Michael Grätzel教授課題組開創了介觀材料系統中能量和電子轉移反應領域的研究及其在能量轉換系統中的應用，主要從事
有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池的研究、以及水分解的光電化學裝置的開發。
下面，我們簡要介紹Michael Grätzel教授課題組2019年部分重要成果，供大家交流學習（僅限於通訊作者文章，以online時間為準）。
太陽能電池
1、AEM：固態NMR揭示準二維鈣鈦礦結構複雜性和動力學
MichaelGrätzel聯合Lyndon Emsley課題組採用固態NMR證明了（金剛烷-1-基）甲基銨的A2FAn-1PbnI3n+1分層雜化鈣鈦礦的超分子工程的情況，其表現出與結構適應性互補的範德華相互作用。在空氣環境製備的電池效率超過 7％，並且在潮溼環境條件下表現出高穩定性。
Supramolecular Engineering for Formamidinium-BasedLayered 2D Perovskite Solar Cells: Structural Complexity and Dynamics Revealedby Solid-State NMR Spectroscopy. Adv. Energy Mater.
Doi:10.1002/aenm.201900284.
https://doi.org/10.1002/aenm.201900284
2、Sci. Adv.：22.09%效率，3D/2D鈣鈦礦電池最高值！
MichaelGrätzel團隊引入二維（2D）A2PbI4鈣鈦礦層，其使用五氟苯基乙基銨（FEA）作為氟代芳烴陽離子插入3D鈣鈦礦薄膜和空穴傳輸材料（HTM）之間。全氟化苯部分賦予間隔層超疏水特性，保護鈣鈦礦層免受環境溼氣的影響，同時減輕器件中的離子擴散。
未密封的3D/2D 鈣鈦礦太陽能電池在模擬陽光和潮溼空氣中，保持90％的效率超過1000小時。而且，2D層還增強了界面空穴提取，抑制了非輻射載流子複合，並使其效率超過 22％，這是3D/2D結構最高值。
Ultrahydrophobic3D/2D fluoroarene bilayer-based water-resistant perovskite solar cells withefficiencies exceeding 22%. Science Advances
DOI:10.1126/sciadv.aaw2543.
https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw2543
3、Nature Commun.：銨鹽的原子級鈍化助力高效鈣鈦礦太陽能電池
近年來，高轉換效率使金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池成為薄膜光伏技術的真正突破。洛桑聯邦理工學院Michael Grätzel、Lyndon Emsley以及Fabrizio Giordano團隊通過用不同類型的銨鹽（即乙基銨，咪唑鎓和碘化胍）處理鈣鈦礦表面，降低鈣鈦礦薄膜和空穴傳輸層之間界面處存在的電子缺陷。
研究人員使用三陽離子鈣鈦礦，主要含有甲脒和少量的銫和甲基銨。研究發現，這種處理將功率轉換效率從對照組的20.5％提高到分別用乙基銨，咪唑鎓和碘化胍處理的器件的22.3％，22.1％和21.0％。性能最佳的器件在全日照強度下的效率損失僅為5％，最大功率跟蹤為550小時。
Atomic-level passivation mechanism ofammoniumsalts enabling highly efficient perovskite solar cells. Nat. Commun.2019.
