厦大Nature Nano., 北大Nature Mater.，香港科大Nature Nano.,丨顶刊日报20201125
纳米人
2020-11-26
1. Nature Nano.：面向可持续发展过程的催化材料的原子尺度精准调控
各种结构的纳米材料在工业催化中广泛存在，它们为解决社会面临的各种可持续发展挑战提供了令人兴奋的前景。然而，即使是最简单的非均相催化剂的固有复杂性，以及在反应条件下经常发生的动力学效应，这些分析方法仍然具有挑战性。有鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)教授Javier Pérez-Ramírez和厦门大学郑南峰教授等人研究了如何通过纳米尺度的精准调控，来提高催化剂的选择性和稳定性，并重点介绍了其商业化方面的突破，并确定了指导未来研究和创新的方向。要点1. 概述了调控纳米结构的多种策略，这些方法可用于工程技术，以高选择性和稳定地催化可持续技术，并强调了推进设计的主要挑战和机遇。由于该工作的目标是展示该领域的巨大进展，因此从各种应用中选择了示例。但是，具体的办法可能会产生依赖于应用的效果，并且对特定反应的深入分析将是高度互补的。
要点2. 正如所回顾的案例研究所强调的，在原子尺度上的精确控制是至关重要的，未来的创新需要创造越来越复杂的结构并理解其行为的能力。计算方法开创了目前对与实际相关的催化剂活性位点的理解，创新的实验方法对于验证提出的概念将至关重要。
要点3. 为了在未来几十年内实现向碳中和社会过渡的可持续性目标，需要追求大胆且具有远见的想法。尽管催化长期以来都是一个高度跨学科的领域，但在科学界的共同努力以共享基础知识和应用知识并接受新兴概念对于促进催化领域的发展至关重要。除了在解决结构分析技术上的突破外，利用数据科学和人工智能来指导实验计划也可能带来革命性的进步。Mitchell, S., Qin, R., Zheng, N. et al. Nanoscale engineering of catalytic materials for sustainable technologies. Nat. Nanotechnol. (2020).
DOI: 10.1038/s41565-020-00799-8https://doi.org/10.1038/s41565-020-00799-8
2. Nature Mater.：导电二维金属有机框架的原子精确单晶结构
导电二维（2D）金属有机框架（MOFs）引起了人们极大的研究兴趣，因为其六边形2D网格类似石墨和其它2D范德华堆叠材料。但是，了解其固有性质仍然是一个挑战，因为它们的晶体太小或质量太差，无法获得晶体结构。近日，麻省理工学院Mircea Dincă，北京大学孙俊良等报道了一系列由尺寸可达200μm的大单晶衍生而来的2D π共轭MOFs家族，并通过一系列高分辨率衍射技术进行原子分辨率分析获得了其原子精确结构。1）作者通过改变配体电子结构从根本上重新平衡导电二维MOFs的面内和面外生长。作者选择了2,3,7,8,12,13-hexahydroxy tetraazanaphthotetraphene (HHTT)作为配体。HHTT具有大的π共轭平面；另外，其三个外围吡啶氮原子可显著降低电子密度。2）作者报道了两种晶体结构类型，它们表现出相似的二维蜂窝片状结构，但具有不同的堆积模式和孔含量。3）单晶电输运测量结果清楚地表明了获得的2D导电MOFs的各向异性输运，方向垂直且平行于π共轭片，揭示了绝对电导率与金属阳离子和2D片堆积图案的性质之间的明显关联。该工作报道的结构-电导率关系为多孔，导电2D MOFs的设计和开发提供了借鉴。
二维材料学术QQ群：1049353403Jin-Hu Dou, et al. Atomically precise single-crystal structures of electrically conducting 2D metal–organic frameworks. Nat. Mater., 2020DOI: 10.1038/s41578-020-00847-7https://www.nature.com/articles/s41563-020-00847-7
3. Nature Nanotechnol.：具有双端结合位点的大孔催化正极用于高能长循环锂硫袋式电池
