随着生物电子学和传感器领域的快速发展，有机电化学晶体管（OECT）因其优异的生物相容性、低功耗和高化学信号放大灵敏度，成为备受瞩目的研究热点。相比传统液态电解质，凝胶电解质（如水凝胶和离子液体凝胶）在机械兼容性和稳定性上表现出色，使其在可穿戴和植入式生物传感应用中具备显著优势。柔性凝胶电解质不仅具备自修复、响应性、耐温性、粘附性和可拉伸性等优良特性，还能有效提升OECT的性能，为离子传感、代谢物检测和电生理信号检测等领域带来革命性突破。尽管这一领域已取得诸多进展，但规模化生产及开发响应性更强的OECT仍面临挑战。未来研究方向包括：利用水凝胶电解质的多重响应特性设计智能传感器、将固态OECT与储能设备相结合实现自供能应用，以及提升无线通信功能以满足实时健康监测需求。 卢东冬研究员在多功能聚合物、纳米材料、微凝胶和水凝胶的设计、合成及其在荧光传感器与柔性电子中的应用方向做了很多探索，陈虎研究员致力于高性能创新有机半导体的设计与合成。两个团队通力合作，对凝胶电解质在OECT的应用进行了详细的总结和概述，为生物传感和生物电子学研究提供了新的视角，描绘了凝胶电解质在智能健康监测和下一代电子设备中的广阔前景，相关论文在Journal of Materials Chemistry A杂志上发表（论文标题：Solid-State Organic Electrochemical Transistors (OECT) Based on Gel Electrolytes for BiosensorsBioelectronics）。 大湾区大学（筹）物质科学学院为本项工作的唯一通讯单位，卢东冬研究员和陈虎研究员为本工作的共同通讯作者。本项工作均获得了东莞市先进材料与大科学装置前沿交叉重点实验室的支持。   论文链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/TA/D4TA05288A

大湾区大学(筹)物质科学学院张国强课题组在结晶氮化碳可见光及近红外光活性的研究方面取得新进展。相关成果发表在：ACS Nano期刊上(中科院一区，IF = 15.8)，题为“Suppressing Nonradiative Recombination through Dielectric Screening of Defects in Crystalline Carbon Nitride for Enhanced Photocatalytic Activity”；Chemical Engineering Journal期刊上(中科院一区，IF = 13.3)，题为“Slowing down the hot electron cooling to activate near-infrared photocatalytic activity in potassium/carbon co-doped polymeric carbon nitride；张国强研究员为本论文的第一作者，大湾区大学(筹)物质科学学院为第一单位。 研究背景 半导体中非辐射复合涉及以声子形式从光生载流子释放能量。该过程主要发生在缺陷中心，导致光生载流子的显著损失，严重降低了光催化效率。以往的研究更多地关注光催化剂的吸光性能、光生载流子的产生和分离，而忽视了非辐射复合的影响。在聚合物氮化碳(CN)中，非辐射复合速率比辐射复合速率高1-2个数量级。因此，抑制非辐射复合对于提高CN基光催化剂的光催化效率至关重要。 缺陷在半导体的非辐射复合中起着至关重要的作用。Shockley-Read-Hall (SRH)复合模型用于描述半导体中载流子的非辐射复合过程。缺陷诱导非辐射复合的概率可以通过缺陷捕获截面(DCCS)来量化，正比于缺陷浓度，反比于介电常数的平方。因此，增加介电常数可以降低DCCS，从而最大限度地减少缺陷引起的载流子捕获和非辐射复合，这有利于载流子的传输和分离。缺陷的介电屏蔽已被证明是提高钙钛矿太阳能电池电荷分离效率的有效策略，然而在光催化领域却鲜有报道。 研究成果  1. 一种新型的高活性PHI光催化剂 聚七嗪酰亚胺(PHI)因其高度结晶结构而成为一种有前景的光催化剂。然而，目前仅限于低活性碱金属型PHI，迫切需要开发更高光催化活性的新型PHI。在这里，我们开发了具有优异活性的新型CaPHI光催化剂。 2. 提出解决电荷分离瓶颈的策略 大量缺陷诱导的非辐射复合大大降低了光催化剂中的电荷分离效率。抑制非辐射复合对于提高光催化效率至关重要，需要开发更通用的策略来解决电荷分离的瓶颈。在这里，我们提出的介电屏蔽策略有效地解决了光催化剂中缺陷诱导的非辐射复合导致载流子传输和分离缓慢的问题。 图1. a) CaPHI中缺陷捕获截面依赖的非辐射复合速率(ACS Nano 2024, 18, 29294-29303)。b) 碳氧共掺杂减缓热电子冷却示意图(Chem. Eng. J. 2024, 499, 156366)。 论文链接 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c12938     https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724078574

