Nature/Cell系列9篇，C. M. Lieber 、熊宇杰、韩宏伟、黄飞等成果速递丨顶刊日报20190914
纳米人
2019-09-14
1. Nature. Biotech.综述：在脑中使用的精准电子医学
哈佛医学院Shaun R. Patel 教授和哈佛大学Charles M. Lieber 教授合作，对用于神经系统的电子学研究进行了详细综述。这一系列的研究不仅在基础神经科学领域有着重要的研究价值，而且还有望能够实现在细胞水平上进行靶向治疗的目的。并且这些个性化的电子学治疗方法也能为神经退行性疾病和神经精神疾病提供新的治疗模式，甚至有望增强人类的认知能力，并为慢性神经疾病提供长期的有效治疗。ShaunR. Patel , Charles M.Lieber. Precision electronic medicine in the brain. NatureBiotechnology. 2019https://www.nature.com/articles/s41587-019-0234-8
2. Nat. Commun.: 10％效率！超过1 cm2全聚合物太阳能电池
基于萘二酰亚胺的n型聚合物半导体已被广泛用于构建高性能全聚合物太阳能电池（全PSC）。对于全聚合物体系，可以通过使用更薄的活性层来减少电荷复合，但是从聚合物受体收集的近红外光不足。相反，增加层厚度克服了光收集问题，但是以严重的电荷复合效应为代价。华南理工大学Lei Ying，黄飞和埃朗根-纽伦堡大学Ning Li等人证明为了管理所有PSC内的光传播，需要约350 nm厚的体异质结膜以有效地增强近红外区域中的光采集。为了克服这种厚膜中的严重电荷复合，使用非卤素添加剂来诱导良好有序的微结构，其固有地抑制复合损失。光管理和精细形态优化的组合策略使有效面积为1 cm2的厚膜全PSC的效率超过10％，为未来大规模生产和应用所有PSC带来了巨大希望。Surpassing the 10% efficiency milestone for 1-cm2 all-polymer solar cells，Nature Communications，2019https://www.nature.com/articles/s41467-019-12132-6
3. Nat. Commun.: 通过远端外延提高卤化物钙钛矿的载流子寿命
众所周知，晶体位错是导致常规半导体器件中不利载流子动力学的主要原因之一。卤化钙钛矿在光电器件中具有广阔的应用前景。然而，错位如何影响其“缺陷耐受”卤化钙钛矿中的载流子动力学在很大程度上是未知的。近日，昆明理工大学Jing Feng联合北京科技大学Lei Gao、伦斯勒理工学院Jian Shi通过使用涂有石墨烯的极性基板的远程外延方法，我们合成具有受控位错密度的外延卤化钙钛矿。第一原理计算和分子动力学模拟分别揭示了远程外延中薄膜 - 基底相互作用和低密度位错机制。高分辨率透射电子显微镜，高分辨率原子力显微镜和Cs校正扫描透射电子显微镜揭示了远程外延膜的晶格/原子和位错结构。位错密度的控制使得能够揭示卤化钙钛矿中的位错 - 载流子动力学关系。该研究为开发独立的卤化钙钛矿薄膜提供了一条途径，该薄膜具有低位错密度和改善的携带动力学。Jiang,J. Gao, L. Feng, J. Shi, J. et al. Carrier lifetime enhancement in halide perovskite via remote epitaxy. Nat. Commun. 2019. DOI:10.1038/s41467-019-12056-1https://www.nature.com/articles/s41467-019-12056-1
4. Nat. Commun.: 厉害！直接热充电电池，用于将低等级的热量转换为电能
目前用于实现热电转换的技术仍然远非最佳。近日，香港大学Shien-Ping Feng研究团队报道直接热充电电池，其利用氧化石墨烯/铂纳米粒子阴极和聚苯胺阳极的不对称电极，在Fe2+/Fe3+氧化还原电解质中通过等温加热操作。当加热时，电池通过氧化石墨烯的温度诱导的赝电容效应和Fe2+ / Fe3+的热电偶效应产生电压，然后通过氧化聚苯胺在等温加热下还原Fe3+直至Fe3+耗尽而连续放电。当冷却时，电池可以自我再生。直接热充电电池的温度系数为5.0 mV K-1，70°C时热电转换效率为2.8％（卡诺效率为21.4％），90°C时为3.52％（卡诺效率为19.7％） ，优于其他热电化学和热电系统。Wang, X. Feng, S.-P. et al.Direct thermal charging cell for converting low-grade heat to electricity. Nat.Commun. 2019.DOI: 10.1038/s41467-019-12144-2https://www.nature.com/articles/s41467-019-12144-2
5. Joule综述：标准化钙钛矿太阳能电池组件
由于优异的光电性能，钙钛矿太阳能电池（PSC）被认为是光伏（PV）的下一代候选产品。PSC高效率和低成本有望以低成本实现太阳能电网平价。尽管小面积效率和稳定性取得了巨大进步，但大多数研究工作都集中在实验室规模的小面积PSC上。商业化钙钛矿PV的关键问题取决于PSC模块的效率，稳定性和成本。现在，PSC模块的效率远远落后于实验室规模的器件。华中科技大学韩宏伟和荣耀光团队认为，需要关注实现具有高吞吐量的工业规模，大面积制造以实现该技术的实际应用。敦促研究人员使用标准方法和可靠的测量方案来表征模块性能和长期稳定性数据。Standardizing Perovskite Solar Modules beyond Cellshttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119304180
6. Joule：局部晶体取向影响卤素钙钛矿中的非辐射复合
