多孔納米材料的案例
金屬所《Science》子刊：輕質高強度高穩定的無裂紋納米多孔鋁！
而GRR 制備的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料的密度低于大多數以前的納米多孔金屬；相比之下，納米多孔 Al-Al2O3 是通過脫合金制備的最強的納米多孔材料之一，在拉伸和壓縮下，盡管其結構尺寸比大多數納米多孔金屬粗。納米多孔 Al-Al2O3 的強度也明顯高于由純鋁和鋁基復合材料組成的密度相似的傳統泡沫。因此，納米多孔 Al-Al2O3 的比強度（強度密度比）高于以前的多孔金屬、多孔氧化鋁復合材料和納米多孔金屬。
圖4 納米多孔鋁強度與密度關系
總的來說，GRR制備的納米多孔Al-Al2O3復合材料（或具有天然氧化物殼的納米多孔Al）比具有相似密度的常規多孔金屬和多孔Al-氧化物復合材料更強。納米多孔Al-Al2O3復合材料也比通過脫合金制備的大多數納米多孔金屬更輕、更堅固、更穩定。
Al納米韌帶表面的天然氧化層是納米多孔Al-Al2O3復合材料具有優異熱穩定性的主要原因。
氧化層、韌帶尺寸和拓撲結構的綜合影響是這種材料具有高強度（和高比強度）的原因
。
預計輕質、堅固且穩定的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料將用于多種功能應用，例如高溫
等離子體激元
、微型熱交換器
以及電池和其他電化學裝置的電極
。
目前的研究還表明，
將結構尺寸細化到亞微米或納米尺度可能會大大提高多孔鋁或泡沫鋁在結構應用中的性能，
因為結構細化不僅引入了尺寸效應，而且還放大了鈍化氧化物對強度的影響
。
目前，納米多孔鋁基樣品的厚度受到離子液體中 GRR 緩慢速率的限制。
需要進一步的研究來開發更簡單、更
有效和更具成本效益的路線來制造
大規
模、高質量和
更具延展性的納米多孔鋁基材料，這對于實際應用至關重要。
展開 中國科大提出碳納米材料合成新路線
日前，中國科學技術大學教授俞書宏和梁海偉團隊設計出一種過渡金屬鹽催化有機小分子碳化的合成新途徑，實現了在分子層面可控的宏量合成多孔摻雜碳納米材料。研究成果發表在7月27日出版的《科學進展》上。
有機小分子因其存在廣泛、種類多樣、元素豐富，是一種理想的制備碳納米材料的前驅體。但在高溫下，有機小分子的高揮發性使得其作為原料制備碳納米材料必須使用復雜方法和設備，如化學氣相沉積和高壓密閉合成。
針對上述挑戰，研究人員提出一種過渡金屬輔助有機分子碳化的方法，通過使用過渡金屬鹽輔助熱解有機小分子來制備碳納米材料。在高溫熱解過程中，過渡金屬鹽不僅能提高小分子的熱穩定，還能催化其聚合優先形成相應的聚合物中間體，避免有機小分子在高溫熱解中揮發，最終形成碳納米材料。
他們發現，至少15種有機小分子和9種過渡金屬鹽可以作為碳前驅物和催化劑來制備相應的碳基納米材料，同時多種硬模板可以用在該方法中來提高所得材料的比表面積和多孔性。研究表明，該方法是一種普適、簡單、高效的碳納米材料合成方法。
該法制備的多孔碳納米材料在選擇性乙苯氧化、硝基苯氫化、析氫反應、氧還原反應中，均表現出優異的催化性能。
相關論文信息：Science Advances 2018, 4, eaat0788
來源：中國科學報
展開 研究 \\ 超細晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能
然而，納米級孔隙對熱電性能的作用目前仍存在爭議，因為在某些情況下，電導率的降低速率比熱導率的降低速率快得多，這將導致ZT惡化。這種明顯的反差可能與孔隙的大小和分布以及材料的本征性質有關。
02
成果掠影
