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锂硫电池正极材料——基于焦尔热制备的ZIF-67碳衍生物调控研究领域

材料科学与工程学院项宏发教授、宋晓辉副教授及其合作者利用原位液相透射电子显微镜（TEM）和冷冻透射电镜，首次揭示了MOF结构演变中经典和非经典生长途径的结合，包括液-液相分离、颗粒附着-聚结以及表面层沉积过程。此外，团队采用超快高温烧结技术（焦耳热），并通过3D电子断层扫描，证实了氮掺杂硬碳纳米笼中均匀分布的超小钴纳米颗粒。这种材料在锂硫电池中展现出优异性能，显著提升了电池的载硫量与循环稳定性。原位拉曼光谱进一步验证了高浓度N掺杂和超细钴纳米颗粒的协同作用是提升该性能的关键原因。相关的研究以“Unveiling the Dynamic Pathways of Metal-Organic Framework Crystallization and Nanoparticle Incorporation for Li-S Batteries”为题于2024年9月24日在线发表在国际学术期刊Advanced Science。通讯作者为项宏发教授和宋晓辉副教授，合肥工业大学为第一署名单位。

图1 论文创新点——原位实验研究ZIF-67材料结构演变动力学

金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF）因其优异的表面积、可调节的孔径和多样化的化学官能团而成为多种应用中的潜在竞争者。近年来，MOF碳化受到越来越多的关注，尤其是在锂硫（Li-S）电池的储能应用中，成为生产具有定制特性的碳基材料的解决方案。针对不同应用需求，研究者们致力于创造新型MOF颗粒以具备独特形态。以沸石咪唑酯框架（ZIF）为例，研究金属有机框架（MOF）的成核和生长机制是材料科学中的一个关键问题。尽管通过原位液相透射电子显微（TEM）获得了大量研究成果和见解，但对ZIF成核和生长的全面理解仍然难以实现，阻碍了MOF合成和应用的精确控制策略的开发。此外，MOF前驱体在传统管式炉中通常以较低到中等的温度（200-800°C）进行加热，持续时间从几小时到几天不等。渐进加热的过程有助于逐步分解和去除MOF框架中的有机配体，形成碳衍生物。锂硫电池中的MOF衍生碳具有多种优点，例如高导电性、丰富的硫附着活性位点，以及在锂化和脱锂阶段增强结构的耐用性。然而，传统管式炉加热方法仍面临挑战。例如，在MOF颗粒表面加热后形成的钴（Co）颗粒，其大小和分散模式难以控制。

图2 ZIF-67作为硬碳材料组装的锂硫电池的性能

在这项工作中，研究人员深入分析了ZIF-67的生长过程，揭示了其结构演变中的多种机制，包括液-液相分离、颗粒附着-聚结以及表面层沉积。这一研究不仅通过经典和非经典生长途径的结合，提供了对MOF形成过程的新见解，还弥补了现有文献中对这些现象理解不足的缺口。该团队通过超快速高温烧结法制备了ZIF-67碳衍生物，并利用3D电子断层扫描、X射线衍射（XRD）及X射线光电子能谱（XPS）等技术表征了其结构。结果显示，空心多孔纳米笼结构中钴纳米颗粒的均匀嵌入，对锂硫电池性能产生了显著影响。电化学测试结果表明，在0.5C的放电电流下，循环200次后的放电比容量达785mAh·g⁻¹；在1.0C的放电电流下，循环200次后的放电比容量为718mAh·g⁻¹。这样的优异性能归因于钴纳米颗粒的催化作用以及纳米笼对多硫化物的吸附限制效应。这项研究不仅对MOF形成动力学提供了新的理解，还展示了原位液相TEM技术在储能材料设计中的广泛应用潜力，推动了基于MOF衍生物的能源材料开发。

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先进室内光伏技术领域

电气与自动化工程学院周儒课题组在先进室内光伏技术领域取得最新进展，相关研究成果以“Additive engineering for Sb2S3 indoor photovoltaics with efficiency exceeding 17%”为题在线发表于Nature合作期刊《Light: Science & Applications》，该刊为光学领域国际顶级学术期刊。

物联网技术的快速发展带来各类智能终端市场呈指数级增长。此类终端节点通常设计为循环运行且功耗较低（微瓦到毫瓦量级），可持续能源供给是物联网技术成功实施的重要保障。目前，自主物联网终端节点主要利用储能电池供电。然而，使用储能电池寿命有限，严重制约数据传输距离和频率，且应用范围也仅限于允许更换电池的场景。当物联网生态系统发展到终端数量达万亿设备的水平时，每天将需要更换或充电数亿块电池，从而产生大量的运营和维护成本。室内光伏（Indoor photovoltaics）从环境照明（人工光源或日光）中收集能量，可为基于低功耗蓝牙、RFID标签、LoRa、无源Wi-Fi、Zigbee、ANT等通信协议的无线物联网节点提供可持续电力供给。室内照明无处不在，室内光伏依赖于辐射能量传输，使其部署范围广。此外，与其他环境能量收集技术相比，室内光伏可提供相对较高的能量密度。因此，室内光伏作为一种面向物联网应用的可持续环境能量采集解决方案越来越受关注。

