Advanced Functional Materials

Bằng cách áp dụng các điều kiện chế tạo cụ thể được tóm tắt trong phần Thí nghiệm và quá trình ủ sau sản xuất ở 150 °C, pin mặt trời polymer với hiệu suất chuyển đổi năng lượng gần 5 % được chứng minh là có thể đạt được. Các thiết bị này thể hiện sự ổn định nhiệt đáng kể. Chúng tôi coi sự cải thiện hiệu suất là do các thay đổi trong vật liệu liên hợp khối được kích thích bởi quá trình ủ nhiệt. Morfologie nanoscale được cải thiện, độ kết tinh của polymer dẫn điện tăng lên, và sự tiếp xúc tốt hơn với điện cực thu gom electron tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát sinh điện tích, vận chuyển điện tích đến và thu gom điện tích tại các điện cực, từ đó nâng cao hiệu suất của thiết bị bằng cách giảm điện trở dãy của pin mặt trời polymer.

Tình trạng của các pin natri ion ở nhiệt độ môi trường được xem xét dựa trên những tiến bộ gần đây trong các vật liệu anode, điện phân và cathode. Các thiết bị này, mặc dù ở giai đoạn phát triển ban đầu, rất hứa hẹn cho các ứng dụng lưu trữ lưới điện quy mô lớn do sự phong phú và chi phí rất thấp của các tiền chất chứa natri được sử dụng để sản xuất các thành phần. Kiến thức kỹ thuật được phát triển gần đây cho các pin Li ion thành công cao có thể được tận dụng để đảm bảo tiến bộ nhanh chóng trong lĩnh vực này, mặc dù sẽ cần các vật liệu điện cực và điện phân khác nhau cho các hệ thống lồng ghép kép dựa trên natri. Đặc biệt, cần xác định các vật liệu anode mới, vì anode graphit, thường được sử dụng trong các hệ thống lithium, không lồng ghép natri ở bất kỳ mức độ nào đáng kể. Có một loạt các lựa chọn rộng rãi hơn cho các cathode, bao gồm oxit kim loại chuyển tiếp lớp hiệu suất cao và hợp chất polyanion. Những tiến bộ gần đây trong các điện cực là đầy hứa hẹn, nhưng cần rất nhiều nghiên cứu, đặc biệt là trong các điện phân mới và sự hiểu biết về các lớp màng SEI. Các tính toán mô hình kỹ thuật của mật độ năng lượng pin Na-ion chỉ ra rằng 210 Wh kg⁻¹ ở năng lượng khối lượng là khả thi cho các pin Na-ion so với công nghệ Li-ion hiện tại nếu một cathode có dung lượng 200 mAh g⁻¹ và một anode 500 mAh g⁻¹ có thể được phát hiện với điện thế tế bào trung bình là 3.3 V.

"Graphitic" (g)‐C₃N₄ với cấu trúc dạng lớp có tiềm năng hình thành các nanosheet giống như graphene với các tính chất lý hóa bất thường do lực van der Waals yếu giữa các lớp. Bài báo này cho thấy rằng các nanosheet g‐C₃N₄ với độ dày khoảng 2 nm có thể dễ dàng thu được bằng một chiến lược đơn giản từ trên xuống, cụ thể là quá trình ăn mòn nhiệt oxi hóa của g‐C₃N₄ khối trong không khí. So với g‐C₃N₄ khối, các nanosheet 2D cực anisotropic sở hữu diện tích bề mặt riêng cao lên đến 306 m² g⁻¹, độ chênh năng lượng lớn hơn (tăng 0.2 eV), khả năng vận chuyển điện tử cải thiện theo phương nằm ngang, và thời gian sống của các tải điện tích kích thích quang tăng lên do hiệu ứng giam giữ lượng tử. Do đó, hoạt động quang xúc tác của các nanosheet g‐C₃N₄ đã được cải thiện đáng kể về mặt tạo thành gốc tự do •OH và tiến hóa hydrogen quang xúc tác.

