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《自然》《科学》一周（7.17-7.23）材料科学前沿要闻

新材料在线 · 公众号 · · 2017-07-24 08:32

正文

1. 应用于锂离子电池中Si微米颗粒负极的高弹性粘结剂

（Highly elastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries）

先进的器件和全电动汽车需要能量密度不断增加的锂离子电池。硅作为一种很有前景的负极材料具有很高的比容量，已经成为研究的热点。在不断重复的充放电过程中，Si经历了巨大的体积变化。颗粒的粉化和不稳定的电极-电解液界面，尤其当颗粒尺寸在微米范围时，这些限制因素严重影响了硅的循环寿命。Choi等人添加质量分数5%的聚轮烷到传统的聚丙烯酸粘结剂中能够对聚合物网络产生极好的弹性，这源自聚轮烷中环的滑移运动。这种粘结剂组合甚至保持粉化的Si颗粒聚合但不在再分散开，使Si微米颗粒电极单位面积容量达到商业应用水平的同时循环寿命十分稳定。（Science DOI：10.1126/science.aal4373）

2.氮气还原和功能化

（Nitrogen reduction and functionalization by a multimetallic uranium nitride complex）

氮气N2是很便宜且容易获得的，但是，当试图在温和条件下将其功能化产生有价值的化合物时，N2的不活泼性是一个很大的挑战。生物N2固化能够实现这一点，但是工业上生产氨气的Haber-Bosch过程需要在苛刻的条件下（450度、300bar）进行，尽管这两个过程被认为涉及多金属催化位点。虽然在温和条件下分子络合物能够结合或者还原N2，但是涉及的多金属物种通常很难确定，并且进一步将N2-结合的络合物转化实现N-H或N-C键的报导几乎没有。Haber注意到在Fe基催化剂被用来工业化Haaber-Bosch过程之前，铀和氮化铀材料对于从N2产生氨气是非常有效的异相催化剂。然而，很少有铀络合物结合N2的例子，可溶性铀络合物能够转化N2成为氨气或有机氮化化合物还未确定。Falcone等人报导了室温下通过完全表征的络合物四电子还原N2。这一络合物包括两个U(III)离子和三个K+离子中心，由氮化物官能团和柔性金属配合基框架链接。H2和/或质子或者CO添加到生成的N24-络合物中，通过N-H或N-C键成键反应，导致了完全的N2剪切。这些结果表明分子铀络合物能够促进N2到NH3或氰酸酯化学计量比的转化，而且，柔性、富电子多金属氮化物桥连的核心单元对于设计温和条件下能够剪切和功能化N2的分子络合物是很有前景的起点。（Nature DOI: 10.1038/nature23279）

3. 拓扑量子化学

（Topological quantum chemistry）

自从拓扑绝缘体和半金属发现以来，很多研究预言和实验上发现了这些材料的各种类型。这些材料中电子态的拓扑结构导致了很强的表面态和电磁响应。然而，这种明显的成功却为其根本的不足蒙上了面纱：材料数据库中拓扑绝缘体仅有100多种200,000化学计量比化合物。这一较低的数量是否说明拓扑绝缘体难懂的本质或者用目前的手段来研究存在重要问题。Bradlyn等人提出一种完全的电子能带理论，基于传统的电子能带理论，强调了拓扑学与局域化学键的关联。拓扑量子化学理论为所有可能能带结构和弱关联材料提供了通用和全面的性质描述，包括动量（倒易）空间的图论描述和真实空间全面的群论描述。对于所有230种晶体对称性群，他们将起源于局部原子轨道的可能的能带结构分类，并展现了哪些是对拓扑学重要的，他们的电子能带结构对于已知的拓扑绝缘体提供了新的理解，并能够用来预言更多此类材料。（Nature DOI: 10.1038/nature23268）

4. 量子反常霍尔绝缘体-超导体结构中的手性Majorana费米子

（Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure）

Majorana费米子是一种具有自身反粒子的假想粒子。He等人报导了一维手性Majorana费米子模式存在的传输测量。当外部磁场扫过，在磁反转位置能够观测到半整数量子化的电导平台，给出了一种Majorana费米子模式的显著轨迹。这一传输信号在很多磁场扫描过程中能够重复观测到，而且在不同温度也能出现。这一发现可能会开启控制Majorana费米子实现拓扑量子计算的新途径。（Science DOI: 10.1126/science.aag2792）