为此，周儒课题组与牛津大学、中国科学技术大学等单位合作，基于环境友好型硫化锑（Sb2S3）半导体材料开发高性能室内光伏器件，并成功实现面向自驱动物联网的低功耗传感器应用演示, 展示出Sb2S3光伏器件应用于室内环境能量收集的广阔前景。Sb2S3是一种储量丰富、低毒性、理化性质稳定的半导体材料，其带隙约为1.75 eV，十分接近室内光伏应用的最佳带隙值。研究团队基于添加剂工程策略有效改善Sb2S3薄膜质量，成功开发高效平面异质结Sb2S3薄膜太阳能电池，在一个太阳（AM1.5G，100mWcm-2）光照下的光电转换效率为7.22%。同时，器件在低照度室内光照下表现出优异的室内光伏性能，在照度为1000lux的WLED辐照下，器件效率达17.55%。与受到广泛研究的Ag-Bi-I、BiOI、空位有序钙钛矿等新兴室内光伏材料相比，该研究中Sb2S3太阳能电池超过17%的室内光伏效率是该领域的重要进展。进一步，研究团队首次将高效Sb2S3太阳能电池应用于自驱动物联网。通过子电池串联获得Sb2S3小型模组（5×1cm2），在照度为1000 lux的WLED辐照下器件效率为12.82%，最大功率点输出功率为187.17μW。与商用氢化非晶硅室内光伏产品相比，该Sb2S3小型模组在光电转换效率和输出功率方面都表现出竞争优势。在日常办公室WLED照明条件下，利用该模组将室内环境光能转换为电能，成功驱动低功耗物联网多传感器平台稳定工作。传感器通过低功耗蓝牙与手机通信，实现实时监测和收集环境数据。该工作不仅为进一步提升Sb2S3太阳能电池光伏性能给出有益参考，同时也为面向物联网应用的环境能量采集提供了有效解决方案，有望推动先进室内光伏技术快速发展。

图1 AM1.5G标准光照下硫化锑薄膜太阳能电池性能

图2 硫化锑室内光伏性能及其物联网应用演示

合肥工业大学为论文第一署名单位。合肥工业大学硕士生陈骁和中国科学技术大学博士生舒晓萱为论文共同第一作者。合肥工业大学周儒副教授、中国科学技术大学陈洁洁教授、牛津大学Robert Hoye副教授为共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等经费资助。

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双模式光电子器件领域

微电子学院先进半导体器件与光电集成实验室的罗林保教授与安徽大学材料科学与工程学院何刚教授合作，成功研发出一种具有宽光谱响应的双模式光电子器件，实现了单像素成像和类脑计算的双模式切换。相关成果以“Dual-Mode Semiconductor Device Enabling Optoelectronic Detection and Neuromorphic Processing with Extended Spectral responsivity”为题，在线发表在国际期刊Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202409406)。

光电探测器在成像过程中一般对光脉冲的响应速度较快，但无法持续保留所获取的图像信息或处理复杂的时序数据。相较之下，神经态光电探测器的响应速度较慢，这使其难以即时响应高频信号。因此，将两种不同响应速度的器件集成于一个半导体器件中，面临着巨大挑战。该研究团队在深入分析了上述问题的基础上，提出并制备了一种高性能PbS/Al2O3/Si混合异质结器件，成功实现了光电探测与类脑处理的双功能模式转换。

在模式1中，器件异质结有效分离光生电子-空穴对，展现出从深紫外(265nm)到近红外(1650nm)波长的超宽光谱响应；同时利用单像素成像系统能够复现256×256像素的高质量图像，在光强为8.58μW/cm²时，Q值低至0.00437μW/cm²。而在模式2中，器件具备典型的PPC行为，能够作为类脑器件进行标准数字分类，准确率高达96.5%。这一特性充分体现了其在时序信息处理中的有效性，特别是在获取时序性数据方面。该研究为双模式光电器件的构建与发展提供了重要的实验依据，将有力推动多功能器件在智能芯片应用中的多模式和集成化快速发展。

图1（a）基于输出光电流脉冲（0PP）波形对光电探测器的功能进行分类；（b）在暗态下两种模式的I–V曲线；（c）不同模式下，器件在有光和无光条件下能带图的仿真结果；（d）在 7.79% 采样率下，利用单像素成像系统获得复现图；（e）用于标准数字识别的光电储备池计算示意图；（f）不同波长下标准数字识别的准确率。

该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省高校协同创新项目等项目的资助。

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