Độ dẫn quang của graphene lớp đơn được xác định hoàn toàn bởi hằng số cấu trúc tinh tế, α = $e^2 /\hbar c$ (trong đó e là điện tích của electron, $\hbar $ là hằng số Dirac và c là tốc độ ánh sáng). Độ hấp thụ đã được dự đoán là độc lập với tần số. Về nguyên tắc, sự hấp thụ quang giữa các băng trong graphene không khoảng trống có thể bão hòa dễ dàng dưới sự kích thích mạnh do hiện tượng chặn Pauli. Ở đây, việc sử dụng graphene lớp nguyên tử như một bộ hấp thụ có thể bão hòa trong laser sợi quang khóa chế độ để tạo ra các xung soliton siêu ngắn (756 fs) tại băng thông viễn thông đã được chứng minh. Độ sâu điều chế có thể được điều chỉnh trong một khoảng rộng từ 66,5% đến 6,2% bằng cách thay đổi độ dày của graphene. Những kết quả này gợi ý rằng các film graphene siêu mỏng có khả năng hữu ích như các yếu tố quang trong laser sợi quang. Graphene như một khóa chế độ laser có thể có nhiều ưu điểm như cường độ bão hòa thấp hơn, thời gian phục hồi siêu nhanh, độ sâu điều chế có thể điều chỉnh và khả năng điều chỉnh băng thông rộng.

Nickel hydroxide dạng hoa phân cấp trang trí trên các tấm graphene đã được chuẩn bị bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng đơn giản và tiết kiệm chi phí. Để đạt được mật độ năng lượng và công suất cao, một siêu tụ điện đối xứng áp lực cao đã được chế tạo thành công bằng cách sử dụng Ni(OH)₂/graphene và graphene xốp làm điện cực dương và âm, tương ứng. Nhờ vào cấu trúc độc đáo của chúng, cả hai vật liệu này đều thể hiện hiệu suất điện hóa xuất sắc. Siêu tụ điện đối xứng tối ưu có thể được sạc lại trong vùng áp lực cao từ 0–1.6 V và thể hiện các hiệu suất thú vị với điện dung riêng tối đa đạt 218.4 F g⁻¹ và mức năng lượng cao đạt 77.8 Wh kg⁻¹. Hơn nữa, thiết bị siêu tụ điện Ni(OH)₂/graphene//graphene xốp cho thấy tuổi thọ chu kỳ dài tuyệt vời với 94.3% điện dung riêng được giữ lại sau 3000 chu kỳ. Những hiệu suất hấp dẫn này có thể được quy cho điện dung cao và các tác động tương hỗ tích cực của hai điện cực. Những kết quả ấn tượng được trình bày ở đây có thể mở đường cho các ứng dụng đầy hứa hẹn trong các hệ thống lưu trữ mật độ năng lượng cao.

Siêu tụ điện không đối xứng với mật độ năng lượng cao đã được phát triển thành công bằng cách sử dụng hợp chất graphene/MnO₂ làm điện cực dương và sợi nano carbon hoạt hóa (ACN) làm điện cực âm trong dung dịch điện phân Na₂SO₄ trung hòa. Nhờ vào khả năng tích trữ điện cao và hiệu suất tuyệt vời của graphene/MnO₂ và ACN, cùng với các hiệu ứng tương hỗ của hai điện cực, tế bào không đối xứng này thể hiện hiệu suất điện hóa học vượt trội. Siêu tụ điện không đối xứng tối ưu có thể được chu kỳ hóa theo cách có thể đảo ngược trong khoảng điện áp từ 0–1.8 V, và thể hiện mật độ năng lượng tối đa là 51.1 Wh kg⁻¹, cao hơn nhiều so với tế bào MnO₂//DWNT (29.1 Wh kg⁻¹). Thêm vào đó, siêu tụ điện không đối xứng graphene/MnO₂//ACN thể hiện độ bền chu kỳ tuyệt vời, với 97% điện dung riêng được giữ lại ngay cả sau 1000 chu kỳ. Những kết quả khả quan này cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng với mật độ năng lượng và công suất cao cho các ứng dụng thực tiễn.