由于较高的理论比能和天然的硫含量，锂硫（Li-S）电池是锂离子电池的诱人替代品。Li-S袋式电池的实际比能量和循环寿命受到薄硫电极，大量电解液和锂金属降解的严重限制。有鉴于此，香港科技大学赵天寿院士，美国阿贡国家实验室Khalil Amine，Gui-Liang Xu报道了一种正极设计概念，以实现具有高性能的Li-S袋式电池。1）该正极由均匀嵌入的ZnS纳米颗粒和Co–N–C单原子催化剂（SAC）组成，可在高度定向的大孔主体内形成双端结合（DEB）位点，进而在循环过程中有效固定并催化转化多硫化物中间体，从而消除了穿梭效应和锂金属腐蚀。而有序的大孔通过在催化剂，导电载体和电解质之间形成足够的三相边界来增强高硫负载下的离子传输。这种设计可防止形成惰性硫（死硫）。2）实验结果显示，该正极结构在高硫负荷和稀薄电解质工作下的袋式电池中显示优异的性能。只有100%锂过剩的1-A-h级袋式电池可以提供的电池比能量超过300 W h kg-1，在80个循环中的库仑效率超过 95％。研究工作缩小了Li-S电池理论上的高比能与实际电池之间的差距。
电池学术QQ群：924176072Zhao, C., Xu, GL., Yu, Z. et al. A high-energy and long-cycling lithium–sulfur pouch cell via a macroporous catalytic cathode with double-end binding sites. Nat. Nanotechnol. (2020).DOI：10.1038/s41565-020-00797-whttps://doi.org/10.1038/s41565-020-00797-w
5. Nature Commun.：具有磁性自组装软热导体的高性能柔性温差发电器适用于自供电可穿戴电子产品
热电发电机（TEGs）的软化促进了与任意形状的热源的共形接触，这为实现自供电可穿戴应用提供了机会。然而，由于高热阻聚合物衬底的寄生热损失和刚性互连引起的热接触不良等问题，使得现有的可穿戴热电器件不可避免地存在着热电转换效率降低的问题。近日，韩国科学技术研究院（KIST）Seungjun Chung，Heesuk Kim ，首尔大学Yongtaek Hong报道了一种柔性热电发电机，其具有本质上可伸缩的互连和软热导体，可以同时实现高热电性能和前所未有的整合性。1）基于银纳米线的软电极连接了碲化铋基热电腿，有效地吸收了应变能，这使得TEGs能够完美地适应曲面。2）金属颗粒在弹性基板中通过磁性自组装形成软热导体，显著增强了对热电支腿的热传递，从而最大限度地提高了三维热源的能量转换效率。此外，自动化添加剂制造为实现由数百个热电支腿组成的可穿戴式自供电应用铺平了道路，这些支腿在环境条件下具有高度的可定制性。
柔性可穿戴器件学术QQ群：1032109706Lee, B., Cho, H., Park, K.T. et al. High-performance compliant thermoelectric generators with magnetically self-assembled soft heat conductors for self-powered wearable electronics. Nat Commun 11, 5948 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-19756-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-19756-z
6. Nature Commun.: Ni催化的N-芳基亚氨基酯的不对称氢化反应，可有效合成手性α-芳基甘氨酸
手性α-芳基甘氨酸在某些生物活性产物的制备中起着关键作用，但是，它们的催化不对称合成远远不能令人满意。有鉴于此，上海交通大学张万斌教授等人，开发了一种高效的Ni催化的N-芳基亚氨基酯不对称加氢反应，以高收率和优异的对映选择性（高达98％ee）合成手性α-芳基甘氨酸。1）在低催化剂负载下，氢化反应可以以克为单位进行，底物/催化剂的比例最高可达2000。2）所获得的手性N-对甲氧基苯基α-芳基甘氨酸手性衍生物不仅是直接有用的手性仲氨基酸酯，而且还可以通过用硝酸铈铵进一步转化为几种广泛使用的分子，包括药物中间体和手性配体。3）通过NMR光谱法首次发现了一种具有手性活性的Ni-H物质。计算结果表明，立体选择是在底物接近催化剂的过程中确定的。
