直击催化界面问题，张华Nature Materials，谢毅Nature Energy丨顶刊日报20190723

纳米人

2019-07-23

1. 张华/刘政/王岐捷Nature Materials：重新定义电催化中几个关键问题

在半导体电催化领域，半导体-电解质界面至关重要，甚至决定了整个反应。通过多年的研究和对实验现象的深入观察，新加坡南洋理工大学张华、刘政、王岐捷等人重新定义了电催化领域的几个关键问题。一方面，他们基于原位电池技术对半导体导电性进行了调控，发现了一种普遍存在的自门控现象。另一方面，他们发现，半导体类型对电催化反应有一定适应性，譬如n型半导体适合阴极HER，而p型半导体适合阳极OER。这一研究打破了很多常规认识，对电催化领域意义重大。

Yongmin He, Qiyuan He et al. Self-gating insemiconductor electrocatalysis. Nature Materials 2019.

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0426-0

2. 谢毅/孙永福Nature Energy：可见光催化CO₂高选择性制甲烷

通过催化剂的精准设计，以调控催化剂表面对反应中间体的吸附至关重要，这决定了反应产物是否能够实现高选择性。有鉴于此，中国科学技术大学谢毅、孙永福等人报道了一种精准设计的原子级超薄CuIn₅S₈二维材料，实现了可见光催化CO₂近100%选择性制甲烷，反应速率达到8.7μmolg⁻¹h⁻¹。这种材料中含有大量富电荷的Cu–In双位点，这种位点对CO₂转化为CH₄具有超高选择性。研究认为，在Cu–In双位点形成的Cu-C-O-In中间体是实现高选择性的关键。因为，这一结构不仅降低了整个反应的活化能，而且改变了反应路径，把一个吸热质子化过程转变为放热过程。

Xiaodong Li et al. Selectivevisible-light-driven photocatalytic CO₂ reduction to CH₄ mediatedby atomically thin CuIn₅S₈ layers. Nature Energy 2019.

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0431-1

3. Science Advances：一种室温铁电半金属

Anderson和Blount在1965年就已提出可逆极性扭曲和金属性共存可产生铁电金属，但到目前为止仍然难以理解其原因。电可切换的本征电极化以及铁电畴的直接观测尚未在大块晶体金属中实现，尽管原则上应该可以用移动传导电荷进行不完全屏蔽。近日，新南威尔士大学Pankaj Sharma，Fei-Xiang Xiang，Alex R. Hamilton，Jan Seidel，内布拉斯加州州立大学Evgeny Y. Tsymbal等多团队合作，通过电输运、纳米压电响应测量和第一原理计算，提供了天然金属性和铁电性共存于大块范德瓦尔斯WTe₂晶体中的证据。实验结果表明，尽管WTe₂是一种Weyl半金属，但在室温下具有可切换的自发极化和自然的铁电畴结构。

Pankaj Sharma*, Fei-Xiang Xiang*, Ding-FuShao, Dawei Zhang, Evgeny Y. Tsymbal*, Alex R. Hamilton*, Jan Seidel*. A room-temperature ferroelectric semimetal. Sci. Adv.,2019

DOI: 10.1126/sciadv.aax5080

https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaax5080

4. Chem. Rev.：纳米碳材料的生物医学应用：传感、成像和药物递送

不同维度的纳米碳材料由于其具有独特的理化性质而被广泛应用许多领域。其中，基于纳米碳材料的诊疗及其他生物医学应用也是目前研究的热点之一。美国NIH陈小元教授团队和新加坡南洋理工大学Ken-Tye Yong博士团队系统地综述了纳米碳材料的最新诊疗应用研究，并对不同纳米碳材料的特性及其对诊疗应用的影响进行了说明比较；介绍了不同的碳材料的制备方法、表面功能化方法、理化性质、毒性和生物降解性及在体内外系统中的应用；最后也概述了设计纳米碳材料的原则和该领域所面临的挑战及相关解决方案。

Nishtha Panwar, Ken-Tye Yong, Xiaoyuan Chen.et al. Nanocarbons for Biology and Medicine: Sensing, Imaging, and DrugDelivery. Chemical Reviews. 2019

