顶刊日报丨8篇AM，李玉良、于吉红、陈忠伟、孙学良、卜显和、许武、张继光等成果速递20201107
纳米人
2020-11-09
1. PNAS：盐-溶剂配合物中的内部溶剂化鞘层在定制锂金属电池的电极/电解质中间相中的作用
在具有长寿命、高能量密度的可充电锂金属电池（LMBs）中，功能电解液是稳定高还原锂（Li）金属负极和高压正极的关键。然而，目前人们尚不清楚关于反应电极和电解液相互作用的基本机制。近年来，局域化高浓度电解质(LHCE)成为一种很有前途的LMBs电解质设计策略。有鉴于此，美国西北太平洋国家实验室许武教授，张继光教授报道了以碳酸二甲酯(DMC)、四甲基砜(TMS)、磷酸三乙酯(TEP)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)为模型溶剂，系统地研究了四种不同类型LHCE的电池，以阐明它们在锂金属负极（LMA）和正极上的不同行为机理。1）实验结果表明，尽管溶剂分子在LHCE中所占比例很低，但内溶剂化鞘层中的溶剂分子对电极中间相的稳定性有重要影响，特别是在高压正极上。进一步的理论计算表明，内溶剂化鞘层中盐和溶剂之间的质子/电荷转移反应在界面化学反应中起着重要作用，对电池的循环稳定性有重要影响。2）在这种情况下，基于乙醚溶剂的LHCE在4.4 V的高压下表现出最佳的LMA和NMC811正极性能。乙醚溶剂通常被认为是一种不稳定的溶剂，用于高压(4V以上)电池。实验和理论分析揭示了一个独特的一般规律，即内溶剂化鞘中盐和溶剂之间的强烈相互作用促进了它们的分子间质子/电荷转移反应，这决定了电极/电解液中间相的性质，从而决定了电池的性能。
电池学术QQ群：924176072Xiaodi Ren, et al, Role of inner solvation sheath within salt–solvent complexes in tailoring electrode/electrolyte interphases for lithium metal batteries, PNAS, 2020DOI: 10.1073/pnas.2010852117www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2010852117
2. AM：石墨二炔上铜纳米线自发分裂成量子点用于抑制锂枝晶
石墨二炔作为一种新兴的碳同素异形体，其可控生长一直是探索其独特科学性质和应用的重要手段。近日，中科院化学研究所李玉良院士，Zicheng Zuo报道了系统研究了铜（Cu）晶体结构对石墨二炔生长的影响。结果表明，晶界是反应活性的来源。1）生长的石墨二炔自发地将具有许多晶界的多晶Cu纳米线分裂成铜量子点（约3 nm）。这些Cu量子点均匀地分散在石墨二炔上，阻碍了石墨二炔的长程有序生长。2）研究发现，这些载于石墨二炔上的Cu量子点在抑制锂金属电池中锂枝晶的生长方面具有极高的效率。基于这一有趣的发现，可以大规模地制备锚定在全碳石墨二炔上的Cu量子点，从而实现Cu量子点在电化学领域的独特应用。
碳材料学术QQ群：485429596Zicheng Zuo, et al, Spontaneously Splitting Copper Nanowires into Quantum Dots on Graphdiyne for Suppressing Lithium Dendrites, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202004379https://doi.org/10.1002/adma.202004379
3. AM: 功能多孔材料化学
国际合作和跨学科整合是近年来功能性多孔材料发展的主要驱动力之一。来自不同国家/地区、具有不同背景和观点的研究人员的加入，促进了深入的跨学科整合，显著促进了科学创新。2017年，“纳米孔功能材料”国际合作项目在中国吉林大学启动。在这个项目的框架下，一个旨在通过设计、合成和应用功能性多孔材料来解决能源和环境挑战的国际合作网络建立起来。迄今为止，已有来自20多个国家/地区的60多名研究人员参与了该项目，为近年来功能多孔材料的繁荣做出了重要贡献。有鉴于此，吉林大学于吉红院士、李乙、瓦伦西亚理工大学Avelino Corma教授合作，在Advanced Materials和Angewandte Chemie联合发布了功能性多孔材料化学专刊，介绍了功能多孔材料的一些最新进展。1）具有固有的周期性（亚）纳米孔的功能性多孔材料，例如微孔沸石，介孔二氧化硅、金属有机骨架(MOFs)和共价有机骨架(COFs)，因其出色的吸附，分离，离子交换和催化性能而得到广泛应用。沸石骨架中的亚纳米级微孔为客体分子/离子进入，扩散和交换提供了理想的空隙空间（d<2 nm），使沸石成为重要的现代吸附剂和清洁剂。