Dan Liu et al. Ni-catalyzed asymmetric hydrogenation of N-aryl imino esters for the efficient synthesis of chiral α-aryl glycines. Nat Commun, 2020.DOI: 10.1038/s41467-020-19807-5https://doi.org/10.1038/s41467-020-19807-5
7. Nature Communications：钙钛矿型氧化物中应变诱导的阴离子空位层的产生和转换
钙钛矿氧化物具有多种阴离子-空位有序结构，极大地改变了其性质，但其有序结构仍然难以操控。另外，薄膜氧化物和衬底之间的晶格应变导致了物质功能的改善和新的状态，然而，很少关注其化学成分的变化。近日，日本京都大学Hiroshi Kageyama教授报道了在NH3气氛中，SrVO3在低温下（600 ℃）发生了局部化学反应，生成了具有规则(111) p 阴离子-空位面的SrVO2.2N0.6（δ=0.2）。研究人员此前从未在在氮氧化物中观察到这种阴离子-空位顺序。1）SrVO2.2N0.6的晶体和电子结构主要是二维的，导电层由绝缘的四面体层隔开。此外，令人惊讶的是，对不同衬底上的外延SrVO3薄膜进行相同的氨化处理可以改变(111)p的周期性，甚至可以将阴离子-空位平面的方向改变为(112)p，与已知的晶体取向变化不同，空位面的方向或周期随所用衬底的不同而改变。2）第一原理计算验证了其双轴应变效应，和氧化物异质结一样，氮氧化物也有一个由绝缘和金属块组成的超晶格。考虑到钙钛矿族的丰富，研究工作通过外延晶格应变对简单的钙钛矿氧化物进行化学修饰，使其具有可调的阴离子-空位模式，从而为设计超晶格提供了新的机会。
光电器件学术QQ群：474948391Yamamoto, T., Chikamatsu, A., Kitagawa, S. et al. Strain-induced creation and switching of anion vacancy layers in perovskite oxynitrides. Nat Commun 11, 5923 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-19217-7https://doi.org/10.1038/s41467-020-19217-7
8. Nature Commun.：纳米粒子可抑制超长纳米线热拉伸中的流体不稳定性
长期以来，人们一直在寻求超长金属纳米线及其简便的制造方法，其有望在许多应用中显著提高性能。然而，由于尺寸和纵横比的限制，超长金属超细/纳米线超出了现有制造技术的能力。近日，美国加州大学洛杉矶分校Xiaochun Li教授报道了通过在金属核中添加纳米碳化钨(WC)，成功使纳米线的长度大于30 cm，直径小于170 nm，可以有效缓解热拉伸纳米线的流体不稳定性所带来的不足。1）研究人员将具有良好热稳定性的WC纳米颗粒掺入锌中，制备了锌-碳化钨纳米复合材料，并将其作为热拉伸法的核心材料。2）研究发现，纳米颗粒的加入增加了硼硅酸盐与Zn之间的粘度，降低了界面能，从而提高了纳米线的制备能力。3）这种利用纳米颗粒抑制流体不稳定性的新机制不仅可以规模化生产超长金属纳米线，而且有望在其他流体相关领域得到广泛应用。
纳米合成学术QQ群：1050846953Hwang, I., Guan, Z., Cao, C. et al. Nanoparticles suppress fluid instabilities in the thermal drawing of ultralong nanowires. Nat Commun 11, 5932 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-19796-5https://doi.org/10.1038/s41467-020-19796-5
9. Chem. Soc. Rev.：二维材料在生物医学和生物传感等领域的应用
布拉格化学技术大学Martin Pumera对二维材料在生物医学和生物传感等领域的应用相关研究进展进行了综述。1）二维（2D）材料是材料科学研究的前沿。除了石墨烯之外，还包括如过渡金属二卤化物、单质Xenes、碳氮化物、硼氮化物、过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)等。2）作者在文中综述了2D材料在生物医学和环境监测领域中的应用，包括生物传感器、治疗、毒性和化学传感等；随后，作者对2D材料的化学、物理和光学性质是如何影响其生物传感性能、改善药物递送和光热治疗以及影响其毒性的研究进行了重点介绍；最后，作者也展望了2D材料的发展前景，对新材料如锗烯、硅烯等及其日后的发展前景进行了讨论。