DOI:10.1038/s41467-019-10985-5
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10985-5
4、Science: 18.4%效率,CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池
儘管CsPbI3具有有利於在串聯太陽能電池中應用的帶隙，但實驗上沉積和穩定CsPbI3仍然是一個挑戰。趙一新、Michael Grätzel, M.Ibrahim Dar和戚亞冰團隊獲得了高結晶度的β-CsPbI3薄膜，具有更廣泛的光譜響應和增強的相穩定性。基於同步加速器的X射線散射揭示了高度取向的β-CsPbI3晶粒的存在，並且敏感的元素分析-包括電感耦合等離子體質譜法和飛行時間二次離子質譜法 - 證實了它們的全無機組成。
通過用碘化膽鹼表面處理進一步減輕了鈣鈦礦層中裂縫和空洞的影響，這增加了電荷載流子壽命並改善了β-CsPbI3吸收層和載流子選擇性接觸之間的能級對準。由處理過的材料製成的鈣鈦礦太陽能電池具有高度可重複性和穩定的效率，在45±5℃的環境條件下達到18.4％。
Thermodynamicallystabilized β-CsPbI–basedperovskite solar cells with efficiencies >18%
https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591
無機-有機雜化鈣鈦礦的化學摻雜是改善鈣鈦礦太陽能電池（PSC）性能和操作穩定性的有效方法。瑞士洛桑理工學院MichaelGrätzel，Lyndon Emsley和 Dominik J. Kubick團隊使用5-銨戊酸（AVAI）來化學穩定α-FAPbI3的結構。使用固態核磁證明了分子調節劑與鈣鈦礦晶格之間的原子級相互作用，並通過DFT計算進一步提出了穩定的三維結構的結構模型。
研究發現，在存在AVAI的情況下鈣鈦礦的一步沉積可產生微米級晶粒和增強的載流子壽命的高結晶膜。因此，基於5-AVA的太陽能電池的效率（PCE）為18.94％。在連續工作條件下，器件在300小時後仍保持90％的初始效率。
Thermodynamicallystabilized β-CsPbI3–basedperovskite solar cells with efficiencies >18%
https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591
5、JACS: 揭示5-AVAI穩定α-FAPbI3的內在機制
無機-有機雜化鈣鈦礦的化學摻雜是改善鈣鈦礦太陽能電池（PSC）性能和操作穩定性的有效方法。瑞士洛桑理工學院MichaelGrätzel，Lyndon Emsley和 Dominik J. Kubick團隊使用5-銨戊酸（AVAI）來化學穩定α-FAPbI3的結構。使用固態核磁證明了分子調節劑與鈣鈦礦晶格之間的原子級相互作用，並通過DFT計算進一步提出了穩定的三維結構的結構模型。
研究發現，在存在AVAI的情況下鈣鈦礦的一步沉積可產生微米級晶粒和增強的載流子壽命的高結晶膜。因此，基於5-AVA的太陽能電池的效率（PCE）為18.94％。在連續工作條件下，器件在300小時後仍保持90％的初始效率。
Atomic-Level Microstructure of EfficientFormamidinium-Based Perovskite Solar Cells Stabilized by 5-Ammonium ValericAcid Iodide Revealed by Multi-Nuclear and Two-Dimensional Solid-State NMR，J. Am. Chem. Soc. 2019
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07381
當今的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）大多使用非常昂貴的組件（例如其會經常使用到貴金屬作為背面觸點等）且穩定性較差。這些問題為PSC的大規模製備帶來了難題。近日，洛桑聯邦理工學院MichaelGrätzel團隊報道了一種簡單且低成本的PSC結構，分別採用無摻雜的TiO和CuSCN作為電子和空穴傳輸材料，並且用室溫下沉積的石墨碳層作為背電觸點。
所製備的的PSC在標準太陽光照下顯示出超過18％的功率轉換效率（PCE），並且在60°C全日照且在最大功率點的條件下，大於2000 h後其效率仍維持在初始效率的95％以上。此外，CuSCN/碳基PSC在紫外線照射1000 後仍表現出傑出的穩定性，而在相似條件下，標準的spiro-MeOTAD/Au基標準器件則發生了嚴重降解。
Low‐Cost and Highly Efficient Carbon‐BasedPerovskite Solar Cells Exhibiting Excellent Long‐TermOperational and UV Stability. Small, 2019.