另外，沸石的空间限制作用及其可调节的化学组成，酸度和活性位点，使沸石成为当今石化工业中最重要的多相催化剂系列。除了这些传统的应用，沸石最近在一些新兴领域显示出巨大的潜力，如生物质转化、能源储存、二氧化碳捕获和转化、主-客体组装，这代表了沸石在可持续化学领域的新机遇。2）自20世纪90年代以来，功能性多孔材料的种类迅速增长。1992年，介孔二氧化硅MCM-41的发明被公认为是有序介孔材料开发的开始。与沸石相比，介孔材料具有较大的孔（2 nm<d <50 nm）和更多样化的化学组成（例如，非金属氧化物，金属氧化物，纯金属和碳等）。与传统多孔材料不同，MOF和COF是通过配位或共价键连接无机/有机节点和有机连接基而构建的。通过对构建单元以及底层网络拓扑结构的精心选择，可以很好地控制MOFs和COFs中的纳米孔的形状和大小，这使得MOFs和COFs在气体分离和存储、能量转换、生物医学和催化等领域具有广阔的应用前景。此外，多孔碳球、空心多壳结构和结晶多孔有机盐由于其优越的催化活性、电/光化学性质和离子电导率，近年来受到广泛关注。
多孔材料学术QQ群：813094255Jihong Yu et al. Functional Porous Materials Chemistry. Advanced Materials, 2020.DOI: 10.1002/adma.202006277https://doi.org/10.1002/adma.202006277
4. AM: 石墨化纳米片上设计FeN4边缘位点，实现高活性和耐久性的氧电催化
对于氧电催化，碳衬底边缘的单原子FeN4位点被认为比平面上的活性更高。然而，传统的高温热解过程难以在原子水平上精确地设计活性位点的位置。有鉴于此，加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授、日本电气通信大学赵晓、长春应用化学研究所Ying Wang和Jianbing Zhu等人，在理论预测的启发下，提出了一种简便且具有可扩展潜力的自牺牲模板方法，合成了单原子FeN4边缘位点占主导地位的石墨烯薄片催化剂。1）与需要微量铁前体的常规合成策略相比，该策略可以使用过量的铁前体。故意引入原位形成的Fe团簇，以催化石墨烯碳的生长，诱导多孔结构的形成，有利于质量/电子的传递，从而促进了反应动力学，最重要的是，而且有利于铁团簇附近的FeN4的优先沉积，促进近边缘结构优先锚定FeN4。2）由于这些特性，所得到的催化剂（称为Fe/N-G-SAC）对氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）显示出优异的催化活性和稳定性。3）此外，Fe/N‐G‐SAC阴极在可充电锌-空气电池中显示出出色的性能，具有0.78 V的低充放电电压间隙和超过240次的长期循环性能，优于贵金属Pt/C和Ir/C基准催化剂。总之，该工作为高效耐用的氧电催化和高性能锌-空气电池提供新的途径。
电催化学术QQ群：740997841Meiling Xiao et al. Preferentially Engineering FeN4 Edge Sites onto Graphitic Nanosheets for Highly Active and Durable Oxygen Electrocatalysis in Rechargeable Zn–Air Batteries. Advanced Materials, 2020.DOI: 10.1002/adma.202004900https://doi.org/10.1002/adma.202004900
5. AM：在富锂层状氧化物的晶粒表面构建复合纳米结构
富锂层状氧化物（LLOs）是一种引人注目的高性能锂离子电池（LIBs）正极材料。然而，LLO，特别是工业上适用的附聚的微米级球形球，仍然受到关键障碍的困扰，例如电压衰减快，容量保持能力差，低倍率容量以及较差的安全性，部分原因主要是正极产生的结构恶化和界面副反应。尽管表面改性可以有效地保护LLO免受结构破坏，但具有工业应用前景的可扩展性的晶粒表面结构的精细设计仍然具有挑战性。近日，北京工业大学尉海军教授，加拿大西安大略大学孙学良教授报道了采用原子层沉积技术，在工业LLO(Li1.13Mn0.517Ni0.256Co0.097O2)聚集球的颗粒表面构建了由均匀的LiTaO3包覆层(≈3 nm)和尖晶石夹层结构(≈1 nm)组成的复合纳米结构。1）研究发现，表面复合纳米结构不仅提高了LLO的结构/界面稳定性，而且促进了Li+的扩散，从而显著提高了其循环稳定性、倍率性能、热稳定性和电压维持性。2）实验结果显示，表面复合纳米结构对提高电化学性能具有重要作用。包覆10次ALD循环的LLO表现出每循环0.9 mV的小电压衰减率，在0.1 C下的可逆容量为272.8 mAh g−1，在1C下200次循环后的容量保持率为85%。这项工作为高性能锂离子电池正极材料颗粒表面复合纳米结构的设计提供了新的思路。
