崔屹Nature Sustain., 赵彦利/徐俊Sci. Adv., 浙大Sci. Adv.丨顶刊日报20201114
纳米人
2020-11-18
1. Science：一种丘脑皮质自上而下的关联记忆电路
对世界的精确感知需要将外部感觉信号与内部产生的代表先前获得的刺激相关性的信息相结合。尽管几十年来，人们已经进行了大量研究，并阐明了感觉新皮质如何处理物理刺激特征，但关于全脑传入的记忆相关自上而下信息的编码仍然知之甚少。近日，德国马克斯·普朗克脑研究所Johannes J. Letzkus报道了在体内对小鼠听皮层第一层的丘脑突触进行了慢性双光子钙成像，而第一层是大脑皮层联系的主要部位。1）结合光遗传学、病毒追踪、全细胞记录和计算模型，研究人员发现高阶丘脑是联想学习所必需的，并且可以传递与记忆相关的信号，这些信号与获得的行为相关性密切相关。反过来，这些信号又受到局部突触前抑制的严密而动态的控制。研究结果不仅将高阶丘脑确定为大脑皮层自上而下信息的高度可塑性来源，而且还揭示了第一层的计算灵活性程度远远超出了硬连线连接。
生物材料学术QQ群：1067866501M. Belén Pardi, et al, A thalamocortical top-down circuit for associative memory, Science, 2020DOI: 10.1126/science.abc2399http://science.sciencemag.org/content/370/6518/844
2. Nature Sustain.：单原子催化剂和电解法生产过氧化氢用于有机废水处理
废水中有机污染物的存在对人类健康和生态环境系统都构成了巨大风险。高级氧化法(AOPs)是一种从可溶性氧化剂（H2O2、O3和HOCl等）中产生高活性自由基（OH·、Cl·等）的先进水处理技术，用于去除有机污染物，自由基与有机污染物快速、非选择性地反应，最终将其矿化成无害的小分子(二氧化碳、水等)。尽管AOPs已经有了长足的发展，然而迄今为止，AOPs的应用面临两个根本挑战，即H2O2的有效激活以及可持续生产。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授报道了一个废水处理系统，成功地解决了关于当前AOPs面临的两个挑战。1）研究人员首先将铜单原子加入到石墨氮化碳（C3N4）中，解决了目前多相费托催化剂面临的挑战，并在pH 为7.0下，活化H2O2生成OH·方面表现出了极高的活性。研究人员进一步演示了催化剂在费托过滤器中的固定化，这绕过了催化剂回收的冗余。2）研究人员介绍了一种以空气、电力和0.1 M Na2SO4电解液生产10gl-1 H2O2的电解装置的设计，总成本为US$4.66 per m3。该装置基于i）新型气体扩散电极(GDE)可以足够的三相催化界面，ii）在连续流动反应器内运行的三室设计，iii）碳基材料可以催化2e-ORR，iv）阳极电沉积IrO2催化OER；v）电解液的精心选择。3）费托过滤器和过氧化氢电解槽协同工作，可以提供一种废水处理系统。此外，研究人员进一步展示了一种Fe3O4-碳过滤器，它可以冷却残留的H2O2，并使污水安全排放到环境中。4）通过小规模的试点研究，研究人员展示了整个系统的可行性。
电催化学术QQ群：740997841Xu, J., Zheng, X., Feng, Z. et al. Organic wastewater treatment by a single-atom catalyst and electrolytically produced H2O2. Nat Sustain (2020).DOI：10.1038/s41893-020-00635-whttps://doi.org/10.1038/s41893-020-00635-w
3. Science Advances：通过保护性化学调节黑磷的反应性