大湾区大学（筹）物质科学学院赵金奎课题组在高比能钠离子正极材料结构调控及中子散射研究方面取得重要进展。相关研究成果以“GradientDe-Clustered Anionic Redox Enabled Undetectable O2 Formation in 4.5 V Sodium Manganese Oxide Cathodes”为题，发表在国际知名期刊Advanced Materials上。 大湾区大学（筹）物质科学学院讲席教授赵金奎、松山湖材料实验室副研究员赵恩岳和中国科学院大学教授肖小玲为论文共同通讯作者，大湾区大学（筹）为论文通讯单位。本工作中子散射相关实验在中国散裂中子源（CSNS）完成，同时本工作得到了广东省自然科学基金、国家自然科学基金和松山湖大科学装置开放课题的支持。 研究背景 钠离子电池原材料丰富、成本低廉且低温性能优异，在大规模储能领域显示出巨大的应用前景。锰基层状氧化物因其较高的压实密度和简单的制备工艺成为目前最具商业化潜力的钠离子正极材料之一。传统锰基氧化物正极材料（例如NaxMn5TM1-5O2, TM代表过渡金属）主要依靠TM阳离子的氧化还原反应提供电荷补偿，其可发挥的容量（或能量密度）有限。研究表明，通过在材料内构建非键态O2p轨道，晶格氧阴离子的氧化还原反应可以被激活，从而进一步提升材料的能量密度。然而，与TM电荷补偿不同，晶格氧电荷补偿容易诱发O2（包括限域分子O2和游离气态O2）生成，导致材料不可逆结构演化（例如TM迁移）和电化学性能衰退（例如电压/容量下降）。因此，避免或消除锰基氧化物材料晶格氧电荷补偿过程中的O2生成，对开发实用化高比能钠电正极材料意义重大。 研究成果 大湾区大学物质科学学院赵金奎课题组联合松山湖材料实验室赵恩岳副研究员和中国科学院大学肖小玲教授，借助中子散射技术对锰基氧化物材料的晶体结构开展了系统调控和优化。研究人员开发了一种新型锰基层状氧化物正极材料，其分子式为Na7/9[Li1/9Ni1/9Mg1/9Mn6/9]O2。该材料具有多重氧化还原中心和超晶格结构单元，可同时实现梯度和非团簇的阴离子氧化还原反应。这种独特的结构设计分别从热力学和动力学上有效地避免了氧阴离子的过度氧化和晶格应力的集中，从而抑制了O2的形成。与X射线和电子相比，中子对O、Na等轻质元素更为敏感，并且能够精确地量化与氧晶格相关的TM迁移和结构演变。此外，为避免6Li同位素对中子的吸收，同时提高中子衍射数据质量，本工作选用7Li同位素锂源合成了用于中子散射测试的样品。研究人员利用上述中子表征技术在结构分析方面的优势，进一步结合非原位电化学测试方法，证实了该材料充放电过程中TM的迁移被成功抑制，同时多重超晶格结构也未得到破坏。本工作揭示了O2形成、超晶格结构单元、过渡金属迁移和储钠结构稳定性之间的耦合关系，为合理设计下一代低成本、高能量密度钠离子氧化物正极材料提供了新的视角。 图1. Na7/9[Li1/9Ni1/9Mg1/9Mn6/9]O2材料中子结构分析以及热力学和动力学调控结构示意图 论文链接 https://doi.org/10.1002/adma.202408984

近日，大湾区大学（筹）物质科学学院于华教授课题组与陕西师范大学刘生忠教授合作，在有机-无机杂化钙钛矿材料中磁振子输运研究方面取得新进展，明确了其中超精细相互作用的重要角色。相关成果以“Realizing Long Magnon Diffusion in Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Film by Universal Isotope Effect” 为题发表在《Nano Letters》上。 于华教授课题组特任研究员任丽霞（共同一作）、陕西师范大学刘生忠教授为本文的通讯作者，大湾区大学（筹）物质科学学院为论文的第一通讯单位。该研究得到国家自然科学基金、长江学者创新研究团队项目等的资助。 研究背景 有机无机卤化物钙钛矿（OIHP）自旋电子学已成为一个很有前途的研究领域，因为它提供了一个新的可精确操控的自由度。最近，通过利用自旋塞贝克效应和逆自旋霍尔效应测量，研究发现Pt/OIHP/Y3Fe5O12非局域结构中存在大量磁振子注入和传输。理论上，超精细相互作用（HFI）被认为在OIHP的磁振子传输中起着重要作用，但迄今为止尚无明确的实验证据报道。 研究成果  鉴于此，本项工作利用同位素效应实现有机-无机杂化钙钛矿薄膜中的长磁子扩散的研究成果。众所周知，氘（D）元素比氢（H）元素的HFI更弱。我们通过化学合成制备了系列氘化（D-）OIHP薄膜，包括MAPbBr3、FAPbBr3、MAPbI3及混合阴阳离子的钙钛矿薄膜；同时报告了，相比于质子化（H-）OIHP薄膜，在D-OIHP薄膜中自旋塞贝克系数增加和磁振子扩散长度延长；发现D-MAPbBr3薄膜作为非铁磁间隔层，在室温下实现了较长的磁振子扩散长度（接近120.3 nm）。研究发现为理解OIHP薄膜中的磁振子传输提供了宝贵的见解，并为OIHP在多功能应用中的提供了新思路。 图1. 质子化和氘化OIHP的晶体结构和光学性质表征 图2. 质子化和氘化OIHP薄膜中同位素依赖的磁振子输运 图3 质子化和氘化MAPbBr3中磁振子输运的同位素依赖性 图4 质子化和氘化混合阴离子OIHP中同位素依赖的磁振子输运表征 图5 常见绝缘体材料的磁振子输运行为比较