Các tế bào quang điện perovskite gốc organometal trihalide đã thể hiện hiệu suất cao nhất tính đến thời điểm hiện tại khi được tích hợp vào các hợp chất có cấu trúc trung gian. Tuy nhiên, các lớp phim rắn mỏng của vật liệu hấp thụ perovskite phải có khả năng hoạt động với hiệu suất cao nhất trong cấu hình dị hợp tầng phẳng đơn giản. Ở đây, hình thái của phim là một vấn đề quan trọng trong các tế bào quang điện CH₃NH₃PbI_3‐xCl_x. Hình thái được kiểm soát cẩn thận bằng cách thay đổi các điều kiện chế biến, và có thể nhận thấy rằng các dòng điện quang cao nhất chỉ đạt được khi có độ phủ bề mặt perovskite cao nhất. Với quá trình hình thành phim dựa trên dung dịch được tối ưu hóa, hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt tới 11,4%, đây là báo cáo đầu tiên về các hiệu suất trên 10% trong các tế bào quang điện perovskite được chế biến từ dung dịch hoàn toàn không có lớp xốp trung gian.

Nhu cầu ngày càng tăng về lưu trữ năng lượng điện đã thúc đẩy việc tìm kiếm các loại pin tiên tiến thay thế. Pin ion kẽm (ZIB) đang nhận được sự chú ý ngày càng nhiều nhờ chi phí thấp, độ an toàn cao và hiệu quả sinh thái tốt. Tuy nhiên, việc phát triển các loại vật liệu cực dương phù hợp cho việc intercalation các ion kẽm vẫn còn là một thách thức lớn. Bài tổng quan này cung cấp thông tin kịp thời cho các nhà nghiên cứu về các hoạt động gần đây liên quan đến ZIB. Trước tiên, các vật liệu cực dương bao gồm các oxit mangan khác nhau, hợp chất vanadi và các tương tự của màu xanh Prussian được tóm tắt với các chi tiết về cấu trúc tinh thể và cơ chế lưu trữ ion kẽm. Sau đó, các điện giải và ảnh hưởng của chúng lên các quá trình điện hóa được thảo luận. Cuối cùng, bài viết nêu lên những ý kiến về thách thức hiện tại của ZIB và triển vọng cho các hướng nghiên cứu trong tương lai.

Bài báo này cung cấp một mô tả chi tiết về các thuộc tính điện, trạng thái hóa học và cấu trúc của các phim mỏng graphene oxide (GO) đơn và ít lớp đồng nhất ở các giai đoạn khác nhau của quá trình khử. Hàm lượng oxy còn lại và cấu trúc của GO được theo dõi, và những đặc tính hóa học và cấu trúc này có mối tương quan với các thuộc tính điện của các phim mỏng ở các giai đoạn khử khác nhau. Kết quả cho thấy rằng các thuộc tính điện của GO đã khử không tiến gần đến các thuộc tính của graphene nguyên chất thu được bằng cách tách cơ học, bởi vì vật liệu vẫn còn bị oxy hóa đáng kể. Oxy còn lại hình thành các liên kết sp³ với các nguyên tử carbon trong mặt phẳng cơ bản, do đó tỷ lệ liên kết carbon sp² trong GO đã khử hoàn toàn khoảng 0.80. Các liên kết sp³ thiểu số gây rối loạn sự vận chuyển của các hạt mang điện không định hình trong mạng sp², hạn chế tính di động và độ dẫn điện của các phim mỏng GO đã khử. Việc ngoại suy dữ liệu độ dẫn điện theo hàm của hàm lượng oxy cho thấy rằng việc loại bỏ hoàn toàn oxy sẽ dẫn đến các thuộc tính so sánh được với graphene.

Các tiến bộ gần đây trong việc kiểm soát hình thái và chức năng hóa bề mặt của các hạt nan silica xốp (MSNs) đã cải thiện độ tương thích sinh học của các vật liệu này với diện tích bề mặt và thể tích lỗ cao. Nhiều báo cáo gần đây đã chứng minh rằng các MSNs có thể được hấp thụ hiệu quả bởi các tế bào động vật và thực vật. Việc chức năng hóa MSNs bằng các phần tử hữu cơ hoặc các cấu trúc nano khác mang lại khả năng giải phóng có kiểm soát và nhận diện phân tử cho các vật liệu xốp này cho ứng dụng giao phối thuốc/gene và cảm biến. Trong tài liệu này, chúng tôi xem xét các tiến bộ nghiên cứu gần đây về thiết kế các vật liệu MSN chức năng với nhiều cơ chế giải phóng có kiểm soát, cùng với khả năng đạt được giải phóng bằng không khi không có kích thích, và việc giới thiệu các đặc điểm mới để cho phép sử dụng các phân tử không chọn lọc như bộ lọc cho việc xây dựng các hệ thống cảm biến chọn lọc cao.