无论是实验室合成还是工业合成，合理调节分子或官能团的反应性在有机化学中都很常见。这一概念可以应用于无机纳米材料，特别是二维黑磷（BP）纳米片。近日，南洋理工大学赵彦利教授，厦门大学徐俊副教授报道了一种基于保护性化学的策略，用于合理调节BP的反应性。1）研究人员首先将BP与Al3+离子结合，以降低其表面电子密度，从而有效地降低其还原性。然后，疏水的1，2-苯二硫酚(BDT)分子通过Al─S键在BP/Al3+表面组装成致密的阵列，有效地将纳米复合材料与氧/水隔绝。这种保护过程提供了一种超稳定的BP配合物物（BP/Al3+/BDT），其在环境条件下甚至可以稳定2个月，而关键的物理/化学特性则不会发生改变。2）这种超稳定的BP/Al3+/BDT可以通过螯合剂处理[典型的EDTA-四钠(EDTA-4Na)]来解除保护。在BP中Al3+与EDTA-4Na之间有较强的结合亲和力，这使得Al3+和BDT层能够从BP表面去除。Al3+和BDT层的去除又恢复了BP的高表面电子密度，从而恢复了其反应性。为了验证这一策略，研究人员在一项退化研究中使用了去除保护的BP。结果显示，其表现出了与最初的BP相同的反应性。
Xiao Liu, et al, Regulating the reactivity of black phosphorus via protective chemistry, Sci. Adv. 2020DOI: 10.1126/sciadv.abb4359http://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabb4359
4. Science Advances: 水塑性发泡技术制备石墨烯气凝胶
由固体直接发泡是制造多孔材料的最有效方法。然而，发泡技术很难用于制备纳米颗粒的气凝胶，因为其固体的可塑性被压倒性的界面相互作用所否定。有鉴于此，浙江大学的高超教授、刘英军副研究员、许震研究员等人，发明了一种溶致塑化发泡的方法，将氧化石墨烯固体直接转化为气凝胶块和微阵列。1）揭示了二维氧化石墨烯的溶致塑性，提出了“溶致塑化发泡”的方法，实现了由固态氧化石墨烯膜连续化、大规模发泡制备气凝胶。水插层可塑化氧化石墨烯固体，使其直接发泡，而不是灾难性的破碎。气泡的形成遵循一般的结晶规则，并允许对细胞壁厚度低至8 nm的纳米精度控制。2）通过溶塑发泡制备的石墨烯气凝胶具有与聚合物泡沫同样优异的机械稳定性。这事因为溶致塑化与气泡张力的共同作用极大地消除了气凝胶中的搭接缺陷，实现了石墨烯的紧密结合。气泡团簇产生无缝连接的双曲面结构，并使石墨烯气凝胶具有超强的机械稳定性。3）开发的超灵敏的石墨烯气凝胶微阵列触觉传感器，结合深度机器学习，实现了材料种类及表面字母的精准识别，正确率达到80%以上，远超出人手的触觉灵敏度（人手正确率~30%）。总之，该工作提供了一种快速且高效的制备超轻、机械稳定性石墨烯气凝胶的溶致塑化发泡方法，为气凝胶的组装制备提供了一种新的普适性方案。
碳材料学术QQ群：485429596Kai Pang et al. Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors. Science Advances, 2020.DOI: 10.1126/sciadv.abd4045http://doi.org/10.1126/sciadv.abd4045
5. Science Advances：可扩展植入式生物电子复合体用于分析和调节膀胱的实时活动
排尿是排出体内废物的重要生理过程，由泌尿系统(肾脏、输尿管、膀胱和尿道)管理，负责调节血压和pH值，调节或维持电解质和代谢物的水平。膀胱是负责排尿的主要器官，作为储存和释放尿液的容器，通过周期性、周期性的扩张和收缩运动，这些运动由弹性膀胱壁中的逼尿肌机械控制。特别是，逼尿肌活动不足(DUA)或膀胱活动不足(UAB)指的是由于收缩强度降低而导致的膀胱排尿时间延长或不完全排尿的症状，这通常见于各种神经源性和肌源性疾病，人们目前对其确切的起源和发生机制的了解还不够充分。有鉴于此，韩国高丽大学Suk-Won Hwang，韩国成均馆大学Eunkyoung Park，Kyu-Sung Lee报道了一个集成的可扩展的电子和光电复合体，其行为像一个单一的物体，具有弹性的，时间动态的膀胱，体积变化高达~300%。1）通过理论模型验证的电子器件的系统配置可以在不使用胶水或缝合线的情况下保形、无缝地集成到膀胱上，从而能够利用各种电子元件对膀胱进行精确的监测，以实现实时状态和高效的光遗传操作，以便在所需的时间排尿。2）研究人员在使用糖尿病DUA模型的活体实验上证实了高保真电子器件在与膀胱和其他弹性器官相关的临床试验中实际应用的可行性。
