锌电池Science，可穿戴器件Nature，复旦大学Nature丨顶刊日报20191102

纳米人

2019-11-02

1. Science: 电池负极中的可逆金属外延电沉积

金属在液-固界面上形成不规则和非平面电沉积层的倾向已经严重阻碍了金属作为二次电池负极材料的实际应用。在本文中，康奈尔大学的Lynden A. Archer等报道了一种外延机制来调控金属负极的成核与可逆生长。作者定义了金属可逆外延电沉积金属的晶体学、表面织构和电化学等标准，并证明了金属锌（Zn）是一种安全、低成本、高能量的电池负极材料。

他们发现石墨烯具有较低的晶格失配度，可以有效地驱动金属锌在固定晶相取向上发生电沉积。这样得到的外延金属锌负极在中高倍率下循环数千周都还保持良好的电化学可逆性。该工作表明金属的可逆外延电化学沉积为高可逆性的高能量密度电池的发函提供了一条通用的途径。

JingxuZheng, Qing Zhao, Lynden A. Archer et al, Reversible epitaxialelectrodeposition of metals in battery anodes, Science, 2019

DOI:10.1126/science.aax6873

https://science.sciencemag.org/content/366/6465/645?rss=1

2. Nature：干式双面胶带用于粘接湿组织和植入设备

通过分子间的作用力，如氢键、静电相互作用和范德华相互作用，两个干燥的表面可以瞬间附着在一起。然而，当涉及到身体组织等湿表面时，这种瞬间粘附是具有挑战性的，因为水将两个表面的分子分开，阻止了相互作用。虽然与缝合或吻合术相比，组织粘接剂具有潜在的优势，但现有的液体或水凝胶组织粘接剂存在着粘接力弱、生物相容性差、与组织机械匹配差、粘接形成缓慢等缺陷。

近日，美国麻省理工学院赵选贺研究小组，开发出一种替代的组织粘合剂，其形式为干式双面胶带（DST），由生物聚合物（明胶或壳聚糖）和接枝有N-氢琥珀酰亚胺酯的交联聚丙烯酸组成。这种DST的粘附机制取决于从组织表面去除界面水，从而导致与表面的快速临时交联。随后与组织表面上的胺基进行共价交联进一步改善了DST的粘附稳定性和强度。体外小鼠、体内大鼠和体外猪模型表明，DST可以在五秒钟内在各种湿动态组织和工程固体之间实现强力粘附。DST可用作组织粘合剂和密封剂，以及将可穿戴和可植入设备粘附到湿组织上。

Hyunwoo Yuk, Claudia E. Varela, Christoph S.Nabzdyk, et al. Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices.Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1710-5

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1710-5

3. Nature：HTT-LC3连接化合物对变异HTT蛋白的等位基因选择性降低

突变蛋白的积累是许多疾病(统称为蛋白病)的主要原因，降低这些蛋白的水平可以有效地治疗这些疾病。研究人员假设与自噬小体蛋白微管相关蛋白1A / 1B轻链3（LC3）和致病蛋白都相互作用的化合物可能针对后者进行自噬清除。突变的亨廷顿蛋白（mHTT）包含延伸的多聚谷氨酰胺（polyQ），并引起亨廷顿氏病，这是一种不可治愈的神经退行性疾病。近日，复旦大学鲁伯埙、丁澦和费义艳等人合作，开发出能够利用细胞自噬作用选择性降低突变亨廷顿（HTT）蛋白的小分子化合物。

通过使用基于小分子微阵列的筛选，研究人员确定了四种与LC3和mHTT相互作用但与野生型HTT蛋白不相互作用的化合物。其中一些化合物将mHTT靶向自噬体，以等位基因选择性方式降低mHTT水平，并在亨廷顿舞蹈病的果蝇和小鼠模型中挽救了细胞和体内与疾病相关的表型。研究人员进一步表明，这些化合物与延伸的polyQ相互作用，并可能降低突变的共济失调蛋白3（ATXN3）的水平，后者是另一种具有延伸polyQ的致病蛋白。这项研究提出了可降低mHTT和可能具有polyQ延伸作用的其他致病蛋白的候选化合物，证明了使用自噬连接蛋白降低致病蛋白水平的概念。

Zhaoyang Li, Cen Wang, Ziying Wang, et al.Allele-selective lowering of mutant HTT protein by HTT–LC3 linkercompounds. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1722-1

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1722-1#Sec41

4. Nat. Commun.: 导电二维MOF作为水系锌电池的高性能正极

当前，就倍率性能，成本和安全性而言，可充电水系锌电池是锂离子电池的有前途的替代品。美国西北大学J. Fraser Stoddart团队采用具有较大一维通道的二维（2D）导电MOF Cu₃(HHTP)₂作为锌电池正极。

由于其独特的结构，直接插入主体结构Cu₃(HHTP)₂的水合Zn²⁺离子具有较高的扩散速率和较低的界面电阻，使Cu₃(HHTP)₂正极能够遵循插层赝电容机制。Cu₃(HHTP)₂在50 mA g^-1时具有228 mAh g^-1的高可逆容量。在4000 mA g^-1（〜18 C）的高电流密度下，经过500次循环后，可保持75.0％的初始容量。

KwanWoo Nam, Sarah S. Park, Roberto dos Reis, Vinayak P. Dravid, Heejin Kim, ChadA. Mirkin, J. Fraser Stoddart, Conductive 2D metal-organic framework forhigh-performance cathodes in aqueous rechargeable zinc batteries, NatureCommunications, 2019.

