Nature系列9篇，诺奖得主、Bruce Dunn、侯仰龙、马丁等成果速递丨顶刊日报20191003

纳米人

2019-10-03

1. Nat. Rev. Mater.综述: 用赝电容材料实现高能量密度和高功率密度

电池和超级电容器是电化学储能设备的基础。尽管两者都依赖于电化学过程，但它们的电荷存储机制却不相同，从而导致不同的能量和功率密度。赝电容材料通过类似电池的氧化还原反应来存储电荷，但其速率可与电化学双层电容器媲美。因此，这些材料提供了实现高能量和高功率密度的途径。需要具有这些特性的材料，以实现能够长时间提供高功率的快速充电电化学储能装置。

近日，加州大学洛杉矶分校BruceDunn 综述了赝电容材料的基本电化学性能，重点介绍了动力学过程以及电池和赝电容材料之间的区别。此外，还讨论了各种类型的赝电容材料，重点介绍了本征材料和非本征材料之间的区别；评估设备应用；并展望该领域的未来前景。

Choi , C.  Dunn, B. et al. Achieving high energydensity and high power density with pseudocapacitive materials. NatureReviews Materials 2019.

DOI:10.1038/s41578-019-0142-z

https://www.nature.com/articles/s41578-019-0142-z

2. Nat. Rev. Chem.：使用电子显微镜监测液体介质中的化学反应

深入理解物质之间的结构-性质关系可以推动了化学，材料科学和生物学的发展。而化学合成和生物系统的转化主要发生在溶液中，因此科学家们研究重点集中在液相纳米系统上。这很大程度上依赖于光谱数据。电子显微镜可从原子尺度直接可视化化学系统和过程。但是，电子显微镜适合研究固体样品，直到最近才用于研究液相系统。

在过去的十年中，液相电子显微镜彻底改变了液体介质中反应的直接机理研究。液体样品扫描电子显微镜和（扫描）透射电子显微镜在纳米粒子化学，软物质科学，催化，电化学，电池研究和生物化学领域取得了突破。有鉴于此，圣彼得堡国立大学Valentine P.Ananikov团队对液相电子显微镜用于液体系统中化学反应机理的研究进行了总结。

AlexeyS. Kashin and Valentine P. Ananikov*. Monitoring chemical reactions in liquidmedia using electron microscopy. Nat. Rev. Chem., 2019

DOI: 10.1038/s41570-019-0133-z

https://www.nature.com/articles/s41570-019-0133-z

3. Nat. Nanotech.: 并存莫尔超晶格的石墨烯-氮化硼异质结构中的可调晶体对称性

在范德华（vdW）异质结构中，原子的薄晶体相互层叠在一起，晶格失配和层之间的旋转会导致长波长的莫尔超晶格。这些莫尔图案可以驱动复合材料的能带结构重建，从而导致出现各种现象，包括超导、磁性和莫尔激子。哥伦比亚大学Cory R. Dean 和James Hone团队研究由封装在氮化硼（BN）的两个晶体之间的单层石墨烯组成的器件，其中所有三个组件的旋转取向均受到控制。

研究发现，可以根据两个BN层的相对取向是0°还是60°来显着修改由与两个BN层的完美旋转对齐引起的石墨烯中的带隙，这表明在不存在或存在反转对称性之间存在可调的过渡在异质结构中。与所有三个层的完美对准之间的小偏差（<1°）会导致同时存在长波长莫尔条纹电位，从而导致具有多个次级Dirac点的高度重建的石墨烯能带结构。结果表明，多个莫尔条纹之间的相互作用可用于可控地改变复合异质结构的对称性和电子性能。

Tunablecrystal symmetry in graphene–boron nitride heterostructures with coexisting moiré superlattices，Nature Nanotechnology (2019)

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0547-2

4. Nature Photonics: 波导集成石墨烯中的热电子发射过程

从电子结构测量到自由电子激光源，光发射在许多领域都发挥着核心作用。在金属发射器中，单光子、多光子或强场发射是主要的光发射机理。南加利福尼亚大学Rehan Kapadia团队使用亚功函数3.06 eV的连续波激光器，观察到了波导集成单层石墨烯的光发射发生在峰值功率密度低于已报道的多光子和强场发射。

该行为可以通过石墨烯中热电子的发射来解释。在单层石墨烯中，消除了将光电子传输到发射表面的需要，从而极大地提高了热化之前发射的可能性。结果表明，集成光子驱动的热电子发射为电子发射和集成光子学提供了丰富的探索新领域。

Hot-electronemission processes in waveguide-integrated graphene，Nature Photonics (2019)

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0524-1 

5. Nature Electronics: 二维铁磁体的微磁法

石墨烯之父A. K. Geim，M.Kim和 P.Kumaravadivel等人证明了弹道霍尔微磁法可用于测量各个二维铁磁体的磁化强度。将研究的铁磁晶体放置在由封装的石墨烯制成的多端子霍尔棒的顶部。使用微磁力技术研究了原子薄的三溴化铬（CrBr₃）。