納米晶粒和孔隙作為兩種常見的微結構缺陷，能夠阻礙聲子的傳輸。然而，迄今為止，納米晶粒在高溫下的穩定性以及多孔性在提高熱電優值ZT方面的可行性仍是熱電領域關注的問題。近日，哈工大材料學院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學、中科院物理研究所組成的研究團隊首次利用超細晶和多孔結構的鎂銀銻（MgAgSb）基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件，在α-MgAgSb中設計的主要由納米晶區域內的超細晶粒和隨機分布的孔隙組成的微結構，在300?K時，產生了超低的晶格熱導率0.46?W/mK，突破了估計最小值的限制，為熱電制冷性能優化提供了新思路。研究成果以“Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials”為題發表在《Materials Today》上。
03
圖文導讀
圖1. 微觀結構演變的原理圖、改進的熱電性能、模塊的冷卻性能。
展開 微流體技術:精細化學品合成與納米和多孔材料的制備
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富含缺陷的軟碳多孔納米片用于快速、高容量儲鈉
作者所提出的策略為使用軟碳納米片實現高能量和高倍率的儲能裝置提供了重要的參考。
《AFM》：激光誘導表面重構納米多孔金修飾二氧化鈦納米線！
納米結構基底的物理化學性質對激光解吸電離質譜的性能有重要影響。對基底性質的基本理解可以為高效LDI矩陣的設計和開發提供見解。
來自韓國延世大學等單位的科研人員
研究了納米多孔金修飾的二氧化鈦納米線(納米金-TNW)的混合基質被開發以實現增強的LDI-質譜性能
。本文基于包括光熱轉換和電子能帶結構在內的混合矩陣性質，研究了它的起源。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102475
值得注意的是，納米金-TNW比原始的TNW和無孔金納米修飾的TNW(AuTNW)雜化物的性能獲得了進一步的改善，這歸因于激光誘導的表面重構/熔化現象。通過高孔隙率納米金的高效光熱轉換和激光曝光，納米金發生明顯的表面重組/熔化。在納米金結構改變的瞬間，內部能量從納米金轉移到被吸附的分析物被促進，這有利于解吸。此外，在重組npAu附近的TNW處原位產生應變，使TNW晶格發生畸變。應變的發展通過在帶隙中引入淺陷阱能級降低了電荷載流子的復合速率，從而增強了電離過程。最后，通過對神經遞質（neurotransmitter）的分析，證明了基于npAu-TNW混合矩陣的LDI-MS的高性能。
圖1.npAu-TNW的特性
圖2.TnW、Au-TnW和npAu-TnW納米結構中混合酪氨酸的DSC熱分析。
圖3.基于水接觸角(WCA)測量的TNW、Au-TNW和npAu-TNW的光催化活性
圖4.激光誘導npAu-TNW的結構變化。
展開 ：基于擠壓的多層多孔先進電池電極的3D打印
【引言】
諸如3D打印這樣的增材制造（AM）技術在功能部件和結構的可擴展開發中引起了很多關注，該技術已經應用于能源，電子，生物醫學以及制造汽車和飛機的高性能復合材料等領域。基于擠壓的3D打印是一種廉價且簡單的制造方法，其依賴于高度集中的支撐介質和三軸運動臺來逐層創建復雜的結構形式。在許多介質材料中，氧化石墨烯（GO）在高濃度分散在綠色溶劑如水（H2O）中時具有獨特的流變性，這對于可擴展和環保的3D打印方法是有利的。然而，3D打印的GO墨水還沒有應用于高能量密度電池技術，特別是鋰-氧（Li-O2）電池。3D打印的多孔石墨烯氧化物（hGO）網格具有多級孔隙率（宏觀→納米級），這使得電解質和氧氣的通道能夠提高Li-O2電池的性能。這些表明了3D打印在制造和改進先進能量存儲設備方面的前景，以及層次化多孔電極設計的重要性。
【成果簡介】