DOI:10.1038/s41467-019-12857-4

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12857-4

5. Nat. Commun.: 可印刷的镁离子准固态不对称超级电容器用于柔性太阳能集成单元

穿戴和便携式自供电装置在科学和技术领域都引起了相当大的关注。但是，它们的创新发展仍然受到功能模块之间效率低下的连接，循环稳定性差的不兼容储能系统以及实际安全问题的限制。苏州大学孙靖宇、阿卜杜拉国王大学Yuanlong Shao和加州大学洛杉矶分校Richard B. Kaner等人基于印刷的镁离子水系不对称超级电容器设计出一种柔性太阳能集成单元。

该功率单元具有出色的机械强度，高的充电循环稳定性（100次循环后的电容保持率为98.7％）、出色的整体能量转换、存储效率（η= 17.57％），和出色的输入电流容限。此外，Mg离子准固态不对称超级电容器通过赝电容离子存储显示出高达13.1 mWh cm^-3的高能量密度。这些发现为未来自供电系统的设计开辟了一条可行的道路，该系统将提供良好的安全性，长寿命和高能量。

ZhengnanTian, Xiaoling Tong, Guan Sheng, Yuanlong Shao, Lianghao Yu, Vincent Tung,Jingyu Sun, Richard B. Kaner, Zhongfan Liu, Printable magnesium ionquasi-solid-state asymmetric supercapacitors for flexible solar-chargingintegrated units, Nature Communications, 2019.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12900-4

6. Nat. Commun.: 光加速锂离子电池的快速充电！

锂离子电池的一个严重限制是用于获得全部容量的缓慢充电速率。迄今为止，还没有增加能量密度和电化学性能的方法来提高充电速率。阿贡实验室Christopher S.Johnson等人表明，通过与白光的相互作用，正极的充电速率可以显著提高。

研究发现，在充电期间将光直接照射到工作中的LiMn₂O₄正极会导致电池充电时间显著减少两倍或更多。这种增强是通过感应微秒长寿命的电荷分离状态实现的，该状态由Mn⁴⁺（空穴）和电子组成。这导致更多的金属中心被氧化，并且在光和电压偏置下会产生喷射出的锂离子。研究者预计，这一发现将为新型快速充电电池技术的发展铺平道路。

AnnaLee, Márton Vörös,Wesley M. Dose, Jens Niklas, Oleg Poluektov, Richard D. Schaller, Hakim Iddir,Victor A. Maroni, Eungje Lee, Brian Ingram, Larry A. Curtiss, Christopher S.Johnson, Photo-accelerated fast charging of lithium-ion batteries, NatureCommunications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-12863-6

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12863-6

7. Nat. Commun.: 二维电子光谱检测钙钛矿纳米晶体中的液体状线形动力学

由于其各种出色的光学性能，卤化钙钛矿再次引起了极大的关注。缺陷是通过在离子晶格内的极化子形成的，缺陷耐受性是这些材料的关键方面。极化子的形成是由于原子涨落与电子态的动态耦合而引起的。因此，鉴于潜在的光电应用，测量这些波动的特性是至关重要的。

麦吉尔大学Patanjali Kambhampati团队采用二维电子光谱法（2DES），通过均匀线形动力学来研究CsPbI₃钙钛矿纳米晶体中电子间隙相关性的时间尺度和幅度。2DES数据显示出不可逆的扩散动力学，其定性与共价固体（例如CdSe量子点）中的相干动力学不一致。相反，这些动力学与100 fs时标上的类似液体的结构动力学一致。这些动力学被赋予极化子形成的光学特征，极化子形成是溶剂化的概念性固态类似物。

Two-dimensionalelectronic spectroscopy reveals liquid-like lineshape dynamics in CsPbI₃ perovskitenanocrystals, Nature Communications (2019)

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12830-1

8. Nat. Commun.: 通过化学策略调整锂金属负极的熔融锂润湿性

金属锂具有最高的理论容量和最低的电化学势，被视为高能量密度可充电电池负极的主要竞争者。然而，熔融锂的差润湿性不允许其散布在疏油性基材的表面上，从而阻碍了该负极的生产和应用。

中科院化学所郭玉国课题组报道了通过使熔融锂与功能性有机涂层或元素添加剂反应来克服这一难题的一般化学策略，发现吉布斯形成能和新形成的化学键是润湿行为的决定因素。由于提高了润湿性，因此获得了一系列厚度为10–20μm的超薄锂，并在锂金属电池中具有非常优异的电化学性能。这些发现为调节熔融锂的润湿性提供了方向，并为大规模生产超薄锂提供了可承受的策略，并且可以进一步扩展到其他碱金属，例如钠和钾。