二维材料学术QQ群：1049353403Nasuha Rohaizad. et al. Two-dimensional materials in biomedical, biosensing and sensing applications. Chemical Society Reviews. 2020https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00150c#!divAbstract
10. AM: 自行调节模量和转变温度的组织适应性材料
生物在刚性和柔性形状之间过渡的能力代表了其生存机制之一，已被多种人类技术所采用。由于刚性有助于植入过程，而柔性和柔软性有利于与周围组织的生物相容性，因此在医疗设备中尤其需要这种过渡。传统的热塑性塑料无法与软组织力学相提并论，而凝胶会浸入体内并随时间改变其性能。于此，北卡罗来纳大学教堂山分校Sergei S. Sheiko等人展示了一种单组分系统，在28-43°C的受控温度下，其杨氏模量从GPa到kPa下降了多达六个数量级。1）该方法基于具有可结晶侧链的刷状聚合物网络，例如聚（戊内酯），可通过同时更改侧链长度和交联密度来独立控制熔融温度和杨氏模量。2）在生理温度下软化到组织水平可以设计组织适应性植入物，可以将其作为刚性设备插入，然后在体温下匹配周围的组织力学。这种转变还使得能够热触发释放嵌入药物用于抗炎治疗。
Zhang, D., et al., Tissue‐Adaptive Materials with Independently Regulated Modulus and Transition Temperature. Adv. Mater. 2020, 2005314.https://doi.org/10.1002/adma.20200531411. Nano Energy: 自供能、柔性可穿戴力学传感器的设计与应用柔性可穿戴电子器件具有质轻、易结合皮肤、能承受力学变形，逐渐在日常生活中崭露头角。然而，目前所采用的传感器，普遍需要使用外部供能驱动，极大的限制了柔性可穿戴优势的极致发挥。另外，人体从机械运动、关节旋转等过程可以产生可用的电能，这就给利用先进的能量收集技术给柔性可穿戴电子器件供能提供了极好的机会。因此，设计自供能、可穿戴电子器件有望实现这些设备的永久供能，具有重大科学意义和应用前景。闽江学院张诚博士、王军教授与美国宾州州立大学程寰宇教授、南京大学唐少龙教授等合作，报道了利用柔性可延展的纳米发电机及微型超级电容器阵列为褶皱石墨烯力学传感器的供能策略。1）研究人员利用赝电容特性的ZnP多孔超薄纳米片与激光直写石墨烯（LIG）复合材料制备了岛桥构型的叉指结构微型超级电容器阵列。两种不同储能机理电极材料的高效复合，实现了电容器在不牺牲功率密度和循环寿命的条件下大幅提升其能量密度；借助微型超级电容器阵列的串联/并联，有效的调控了储能系统的输出电压/电流特性。2） 研究人员利用预拉伸策略构建了基于褶皱金的纳米发电机和基于少数层褶皱石墨烯的力学传感器，并获得了纳米发电机和力学传感器的柔性可延展特性，为设计高性能柔性可延展电子器件提供了新的设计思路。3）研究发现，利用整流技术，基于柔性可延展的纳米发电机、微型超级电容器阵列驱动的力学传感器表现出优异的机电性能，其应变灵敏系数高达354。该策略为开发自供能、柔性可延展电子器件铺平了道路。
柔性可穿戴器件学术QQ群：1032109706C. Zhang, et al, High-energy all-in-one stretchable micro-supercapacitor arrays based on 3D laser-induced graphene foams decorated with mesoporous ZnP nanosheets for self-powered stretchable systems. Nano Energy 81(2021) 105609DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105609https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105609