DOI：10.1002/smll.201904746
https://doi.org/10.1002/smll.201904746
甲脒基碘化鉛鈣鈦礦材料具有出色的光伏性能以及出色的熱穩定性。然而，鈣鈦礦α-FAPbI相到δ-FAPbI相的退化降低了太陽能電池的光伏性能。韓宏偉和Michael Grätzel團隊報道了一種通過低維雜化鈣鈦礦材料來克相轉變的新策略，該材料包括用作三維FAPbI相穩定劑的鳥嘌呤有機間隔層。
此外，通過固態核磁共振波譜結合X射線晶體學，透射電子顯微鏡，分子動力學模擬和DFT計算，揭示了原子級相互作用的基本模式。獲得了16%效率的低維相混合型FAPbI鈣鈦礦太陽能電池，並具有增強的長期穩定性。
Guanine‐Stabilized Formamidinium LeadIodide Perovskites，Angew, 2019
https://doi.org/10.1002/anie.201912051
光電催化
8、Angew：ZnCu雙金屬材料高效高選擇性電催化CO還原制液體燃料
利用可再生電力電催化CO還原可作為一種可持續的碳循環和能源儲存技術。在所有的產品中，乙醇是一種很有吸引力的液體燃料。然而，多晶銅電催化CO還原制乙醇的最大法拉第效率僅為10%左右。近日，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Grätzel等多團隊合作，通過原位電化學還原ZnO‐殼/CuO‐核雙金屬氧化物，合成了CuZn雙金屬催化劑。
實驗發現，該催化劑電催化CO還原可高效生成乙醇，乙醇/乙烯比增加五倍以上，且對C液體產物法拉第效率可達41%。進一步研究表明，Zn改善了CO與Cu的結合，遊離的CO與吸附的*CH結合生成*COCH中間體，*COCH再進一步完全轉化為乙醇。
Atomic Layer Deposition of ZnO on CuO EnablesSelective and Efficient Electroreduction of Carbon Dioxide to LiquidFuels. Angew. Chem. Int. Ed., 2019
DOI: 10.1002/anie.201909610
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201909610
9、Joule: 鈣鈦礦/硅串聯電池和TiC負載Pt納米簇電催化劑用於太陽能水分解
開發高效、穩定、經濟的光系統，利用陽光將水分解成氫和氧，對未來利用可再生能源生產燃料和化學品至關重要，然而，目前高的成本限制了它們的廣泛應用。近日，瑞士洛桑理工學院Michael Grätzel和南開大學的羅景山團隊設計開發了一種高效的TiC負載Pt納米簇催化劑，用於析氫反應，其負載約為Pt/C催化劑的1/5。
將其與用於ORR反應的NiFe-層狀雙氫氧化物和首次由塊狀鈣鈦礦/硅太陽能電池串聯繫統組合,實現了太陽能分解水系統高達18.7%的轉換效率，是目前報道的利用高丰度廉價光吸收劑分解水系統的最高效率。該工作有利於進一步促進太陽能光電催化產氫的廣泛應用。
Solar Water Splitting withPerovskite/Silicon Tandem Cell and TiC-Supported Pt NanoclusterElectrocatalyst. Joule, 2019.
DOI: 10.1016/j.joule.2019.10.002.
https://sciencedirect.xilesou.top/science/article/abs/pii/S2542435119304842
開發高效的系統利用太陽能將CO轉化為高價值的化學品，對緩解氣候變化和未來的清潔燃料供應至關重要。近日，洛桑聯邦理工學院Michael Grätzel，Dan Renb團隊通過galvanic置換反應還原Ag覆蓋的CuO納米線，製備了一種裝飾有Ag islands的Cu納米線介觀陰極。該催化劑能夠將CO還原為乙烯和其它C產品，法拉第效率達76％。
Operando拉曼光譜研究表明，Ag位點上形成了CO中間體，其隨後溢流到Cu納米線併發生氫化。該Cu-Ag雙金屬材料使中間體從Ag到Cu的有效溢流量達到4％，從而提高了形成乙烯和其它C產品的活性。作者進一步使用水作為電子和質子供體，利用太陽能與鈣鈦礦光伏電池一起驅動反應，實現光電化學CO2還原為乙烯，具有4.2％的太陽能轉化率。
Selective C-C Coupling in Carbon Dioxide Electroreductionvia Efficient Spillover of Intermediates as Supported by Operando RamanSpectroscopy. J. Am. Chem. Soc., 2019
DOI: 10.1021/jacs.9b07415.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07415
Michael Grätzel教授簡介：
MichaelGrätzel教授，瑞士洛桑聯邦理工學院界面與光子學實驗室主任、國際著名科學家，主要從事有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的研究；開創了介觀材料系統中能量和電子轉移反應領域的研究及其在能量轉換系統中的應用，特別是光伏電池和光電化學裝置，用於將水分解為氫氣和氧氣，以及通過太陽光減少二氧化碳。以及鋰離子電池中的電力儲存。並與BrianO' Regan教授共同發明了染料敏化太陽能電池，後來也被稱為Grätzel電池。
在國際學術期刊上發表論文1500多篇，包括Nature、Science、Nat.Nano.、Nat. Mat.、J. Am. Chem.Soc.、Angew.，Adv. Mater.等，論文已被引用超過了227000，H因子218，成為全世界論文引用次數最多的三位科學家之一；撰寫了兩部著作，擁有專利50多項。
