金屬基納米材料的案例
金屬所JACS封面：新型納米碳材料負載金屬催化劑重要進展！
日前，中科院金屬所催化材料研究部劉洪陽副研究員和博士研究生黃飛等人組成的納米碳材料負載金屬催化劑研究小組與北京大學馬丁教授合作，通過調控金屬鈀（Pd）原子與碳載體之間的相互作用，在納米金剛石/石墨烯碳載體上制備出原子級分散的單位點Pd催化劑，進一步的研發發現該催化劑在催化乙炔高效選擇性加氫應用中作用顯著。《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society, IF=14.7) 在線發表了該項研究成果（DOI：10.1021/jacs.8b07476），該工作并選為封面文章。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b07476
乙炔選擇性氫化是工業生產高分子聚合物過程中的重要反應之一。如何選擇性將乙炔加氫到乙烯，而避免乙烯進一步氫化到乙烷，是這一反應需要解決的主要問題。負載型Pd催化劑具有很高的乙炔加氫反應活性，但乙烯選擇性很低。目前工業上廣泛使用的加氫催化劑是經過適當修飾的Pd基催化劑，但仍然存在Pd的原子利用率較低等問題。因此，設計開發兼具高活性，高穩定性和經濟實用的加氫催化劑具有重要意義。
劉洪陽副研究員帶領的研究小組致力于新型納米碳材料負載金屬催化劑的研究。經過多年的學術積累，首次利用納米金剛石/石墨烯復合核殼材料（ND@G）為載體，制備出一種原子級分散高選擇性乙炔加氫Pd基催化劑（圖1）。
展開 ：可原位印刷的導電納米粘土/液態金屬基柔性電子
圖1 導電納米粘土/液態金屬墨水原位印刷
除了具有良好的基板附著力外，導電納米粘土可用于直接印刷線寬小于100μm的電路（圖2A），導電納米粘土的特殊材料設計使其既具有液態金屬的流動性又具有粘土的可塑性。與大多數先前的液態金屬摻雜劑相比，構成納米粘土的納米顆粒具有親水性，因此納米粘土團塊可以輕松地分散在水溶液中。他們向導電納米粘土中添加2M HCl溶液并搖動試管，然后在導電納米粘土中釋放出大量氣泡，并且在試管底部出現了一些小的新鮮液態金屬小滴，最終匯聚成大塊的液態金屬，表明基于導電納米粘土的柔性電子具有很好的可回收性（圖2C）。
圖2導電納米粘土可回收性表征
隨后，他們對基于本文提出的導電納米粘土和蓋章印刷得到的柔性電子進行了電氣性能表征。除了優異的電性能外，封裝在彈性體中的導電納米粘土還為苛刻的工作條件下的可穿戴電子產品提供了出色的自修復能力。圖3A示出了導電納米粘土的結構組成，其中液態金屬在納米粘土團塊之間的分布類似于土壤中水的分布。從材料設計的角度來看，液態金屬具有與水相同的流動性，因此用液態金屬代替普通濕粘土中的水不僅賦予了濕粘土導電性，而且保持了濕粘土的自愈性能。圖3C給出了導電納米粘土的自修復機制，將切口的兩側放在一起后，表面上一些裸露的納米粘土團塊彼此接觸，成為兩側導電納米粘土再次交流的“支點”，在切口處的納米粘土團塊中自發地發生了EGaIn的毛細流，并且兩側逐漸變成一個整體。基于LM的軟電子產品的一大挑戰是其抗損壞性差。 一旦發生局部損壞，由于其良好的流動性，長期使用將不可避免地泄漏LM，尤其是在大尺寸的流體通道中，而基于導電納米粘土的柔性電子表現出了很好的破壞耐受性，如圖3F所示。
展開 塊狀納米結構材料設計助力抗斷裂鋰金屬負極
【引言】
鋰金屬負極(LMA)的穩定性嚴重阻礙了其商業化。目前，研究人員已提出許多策略來提升LMA的穩定性，包括構筑3D主體、涂覆非原位保護膜、向電解質中加入添加劑以及制備具有高機械強度的凝膠和固態電解質等。但LMA保護是一項系統工程，尚無法徹底解決所有問題。塊狀納米結構材料(BNM)是一類具有精細納米結構的塊體材料。根據經驗Hall-Petch(H-P)方程，屈服應力與材料整體的強度和硬度相關，與晶粒尺寸的平方根成反比。因此，分離的晶粒使材料更堅固，疲勞耐久極限增強意味著在某些外部應力下斷裂的形成受到抑制。同時，BNM的離子傳輸特性同時顯著增加，因為質量傳遞沿晶界比在晶粒中更快地發生。研究表明，如果晶粒尺寸低于臨界尺寸，電極體積波動引起的應力可以自適應而不發生顆粒破裂。