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00099

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00099

5. ACS Nano：纳米颗粒的力学性能对其递送肿瘤药物的性能的影响

纳米粒子的理化性质在调控纳米-生物相互作用中起着至关重要的作用。虽然目前关于纳米颗粒的大小、形状和表面电荷对其生物学性能的影响已有广泛的研究，但是人们对纳米颗粒的机械力学性能及其对药物递送性能的影响还不够了解。复旦大学赵东元院士、美国布朗大学高华健院士和昆士兰大学赵春霞教授合作综述了纳米颗粒力学性能对其递送肿瘤药物性能的影响，包括：(1)纳米颗粒力学性能的基本术语和表征这些性能的主要技术;(2)目前制备具有可调力学性能的纳米粒子的方法;(3)不同力学性能的纳米颗粒的体内外生物学行为的研究,例如血液循环、肿瘤或组织靶向、肿瘤渗透性和癌症细胞摄取等，并对在细胞、组织和器官的水平上控制复杂的纳米粒子-生物相互作用的潜在机制进行了介绍。

Yue Hui, Dongyuan Zhao, Huajian Gao, Chun-Xia Zhao. et al. Role of Nanoparticle Mechanical Properties in Cancer Drug Delivery. ACS Nano. 2019

DOI: 10.1021/acsnano.9b03924

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b03924

6. ACS Nano：利用纳米颗粒辅助表征动脉粥样硬化的动脉内皮结构

动脉粥样硬化与内皮屏障受损有关，它也会促进动脉粥样硬化病变中免疫细胞和大分子的积累。阿姆斯特丹大学医学中心Ewelina Kluza团队使用透明质酸纳米颗粒(HA-NPs)研究了内皮屏障的完整性及其在动脉粥样硬化的进展和治疗过程中的EPR效应。

研究发现，动脉粥样硬化斑块覆盖的内皮细胞的连接连续性会明显低于正常血管壁，这表明内皮屏障有被破坏。此外，研究通过超分辨和相关的光学电子显微镜在斑块微环境中跟踪纳米颗粒，发现在内皮细胞底层的细胞外基质中有很高的HA-NP积累。最后，研究探讨了利用HA-NPs的EPR效应结合糖酵解抑制剂3PO进行代谢治疗实现血管正常化的策略。体外实验表明，经3PO治疗的小鼠主动脉对HA-NP的吸收减弱与3PO的内皮细胞沉默活性相一这一工作阐明了纳米颗粒在动脉粥样硬化斑块中积累的自然局限性，并为纳米颗粒的动脉粥样硬化内皮转运提供了机制上的理解。

Thijs J. Beldman, Tsveta S. Malinova, EwelinaKluza. et al. Nanoparticle-Aided Characterization of Arterial Endothelial Architecture during Atherosclerosis Progression and Metabolic Therapy. ACS Nano.2019

DOI: 10.1021/acsnano.8b08875

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b08875

7. Nano Lett.：生物响应性蛋白复合物用于增强的免疫治疗

尽管免疫检查点阻断(ICB)治疗对多种癌症具有很好的疗效，但其临床疗效往往受到响应率低和全身免疫相关不良事件的限制。苏州大学陈倩教授和加州大学顾臻教授合作制备了一种对活性氧(ROS)敏感的蛋白质复合体，将其用于生物响应型 ICB治疗。该蛋白复合体可以利用肿瘤微环境（TME）中丰富的ROS来有控制地顺序释放aCD47和aPD1的信号。因此这些蛋白复合物也可作为TME中活性氧的清除剂来逆转免疫抑制，从而提高其体内的抗肿瘤效果。实验在黑色素瘤肿瘤模型中也证明了该复合物具有很好的协同抗肿瘤效果。

Qian Chen, Zhen Gu. et al. Bioresponsive Protein Complex of aPD1 and aCD47 Antibodies for Enhanced Immunotherapy. Nano Letters.2019

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00584

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00584

8. AFM：基于多功能纤维的生物医学设备

基于纤维的混合材料由于其独特的性能，如超柔韧性、可编织性、低侵入性和组织适应性，在可穿戴和可植入的生物医学设备中被广泛应用。最近的一些研究则致力于开发具有多种生物医学功能的纤维基设备，并将其用于对生理信号的非侵入性监测、药物递送、细胞移植和刺激神经等方面。哈佛医学院Ye Zhang博士、施进军博士和复旦大学彭慧胜教授合作，从复合材料类型、制备技术、结构设计、设备-组织界面和生物医学应用等方面，综述了近年来对纤维基多功能器件的研究进展，并对该领域面临的挑战和前景进行了介绍和强调。

Ye Zhang, Huisheng Peng, Jinjun Shi. et al.Multifunctional Fibers to Shape Future Biomedical Devices. Advanced Functional Materials. 2019

