shí)，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(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，所合成的可充電鋅空氣電池可用于電化學(xué)水分解系統(tǒng)的動(dòng)力源，展示出了作為集成綠色能源系統(tǒng)的潛力。

圖7 C-MOF-C2-T材料的電化學(xué)氧還原和氧析出性能

7、釕單原子催化劑實(shí)現(xiàn)高效電化學(xué)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(yīng)顯得尤為重要。有鑒于此，本文作者選擇金屬有機(jī)框架材料(ZIF-8)為基體，在其反應(yīng)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(xué)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(dá)到了29.6%，有效電流密度達(dá)到了-0.13 mA cm^-2，產(chǎn)氨速率高達(dá)120.9 μg_NH3 mg_cat.^-1 h^-1，比此前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值高一個(gè)數(shù)量級。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算研究進(jìn)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(xiàng)研究工作不僅開辟了單原子催化劑在電化學(xué)合成NH₃反應(yīng)中的新途徑，而且進(jìn)一步推進(jìn)了電化學(xué)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(tǒng)提高光催化CO₂還原

化石能源的大量使用會產(chǎn)生溫室氣體CO₂，從而導(dǎo)致全球氣候變暖并威脅全球生態(tài)環(huán)境。因此，獲得有效CO₂吸附能力和高電荷分離效率的穩(wěn)定光催化劑迫在眉睫。在此，作者設(shè)計(jì)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(tài)Z型光催化系統(tǒng)（Z-Scheme），增強(qiáng)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?yàn)楠?dú)特的三維結(jié)構(gòu)有效地促進(jìn)了CO₂的吸附。此外，作者還通過密度泛函理論計(jì)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(jìn)一步解釋了分層Z-Scheme具有優(yōu)異性能的潛在機(jī)理。該研究對探索合成催化活性高且穩(wěn)定性好的Z-Scheme光催化系統(tǒng)具有重要的意義。

圖9 光催化CO₂還原性能

總結(jié)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(jī)框架材料（MOFs），而這些關(guān)鍵詞也確實(shí)是近年來材料相關(guān)領(lǐng)域的焦點(diǎn)。筆者希望通過上文的解讀，能給“新生”的科研人員指明方向。

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