电池学术QQ群：924176072Errui Wang, et al, Composite Nanostructure Construction on the Grain Surface of Li-Rich Layered Oxides, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.201906070https://doi.org/10.1002/adma.201906070
6. AM: MOF基光催化剂通过空间分离的助催化剂进行优化以实现全水分解
高效的电荷分离和利用是光催化的关键因素。有鉴于此，南开大学卜显和教授等人，设计了一种以Pt和MnOx为助催化剂的Pt@NH2-UiO-66@MnOx（PUM）异质结构光催化剂，用于优化NH2-UiO-66光催化剂，证明了氧化和还原助催化剂的完全空间分离增强了电荷分离和表面反应的作用。1）通过合理结合掺入Pt NP和沉积MnOx NP制备的优化Pt@NH2-UiO-66@MnOx样品中光生电子和空穴的有效分离，大大延长了光激发电荷载流子的寿命并改善了光催化析氢反应性能。与原始NH2‐UiO‐66、Pt@NH2‐UiO‐66(PU)和NH2‐UiO‐66@MnOx (UM)样品相比，PUM样品表现出最高的产氢活性。2）作为助催化剂，Pt有利于电子的俘获，而MnOx倾向于聚集空穴。在NH2‐UiO‐66生成后，电子和空穴在金属-有机框架光催化剂上向内和向外流动，在相应的助催化剂上积累，然后参与氧化还原反应。3）PUM光催化剂大大延长了光生电子和空穴的寿命，有利于电子空穴的分离。MOF上空间分离的助催化剂的负载也同时加速了表面氧化和还原反应的动力学，并在没有牺牲剂的情况下促进了全水分解。总之，PUM样品在没有牺牲剂的情况下可促进全水分解，从而证明了其作为MOF型半导体对全水分解反应的改性方法的潜力。
光催化学术QQ群：927909706Jijie Zhang et al. Metal–Organic‐Framework‐Based Photocatalysts Optimized by Spatially Separated Cocatalysts for Overall Water Splitting. Advanced Materials, 2020.DOI: 10.1002/adma.202004747https://doi.org/10.1002/adma.202004747
7. AM：设计先进的原位电极/电解液中间相助力Li||LiCoO2电池在4.5V及宽温下运行
具有LiCoO2（LCO）正极的高能量密度电池对储能市场非常重要，特别是对于便携式电子产品。然而，其在高电压和高温度下的劣化性能极大地限制了它们的商业化。近日，美国西北太平洋国家实验室许武教授，张继光教授报道了在LCO正极上设计原位形成的先进的CEI可以非常有效地实现其在高压（4.5V）和高温（55°C）下的长期循环性能。1）基于原位形成稳定的SEI，AD-乙醚电解质不仅与锂金属负极具有良好的相容性，更重要的是能够形成富F的CEI，从而抑制界面寄生反应，保护LCO正极。此外，在高倍率低温条件下，AD-乙醚电解液也提高了Li||LCO电池的实用性。2）实验结果显示，在4.5V（甚至高达4.55 V）的高充电电压和较宽的温度范围(从-30到55 °C)下，LCO正极具有约190 mAh g−1的高比容量，并显示出极大的改善电池性能的能力。这项工作为开发实用化的Li||LCO电池指出了一条很有前途的途径。同时该方法也可用于提高其他电池在较宽温度范围内的高压性能。
电池学术QQ群：924176072Xiaodi Ren, et al, Designing Advanced In Situ Electrode/Electrolyte Interphases for Wide Temperature Operation of 4.5 V Li||LiCoO2 Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202004898https://doi.org/10.1002/adma.202004898
8. AM综述：2D过渡金属碳化物(MXenes)作为导电材料的应用