【成果簡介】
近日，天津大學羅加嚴教授(通訊作者)等根據塊狀納米結構材料概念，通過冶金工藝設計了抗斷裂LMA，并在Adv. Mater.上發表了題為“Bulk Nanostructured Materials Design for Fracture-Resistant Lithium Metal Anodes”的研究論文。在塊狀納米結構Li(BNL)中，離子導電相存在于晶界處，促進了Li+傳輸。 BNL中精細的鋰晶粒尺寸和沉淀硬化提高了機械強度和耐疲勞性，減輕了不均勻分布的應力并防止電極粉碎。作者利用密度泛函理論研究鋰與各種氧化物之間的結合能，發現SiO2是篩選氧化物中最佳的添加劑。BNL具有91 %的鋰金屬理論容量。在具有BNL負極的全電池中，LiFePO4在10 C下具有90 mAh·g-1的容量，比具有鋰箔負極的全電池高出一個數量級。
展開 金屬所盧磊《Scripta》：加工硬化差異對梯度納米材料的強化作用！
(GNS)金屬材料具有從納米到微米的空間梯度微觀結構，其具有優異的機械性能，如高強度、良好的延展性。
一種用于熱管理的液態金屬基PCMs復合材料
來源 | ACS Applied Materials Interfaces
01
背景介紹
相變材料(PCMs)在特定溫度下的相變時吸收或釋放潛熱，被認為是各種系統的有效被動熱管理的有前途的材料。然而，固-固轉變通常只吸收或釋放少量的潛熱，而且固-氣和液-氣轉變都伴隨著顯著的體積變化，這對于大多數實際應用是不適合的因此，具有相對高的潛熱、可控制的體積變化和實際相關的相變溫度的固-液PCM得到了廣泛的研究。各種有機和無機材料已被用作固體-液體PCMs，有機PCMs包括石蠟、脂肪酸和聚乙二醇，而無機PCMs包括幾種鹽和鹽水合物。
通常研究的固體-液體PCMs的主要缺點是它們的導熱系數(k)低，例如，石蠟和鹽水合物的k值分別為~ 0.2和1 W/mk，這些值明顯低于金屬、陶瓷或碳基材料的k值，它們的k值范圍從幾十到幾百W/mk。提高PCM的k值的一種方法是在PCM基體中分散具有高k值的金屬、陶瓷或碳基微或納米顆粒。然而，通過這種方法改善k的程度是有限的。而且，通過這種方法制備的復合材料具有低加工性，這限制了它們在任意形狀因素系統中的易于應用。
制備具有可加工性的PCM的常見方法是將PCM裁剪成宏，微或納米顆粒。然后，這些顆粒可以分散在連續相基質中，以達到所需的目的。然而，大多數高k材料是剛性固體，在相對溫和的條件下將PCM顆粒分散在這樣的基質中是具有挑戰性的。Ga和Ga基合金在室溫附近或以下以液態存在，由于其高可塑性和高k的綜合優勢，液態金屬（LM）被應用于各種熱管理應用中。
展開 哈工大《MSEA》：金屬基復合材料的柔性強化新方法！
因此，建議使用可變形的增強材料，如金屬顆粒、高熵合金或復合材料顆粒等，在保證良好界面結合的情況下，可以制備出具有高于ROM預測屈服強度和良好塑性的復合材料。
圖8 傳統陶瓷顆粒增強Al基復合材料、鐵素體/馬氏體雙相鋼和CP/Al復合材料的屈服強度與混合定律預測值的比值以及與其對應的RYSR之間的關系
總的來說，本研究采用SiCp/Al復合材料顆粒制備復合材料，實現了增強體和基體的協調變形；并給出了預測這種柔性強化復合材料力學性能的半經驗公式。這項工作對“柔性”強化復合材料的開發具有一定的指導意義，并對顆粒增強復合材料的回收提供了一種有效方法。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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展開 西北工大鄭亞萍教授、姚東東副教授《JMCA》：通過靜電作用策略構筑MXene基納米離子液體材料
