杨培东院士课题组2019年研究成果集锦
雨辰
2020-01-09
纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是美国国家科学院院士，美国艺术与科学院院士、上海科技大学物质科学与技术学院院长，加州大学伯克利分校杨培东教授。
杨培东教授主要致力于基于纳米线的能源、光学、催化等领域的研究，尤其是在半人工光合作用、纳米催化、纳米光子学、太阳能电池、热电材料、纳米流体等领域。杨培东教授正尝试将自然和科技进行完美的结合，通过人工光合作用将太阳光转变为液体燃料，也就是像植物一样通过“光合作用”来获取人们社会所需要而日益枯竭的能源，并为太空探索提供能源支撑，近年来取得了多项重要突破。下面，我们简要总结了杨培东教授课题组2019年部分研究成果，供大家交流学习。1）由于相关论文数量较多，本文仅限于通讯作者文章，以online时间为准。2）由于学术有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。
1. 卤化钙钛矿中阴离子交换动力学的定量成像丨PNAS
离子交换作为一种后合成转化策略，在控制材料成分和结构方面提供了更多的灵活性，超越了直接合成方法。目前，尚未实在具有丰富空间和光谱信息的单粒子水平上观察这种转化动力学。近日，加州大学伯克利分校杨培东教授研究团队使用共聚焦光致发光显微镜报道了单个单晶卤化钙钛矿纳米片中阴离子交换动力学的定量成像。研究人员系统地观察到纳米片上的对称阴离子交换途径，其依赖于反应时间和板厚度，这由晶体结构和扩散限制转化机制控制。基于反应-扩散模型，卤化物扩散系数估计为10-14 cm2·s-1。这种扩散控制机制通过精确控制的阴离子交换反应形成具有空间分辨的相干界面的2D钙钛矿异质结构，提供了用于在纳米/微尺度上定制半导体功能的设计方案。Zhang, Y. Yang, P. et al.Quantitative imaging of anion exchange kinetics in halide perovskites. PANS2019.DOI:10.1073/pnas.1903448116https://www.pnas.org/content/pnas/116/26/12648.full.pdf
2. In基电荷有序全无机卤化物双钙钛矿丨PNAS
金属卤化物钙钛矿因其卓越的光电性能而引起了广泛的应用兴趣。具有各种晶体结构和组成的环保型卤化钙钛矿材料的开发为实现所需的性能和应用提供了前所未有的机会。近日，加州大学伯克利分校杨培东等人展示了一种通过固相反应合成的Cs2In（I）In（III）Cl6 In基电荷有序全无机卤化物双钙钛矿。研究人员通过研究其高压光学性质，发现了压力驱动的完全可逆的半导体-金属相变。这种基于In的电荷有序结构可能会激发人们对钙钛矿卤化物的新认识，并为将来发现奇特的电子现象（例如钙钛矿卤化物中的高TC超导性）提供平台。Yang,P. et al. Pressure-induced semiconductor-to-metal phase transition of acharge-ordered indium halide perovskite. PNAS 2019.DOI:10.1073/pnas.1907576116https://www.pnas.org/content/pnas/116/47/23404.full.pdf
3. 高效Cu基全无机稀土卤化物团簇发光材料丨Matter
自2014年以来，铅卤钙钛矿纳米晶材料由于具有优异的发光性能，引起人们广泛的研究兴趣。基于钙钛矿材料的绿光、红光发光二极管外量子效率已超过20%。但是钙钛矿蓝光发光材料的研究较为滞后。然而，高效发光的铅卤钙钛矿材料由于铅的毒性问题，对环境将产生一些潜在风险。因此，科学界一直在寻找低毒性的金属卤化物钙钛矿材料作为后备策略。其中最为常见的是用一价和三价离子取代二价的铅离子，形成交替排列的双钙钛矿构型。由于可选择的一价和三价元素较多，这类结构提供了组分调节的巨大空间，以及特殊的物理化学性质，在光电和X射线探测方面有潜在的应用。但是，通常的双钙钛矿材料其三维晶格中一价和三价八面体有序排列形成强局域电场，阻碍电荷的迁移，相比普通含铅钙钛矿而言发光特性较差。近期，加州大学伯克利分校杨培东教授团队提出了一种构造发光稀土卤化物团簇材料的新策略，通过固态反应法设计制备了一系列新型全无机铜基稀土卤化物材料。在这类结构中，一价铜离子（Cu+）和三价稀土离子（Sc3+、Y3+）取代二价铅（Pb2+），两个一价铜离子连接三个稀土卤化物八面体，与卤素离子呈三配位构型，在交替层形成搅拌轮状的团簇。虽然Sc3+、Y3+离子和它们的卤化物八面体在可见光范围内无轨道跃迁发光，当和一价铜离子结合后，得到的材料发光具有显著增强。