近日，大湾区大学（筹）物质科学学院奚修安课题组与深圳大学骆静利院士团队合作，在固体氧化物燃料电池(SOFC)钙钛矿阴极和阳极电催化材料方面取得新进展，大幅提升了SOFC在中低温下的功率密度输出和长期服役稳定性，相关工作先后发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials (IF:18.5) 和Applied Catalysis B-EnvironmentEnergy (IF:20.2)上。 奚修安助理教授为两篇论文的第一通讯作者，大湾区大学（筹）物质科学学院为两篇工作的通讯单位，相关成果得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市孔雀团队等项目的资助与支持。 研究背景 固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效的全固态发电装置，能在中高温条件下直接将燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。它不仅具备燃料多样化的特点（氢气、天然气、氨气、甲醇、乙醇等），还以排气干净、低噪音、低环境污染及高可靠性等优势著称，被誉为继水力、火力、核能之后的第四代发电技术。 目前，Ni基陶瓷复合材料是阳极材料的主流选择。然而，使用碳氢化合物为燃料时，Ni基阳极易产生碳沉积，进而覆盖活性位点，影响性能。近年来，钙钛矿结构氧化物阳极材料逐渐受到关注，如Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ (SFM)。这类材料不仅展现出混合的离子电导和电子电导特性，还具备良好的抗硫、抗积碳能力。但遗憾的是，其催化活性远低于镍基金属材料。为解决这一问题，钙钛矿氧化物B位原位析出金属催化剂成为了一种有效的改进策略。然而，这一过程中B位金属元素的析出往往伴随着A位SrO的偏析，由于SrO既不具备电子导电性也不具备氧离子导电性，从而导致催化活性和稳定性的显著下降。因此，如何同步提升钙钛矿氧化物阳极材料的催化反应活性和服役稳定性，成为推动SOFC商业化应用所面临的一项新的严峻挑战。另一个限制SOFC商业化应用的关键问题是过高的运行温度。高温不仅增加了系统成本，还容易导致电池组件之间的热膨胀不匹配和长期不稳定性，从而降低电池寿命。降低SOFC的运行温度是解决这些问题的有效途径。然而，降低温度会导致电极的极化电阻急剧增加，特别是低温下阴极氧还原（ORR）的活性，进而导致电池功率密度随温度降低衰减较快。因此，如何提高阴极材料在低温下的ORR反应活性是构建高性能SOFC的另一个关键难题。 研究成果       针对上述第一个问题，奚修安课题组巧妙地运用了PrOx的独特性质——即兼具混合离子电导与电子电导的能力、较高的表面氧交换系数，以及相较于SrO在热力学上更易偏析的能力。通过精确调控SFM晶格结构中A位Sr元素部分被Pr元素取代，以及B位Mo元素部分被Ni元素取代，经还原处理，成功在PSFMN钙钛矿表面原位析出了Fe-Ni合金颗粒，同时实现了PrOx的偏析而非SrO。此举不仅显著增强了SFM钙钛矿阳极材料的催化活性，还进一步优化了其长期服役的稳定性，为提升SOFC的电化学性能与稳定性开辟了一条新路径。   图1. SFM晶格结构中，原位析出Fe-Ni合金和PrOx的结构形貌图 针对上述第二个问题，奚修安课题组巧妙地在PBSCF阴极材料中引入了SZM负热膨胀材料，成功构建了界面晶格应变，显著降低了氧空位的形成能垒。这一创新举措在界面处催生了大量的氧空位缺陷，极大地促进了O2分子在表面的吸附与解离过程，大幅度降低了ORR反应过程的极化阻抗，显著提升了阴极材料在中低温条件下的ORR活性。在700℃的温度下，通过商业NiO-YSZ/YSZ/GDC/阴极材料电池构型的测试，结果显示该电池的峰值功率密度高达1.64 W cm-2，相较于单相PBSCF材料，其性能提升了惊人的51.8%。这一研究成果无疑为中低温SOFC阴极材料的结构设计开辟了新的视角与思路。 图2. PBSCF阴极材料中引入了SZM负热膨胀材料对电池性能的影响 论文链接 https://doi.org/10.1002/adfm.202412486     https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124509 课题组招聘 课题组主要聚焦于固体氧化物燃料电池/电解电池材料及其器件的研究开发。目前学院及课题组已投入建设了一系列先进的研究设施，包括电池制备、性能测试及结构表征所需的主要设备：如各类型马弗炉和管式炉、激光脉冲沉积设备、测试反应床、电化学工作站，气相色谱-质谱联用仪、原位微分电化学质谱仪、全自动化学吸附仪、变温原位XRD、变温原位红外、高温高压原位拉曼、X射线光电子能谱仪、X射线吸收精细结构谱仪以及材料计算平台等。 诚邀感兴趣的博士后、研究员、联培博士生和硕士生加盟。