仿生材料学术QQ群：111658060Tae-Min Jang, et al, Expandable and implantable bioelectronic complex for analyzing and regulating real-time activity of the urinary bladder, Sci. Adv. 2020DOI: 10.1126/sciadv.abc9675http://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabc9675
6. Nature Communications：人工神经自愈泡沫用于合成压阻传感器皮肤
人体皮肤是一种自我修复的机械感觉系统，其通过三维神经有效地检测各种机械接触力。近日，新加坡国立大学Benjamin C. K. Tee报道了一种使用三维（3D）金属丝电极作为“神经”的新结构，该电极嵌入了低模量但具有弹性的自愈泡沫中，该泡沫被称为仿生人工神经泡沫（AiFoam）。1）该泡沫材料是通过一步自发泡工艺合成。与其他泡沫型传感器相比，所合成的自愈式泡沫材料具有600 kPa的低模数，并且具有相对弹性，可以为接触力传感提供恢复力。传感材料中的3D电极使AiFoam对法向力和剪切力都很敏感。2）通过调节近渗流时泡沫中导电金属颗粒的浓度，其可以在压阻式和压电式两种传感模式下作为压阻传感器工作，而不需要封装层。3）AiFoam还可以作为电容模式下的接近传感器，在新兴的增强现实和机器人皮肤应用中实现更智能的人机交互。
柔性可穿戴器件学术QQ群：1032109706Guo, H., Tan, Y.J., Chen, G. et al. Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins. Nat Commun 11, 5747 (2020).DOI：10.1038/s41467-020-19531-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-19531-0
7. Nature Communications：水促进疏水共聚物的自愈
先前的研究表明，共聚物组成可以显著影响自愈合性能。这是通过增强范德华力（vdW）来实现，vdW有助于在相对较窄的共聚物组成范围内的自愈合。近日，美国克莱姆森大学Marek W. Urban报道了受限水分子可加速交替/随机疏水丙烯酸酯共聚物的自愈。1）在这些条件下，相互竞争的vdW相互作用不允许H2O-二酯氢键，从而迫使nBA侧基适应L型构象，与没有水的“键锁”关联相比，产生更强的偶极-偶极相互作用，从而缩短了链间距离。在可控承压水存在的情况下，vdW力对机械损伤的扰动在能量上是不利的，导致疏水共聚物的自愈效率提高了3倍。这一概念有望适用于其他自修复机制，包括可逆共价键、超分子化学或具有相分离形态的聚合物。
Davydovich, D., Urban, M.W. Water accelerated self-healing of hydrophobic copolymers. Nat Commun 11, 5743 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-19405-5https://doi.org/10.1038/s41467-020-19405-5
8. Nature Communications：固态电池多晶正极中界面效应和锂离子局部输运
固态电池中普遍存在界面问题，其微观结构的复杂性和化学成分的异质性共同决定了局部界面化学。传统观点认为，界面上的“点对点”离子扩散决定了离子输运动力学。近日，哈工大王家钧教授报道了固体-固体离子传输动力学不仅受物理界面接触的影响，而且与多晶粒子内部的局部环境密切相关。1）尽管初始的界面接触是离散的，但由于化学势的作用，固态电池仍可能表现出均匀的锂离子传输，以实现离子-电子平衡。然而，一旦二次粒子内部的局部环境在循环过程中被破坏，就会触发电荷分布从均匀到非均匀，并导致容量的快速衰减。研究工作强调了多晶颗粒内部局部环境对固态电池电化学反应的重要性，并对界面传输的潜在机制提供了重要的见解。
电池学术QQ群：924176072Shuaifeng Lou, et al, Insights into interfacial effect and local lithium-ion transport in polycrystalline cathodes of solid-state batteries, Nat Commun, 2020DOI: 10.1038/s41467-020-19528-9https://doi.org/10.1038/s41467-020-19528-9