研究表明，团簇结构中铜离子的敏化作用对于增强稀土卤化物发光起关键作用。该类全无机三配位一价铜化合物是具有全新结构的强蓝光发光材料，并有望在未来的固态发光、传感、显示应用中发挥重要作用。JiaLin, Hong Chen, Jun Kang, Li Na Quan, Zhenni Lin, Qiao Kong, Minliang Lai,Sunmoon Yu, Lei Wang, Lin-wang Wang, Michael F. Toney*, Peidong Yang*.Copper(I) Based Highly Emissive All-Inorganic Rare-Earth Halide Clusters.Matter, 2019.DOI:10.1016/j.matt.2019.05.027https://sciencedirect.xilesou.top/science/article/pii/S2590238519300529
4. 二维钙钛矿纳米片自组装成有序的球状钙钛矿相丨JACS
纳米粒子的自组装对纳米科学来说是一个非常有趣的过程，在这个过程中，纳米晶体单元组装成更有序的超结构。近日，加州大学伯克利分校杨培东教授等人报道了一种二维钙钛矿纳米板的逐层组装。结构分析表明，所组装的超晶格纳米晶体与层状的拉斯顿-波普钙钛矿相相匹配。这种组装被证明是可逆的，因为这些超晶格纳米晶体可以通过超声处理可逆地剥落回构成单元。这项研究为进一步理解和利用热力学来增加纳米颗粒体系的有序性，以及从二维弱吸引钙钛矿结构块研究超晶格的光学性质提供了新的平台。Yong Liu, Martin Siron, Dylan Lu, Jingjing Yang, Roberto dos Reis, Fan Cui, MengyuGao, Minliang Lai, Jia Lin, Qiao Kong, Teng Lei, Joohoon Kang, Jianbo Jin, JimCiston, Peidong Yang. Self-Assembly of Two-Dimensional Perovskite NanosheetBuilding Blocks into Ordered Ruddlesden–Popper Perovskite Phase, Journal of theAmerican Chemical Society, 2019.https://doi.org/10.1021/jacs.9b06889
5. MOF用于电化学还原二氧化碳丨JACS
金属有机骨架化合物(Metal organic Frameworks，MOFs)是一种由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。作为有机-无机杂化材料，也称配位聚合物，具有三维的孔结构，兼有无机材料的刚性和有机材料的柔性特征。使其在催化、储能、分离和材料研究方面呈现出巨大的发展潜力和诱人的发展前景。近年来，CO2催化转化制燃料或高值化学品，特别是CO2电催化还原制备合成气等有望实现CO2的温和、清洁转化，受到越来越多研究者的关注。多质子和多电子的CO2RR途径在水溶液中与析氢反应（HER）竞争，在动力学上缓慢，从而需要更多的还原过电势，因此设计开发具有增强CO2RR活性的非均相电催化剂直观重要。近日，加州大学伯克利分校Peidong Yang，Omar M. Yaghi教授等人合成了一种新的阴离子三维金属框架MOF-1992，其具有空间可达的Co活性位点和优异的电荷转移特性。基于MOF-1992和炭黑(CB)组装的阴极表现出较高的电活性位点覆盖率(270nmol cm−2)和高电流密度(-16.5 mA cm−2，过电位为-0.52 V)，用于CO2在水中还原合成CO的法拉第效率为80%，在6h内，MOF-1992/CB阴极达到了5800的翻转次数。MOF-1992所达到的高电流密度归因于该结构优异的3D导电性，而且MOF-1992使得电极上具有丰富的电催化活性位点。MOF-1992证明了分子催化剂在金属与配体骨架中的网状结构是如何作为CO2还原反应的高性能阴极的。RocMatheu, Enrique Gutierrez-Puebla, M. Ángeles Monge, Christian S. Diercks,Joohoon Kang, Mathieu S. Prévot, Xiaokun Pei, Nikita Hanikel, Bing Zhang,Peidong Yang, Omar M. Yaghi. Three-Dimensional PhthalocyanineMetal-Catecholates for High Electrochemical Carbon Dioxide Reduction. Journalof the American Chemical Society, 2019.https://doi.org/10.1021/jacs.9b09298