研究发现，该材料在低至单层厚度的情况下仍保持铁磁性，并表现出很强的面外各向异性。进一步发现，CrBr₃的磁响应随层数的变化很小，并且其温度依赖性无法通过二维铁磁性的简单伊辛模型（Ising model）来描述。

Micromagnetometryof two-dimensional ferromagnets, Nature Electronics (2019)

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0302-6

6. Nature Physics：高度相关金属中受挫磁性的量子临界相

在高度相关的金属中，通常会在反铁磁有序边界处形成奇怪的金属现象。先前的工作证明，它们与反铁磁阶数连续的量子相变相关的，由量子临界点锚定的波动。这些现象如何与零温度下潜在的物质新相联系在一起目前尚不清楚。

中科院物理所Frank Steglich，PeijieSun和莱斯大学QimiaoSi团队研究表明，扭曲的kagome金属间化合物铈钯铝中的4f局部矩的磁化失调产生了这种顺磁性量子临界相。研究发现激发了具有非常规激发的强相关金属态的设计原理。

Quantum-critical phase from frustrated magnetism in astrongly correlated metal，NaturePhysics (2019)

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0666-6

7. Nat. Commun.：纳米金刚石-石墨烯上锚定Cu1物种实现高效高选择性乙炔半氢化

设计廉价，无毒且储量丰富的过渡金属催化剂进行炔烃的选择性加氢在工业界和学术界都仍然是一个挑战。近日，中国科学院金属研究所刘洪阳，北京大学马丁，中国科学院上海应用物理研究所姜政等多团队合作，报道了一种新型的原子分散的铜负载在有缺陷的纳米金刚石-石墨烯（ND@G）上的催化剂，该催化剂对乙炔选择性加氢转化为乙烯具有出色的催化性能，具有高转化率（95％），高选择性（98％）和良好的稳定性（超过60 h）。通过Cu-C键锚定在石墨烯上的具有独特结构特征Cu原子确保了乙炔的高效活化和乙烯的轻松脱附，这是催化剂高活性和高选择性的关键。

FeiHuang, Yuchen Deng, Yunlei Chen, Xiangbin Cai, , ZhengJiang*, Anchoring Cu₁ species over nanodiamond-graphenefor semi-hydrogenation of acetylene. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-12460-7

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12460-7

8. Nat. Commun.：近红外光与肿瘤微环境双响应及尺寸可切换纳米胶囊用于多模式肿瘤治疗

用于癌症治疗的智能药物递送系统（SDDSs）在理论研究领域已经得到广泛关注，然而，开发具有早期诊断能力、增强药物递送和高效生物降解性的SDDSs仍然是一项科学挑战。在此，北京大学侯仰龙研究团队报告了一种近红外光和肿瘤微环境（TME）-双响应以及大小可切换的纳米胶囊，这些纳米胶囊是由Fe/FeO核壳纳米晶包裹着PLGA聚合物基质，并共载化疗药物和光热剂制成。

巧妙设计的纳米胶囊不仅可以在药物释放时收缩和分解成小尺寸的纳米药物，而且可以调节TME产生过量的活性氧物质，增强肿瘤的协同治疗。体内实验表明，这些纳米胶囊可以通过荧光/磁共振成像靶向肿瘤部位，并能提供显著的治疗效果。该策略合成的纳米胶囊具有增强渗透滞留效应、多模式抗癌特性和生物降解性，为下一代智能纳米胶囊提供了一个新的平台。

ZhiyiWang, Yanmin Ju, Yanglong Hou, et al. Near-infrared light and tumormicroenvironment dual responsive size-switchable nanocapsules for multimodaltumor theranostics. Nat. Commun., 2019.

https://doi.org/10.1038/s41467-019-12142-4

9. 牛津大学Nat.Commun.：N-TiO₂/MgO（111）材料高温下光催化水分解实现高量子效率

近年来，光催化水分解实现太阳能存储引起了极大的兴趣，但是尚未发现实用的方法。在过去的几十年中，已经开发出各种系统，但是由于电荷载流子的快速复合，使得大多数光催化系统存在活性低、光吸收范围窄及量子效率（Q.E.）差等问题。

近日，牛津大学Shik Chi Edman Tsang等发现，在高浓度的H⁺和OH^-下，N掺杂的TiO₂基纳米催化剂表面上的电子-空穴对复合被显著抑制，且在高温下光解水过程中，MgO（111）载体的局部电场极化。可实现在270℃，没有任何牺牲剂的情况下，具有较宽的光吸收，并以1：2的摩尔比产生O₂和H₂，H₂的释放速率超过11,000 μmol g^-1 h^-1。Q.E.可从437 nm的81.8％到1000 nm的3.2％之间变化。

