1. 超越化石燃料驅動的氮轉化
（Beyond fossil fuel-driven nitrogen transformations）
材料名稱：氮轉化
研究團隊：哥倫比亞大學陳京廣等科學家
氮是所有生命以及諸多工業過程的基礎。工業生產氨、硝酸以及其他日用化學品中氮氧化態的轉換主要由礦物燃料驅動。氮化學領域當代研究的關鍵目標是通過開發更有效的非均相、均相、光電與電催化工藝或適應天然氮循環底層的酶促過程來最小化化石燃料的使用。對此， Chen 等科學家討論了這些方法以及所涉及的挑戰。（Science DOI: 10.1126/science.aar6611）
2. 用於無輔助太陽能水分解裝置的 Cu2O 光電陰極的性能提升
（Boosting the performance of Cu2O photocathodes for unassisted solar water splitting devices）
材料名稱：Cu2O
研究團隊：瑞士洛桑科爾理工學院Grätzel研究團隊
儘管過去幾十年來有大量的研究工作致力於光電化學（PEC）水分解，但缺乏高效、穩定且地球儲量豐富的光電極仍然是通往實際應用的瓶頸。Pan 等人報導了一種具有同軸納米線結構的光電陰極，該結構實現了 Cu2O/Ga2O3-掩埋的 p-n 結，實現了在超過 600nm 的整個可見光區域上的高效光收集，並達到了用於制氫的接近 80％ 的外部量子產率。具有超出可逆氫電極 +1V 的初始光電流，對應可逆氫電極 0V 光電流密度約為 10mA·cm-2，這種電極構成了當今已知的利用太陽光催化生成氫的最佳氧化物光電陰極。藉助原子層沉積 TiO2 保護層形成的保形塗層能夠穩定運行超過 100 小時。利用 NiMo 作為產氫催化劑，這種地球儲量豐富的 Cu2O 光電陰極在弱鹼性電解質中實現了穩定運作。為了展示這種光電陰極的實際影響，Pan 等人還構建了一種全氧化物無輔助太陽能水分解串聯裝置，利用最先進的 BiVO4 作為光電陽極，實現了約 3％ 的太陽能轉化氫效率。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0077-6）
3.石墨烯中寬帶、可電調諧的三次諧波產生
(Broadband, electrically tunable third-harmonic generation in graphene)
材料名稱：石墨烯
研究團隊：英國劍橋大學Ferrari研究組
當高強度光（超過 1010 W·m-2）與非線性材料相互作用時會發生光諧波產生。通過對非線性光學響應的電控制能夠實現門控可調開關和變頻器等應用。石墨烯顯示出了非常強的光-物質相互作用以及寬帶可電調諧的三階非線性極化率。Sovai 等人表明，通過控制費米能量和入射光子能量，石墨烯中的三次諧波產生效率可以增加接近兩個數量級。這種增強是來源於共振多光子躍遷引起的非線性電導率虛部中的對數共振。無質量狄拉克費米子的線性色散使得能夠在超寬帶上實現可門控的三次諧波增強，從而為光通信和信號處理應用中的寬帶可電調變頻器鋪平了道路。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0145-8）
4. 石墨烯中無質量狄拉克費米子的可調諧三階非線性光學響應
(Gate-tunable third-order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene)
材料名稱：石墨烯
研究團隊：復旦大學吳施偉教授研究組
具有無質量狄拉克費米子的石墨烯能夠具有非常強的三階非線性光學。然而，迄今為止對三次諧波產生（THG），四波混頻（FWM）和自相位調製的非線性光學系數的報道值存在六個數量級上的變化。這種變化可能是由不同摻雜下石墨烯中不同工藝的頻率依賴共振效應引起的。Jiang 等人報告了石墨烯中 THG 和 FWM 的實驗研究，其中利用了門調節來調整摻雜水平和改變共振條件。並發現 THG 以及合頻 FWM 在重摻雜石墨烯中得到了很大增強，而差頻 FWM 則恰好相反。差頻 FWM 對未摻雜石墨烯中的退化情況表現出了新的差異，導致了非線性的巨幅增強。並且理論很好地支持了這一結果。對石墨烯多樣化非線性的充分理解為未來基於石墨烯的非線性光電子器件的設計鋪平了道路。（Nature Photonics DOI: 10.1038/s41566-018-0175-7）
5. 通過單電子還原實現鈷催化的烯酰胺不對稱氫化
(Cobalt-catalyzed asymmetric hydrogenation of enamides enabled by single-electron reduction)