华盛顿大学David S. Ginger团队使用超灵敏电子背散射衍射（EBSD）来研究CH3NH3PbI3（MAPI）钙钛矿薄膜中的局部晶体取向，晶粒和晶界。虽然真正的晶粒结构与扫描电子显微镜（SEM）中可见的形态大致一致，但用EBSD拍摄的反极图显示了晶粒结构和内部误取向。局部晶体取向误差与局部应变的存在一致，局部应变随着晶粒的不同而变化。在用于EBSD的相同MAPI样品上，研究人员获得光致发光（PL）显微镜图像。将光学和EBSD数据相关联，这表明了PL与局部晶粒取向扩散反相关。研究表明，具有较高结晶取向异质性（局部应变）的晶粒表现出更多的非辐射复合。研究发现较大的晶粒往往具有较大的晶粒取向扩散，与较高的应变程度和非辐射复合一致。Local Crystal Misorientation Influences Non-radiative Recombination in Halide Perovskiteshttps://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119304295#!
7. Joule：在黑夜中，积极地寻求光明
在世界上，仍有很大一部分人口缺乏电力供应，特别是在光伏系统不再运行的夜晚。夜间发电的能力可以成为广泛应用的基础，包括照明和低功率传感器。加利福尼亚大学Aaswath P. Raman和斯坦福大学Shanhui Fan团队开发了一种通过辐射冷却利用空间寒冷，利用现成热电发电机来发电的低成本策略。与传统的热电发电机不同，该设备将热电模块的冷侧连接到面向天空的表面，该表面将热量散发到寒冷的空间，并使其温暖的一侧被周围的空气加热，从而在夜间发电。通过实验证明了25 mW/m2的发电量，并验证了能够准确捕捉设备性能的模型。此外，研究表明，该装置可以直接为发光二极管供电，从而从空间本身的黑暗中产生光。GeneratingLight from Darkness, Joule, 2019https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S254243511930412X
8. Chem: 精确调控Fe-N-C催化剂中Fe团簇原子数，提高酸性介质中的氧还原活性
非贵金属Fe-N-C催化剂具有低成本和碱性环境中电催化性能优异的特性，有望替代贵金属Pt催化剂用于燃料电池。然而，Fe-N-C催化剂在酸性溶液中的催化活性较低，提高其在酸性介质中的氧还原活性仍是一个巨大的挑战。最近，中科大熊宇杰教授、杭州师范大学高鹏教授、复旦大学陈萌副教授等团队以金属有机框架ZIF-8为炭前驱体，以含有不同铁原子数目的前驱体为Fe源，通过原位掺杂和高温煅烧工艺制备了Fe-N-C催化剂。在ZIF-8的生长过程中铁前驱体被原位包覆到ZIF-8内部，采用不同铁原子数目的Fe前驱体，可以分别精准得到负载不同铁原子数目的Fe1、Fe2和Fe3团簇的Fe-N-C催化剂，同步辐射表征技术结合球差校正电镜数据证实了这一结果。测试它们在酸性介质中的氧还原活性发现，Fe2-N-C催化剂具有最优的催化活性和很好的循环稳定性，接近商业铂碳催化剂，其半波电位为0.78V，20000圈循环后半波电位仅降低了20mV。作者通过低温红外证实了O2分子在Fe1位点为超氧态吸附，而在Fe2和Fe3位点为过氧态吸附，氧气分子活化程度被提高。而且，作者发现通过改变铁原子团簇中原子数目可以调控氮的种类和相对含量，随铁原子数目从Fe1提高到Fe2和Fe3，吡啶氮的含量逐渐提高，而石墨化氮和吡咯氮含量相应地逐渐降低。这是因为铁团簇中Fe原子数目增大提高了其催化碳石墨化的能力，而且不同原子数目的团簇会形成不同配位的Fe-N配位结构。该工作实现了铁原子团簇中原子数目和掺杂N种类与含量的精准调控，为设计在酸性环境中高活性、高稳定性的燃料电池催化剂提供了新的方法。WeiYe, Shuangming Chen, Yue Lin, Li Yang, Sijia Chen, Xusheng Zheng, Zeming Qi,Chengming Wang, Ran Long, Meng Chen*, Junfa Zhu, Peng Gao*,Li Song, Jun Jiang, Yujie Xiong*. Precisely Tuning the Number of FeAtoms in Clusters on N-Doped Carbon toward Acidic Oxygen Reduction Reaction.Chem, 2019.DOI:10.1016/j.chempr.2019.07.020https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30329-89. Chem：锑：构建高性能钠离子全电池的理想电极锑基材料具有660 mAh g-1（Na3Sb）的高理论容量，是钠离子电池（NIBs）的理想负极材料。事实上，锑基合金化和转化合金化电极具有高容量和循环稳定性，新开发的策略克服了常见的体积膨胀问题，所有这些都使人们对锑基NIB材料产生了新的兴趣。印度科学教育研究所的Vanchiappan Aravindan综述了锑基材料在NIBs、Na离子燃料电池、海水电池和Na空气电池等储能转换装置中的性能。该文还讨论了采用锑基材料（如锑碳复合材料和Sb2X3（X-O和S））的NIB中的常见问题，以及解决这些限制的几种策略。Subramanyan, K.; Aravindan, V., Stibium: A PromisingElectrode toward Building High-Performance Na-Ion Full-Cells. Chem 2019.DOI: 10.1016/j.chempr.2019.08.007https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929419303766#!