YiyangLi, Shik Chi Edman Tsang,* et al. Photocatalytic water splittingby N-TiO₂ on MgO (111) with exceptional quantum efficiencies atelevated temperatures. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-12385-1

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12385-1

10. AM: 二维电催化剂将地球储量丰富的小分子电催化转化为有附加值的化学品的研究进展和展望

将地球储量丰富的小分子电催化转化为有附加值的化学品具有巨大的社会经济和环境效益。在这类电化学转化中，二维电催化剂是一类具有巨大应用潜力的新型高性能电催化剂。

近日，格里菲斯大学的Huijun Zhao教授课题组对在二维电催化剂的最新进展进行了综述，包括利用水、N₂、O₂、Cl⁻和甲烷等作为氮还原的反应物（N₂→NH₃），两电子ORR反应（O₂→过氧化氢），析氯反应（Cl⁻→氯），以及甲烷部分氧化（CH4→CH₃OH）反应生成NH₃、H₂O₂、Cl₂和CH₃OH等新兴领域的应用。这有点难度,和CH3OH新兴应用，而且重点阐述了二维形貌结构的特点和构建高性能二维电催化剂的策略，利用这些特征创造高性能的二维电催化剂，最后对上述每种反应的二维电催化剂所面临的挑战和未来发展的方向进行了展望。

HuajieYin, Yuhai Dou, Shan Chen, Zhengju Zhu, Porun Liu^*, Huijun Zhao^*. 2D Electrocatalysts for Converting Earth-AbundantSimple Molecules into Value-Added Commodity Chemicals: Recent Progress andPerspectives. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201904870

https://doi.org/10.1002/adma.201904870

11. Nano Lett.：磁性纳米复合材料用于对肿瘤的药物释放进行定量监测

对体内的药物释放进行监测可以为指导用药提供准确可靠的信息。磁性粒子成像(MPI)是以超顺磁性纳米粒子作为对比剂和唯一信号源的一种成像模式，具有很高的组织穿透深度和可量化的信号强度，因此是一种很好的用于监测体内药物释放的理想仿生。

斯坦福大学医学院Bryan Ronain Smith教授团队设计了一种超顺磁性的核壳纳米复合材料，并利用其对化疗药物DOX进行负载，从而进行双药递送和MPI的定量示踪。该纳米复合材料在弱酸性的微环境(pH = 6.5)下会发生降解进而持续释放DOX，并且Fe₃O₄纳米团簇也会逐渐分解并引起MPI信号变化。研究结果发现，该纳米复合材料诱导的MPI信号变化与阿霉素的释放速率呈线性相关(R² =0.99)，并在细胞水平和肿瘤小鼠模型上证明了这一结论。

XingjunZhu, Jianfeng Li, Bryan Ronain Smith. et al. Quantitative Drug ReleaseMonitoring in Tumors of Living Subjects by Magnetic Particle ImagingNanocomposite. Nano Letters. 2019

DOI:10.1021/acs.nanolett.9b01202

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01202

12. AEM: 碳布负载Cr掺杂Co₄N纳米棒阵列催化剂用于碱性电解水催化

氢能的开发利用对于解决能源危机和环境污染问题具有重要意义，电化学分解水产氢是制备氢能的一种重要方式，然而，HER和OER缓慢的动力学反应极大地限制了电解水产氢效率，尤其是在碱性介质中的HER动力学比酸性介质中的HER动力学低约两到三个数量级，因此，设计制备高效的电催化剂催化碱性介质中的HER亟待解决。

鉴于此，武汉大学的罗威教授和陈胜利教授团队通过水热法和高温氮化工艺制备了碳布负载Cr掺杂Co₄N纳米棒阵列催化剂（Cr-Co₄N/CC），Cr掺杂奇高了调节Co电子结构和促进水吸附和解离的亲氧位点的协同效应，因此Cr-Co₄N/CC在碱性介质中对HER具有优异的催化活性，其在1 mol/L KOH溶液中，获得10 mA/cm²的电流密度仅需要21 mV的过电位，并且具有很好的循环稳定性。此外，研究发现掺杂其他高正价的过渡金属（Mo，Mn，Fe）也会大大提高催化HER的性能，该工作为设计制备高催化活性的HER催化剂提供了一种新的思路。

NaYao, Peng Li, Zirui Zhou, Yuanmeng Zhao, Gongzhen Cheng, Shengli Chen^*,Wei Luo^*. Synergistically Tuning Water and Hydrogen BindingAbilities Over Co₄N by Cr Doping for Exceptional Alkaline HydrogenEvolution Electrocatalysis. Advanced Energy Materials, 2019.

DOI：10.1002/aenm.201902449

https://doi.org/10.1002/aenm.201902449