9. Angew: 新型杂化有机-无机反钙钛矿

用有机基团取代ABX₃型钙钛矿的A位和,或X位离子可产生杂化钙钛矿，其中许多钙钛矿显示出其母体化合物以外的奇异特性。但是，这种方法不能有效地扩展到混合反钙钛矿，这导致了杂化反钙钛矿研究的空白。江西理工大学Yi Zhang和Heng-Yun Ye团队将根据Goldschmidt容忍系数的概念描述混合抗钙钛矿的设计。

为A和B位点选择球形阴离子，为X位点选择球形有机阳离子，并分离出7种杂化反钙钛矿。这些新结构揭示了无机抗钙钛矿的A，B和X位的所有离子都可以被分子离子取代，从而形成杂化抗钙钛矿。这项工作将促进大量杂化反钙钛矿的合成，从而推动杂化反钙钛矿的化学发展。

NewHybrid Organic‐Inorganic Antiperovskites，Angew, 2019

https://doi.org/10.1002/anie.201908945

10. AM：单元素二维材料的新兴应用

随着元素主族材料（即硅和锗）在现代电子领域的快速发展，其二维（2D）材料在下一代电子材料以及光电能源领域中蕴含着极大的潜力。这些由原子周期表中第III族至第VI族元素的组成的单原子级2D材料显示出令人兴奋的特性，例如铋中的近室温拓扑绝缘，磷和硅酮中的极高电子迁移率等。

近日，美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan团队报道了一篇关于元素2D材料的综述。他们首先关注了2D材料中缺陷/功能化的重要性，不同同素异形体的讨论以及二维主族元素材料的总体结构-属性关系。然后，按应用类型对电子，传感，自旋电子，等离子，光电探测器，超快激光器，电池，超级电容器和热电学中的新兴应用进行了全面回顾，包括对如何针对每种特定应用调整材料性能的详细说明。

NicholasR. Glavin, Rahul Rao, Vikas Varshney, Elisabeth Bianco, Amey Apte, Ajit Roy,Emilie Ringe, Pulickel M. Ajayan. Emerging Applications of Elemental 2DMaterials. Adv. Mater., 2019.

DOI：10.1002/adma.201904302

https://doi.org/10.1002/adma.201904302

11. JACS: 荧光延迟至1000 nm，一种简单的分子设计策略！

利用电磁频谱的近红外（NIR）区域对于光伏，电信和生物医学极为重要。尽管热激活延迟荧光（TADF）材料由于其强烈的发光和狭窄的交换能（ΔEST）而引起了广泛关注，但它们仍远不如NIR中的常规荧光染料，这妨碍了其应用。这是因为要确保为NIR发射提供足够强的D-A相互作用以及TADF所需的窄ΔEST极具挑战性。

剑桥大学Daniel G. Congrave和Hugo Bronstein团队研究证明，通过放弃常见的多施主模型而采用D-A二元结构，可以获得足够强的D-A相互作用，以实现能够实现接近1000 nm的光致发光（PL）的TADF发射器。还报告了峰值波长为904 nm的电致发光（EL）。该策略在概念上和合成上都很简单，并且为未来NIR TADF材料的开发提供了一种新方法。

Asimple molecular design strategy for delayed fluorescence towards 1000 nm，J. Am. Chem. Soc. 2019

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09323

12. JACS: 氧空位到底如何影响载流子动力学？

氧空位普遍存在于金属氧化物中，并且对其性能起着至关重要的作用。然而氧空位对光电化学和光催化应用中电荷载流子动力学的影响仍然存在争议，并且人们对其了解甚少。一个关键的挑战是光谱指纹的明确识别，可以用来跟踪它们的功能。近日，帝国理工Ernest Pastor和James R. Durrant采用五种互补技术来原位调节BiVO₄光阳极中与氧空位相关的电子占用状态，使我们能够识别这些状态电离的光谱特征。

对于这种电离过程，得到的活化能~0.2 eV电离作用过程，热激活电子从氧空位去俘获，确定了电子提取的动力学，这与在高温下改进的光电化学性能一致。然而，大量的未电离态起到深孔陷阱的作用，这种陷阱空穴在能量上不能驱动水氧化。这些观察结果有助于解决最近文献中关于氧空位功能的争议，为研究它们对光电化学性能的影响提供了新的见解。

ShababaSelim, Ernest Pastor, Miguel García-Tecedor, Madeleine R Morris, Laia Francas, Michael Sachs,Benjamin Moss, Sacha Corby, Camilo A. Mesa, Sixto Gimenez, Andreas Kafizas,Artem A. Bakulin, and James R. Durrant. Impact of oxygen vacancy occupancy oncharge carrier dynamics in BiVO₄ photoanodes. Journal of theAmerican Chemical Society. 2019

DOI:10.1021/jacs.9b09056

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09056