近日，在美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）課題組的帶領下，與美國國家航天研究所和美國宇航局蘭利研究中心合作下，通過簡單的一步氧化處理，石墨烯粉末可以合成高度多孔的納米材料（稱為hG）。在hG合成期間，通過去除原始石墨烯片上的有缺陷的碳來形成納米尺寸的通孔。在這項研究中，選擇hG作為碳前體來生產高度多孔的GO材料（稱為hGO），其被制成用于基于擠壓的3D打印的含水和無添加劑的油墨。獨立的3D打印的hGO網格呈現出三峰孔隙率：納米尺度（hGO片上4-25nm通孔），微觀尺度（通過凍干引入的幾十微米尺寸的孔）和宏觀尺度（<500μm方孔網孔設計），這對于依靠界面反應的高性能能量存儲裝置來促進完整的活性部位利用是有利的。在完全放電條件下，納米多孔r-hGO網格陰極在循環深度和穩定性方面優于非納米多孔GO基網格陰極。通過未經優化的Ru催化劑修飾，納米多孔r-hGO網格的可循環性提高了兩倍。
展開 多孔碳納米管上完全覆蓋的皺折Ir納米片，用于長壽命可充電鋰—二氧化碳電池
【小結】
成功地設計和制造了完全覆蓋在N摻雜碳納米纖維材料表面上的起皺、超薄Ir納米片作為高性能Li-CO2電池的陰極。由于穩定的結構和非常高的催化活性，Ir NSs-CNFs作為陰極可以實現Li-CO2電池的超長且穩定的循環性能，其可以在電流密度為500 mA g-1的情況下良好地循環400次以上的循環而沒有容量衰減。通過非原位掃描電子顯微鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜、紅外光譜和拉曼光譜表明Ir NSs-CNFs作為陰極的Li-CO2電池可以在放電過程中極大地穩定非晶中間產物，這是提高Li-CO2電池性能的關鍵。目前的工作開啟了基于Ir的陰極結構的新設計，用于改善非質子Li-CO2電池的性能。
文獻鏈接：Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO2 Batteries（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803124）
來源：材料人
展開 《AFM》：基于納米多孔金的堅固金屬致動器！
納米多孔金屬具有高比表面積、納米尺寸的溝道、整體相對于納米顆粒、優異的導電性以及相對于納米孔聚合物或陶瓷的機械強度，因此在能量存儲/轉換到二氧化碳還原等方面有著廣泛的應用前景。脫合金納米多孔金(NP-Au)可作為鋰空氣電池和燃料電池中的氧還原催化劑，或作為將電能轉化為機械能的致動器。然而，它面臨著粗化導致的結構不穩定、低相對密度導致的機械脆弱和緩慢的脫合金化速度等挑戰。
來自沃里克大學的學者從單相Au25Ni75固溶體中脫溶單塊np-Au的速度快一個數量級，發現殘余Ni含量極低，更重要的是，其相對密度比從常規Au25Ag75中脫合金的Np-Au高三分之一。犧牲元素Ni的小原子半徑和低脫合金本質上有利于快速制備高相對密度的Np-Au，正如二元合金脫合金化的一般模型所預測的那樣，同時得到了實驗驗證。在堿性和酸性電解液中循環電位觸發下，nP-Au發生穩定、持久和可逆的驅動，粗化引起的應變移動可以忽略不計。塊體np-Au的熱和機械穩定性是由于在300°C和45MPa的宏觀屈服強度下退火時韌帶粗化速度慢了兩個數量級，與典型的早期塑性屈服不同。這篇文章為獲得高相對密度的np-Au開辟了一個豐富的方向，這對多孔網絡的連通性、機械強度和電化學功能的納米結構健壯性是必不可少的。
展開 江雷院士團隊Joule：實現仿生納米多孔膜高效捕獲“藍色能源”
材料科學、工程、生物、化學和物理等學科在該領域都將發揮重要作用。
其三，選擇性和滲透性之間的權衡。最新研究表明，當膜孔徑尺寸與離子或分子大小相當時，可能會產生離子超快傳輸，同時保持高選擇性。因此，設計具有可控分子尺寸孔和不同化學性質的膜材料可兼顧高選擇性和超快滲透性，從而解決兩者之間的矛盾，提高效率和功率密度。
此外，小型能源供應設備，如起搏器植入材料、智能穿戴設備和智能紡織品同樣可利用RED技術的優勢。同時，增加膜的孔隙尺寸，轉化為微米或納米尺度，可進行如水凝膠和復合材料的設計開發，并應用于DNA測序、生物傳感、水凈化、過濾以及鹽淡化等領域。