10. PNAS：TiO2 纳米颗粒边/角活性位的充分证明
半导体光催化剂的表面活性位点是决定材料能量转换效率的关键因素。然而，受限于当前表征手段，直接观测这些活性位点并理解单个催化剂颗粒上光生电子/空穴的动力学一直是研究难点。针对这一问题，中科院城市污染物转化重点实验室俞汉青教授和大阪大学Tetsuro Majima等人合作，利用准全内反射荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜从单分子水平上识别光催化活性位点，成功在单个TiO2颗粒上观测了光生电子-空穴的动力学。实验结果和密度泛函理论计算表明，在高度暴露（001）和（101）面的锐钛矿TiO2纳米粒子中，空穴和电子倾向于在相同的表面位置（晶体的边缘/角落）聚集并发生反应。上述观察结果充分证实了TiO2晶面结（即边缘角）的存在；揭示了光催化活性位点的性质，并提供了一种设计合成高活性光催化材料的新策略。Wei-Kang Wang, Jie-Jie Chen, Zai-Zhu Lou, Sooyeon Kim, Mamoru Fujitsuka, Han-Qing Yu,and Tetsuro Majima. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019.DOI:10.1073/pnas.1907122116https://www.pnas.org/content/early/2019/09/03/1907122116
11. Chemical Reviews: TiO2表面的单分子光催化
异质光催化已经在光伏电池、光解水、污染物的光降解等诸多领域得到了广泛应用。因此，在过去的十几年里，这些重要的光催化过程，尤其是发生在TiO2上的光催化过程的反应机理已经通过多种表面科学手段得到了深入全面的研究。在本文中，大连化物所的Xueming Yang等对使用扫描电镜技术辅助的表面科学手段进行TiO2单晶表面上单分子光化学研究的相关成果进行了总结概括。文章首先讨论了TiO2不同晶面对于光催化性能的影响，这是TiO2光催化的基础。然后，作者展示了多种重要分子（如水分子、乙醇和醛类化合物等）在TiO2模型表面上的单分子降解过程来说明键的断裂以及吸附点和吸附状态在TiO2光催化中的作用。最后，文章简要探讨了TiO2单分子光催化领域所面临的机遇与挑战。QingGuo, Xueming Yang et al, Single Molecule Photocatalysis on TiO2 Surfaces,Chemical Reviews, 2019DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00226https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00226
12. Nano Lett.：一氧化氮刺激纳米系统释放药物用于治疗耐多药肿瘤
一氧化氮(NO)分子可通过降低P-糖蛋白(P-gp)的表达来逆转癌细胞的耐多药(MDR)效应，从而有效提高阿霉素(Dox)对耐药癌细胞的治疗效果。中科院长春应化所张海元研究员团队设计了一个可被NO刺激的纳米系统作为Dox的释放载体。实验在磷脂双层结构中嵌入了一种可对NO响应并发生水解的含o-苯二胺脂质体，并进一步利用其对负载有L-精氨酸(L-Arg)和Dox的Au@CuS纳米粒子进行包裹以形成ADLAu@CuS YSNPs。在808 nm激光的照射下，ADLAu@CuS YSNPs可以发生共振能量转移(RET)并生成活性氧(ROS)，从而可以有效地将L-Arg转化为NO，使磷脂双层结构发生失稳并且释放NO。而由于分子支架的限制，此时Dox尚不能从YSNPs中释放出来。但是随着NO释放过多，对NO响应的脂质体会被严重破坏使得Dox得以被释放。实验表明，这种可顺序释放NO和Dox的ADLAu@CuSYSNPsNO可显著抑制P-gp的表达，增强耐药MCF-7/ADR细胞中Dox的积累效率，具有良好的体内外治疗效果。LiWang, Haiyuan Zhang. et al. Nitric Oxide Stimulated Programmable Drug Releaseof Nanosystem for Multidrug Resistance Cancer Therapy. Nano Letters.2019DOI:10.1021/acs.nanolett.9b01869https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01869