曾任美國加大伯克利分校、法國巴黎高師、荷蘭代爾夫特工業大學等世界知名學府客座教授，是瑞士化學會會士、德國科學院院士、以色列化學會榮譽會士、英國皇家化學會會士；多次獲得國際大獎，包括歐洲千禧年創新獎（2000）、英國皇家化學會Faraday獎（2001）、荷蘭Havinga獎（2001）、意大利Italgas獎（2004）、德國Gerischer獎（2005）、以色列Harvey獎（2007）、瑞士化學學會的Paracelsus獎（2008）、菲律賓國王國際科學獎（2008）、Samson總理替代燃料創新獎（2009）、愛因斯坦世界科學獎（2012）、Marcel Benoist獎（2013）。Atomic-Level Microstructure of EfficientFormamidinium-Based Perovskite Solar Cells Stabilized by 5-Ammonium ValericAcid Iodide Revealed by Multi-Nuclear and Two-Dimensional Solid-State NMR，J. Am. Chem. Soc. 2019
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07381
6、Small：高穩定性、低成本且高效的碳基鈣鈦礦太陽能電池
當今的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）大多使用非常昂貴的組件（例如其會經常使用到貴金屬作為背面觸點等）且穩定性較差。這些問題為PSC的大規模製備帶來了難題。近日，洛桑聯邦理工學院MichaelGrätzel團隊報道了一種簡單且低成本的PSC結構，分別採用無摻雜的TiO2和CuSCN作為電子和空穴傳輸材料，並且用室溫下沉積的石墨碳層作為背電觸點。
所製備的的PSC在標準太陽光照下顯示出超過18％的功率轉換效率（PCE），並且在60°C全日照且在最大功率點的條件下，大於2000 h後其效率仍維持在初始效率的95％以上。此外，CuSCN/碳基PSC在紫外線照射1000 後仍表現出傑出的穩定性，而在相似條件下，標準的spiro-MeOTAD/Au基標準器件則發生了嚴重降解。
Low‐Cost and Highly Efficient Carbon‐BasedPerovskite Solar Cells Exhibiting Excellent Long‐TermOperational and UV Stability. Small, 2019.
DOI：10.1002/smll.201904746
https://doi.org/10.1002/smll.201904746
7、Angew: 鳥嘌呤,穩定的FAPbI3鈣鈦礦
甲脒基碘化鉛鈣鈦礦材料具有出色的光伏性能以及出色的熱穩定性。然而，鈣鈦礦α-FAPbI3相到δ-FAPbI3相的退化降低了太陽能電池的光伏性能。韓宏偉和Michael Grätzel團隊報道了一種通過低維雜化鈣鈦礦材料來克相轉變的新策略，該材料包括用作三維FAPbI3相穩定劑的鳥嘌呤有機間隔層。
此外，通過固態核磁共振波譜結合X射線晶體學，透射電子顯微鏡，分子動力學模擬和DFT計算，揭示了原子級相互作用的基本模式。獲得了16%效率的低維相混合型FAPbI3鈣鈦礦太陽能電池，並具有增強的長期穩定性。
Guanine‐Stabilized Formamidinium LeadIodide Perovskites，Angew, 2019
https://doi.org/10.1002/anie.201912051
光電催化
8、Angew：ZnCu雙金屬材料高效高選擇性電催化CO2還原制液體燃料
利用可再生電力電催化CO2還原可作為一種可持續的碳循環和能源儲存技術。在所有的產品中，乙醇是一種很有吸引力的液體燃料。然而，多晶銅電催化CO2還原制乙醇的最大法拉第效率僅為10%左右。近日，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Grätzel等多團隊合作，通過原位電化學還原ZnO‐殼/CuO‐核雙金屬氧化物，合成了CuZn雙金屬催化劑。
實驗發現，該催化劑電催化CO2還原可高效生成乙醇，乙醇/乙烯比增加五倍以上，且對C2+液體產物法拉第效率可達41%。進一步研究表明，Zn改善了CO與Cu的結合，遊離的CO與吸附的*CH3結合生成*COCH3中間體，*COCH3再進一步完全轉化為乙醇。
Atomic Layer Deposition of ZnO on CuO EnablesSelective and Efficient Electroreduction of Carbon Dioxide to LiquidFuels. Angew. Chem. Int. Ed., 2019
DOI: 10.1002/anie.201909610
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201909610
9、Joule: 鈣鈦礦/硅串聯電池和TiC負載Pt納米簇電催化劑用於太陽能水分解
開發高效、穩定、經濟的光系統，利用陽光將水分解成氫和氧，對未來利用可再生能源生產燃料和化學品至關重要，然而，目前高的成本限制了它們的廣泛應用。近日，瑞士洛桑理工學院Michael Grätzel和南開大學的羅景山團隊設計開發了一種高效的TiC負載Pt納米簇催化劑，用於析氫反應，其負載約為Pt/C催化劑的1/5。
將其與用於ORR反應的NiFe-層狀雙氫氧化物和首次由塊狀鈣鈦礦/硅太陽能電池串聯繫統組合,實現了太陽能分解水系統高達18.7%的轉換效率，是目前報道的利用高丰度廉價光吸收劑分解水系統的最高效率。該工作有利於進一步促進太陽能光電催化產氫的廣泛應用。
Solar Water Splitting withPerovskite/Silicon Tandem Cell and TiC-Supported Pt NanoclusterElectrocatalyst. Joule, 2019.