作者在文末指出，新材料的發現和開發，特別是納米制造和液體-膜界面處離子傳輸機制的探索，將進一步揭示納米流體行為，進而推動工業化進程。作者相信，仿生納米多孔膜的發展將在能源收集和智能設備設計開發等領域激發新的火花。
論文網址：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30445-1
展開 哈工大《AFM》：3D納米多孔氮摻雜碳讓全固態鋁空氣電池更優！
來自哈爾濱工業大學（深圳），日本筑波大學的科研人員報道了一種由聚苯胺輔助模板法制備的三維納米多孔氮摻雜碳，該材料具有雙連續的孔隙率和互連的開孔通道。聚苯胺可以有效抑制表面擴散模板粗化，從而獲得35 nm的小孔徑。小的多孔形態導致高達7.20at%的高氮摻雜劑濃度。這反過來又顯示出商業鉑/碳可比的ORR性能以及在堿性介質中令人滿意的耐久性。使用這些納米多孔碳催化劑作為空氣電極，組裝了全固態柔性鋁-空氣電池，測量的最大功率密度達到130.5毫瓦每平方厘米，而使用商用鉑/碳標準時為106.2毫瓦每平方厘米。該研究為制備具有雙連續納米孔道的三維氮摻雜碳提供了一種有效的方法，可廣泛應用于便攜式和柔性器件。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103632
綜上所述，本文采用聚苯胺輔助的方法制備了具有雙連續開放孔隙率的三維納米孔摻氮碳。聚苯胺層可以有效地抑制了Mn2O3模板在800~1000°C熱解過程中因擴散而導致的顆粒粗化和孔膨脹效應，制得的三維納米孔炭的孔徑為35 nm。由于N摻雜量高、比表面積大、孔隙率高，因此3D納米多孔碳基全固態鋁空氣電池表現出優異的放電性能，達到是130.5 mW cm?2的大功率密度。這項工作為合成三維雙連續納米多孔摻氮碳材料提供了一條新的途徑，可用于各種電化學器件中潛在的催化劑。（文：SSC）
圖1|制備和形態表征。
圖2|結構和化學特性
圖3| ORR性能
圖4| 全固態鋁空氣電池性能
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 
《先進材料》國家納米科學中心專題綜述：抗菌碳納米材料的新進展
近日，國家納米科學中心的宮建茹課題組在國際知名期刊Advanced Materials上發表了抗菌碳納米材料的專題綜述“Antibacterial Carbon-Based Nanomaterials”（Adv. Mater. 2018, 1804838），系統地介紹了該研究方向近年來的重要進展。
目前，由于細菌耐藥性的廣泛出現和迅速傳播，現有的可對抗耐藥性細菌的抗生素種類極其有限，新型抗生素的開發進度緩慢，細菌感染再次被列為影響全球人類健康的重要因素之一。與傳統的抗生素不同，納米材料具有較強的跨膜能力、抑制外排泵的功能和不易誘發細菌耐藥性的特點，有望成為一種新型抗生素替代品。其中，碳納米材料具有高效的抗菌活性、良好的生物相容性和環境友好等特征，展現出巨大的抗菌應用潛力。據此，該綜述系統介紹了碳納米材料的重要理化性質，主要抗菌機制，其理化因素與抗菌機理的密切關聯，以及發展抗菌碳納米材料的挑戰和前景。
碳納米材料的主要理化性質及其抗菌機制
碳納米材料能夠通過多種機制實現抗菌或殺菌作用，其中包括：細菌細胞壁/細胞膜的機械性損傷、細菌的氧化應激（活性氧依賴和活性氧不依賴兩種）、光熱和光催化效應（如利用具有良好光催化性能的氮化碳納米材料，Nano Lett. 2018, 18, 5954）、脂質抽提、細菌代謝抑制、包裹隔離及其協同作用。此外，這些作用機制和碳納米材料的理化性質密切相關，如碳納米材料的維度決定了與細菌的作用方式，進而可能影響其主要的抗菌作用機制。文章討論了零維的富勒烯、納米金剛石、碳點和石墨烯量子點，一維的單壁碳管和多壁碳管，二維的碳化氮、石墨烯及其衍生物的抗菌活性和抗菌機制。除維度外，碳納米材料的尺寸、形狀、片層數及表面功能化等方面的理化性質也與其抗菌活性息息相關。例如，石墨烯量子點經不同手性氨基酸功能化后表現出明顯不同的抗菌活性。
展開 多級次微納米多孔聚合物涂層大顯身手