MXene是一種新型的二維（2D）過渡金屬碳化物或碳氮化物材料，2011年被美國德雷塞爾大學的Gogotsi教授通過選擇性刻蝕 MAX 相中的金屬A元素而制備，其化學通式是Mn+1XnTx（n=1, 2, 3），其中M為早期過渡金屬元素，X為碳或氮元素, T表示表面的-OH、-O-等活性官能團；MXene具有獨特的二維層狀結構、較大的比表面積、優異的力學性能、電學性能、易表面功能化等優勢，在儲能材料、電磁屏蔽、復合材料、阻燃材料、氣體分離與捕集等多個領域均展現出良好的應用潛力。還存在以下問題亟待解決：一是MXene納米片表面能高，易發生團聚堆疊，從而失去了原有納米片優異的物化性能；二是表面容易被氧化，尤其在水與氧氣共存的條件下，一周之內便被氧化，從納米片邊緣逐漸向中間生成銳鈦礦，因而失去了MXene納米片的固有優勢，極大限制了MXene納米片性能的發揮及其進一步較大規模應用。
為了解決上述難題，西北工業大學化學與化工學院鄭亞萍教授團隊開展了一系列研究工作：通過頸狀層-冠狀層共價接枝策略構筑MXene無溶劑納米流體（Chem. Eng. J.,2021, 419, 128082），采用原位耦合方法合成多孔碳流體（Small, 2021, 17, 2006687），通過離子鍵接枝策略制備MOF多孔液體用于氣體捕集（Chem. Eng. J., 2021, 416, 127625）；采用共價修飾方法構筑UiO-66多孔液體用于CO2捕集（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 2600），通過雙陽離子策略構筑低粘度ZIF-8多孔液體用于氣體吸附與VOCs吸附（Chem. Eng. J.,2021, 417, 129239）。
展開 液態金屬:雖沒成為“終結者”，但我開拓了納米材料合成新方法呀！
【背景介紹】
液態金屬是指一種不定型金屬，液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物，液態金屬也是一種不定型、可流動液體的金屬。室溫液態金屬具有許多有趣的表面和體積特性，使他們廣泛用于包括柔性電子器件和微流體等各種工程應用中。鎵基共晶合金如EGaIn（含鎵和銦），鎵銦錫合金在室溫下為液體，無毒，并且是以金屬鍵結合在一起。與分子和離子液體不同，液態金屬很少用作反應溶劑。
【成果簡介】
北京時間2017年10月20日，Science在線發表了皇家墨爾本理工大學Kourosh Kalantar-zadeh、Torben Daeneke（共同通訊）團隊題為“A liquid metal reaction environment for the room-temperature synthesis of atomically thin metal oxides”的文章。文章指出雖然二維（2D）氧化物在電子和其他技術中具有廣泛的應用，但是許多氧化物通過常規方法不容易合成2D材料。該團隊使用無毒的共晶鎵基合金作為反應溶劑，并將合金化的所需金屬加入到熔體中。在熱力學角度上，預測了自限界面氧化物的組成。同時，無論是在基底上還是在懸浮液中都將表面氧化物作為2D層分離，實驗發現其能夠產生出非常薄的亞納米級的HfO2，Al2O3和Gd2O3。基于液態金屬的反應路線可以用于產生以前不能用常規方法獲得的2D材料，將室溫液態金屬作為低維度氧化物納米材料合成的反應環境為獲取2D材料的方法又添一利器。
展開 鐵基金屬有機骨架材料的最新進展和挑戰
在該綜述中，作者首先對Fe-MOF材料的多孔性和功能性設計進行了詳細的描述，然后總結了Fe-MOF材料的制備方法并分析了控制其晶體生長和材料性能的影響因素。與此同時，概述了Fe-MOF材料在鋰離子電池、傳感器、氣體存儲、氣液相分離和催化等多個方面的發展現狀和應用前景，并指出了Fe-MOF材料在各個領域的優勢和不足。
【圖文導讀】
圖1.金屬有機骨架合成原理圖以及鐵基金屬有機骨架的文獻數目圖。
圖2.金屬有機骨架的內部孔通道圖。
圖3.鐵基金屬有機骨架的功能性設計圖。
圖4. 鐵基金屬有機骨架的溶劑熱合成圖。
圖5. 鐵基金屬有機骨架的水熱合成圖。
圖6. 鐵基金屬有機骨架在鋰離子電池中的應用。
圖7. 鐵基金屬有機骨架用于熒光傳感。
圖8. 鐵基金屬有機骨架用于色度傳感。
圖9. 鐵基金屬有機骨架用于電化學傳感。
圖10. 鐵基金屬有機骨架用于氫氣存儲。
圖11.