9. Acc. Chem. Res.综述：多层电极的电化学：从基础到能源应用
对环境的日益关注增加了对清洁能源的需求，并且已经开发出各种技术来利用可再生能源。随着高效的能量转换和存储系统的发展，对电极电化学的基础研究至关重要，大多数这些系统的功能都依赖于发生在电极表面的界面电化学反应。在这种情况下，基于有效的电极设计策略来研究特定的电化学原理和电极表面上的界面反应机理具有重要意义。与其他电极制造方法相比，逐层（LbL）组装是一种简单，廉价且用途广泛的过程，用于由多种材料生产高度有序的多层薄膜电极。基于LbL组装对电极的组成和结构的纳米级控制，与通过其他制造方法制造的电极相比，LbL组装的多层电极表现出独特的电化学性能。LbL组件可以从多种电活性成分生成独特的纳米结构，以研究电极内的详细电化学机理，从而可以研究电极内与内部结构有关的电化学性质。在过去的10年中，随着电化学LbL研究的不断发展，Byeong-Su Kim研究团队对通过LbL组件制造的多层电极的基本电化学性能进行了开创性研究，以用于各种能源应用。有鉴于此，韩国延世大学Byeong-Su Kim 通过结合材料工程和电化学的新见解，阐明了LbL组装的多层薄膜电极的基本原理和应用。1）与其他电极制造方法相比，由于纳米级结构可控的LbL组件具有多功能性，因此可以通过将薄层电极的厚度从2D超薄膜增加到3D厚度来实现从表面限制工艺到扩散控制工艺的转变多孔膜。另外，只需更改层顺序的顺序即可简单地实现精确控制的内部架构，从而验证了在传质控制下3D多层电极中扩散的效果。2）在电催化反应由多个步骤组成的情况下，重要的是考虑步骤的顺序以实现高催化性能。反应的第一步在电解质附近的外层上发生是有利的，这导致在内层发生的向第二步的传质增强。另外，通过调制界面偶极子和离子渗透性，控制LbL薄膜的内部电荷密度会显著影响整体性能。3）尽管仍然需要对LbL电极进行特定的动力学分析来确定影响电化学参数的因素，例如电荷转移控制下的动电流和速率常数，但LbL方法将成为一种有吸引力的电化学平台，可通过量身定制的方法研究基础电化学多种杂化纳米复合材料的设计和制造功能以及未来的能源应用。
电催化学术QQ群：740997841
Minsu Gu, Byeong-Su Kim, Electrochemistry of Multilayer Electrodes: From the Basics to Energy Applications, Acc. Chem. Res., 2020DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00524https://dx.doi.org/10.1021/acs.accounts.0c0052410. Chem. Rev.综述：具有非水电解质的锂金属负极基于锂金属负极（LMA）的高能可充电锂（Li）金属电池（LMBs）最早于1970年代开发，但由于与LMA有关的安全性和低效率问题，其实际应用受到了严重阻碍。最近，由于LMA基可充电LMBs可以实现更高的能量密度，因此在全世界范围内，人们进行了大量将其用于替代石墨基锂离子电池的研究。有鉴于此，美国西北太平洋国家实验室张继光教授重点综述了基于非水电解质稳定LMA的最新研究进展，并揭示了这种改善的稳定性背后的基本机理。1）作者首先分析了锂与非水电解质之间的相互作用以及SEI层的形成/演化。2）作者回顾了各种评估LMA稳定性（精确测量Li CE），抑制枝晶生长并实现LMA长期，高效运行的策略，尤其是在实际条件下运行时。这些策略包括使用新型电解质，例如超浓缩电解质，局部高浓度电解质和高度氟化的电解质，可以形成具有高界面能和自愈能力的固体电解质相的表面涂层，开发“无负极”锂电池可最大程度地减少LMA与电解质之间的相互作用，以及使LMA在实际条件下运行的方法等。这些策略的组合最终将实现LMBs的大规模应用，而LMBs通常被称为能量存储技术的“圣杯”。3）作者最后指出了LMA应用面临的新挑战和未来发展方向。