6. 设计用于电化学CO2还原的材料丨Nature Catalysis
电化学CO2还原是一种使用可再生能源合成燃料和化学原料的非常具有潜力的技术。然而，在使这项技术规模化应用的道路上，还存在较多材料、机理和应用方面的障碍。将催化剂设计与催化机理相结合，加深对电化学CO2还原反应机理的认识，是将电化学CO2还原技术推向工业化应用的前提。在催化剂的高效催化电化学CO2还原作用下，生成有价值的碳基产品，并且具有更好的选择性、更低的过电势和更长的工作电流密度，是这一技术目前需要努力的方向。有鉴于此，加州大学伯克利分校杨培东教授和加拿大多伦多大学的EdwardH. Sargent等人合作概述了电化学CO2还原领域的最新进展，并确定了能够在中性条件下实现碳可再生能源储存和利用的催化剂的机理问题和性能指标。该工作有利于促进电化学CO2还原技术的进一步发展。Ross, M. B., De Luna, P. et al.Designing materials for electrochemical carbon dioxide recycling. NatureCatalysis, 2019DOI: 10.1038/s41929-019-0306-7.https://www.nature.com/articles/s41929-019-0306-7
7. CO2/CO共进料下铜催化二氧化碳还原丨Nature Nanotechnology
一项新技术发现，CO2/CO共进料下铜催化二氧化碳还原性能得到极大提升。有鉴于此，加州大学伯克利分校杨培东教授等人对这项二氧化碳电催化还原技术进行了述评。现代社会的许多燃料、材料和化学品都是由化石燃料的燃烧产物制成的。这一碳密集型化学过程导致对石油的过度依赖，加上难以维持的温室气体排放，加剧了气候变化和环境污染问题。然而，作为废物排放的二氧化碳可以作为增值燃料和化学前体循环利用。如果这样一个过程可以用可再生电力来驱动，同时也为可再生电力的储存提供了一种新的化学途径。这项技术的核心是以纳米材料为基础的催化剂，它可以将通过电能将二氧化碳还原为增值燃料。由于铜是已知的唯一一种有利于C2+形成的非均相催化剂材料，因此在理解不同条件下铜表面上C–C键的形成过程方面已经做了大量的工作。除了二氧化碳的直接转化外，考虑到一氧化碳作为C2+形成的中间产物的作用，将其还原为多碳产品的研究也日益增多。研究发现，将气态CO以足够的负电位添加到进料中，提供了一个重要的碳源，可用于不同于CO2衍生碳的耦合。在二氧化碳电催化方面，特别是在多碳化合物方面，还有许多工作要做。为了提高能源效率，过电位必须大大降低，而形成不同多碳产物(例如乙烯与乙醇或其他氧合物)的基本机制途径尚未阐明。从材料的角度来看，对于促进C-C偶联反应的表面位置，还没有一个清晰的描述。然而，与纯原料CO2或CO相比，有效使用CO/CO2系统的前景为探索这些问题提供了新的机会。相信通过设计制备具有明确和可控结构和组成的纳米级催化剂，将继续推动二氧化碳电催化走向成熟。YifanLi, Peidong Yang. Co-feeding copper catalysts couple carbon, NatureNanotechnology, 2019.DOI:10.1038/s41565-019-0575-yhttps://doi.org/10.1038/s41565-019-0575-y8. 纳米孔电穿孔技术用于在细胞内传递生物大分子丨PNAS加州大学伯克利分校杨培东教授团队提出了一个利用纳米孔-电穿孔(NanoEP)平台来将核酸、功能蛋白和Cas9单链向导RNA核糖核酸蛋白递送到贴壁细胞和悬浮细胞中，且递送效率高达80%，细胞存活率>95%。当细胞与纳米孔紧密接触时，低压电脉冲会使细胞膜的一小块区域发生渗透，随后生物分子会通过纳米孔电泳进入细胞。除了具有低细胞毒性和高性能递送等优势之外，该NanoEP系统既不需要专门的缓冲液和昂贵的材料，也不用复杂的制造和细胞操作过程。因此，该NanoEP平台也为细胞内的生物分子递送提供了一种有效而灵活的方法。Cao, Y.H., Yang, P.D. et al. Nontoxic nanoporeelectroporation for effective intracellular delivery of biologicalmacromolecules.PNAS, 2019.https://www.pnas.org/content/early/2019/03/27/1818553116全光子集成电路是超越摩尔定律限制的未来系统的有前途的平台。