展開 西安交大：介孔金屬氧化物基傳感材料重要進展！
介孔金屬氧化物集成了介孔材料高比表面積、豐富的孔道（孔徑2-50納米）以及金屬氧化物的磁、光、電等性質，在清潔能源、傳感、催化等領域有著巨大的應用前景。但是，目前缺乏一種普適的方法合成組分及結構可控的介孔金屬氧化物納米顆粒。
植物多酚是一種價格低廉、無毒、已實現工業化生產的天然提取物，廣泛用于皮革、墨水等領域。基于植物多酚配位化學的基本原理，生命學院趙永席教授團隊魏晶教授等人以不同的金屬-多酚配合物為前驅物，通過控制配合物的熱分解過程，得到了一系列不同組成及內部結構的介孔金屬氧化物納米顆粒（如氧化鋁、氧化鋅、氧化鈷、氧化鐵、氧化銅）。
研究發現，金屬會影響有機物（即植物多酚）的熱分解過程，比如鋁會增強有機骨架的穩定性，鐵、銅、鈷元素會加速有機骨架的分解。有機物的分解溫度和金屬氧化物的結晶溫度共同影響介孔金屬氧化物的內部結構（如實心或空心結構）。由于介孔金屬氧化物具有規則的形貌、高比表面積及高結晶度，這種材料進一步用于構筑氣體傳感器，可實現酒精氣體的高靈敏、高選擇性檢測。
同時這種介孔金屬氧化物材料與核酸（DNA, RNA）的磷酸基團有著強的配位作用，可有效吸附DNA探針分子。可進一步構筑介孔金屬氧化物基納米探針，實現核酸的高靈敏、高特異性檢測。由于植物多酚可以和不同種類的金屬離子形成配位物，這種簡單的熱分解方法有望用于低成本、大規模制備多種組分介孔金屬氧化物，并廣泛用于環境催化、清潔能源的存儲與轉化、氣體傳感及生物傳感等領域。
該研究工作在材料類國際權威雜志Advanced Functional Materials（影響因子13.325）上在線發表。西安交通大學生命學院生物醫學信息工程教育部重點實驗室為該論文的第一作者和唯一通訊作者單位，生命學院王根博士為第一作者，魏晶教授為通訊作者。
展開 金屬基復合材料為電機轉子提供40%的重量節省
根據英國創新署（InnovateUK）的研究，尋求提高電機效率和性能的工程師可以從使用鋁基復合材料（AMCs）中獲益，“以更少的研發競爭使其變得更輕”。
該項目由AMC專家阿爾文特牽頭，與通用電氣航空公司、YASA汽車公司和國家復合材料中心合作，在提高轉子的功率慣性比潛力的同時，為軸向磁通電機實現了40%的轉子重量節省。此外，還減少了裝配線零件的數量，從而縮短了裝配時間。
隨著電氣化的增加，汽車制造商正在尋求優化電機效率圖，例如通過提高效率作為轉矩和速度的函數，最終決定汽車的能耗。該行業面臨的挑戰是如何在簡化制造和總體成本的同時，找到提高效率和性能的方法。
阿爾旺公司專有的AMCS使部件能夠在需要的地方，即使在單一的連續產品中，也能針對強度與重量和剛度與重量的比率進行優化。阿爾旺獨特的、專有的先進液體壓力成形（ALPF）方法可以在近凈形狀制造方法中有選擇地增強元件的一種性能材料的區域，或者將阿爾旺的材料作為離散的鑲嵌件應用到一個元件中，以實現成本效益，在該元件中有一組類似的刀片是解決方案。
通過在轉子設計中采用AMCS，ALVANT能夠實現更多的好處。在軸向磁通電機的應用中，適用于乘用車，阿爾文的技術不僅可以減輕重量；零部件質量的降低和受力的降低意味著工程師們可以省去所需的固定螺栓的數量，減少材料清單和裝配時間。
阿爾文特的商業總監理查德·湯普森（Richard Thompson）表示：“使用AMCS，我們能夠在保持電動轉子剛度的同時，降低寄生質量，提高功率慣性比，從而提高效率和響應性。”“此外，我們還可以提供更好的耐熱性，最高可達300°C，使AMCS成為比聚合物復合材料更適合電機、電池、能量回收系統、風扇和飛輪等應用的材料。”
除了制造和服務中的收益，阿爾旺的AMC是更可持續的，由于有能力分離的纖維從鋁在壽命結束的階段。
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馬里蘭大學王育煌SMALL：無損溶解超長金屬性碳納米管，助力高性能柔性電子材料