DOI: 10.1016/j.joule.2019.10.002.
https://sciencedirect.xilesou.top/science/article/abs/pii/S2542435119304842
10、JACS：通過中間體的有效溢流實現CO2電還原中選擇性的C-C偶聯
開發高效的系統利用太陽能將CO2轉化為高價值的化學品，對緩解氣候變化和未來的清潔燃料供應至關重要。近日，洛桑聯邦理工學院Michael Grätzel，Dan Renb團隊通過galvanic置換反應還原Ag覆蓋的Cu2O納米線，製備了一種裝飾有Ag islands的Cu納米線介觀陰極。該催化劑能夠將CO2還原為乙烯和其它C2+產品，法拉第效率達76％。
Operando拉曼光譜研究表明，Ag位點上形成了CO中間體，其隨後溢流到Cu納米線併發生氫化。該Cu-Ag雙金屬材料使中間體從Ag到Cu的有效溢流量達到4％，從而提高了形成乙烯和其它C2+產品的活性。作者進一步使用水作為電子和質子供體，利用太陽能與鈣鈦礦光伏電池一起驅動反應，實現光電化學CO2還原為乙烯，具有4.2％的太陽能轉化率。
Selective C-C Coupling in Carbon Dioxide Electroreductionvia Efficient Spillover of Intermediates as Supported by Operando RamanSpectroscopy. J. Am. Chem. Soc., 2019
DOI: 10.1021/jacs.9b07415.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07415
Michael Grätzel教授簡介：
MichaelGrätzel教授，瑞士洛桑聯邦理工學院界面與光子學實驗室主任、國際著名科學家，主要從事有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的研究；開創了介觀材料系統中能量和電子轉移反應領域的研究及其在能量轉換系統中的應用，特別是光伏電池和光電化學裝置，用於將水分解為氫氣和氧氣，以及通過太陽光減少二氧化碳。以及鋰離子電池中的電力儲存。並與BrianO' Regan教授共同發明了染料敏化太陽能電池，後來也被稱為Grätzel電池。
在國際學術期刊上發表論文1500多篇，包括Nature、Science、Nat.Nano.、Nat. Mat.、J. Am. Chem.Soc.、Angew.，Adv. Mater.等，論文已被引用超過了227000，H因子218，成為全世界論文引用次數最多的三位科學家之一；撰寫了兩部著作，擁有專利50多項。
曾任美國加大伯克利分校、法國巴黎高師、荷蘭代爾夫特工業大學等世界知名學府客座教授，是瑞士化學會會士、德國科學院院士、以色列化學會榮譽會士、英國皇家化學會會士；多次獲得國際大獎，包括歐洲千禧年創新獎（2000）、英國皇家化學會Faraday獎（2001）、荷蘭Havinga獎（2001）、意大利Italgas獎（2004）、德國Gerischer獎（2005）、以色列Harvey獎（2007）、瑞士化學學會的Paracelsus獎（2008）、菲律賓國王國際科學獎（2008）、Samson總理替代燃料創新獎（2009）、愛因斯坦世界科學獎（2012）、Marcel Benoist獎（2013）。
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關鍵字: 2019未來科學大獎 鈣鈦礦 次數