自2011年被发现以来，基于MXenes的2D过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物因其出色的导电性、重量轻、柔韧性好、透明度高、表面化学可调谐以及易于溶液加工而吸引了全球科学家的目光。近日，韩国科学技术研究院（KIST）Chong Min Koo从实验和理论两个角度综述了二维MXenes在设计导电材料方面的应用前景，包括电磁干扰屏蔽、柔性光电子学、传感器和加热器等。1）MXenes的电子性质是由其晶体结构、组成和表面官能化来决定。为了理解大多数MXenes (Ti3C2Tx，Sc2CTx，Ti3CNTx)的金属性质背后的原因，研究其结构与性质的关系至关重要。人们已经通过理论模型对其内在机制进行了大量的研究，这些理论模型后来得到了实验结果的证实。此外，精准控制合成过程对于将缺陷风险降至最低具有重要意义，而缺陷可能会对最终的MXenes电学性能产生不利影响。基于以上，作者首先总结了不同MXenes的晶体结构、结构表征和电学性质。2）MXenes具有从5000到超过15000 S cm−1的出色金属导电性，从而在具有优异导电性的领域得到了广泛应用。作者总结了将MXenes用作高导电性材料的主要应用领域。高导电性的MXenes的电磁屏蔽性能优于现有所有厚度相当的导电材料(厚度可调整至数十纳米)，这使其成为轻质屏蔽材料的理想选择。与其他导电纳米材料相比，高导电性的MXene薄膜具有更大的优值系数，这表明它在光电子器件中有很大的应用潜力。其他特性，如良好的导电性可控性、更大的表面积和合理的层间距，提高了传感设备(应变传感器、电化学传感器和气体传感器)的灵敏度、选择性、速度和稳定性这四个基本效率标准。MXene的灵活性进一步强化了其对可穿戴传感设备的重要性。优异的导电性、透明性、灵活性和溶液加工性也为可穿戴式热水器领域的材料设计提供了大量机会。3）作者最后指出了MXenes研究目前面临的挑战以及未来研究方向。包括，MXenes的氧化稳定性是实际应用中需要克服的主要挑战。而表面功能化的MXenes的有机分散体确保了氧化的长期稳定性。因此必须开发高度稳定的抗氧化MXene有机分散体(或油墨)，不仅是为了提高其氧化稳定性，也是为了规模化生产电子器件。
二维材料学术QQ群：1049353403Faisal Shahzad, et al, 2D Transition Metal Carbides (MXenes): Applications as an Electrically Conducting Material, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002159https://doi.org/10.1002/adma.202002159
9. AM：晶格畸变增强耐火高熵合金的屈服强度
严重变形是单相高熵合金（HEAs）的四大核心效应之一，对屈服强度有重要影响。然而，由于存在两个关键挑战：1)均质单相固溶体HEAs的研制困难；2)描述晶格畸变及其相关测量和计算的模糊性。使得实验上无法完全揭示原子级晶格畸变与宏观力学性能之间的关系。近日，美国田纳西大学Peter K. Liaw报道了在先前四元单体心立方（BCC）固溶体相耐火材料NbTaTiV HEA的基础上，设计了NbTaTiVZr HEA来验证晶格畸变与屈服强度之间的关系。1）采用聚焦实验和理论分析相结合的方法，详细研究了NbTaTiVZr HEA从铸态到热处理状态的相和组织演变过程。此外，在计算相图（CALPHAD）模型的基础上，通过系统的热处理工艺，获得了化学均一的单一体心立方固溶体相，其显微结构与NbTaTiV耐火材料HEA相同。2）研究人员利用第一性原理计算、同步X射线衍射(XRD)/中子衍射、原子探针层析(APT)、透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)技术定量计算和测量了NbTaTiV和NbTaTiVZr耐火材料HEAs的晶格畸变。结果显示，在NbTaTiV HEA中加入Zr后，晶格畸变程度明显增加，从而在塑性相当的情况下显著提高了屈服强度。研究结果表明，严重的晶格畸变是发展高强度耐火材料的核心因素。
Chanho Lee, et al, Lattice-Distortion-Enhanced Yield Strength in a Refractory High-Entropy Alloy, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202004029https://doi.org/10.1002/adma.202004029
10. ACS Nano: 极端机械减薄生产的自由二维金膜