Yang團隊報道了一種操作簡單、成本低廉、可規模化的多級次多孔聚合物涂層制備方法，實現了高效率的被動輻射冷卻。
圖1. P(VdF-HFP)HP薄膜的制備和光學性能
材料的選擇：
P(VdF-HFP)具有優異的電磁性能，其作為被動輻射冷卻涂層具有以下幾個優勢，從而確保了P(VdF-HFP)可以在LWIR窗口有效輻射熱量。
1）在太陽光譜區域（λ = 0.3-2.5 μm）具有可以忽略的消光系數，使太陽光加熱降低到最小。
2）分子結構中不同的振動模式，導致在熱波長處具有多個消光峰。
3）具有優異的抗老化、防污、防紫外線能力。多孔結構使得薄膜更具疏水性能。
簡便的涂層制備方法：
研究人員以P(VdF-HFP)、水和丙酮混合物作為前驅體溶液（水不是溶劑，丙酮是溶劑），采用相轉化法制備得到多級次多孔聚合物膜，放置在于基底上然后在空氣中干燥。丙酮的快速蒸發導致P(VdF-HFP)從水中發生相分離，從而形成微納米尺度的液滴。水蒸干之后，富含微納米孔道結構的P(VdF-HFP)HP薄膜也就形成了。
值得一提的是，這種涂層可以通過類似刷墻的方式進行施工，對于實際應用極具吸引力。可以采用刷涂、浸涂、噴涂等各種工藝，也適用于金屬、木材、塑料凳多種基材。除此以外，P(VdF-HFP)HP還可以做成穩固的科循環的片層材料。
圖2. P(VdF-HFP)HP光學性能
圖3. P(VdF-HFP)HP涂層的通用性
優異的輻射冷卻性能：
由于微納米孔道結構的存在，薄膜具有極佳的反向散射太陽光和增強熱輻射的能力。研究發現，厚度大于300μm，孔隙度超過50%的P(VdF-HFP)HP薄膜半球為0.96， 為0.97。當厚度大于500μm時，可以達到0.98以上。
展開 《AFM》一種用于柔性超級電容器的3D多孔蜂窩狀納米片集成電極
總之，本文實現了蜂窩狀結構的CoN-Ni3N/N-C納米片成功地在柔性碳納米管上進行原位生長，其可用作高性能碳納米管的集成陰極。得益于分級集成納米結構、CoN-Ni3N納米片和N-C的合理結構設計的協同效應，優化的CoN-Ni3N/N-C/CC電極顯示出出色的電導率、出色的速率性能、出色的電容和超長壽命(10000次循環后93.3%的容量保持率)。此外，一種靈活的準固態不對稱超級電容器由CoN-Ni3N/N-C/CC陰極和VN/CC陽極組裝而成，其表現出最高106μWh·cm-2的能量密度、40 mW·cm-2的最大功率密度和優異的循環穩定性。這項工作為在下一代電化學儲能領域構建高能效可穿戴電子設備提供了可行的策略。（文：SSC）
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展開 金屬-有機框架衍生的多孔氮/鹵素雙摻雜納米碳高效氧還原催化劑
低成本、高效穩定的非金屬材料作為氧還原反應(ORR)的電催化劑對于燃料電池的規模化應用至關重要。雜原子摻雜的多孔碳材料具有可調的化學組成和電子結構， 能顯著提升氧還原催化活性。
基于此，中國科學院福建物構所黃遠標、曹榮課題組采用咪唑鎓鹽功能化的金屬-有機框架(MOFs)作為前驅體和自犧牲模板， 制備了氮和鹵素雙摻雜多孔納米碳催化劑。文章近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9364-5。
圖1 BrNC-800的合成路線
其中氮/溴雙摻雜催化劑BrNC-800在堿性條件下具有優異的電催化性能、穩定性和抗甲醇毒化能力。其優異的電催化活性歸因于：(1) 大量吡啶氮和石墨氮的摻雜產生豐富的碳活性位點， 同時高的石墨化程度有助于提高導電性，促進氧還原活性；(2) 溴的存在改變了催化劑的化學組分和結構特征，并活化相鄰碳產生額外活性位點；(3) 高比表面和多級孔結構有助于傳質與增加暴露的氧還原活性位的數量， 而提高催化效率。
這項工作為以MOFs為前驅體制備高效的雜原子雙摻雜碳材料提供了一種簡便的方法。
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