材料名稱：鈷 (II) 催化劑
研究團隊：美國普林斯頓大學Chirik研究組
對於利用單電子化學並克服相關失活途徑的催化劑活化模式的識別，將會革新對具有等於或理想情況下優於貴金屬性能的第一行過渡金屬催化劑的開發。Friedfeld 等人描述了一種與高通量反應發現相兼容的鋅活化方法，該方法確定了用於官能化烯烴的不對稱氫化的鈷-膦組合的情況。由 (R,R)-Ph-BPE{Ph-BPE,1,2-二[(2R,5R)-2,5-二苯基磷酰基]乙烷}和氯化鈷 [CoCl2·6H2O] 製備的優化催化劑在質子介質中顯示出了高活性和對映體選擇性，並且能夠以 0.08 摩爾百分比的催化劑負載量，在 200 克規模下不對稱合成癲癇藥物左乙拉西坦。化學計量研究確定了鈷 (II) 催化劑前體 (R,R)-Ph-BPECoCl2 通過甲醇進行配體置換，並且鋅促進了單電子還原成能夠更穩定結合膦的鈷 (I)。（Science DOI: 10.1126/science.aar6117）
6. 對 WS2-WSe2 異質結構中純自旋谷擴散電流的成像
(Imaging of pure spin-valley diffusion current in WS2-WSe2 heterostructures)
材料名稱：WS2-WSe2 異質結
研究團隊：加州大學伯克利分校Feng Wang研究組
過渡金屬硫族化合物（TMDC）材料有望應用於自旋電子和谷電子應用，原因在於可以利用圓極化光子來產生和操控谷極化激發，並且強自旋-軌道相互作用鎖定了谷自由度和自旋自由度。Jin 等人演示了在沒有任何驅動電場的情況下，在二硫化鎢（WS2）-二硒化鎢（WSe2）異質結構中高效地生成純淨且鎖定的自旋-谷擴散電流。並通過抽運-探測光譜學對實時實空間的谷電流傳播進行了成像。異質結構中的谷電流可以存在超過 20 微秒並傳播超過 20 微米；壽命和擴散長度都可以通過靜電門控來控制。在TMDC 異質結構中高效無電場情況下產生鎖定的自旋谷電流，這有望應用於自旋器件和谷器件中。（Science DOI: 10.1126/science.aao3503）
7. 用於高效制氫的鋰化誘導的非晶形Pd3P2S8
(Lithiation-induced amorphization of Pd3P2S8 for highly efficient hydrogen evolution)
材料名稱：非晶Pd3P2S8
研究團隊：新加坡南洋理工大學張華研究組
原子級材料結構工程，是調整材料物理化學性質並在各種潛在應用中優化其性能的非常有前景的方法。Zhang 等人表明鋰化引起的層狀晶體 Pd3P2S8 的非晶化激活了這種本來是電化學惰性的材料使之成為了高效率的析氫催化劑。層狀 Pd3P2S8 晶體的電化學鋰化導致形成了具有大量空位的非晶形摻鋰的磷硫化鈀納米點。並詳細研究了鋰化誘導非晶化過程中的結構變化。非晶形摻鋰磷硫化鈀納米點對於析氫反應表現出優異的電催化活性，析氫反應起始電位為 -52mV，Tafel 斜率為 29mV·dec-1 並具有出色的長期穩定性。實驗和理論研究表明，調整 Pd3P2S8 的形態和結構（例如，減小尺寸、損失結晶度、形成空位和摻入鋰）有助於激活其固有的惰性電催化性質。這項研究工作為材料的結構調整提供了一種獨特的方式，從而可以有效地控制其催化性能和功能。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0072-y）
8. 由晶種生長法制備的共軛聚合物納米纖維中的長程激子傳輸
(Long-range exciton transport in conjugated polymer nanofibers prepared by seeded growth)
材料名稱：共軛聚合物納米纖維
研究團隊：英國布里斯托大學Manners研究組
能夠以超過 100 納米的長度尺度進行激子傳輸且易於加工的材料，正是一系列採光和光電子器件的理想材料。Jin 等人介紹了包含結晶聚（二正己基芴）核心和由聚乙二醇組成的溶劑化的分段電暈的有機半導體納米纖維的製備，分段電暈由中心聚乙烯二醇和末端聚噻吩組成。這些納米纖維在末端嵌段中顯示出從核心到較低能量聚噻吩的激子轉移，該過程發生在鏈間 p-p 堆疊的方向上，並具有非常長的擴散長度（超過 200 納米）和較大的擴散係數（0.5 cm2/s）。這一結果是由有序的結晶納米纖維核心所產生的均勻激子能量景觀所實現的。（Science DOI: 10.1126/science.aar8104）
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