DOI: 10.1002/adfm.201902834

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201902834

9. AFM：碳包覆CoS_x表面上自催化生长碳纳米管--锌空电池双功能催化剂

纳米结构在材料表面上的自催化生长是设计多功能催化剂最具时间和成本效益的方法之一。南京工业大学邵宗平和Kaiming Liao团队提出一种基于自催化化学气相沉积的可扩展一锅合成策略，以制备具有3D海胆结构的双功能电催化剂。碳纳米管尾部在CoS_x核的表面上原位生长（CoS_x/Co-NC），从而使得CoS_x核包封在与Co，N共掺杂的碳纳米管缠结的超薄多孔碳壳中。复合材料独特的3D电极结构，有利于输送氧物种和电子并在具有不同功能的组件之间产生协同作用。

该催化剂在碱性电解液中表现出优异的ORR和OER电催化活性，ΔE仅为0.74 V，且具有优异的循环稳定性。此外，与该电极组装的柔性固态锌空气电池在1mA cm^-2下显示出1.25V的稳定放电电压平台和70％的效率。

Qian Lu, Jie Yu, Xiaohong Zou, Kaiming Liao,Peng Tan, Wei Zhou, Meng Ni, Zongping Shao, Self‐Catalyzed Growth of Co, N‐Codoped CNTs on Carbon‐Encased CoS_x Surface: A Noble‐Metal‐Free Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Flexible Solid Zn–Air Batteries, Advanced Functional Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adfm.201904481

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201904481

10. ACS Energy Lett.：20.82%效率！富含铯钙钛矿量子点稳定FAPbI₃钙钛矿

通常通过将铯（Cs）掺入晶体结构中来改善甲脒碘化铅钙钛矿（FAPbI₃）的稳定性。然而，这种方法的有效性受到Cs在本体FAPbI₃中固有的低固溶度的限制。西安交通大学Wenxiu Que和布朗大学Nitin P. Padture, Yuanyuan Zhou和 Ou Chen团队展示了一种方法，该方法需要将高Cs含量的Cs_1-xFA_xPbI₃合金量子点（QD）溶液沉积到Cs含量少的 FAPbI₃薄膜上。富含Cs的QD表面层的薄膜，其使FAPbI₃薄膜的环境稳定性提高。效率可达20.82%。

Que, M., Dai, Z. et al.Quantum-Dot-Induced Cesium-Rich Surface Imparts Enhanced Stability toFormamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells. ACS Energy Letters, 2019

Doi:10.1021/acsenergylett.9b01262(2019).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01262

11. AEM综述：中介设计助力Li-S电池电催化化学

Li-S电池的实际应用受到众多关键挑战的阻碍，主要涉及致命的多硫化锂（LiPS）穿梭和缓慢的硫氧化还原动力学。Li-S化学中合理化的电催化过程对于LiPS的捕获和转化是至关重要的。清华大学张强和苏州大学孙靖宇团队总结了最近的Li-S化学中介设计的策略，旨在深入了解硫的反应机理，指导合理的介体设计，实现高能量长寿命的锂硫电池。该综述讨论LiPS的演变和对电池循环能力的相应影响，并为LiPS的调节提供了进一步的合理指导，对Li-S化学中的电催化和催化过程设计的机理进行了概述，并展望了构建高性能Li-S电池的未来前景。

Yingze Song, Wenlong Cai, Long Kong, JingshengCai, Qiang Zhang, Jingyu Sun, Rationalizing Electrocatalysis of Li–S Chemistry by Mediator Design: Progress and Prospects, Advanced Energy Materials, 2019.

DOI: 10.1002/aenm.201901075

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201901075

12. ESM综述：固态锂金属电池固体电解质-电极界面的液相疗法

使用固体电解质的固态锂金属电池具有高理论比容量和显著增强的安全特性，因而被视为新一代电化学储能器件的最佳选择。然而，极大的界面阻抗严重限制了固态锂金属电池的实际应用。为了构建具有合适阻抗的电化学界面，向固态体系中引入少量液态电解质是最高效便捷的方法。最近，北京理工大学黄佳琦、美国马里兰大学Yifei Mo、宁波材料所Xiaoxiong Xu、物理所李泓以及清华大学张强等总结概括了液态电解质、电极以及固体电解质的界面行为基本原理。然后。作者讨论了界面浸润、原位聚合以及界面反应等多种新兴策略。最后，作者针对现存的界面问题给出了采用液态电解质的限制与发展前景。

Chenzi Zhao, Jiaqi Huang, Yifei Mo, XiaoxiongXu, Hong Li, Qiang Zhang et al, Liquid phase therapy to solid electrolyte–electrode interface in solid-state Li metal batteries: A review, Energy Storage Materials, 2019

DOI: 10.1016/j.ensm.2019.07.026

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719308864?dgcid=rss_sd_all#!