经过不断的发展，一维（1D）纳米线在光子电路中表现出巨大的潜力，因为其独特的一维结构可有效地产生和严格限制光学信号以及易于调节的光学特性。杨培东团队基于光学特性（即半导体、金属和电介质纳米线）对纳米线进行分类，以用于其潜在的光子应用（作为光发射器或等离子体和光子波导）。进一步讨论了最近在将基于纳米线的光子元件集成到下一代光学信息处理器方面的诸多进展。然而，在将纳米线充分用作光子构建块之前仍然存在许多挑战。最后。提供了科学和技术挑战和展望，以指明未来的方向。Quan, L. N., Kang, J., Ning, C.-Z. & Yang, P.Nanowires for Photonics. Chem. Rev., 2019DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00240 (2019).https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00240
10. 纳米粒子催化中的表面和界面控制丨 Chem. Rev.
非均相催化剂的表面和界面对其性能至关重要，因为它们通常被认为是催化反应的活性中心。随着纳米科学的发展，调节纳米结构的表面和界面的能力为开发和优化多相催化剂提供了一种通用的方法。近日，加州大学伯克利分校杨培东教授等总结了氧还原反应（ORR），电化学CO2还原反应（CO2RR）和串联催化纳米颗粒催化剂的表面和界面控制。在第一部分中，作者从ORR在纳米级表面上的活性开始，然后集中介绍了优化Pt基催化剂性能的方法，包括合金化，核壳结构和高表面积开放结构。对于CO2RR，其催化剂的表面组成起主要作用，作者介绍了其反应基础和不同纳米金属催化剂的性能。对于串联催化，其单个纳米结构中的相邻催化界面催化顺序反应，作者描述了其概念和原理，催化剂合成方法以及在不同反应中的应用。Chenlu Xie, Zhiqiang Niu,Dohyung Kim, Mufan Li, Peidong Yang*, et al. Surface and Interface Controlin Nanoparticle Catalysis. Chem. Rev., 2019DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00220https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00220
11. 纳米线的光电化学丨Chem. Rev.
最近光电化学在半导体/液体界面上的应用提供了一种模拟自然光合作用，并从阳光、水和空气中产生化学物质的可再生途径。纳米线被定义为一维纳米结构，在光电电化学应用中表现出多种独特的特性，与体积纳米线相比，具有更好的性能。近日，加州大学洛杉矶分校刘翀和加州大学伯克利分校杨培东教授、南洋理工大学的刘斌教授等人综述了半导体纳米线在光化学中的应用。首先介绍了纳米线和光电化学的基本概念，然后综述了以下问题的答案：(1)如何将半导体纳米线与其他构件连接起来以增强光电化学响应？(2)如何利用纳米线进行光电化学半反应？(3)什么技术能够在单纳米线水平上获得光电化学的基本知识？(4)模拟人工光合作用封闭循环的集成纳米系统的设计策略是什么?该工作有助于读者评估纳米线在光电化应用方面的显著特点，从而推动半导体纳米线在光化学中的应用。JiaoDeng, Yude Su, Dong Liu, Peidong Yang, Bin Liu, Chong Liu. NanowirePhotoelectrochemistry, Chemical Reviews, 2019.DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00232https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00232除此之外，杨培东教授课题组2019年在人工光合作用、一维纳米材料、热电材料方面还发表了一系列重要成果，由于内容较多，在此不一一列出。感兴趣的读者可前往杨培东教授课题组网站学习。（http://www.cchem.berkeley.edu/pdygrp/main.html）
杨培东（Yang Peidong），国际顶级纳米材料科学家。1988年考入中国科学技术大学应用化学系，1993年赴美国哈佛大学求学，1997年获哈佛大学化学博士学位。2012年当选美国艺术与科学院院士，2016年当选美国国家科学院院士。（注：以上简介及文中海报整理自网络及杨培东教授课题组网站）
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