电池学术QQ群：924176072Ji-Guang Zhang, et al, Lithium Metal Anodes with Nonaqueous Electrolytes, Chem. Rev., 2020DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00275https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00275
11. Acc. Chem. Res.综述：多金属纳米材料的动态核壳和合金结构及其催化协同作用
包含贵金属（NM）和非贵金属3d-过渡金属（3d-TMs）的多金属纳米材料由于纳米结构中NMs和3d-TM的协同结合而表现出独特的催化性能。对这种协同作用的研究在很大程度上取决于对纳米材料中NM和3d-TMs原子级结构细节的理解。这引起了催化科学领域的大量关注，特别是关于核壳和合金纳米结构。然而很少有人关注到的具有根本意义的问题是多金属纳米材料中原子的核壳和合金结构排列如何在反应条件下动态变化，包括反应温度，表面吸附物，化学环境，施加的电化学势等。而在反应条件下，核壳/合金结构的动态演变在多金属纳米催化剂的催化性能中起着至关重要的作用。近日，美国纽约州立大学宾汉姆顿分校钟传建教授，Zhi-Peng Wu重点总结了几种不同类型的组成可调合金和核壳纳米材料的动态结构特征，包括相分离，元素富集，动态演化和结构上不同的核壳结构。1）除了概述通过种子介导的生长，热化学煅烧，吸附物诱导的演化，化学脱合金，电位不足沉积/电位移等过程形成的核-壳/合金结构外，作者还重点阐明了解动态核壳/合金结构在化学或催化反应条件下，已成为催化和电催化研究前沿的重点。2）利用先进技术的应用，尤其是原位/操作数同步加速器高能X射线衍射和成对分布函数分析，为人们了解NM/3d-TMs纳米催化剂在电催化或燃料电池运行条件下的动态演化过程提供了重要的见识。作者重点总结了与各种3d-TMs合金化的基于Pt或Pd的纳米颗粒和纳米线，重点是它们在反应条件下的结构演变。尽管动力学过程很复杂，但是在催化反应条件下深入了解核壳和合金结构演变的能力对于推进多金属纳米催化剂的设计至关重要。该综述对核心−壳体和合金结构动力学的基本了解，到纳米结构催化剂/电催化剂的各种应用，特别是在能源和环境可持续性方面都具有重要的指导意义。
纳米催化学术QQ群：256363607Zhi-Peng Wu, et al, Dynamic Core−Shell and Alloy Structures of Multimetallic Nanomaterials and Their Catalytic Synergies, Acc. Chem. Res., 2020DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00564https://dx.doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00564
12. Chem: Cu在电化学CO2还原中的产品特异性活性位点结构
在Cu上电化学还原CO2(CO2R)可以生成多种有价值的燃料，但在高选择性燃料生产的电合成途径的改进方面仍存在挑战。从机理上讲，理解Cu上的CO2R，尤其是确定对应于产物的特定活性位点至关重要。有鉴于此，复旦大学张黎明研究员、北京大学刘开辉研究员、国立台湾大学陈浩铭教授、南洋理工大学李述周等人，制备了大尺寸单晶铜箔作为CO2R的电催化剂，并确定了CO2R的电压选择性和表面选择性。1）合理设计并制作了9种具有不同表面取向的大面积单晶铜箔作为电催化剂。2）应用Operando掠入射X射线衍射（GIXRD）和电子背散射衍射（EBSD）跟踪Cu的表面重构，并将结构演化与产物选择性的变化联系起来。3）提取了3种不同的结构描述符，包括晶面、原子配位数和台阶角，揭示了CO2R的内在结构-功能关系，并唯一地识别了CO2R的特定产品生成位点。总之，该工作指导了Cu基CO2R电催化剂的合理设计，更重要的是，建立了一个理解催化过程中结构-功能关系的范式。
电催化学术QQ群：740997841Chenyuan Zhu et al. Product-Specific Active Site Motifs of Cu for Electrochemical CO2 Reduction. Chem, 2020.DOI: 10.1016/j.chempr.2020.10.018https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.10.018