二维（2D）材料由于其原子层厚度的薄的结构而具有出色的物理和化学特性。但是，生产由纯单元素金属原子组成的2D材料仍然具有挑战性。近日，浙江大学的Jiangwei Wang教授课题组和佐治亚理工学院的Ting Zhu教授课题组共同报道了通过原位透射电子显微镜对Au膜进行应变制备了自由二维金膜。1） 施加的平面内拉伸应变会在Au薄膜的局部区域引起大量的平面外变薄变形，从而导致被其膜基质包围的自由二维金膜的形核和生长。2）该2D膜显示为一个原子厚且具有简单的六边形晶格，该六边形晶格与薄膜基质的面心立方晶格形成原子上清晰的界面。3）表面原子的扩散传输，以及界面位错的动态演变，在机械减薄过程中在二维金膜的形成中起着重要作用。4）这些结果证明了自上而下的方法可生产自由二维金膜，并提供了对金属膜的极端机械减薄至单原子厚度极限的普遍解释。
二维材料学术QQ群：1049353403Qi Zhu et al. Free-Standing Two-Dimensional Gold Membranes Produced by Extreme Mechanical Thinning. ACS Nano, 2020.DOI: 10.1021/acsnano.0c06697https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06697
11. JPCL: 高温高湿度下，超稳全印刷介观全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池
全无机CsPb（IxBr1-x）3（0≤x≤1）钙钛矿太阳能电池（PSC）具有很高的环境和热稳定性，因此具有吸引力。然而，多步沉积和高退火温度（> 250 °C）以及随温度变化的相变而导致的结构和光电特性的变化是高效，稳定PSC的潜在障碍。华中科技大学的胡玥和华中师范大学Yiwen Tang等人首次报道了在低温（<50°c）下制备稳定的纯单斜cspbbr< span="">3相的空间受限方法。1）研究发现基于碳的介孔完全可印刷区域可以抑制相变以获得纯相。因此，该器件的功率转换效率为7.52％，而滞后指数仅为0.024。此外，该设备还通过了根据IEC-61625稳定性测试的1000 h的85°C热测试和200个循环热循环测试。这些是实现高性能光伏的长期稳定性和稳定的纯无机钙钛矿相的关键。
光电器件学术QQ群：474948391Mesoporous-Carbon-Based Fully-Printable All-Inorganic Monoclinic CsPbBr3 Perovskite Solar Cells with Ultrastability under High Temperature and High Humidity，The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020.DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02739https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.0c02739
12. AFM：远程调节内置磁电微环境促进骨再生
模拟内源性物理微环境是生物材料介导组织再生的一种很有前途的策略。然而，精确控制细胞外环境中的电场/磁场等物理信号以促进组织再生仍然是一项艰巨的挑战。在此，北京大学口腔医学院Xuliang Deng，华南理工大学文秀芳等人通过内置CoFe2O4/聚(亚乙烯-氟三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]磁电膜实现了磁电微环境的远程调节，从而实现有效的骨再生。1）与分子动力学模拟预测结果相符，纳米复合膜的磁电微环境促进骨髓间充质干细胞(BM-MSCs)的成骨分化，并通过增加细胞暴露和整合素与精氨酰甘氨酸天冬氨酸肽的结合来促进骨缺损的再生。2）此外，骨髓间充质干细胞通过骨免疫调节定向至成骨谱系，包括加速从最初的炎症免疫反应到促进愈合的再生免疫反应的转变。综上所述，这项工作提供了一种模拟磁电微环境的策略，以实现精确和有效的组织再生治疗，并提供了对内置磁电膜驱动的生物效应的基本见解，内置磁电膜可以远程调节，以精准调节原位成骨。
生物医药学术QQ群：1033214008Wenwen Liu, et al. Remote Tuning of Built‐In Magnetoelectric Microenvironment to Promote Bone Regeneration by Modulating Cellular Exposure to Arginylglycylaspartic Acid Peptide. Adv. Funct. Mater., 2020.DOI: 10.1002/adfm.202006226https://doi.org/10.1002/adfm.202006226