3.2微米長碳納米管在0% （e），50%（f），100%（g）以及回到0%（h）應力后的SEM圖像
圖5 長短兩種碳管可用于不同應用
(a)柔性可穿戴設備示意圖
(b)隨著手指彎曲-伸展運動，長碳納米管和短碳納米管薄膜的電流變化
長碳納米管薄膜導電性不受手指運動的影響，因此可以提供穩定電流輸出(c,e)；短碳納米管薄膜則表現出明顯電流表化，因此可以應用于應力傳感器(d,f)。
【小結】
此研究制備的超長金屬性碳納米管水溶液，可應用于柔性透明電子材料中。由于碳納米管長度的增加，其所制備薄膜的宏觀導電性以及可拉伸穩定性均有顯著提高，從而可以提升柔性電子材料性能與壽命。本工作不僅為展示了一種溶解超長碳納米管的方法，改變了依賴于超聲溶解納米碳材料的歷史，同時為今后的柔性電子設備的材料選擇提供了清晰的思路。
論文連接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/smll.201802625。
展開 中國新型金屬基復合材料可耐3000度高溫，已應用高超音速領域
另據《中國科學報》此前報道稱，自1990年開始，范景蓮教授就一直從事于難熔合金新材料、新技術和基礎理論研究，針對新型空天飛行器、火箭發動機、原子能等領域對難熔金屬材料的重大需求和現有難熔金屬強韌性不足、高溫抗氧化燒蝕差的問題，范景蓮創新性的提出“納米原位復合/微納復合”設計思想，發展了納米/微納復合粉末制備原理與技術，建立了高性能微細結構難熔復合材料燒結理論，開辟“納米/微納復合高性能難熔金屬基復合材料”新領域，取得系列重大突破。
展開 中南大學新型金屬基復合材料已應用高超音速領域
另據《中國科學報》此前報道稱，自1990年開始，范景蓮教授就一直從事于難熔合金新材料、新技術和基礎理論研究，針對新型空天飛行器、火箭發動機、原子能等領域對難熔金屬材料的重大需求和現有難熔金屬強韌性不足、高溫抗氧化燒蝕差的問題，范景蓮創新性的提出“納米原位復合/微納復合”設計思想，發展了納米/微納復合粉末制備原理與技術，建立了高性能微細結構難熔復合材料燒結理論，開辟“納米/微納復合高性能難熔金屬基復合材料”新領域，取得系列重大突破。（來源：環球時報）
展開 《AFM》湖大陳鼎、南科大鄔蘇東、寧波所林正得：石墨烯納米壁基柔軟自膠粘熱界面材料，用于高效微電子冷卻
摘要
在集成電路和電子設備不斷增加的功率和封裝密度的推動下，通過熱界面材料 (TIM) 將多余熱量從熱點有效散發到散熱器是保持系統可靠性和性能的日益增長的需求。近年來，由于
石墨烯
的超高固有熱導率，基于石墨烯的 TIM 受到了廣泛關注。然而，這種 TIM 的冷卻效率仍然受到一些技術困難的限制，例如石墨烯的生產誘導缺陷、石墨烯在基體中的排列不良以及石墨烯/石墨烯或石墨烯/基體界面處的強聲子散射。在這項研究中，由垂直排列、共價鍵合的石墨烯納米壁 (GNW) 組成的 120
μ
m 厚的獨立薄膜是通過中間等離子體化學氣相沉積生長的。在用
硅樹脂填充 GNW 后
，制造的
粘合劑 TIM 在 5.6 wt% 的低石墨烯負載下表現出 20.4 W m
-1
K
-1
的高貫穿平面熱導率
。在 TIM 性能測試中，基于 GNW 的 TIM 的冷卻效率比最先進的商用 TIM 的冷卻效率高約 1.5 倍。TIM 實現了高透平面熱導率和小粘合線厚度之間的理想平衡，為抑制大功率發光二極管芯片的發光性能下降提供了卓越的冷卻性能。相關論文以題為
Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling
發表在《
Advanced
Functional Materials
》上。湖南大學
陳鼎教授
、南方科技大學
鄔蘇東副教授
、和中科院寧波材料技術與工程研究所
林正得研究員
為該論文的共同通訊作者。
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