复旦大学Science，曲良体，麦立强，林志群，张铁锐等成果速递丨顶刊日报20210408
纳米人
2021-04-15
1. Science：转录起始复合物识别启动子及动态组装的分子机制复旦大学生物医学研究院徐彦辉课题组在《科学》（Science）杂志上在线发表了研究长文（Research Article）《结构研究揭示转录前起始复合物识别启动子及动态组装机制》（“Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters”）。该项研究首次报道了包含TFIID的完整转录前起始复合物（PIC）结构，揭示了PIC如何识别不同类型启动子并完成多步组装的完整动态过程。Xizi Chen, et al. Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters. Science, 2021.DOI: 10.1126/science.aba8490https://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/31/science.aba8490
2. Matter综述：提高室温钠硫电池硫正极的电化学动力学
由于成本低、能量密度高等优点，室温（RT）钠硫电池（RT-Na/S）被认为是最有潜力的储能技术之一。然而，其存在的各种问题仍然严重阻碍了RT-Na/S电池的实际应用，特别是可溶性多硫化钠（NaPS）引起的穿梭效应以及S8和Na2S2/Na2S在S正极中的低转换效率。近年来，人们在RT-Na/S电池中采用了各种策略来提高S正极的电化学动力学，这些策略能够显著地提高（或改变）S正极的氧化还原过程，并减轻S正极的穿梭效应。有鉴于此，哈工大王殿龙教授，王博副教授系统地综述了RT-Na/S电池的工作原理和提高S正极电化学动力学的最新进展。此外，还展望了提高S正极电化学动力学研究的未来仍面临挑战和前景。1）对于RT-Na/S电池，反应迟缓和穿梭效应是导致其可逆容量低、衰减快的主要原因。因此，提高S正极的电化学动力学有望成为一种极有前途的策略。在以往的研究中，人们研究了碳基基质、共价硫化合物和金属改性基质等，并分别在醚基和碳酸盐基电解质方面取得了巨大进展。作者通过比较基于不同策略的RT-Na/S电池的电化学性能的比较发现：1）与其他含碳基质相比，微孔碳基质具有更好的性能，其除了提高电子电导率之外，还可以实现S和Na2Ss之间的直接固态转化。由于杂原子的引入，N掺杂的碳基质也表现出更好的性能，这可以增强基质的导电性和极性；2）在共价S复合材料中，得益于其改善的导电性、直接固态转化和额外增强的Na+离子传输，掺杂的S@pPANs实现了优异的倍率性能。更重要的是，使用碳酸盐基电解质可获得比使用醚基电解质更好的性能；3）具有催化作用的嵌入在碳骨架中的理想的金属、金属氧化物和金属硫化物等可以首先通过物理限域和极性相互作用来锚定NaPS，然后催化其快速转化为Na2S2/Na2S，从而有利于抑制穿梭效应。2）虽然近年来有关RT-Na/S电池的研究已经取得了巨大进展，但要实现RT-Na/S电池的大规模实际应用，仍有一些关键问题需要解决，包括：i）提高对RT-Na/S电池的基本认识；ii）进一步的优化策略；iii）工业化生产的路线图。与成熟的商用HT-Na/S电池相比，RT-Na/S电池还处于实验室研究阶段。除了在纽扣电池中测试的电化学性能之外，实现商业化生产还需要考虑其他因素。这篇综述有望为RT-Na/S电池未来的研究提供重要的指导。Jin et al., Boosting electrochemical kinetics of S cathodes for room temperature Na/S batteries, Matter (2021),DOI：10.1016/j.matt.2021.03.004https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.004
3. EES：一种30 ℃下可拉伸的超级电容器
在相对较低的温度下（如-30 ℃），由于传统电解质的耐冷性较差，并且缺乏本质上可拉伸的电极，大多数在室温下工作良好的柔性超级电容器将失去可拉伸性。近日，北京理工大学张志攀教授，清华大学曲良体教授报道了首次通过乙二醇/水/H2SO4浸渍的交联聚丙烯酰胺网络，在有机水凝胶聚电解质上一步原位生长聚苯胺，制备了一种可抗冻、高拉伸的超级电容器（AF-SSC）。1）实验结果显示，无需额外的可拉伸基底（如弹性纤维、聚二甲基硅氧烷以及橡胶等），或预确定的可拉伸结构(例如螺旋、弹簧、褶皱、蜂窝结构等)，在这种设计中，所制备的AF-SSC在-30 ℃下表现出200%的机械拉伸率，并且可以重复拉伸100次而不会有明显的电容损失。当电流密度增加20倍时，-30 ℃下的电容保持率达到73.1%，远高于室温下工作的基于赝电容材料的可拉伸超级电容器。此外，AF-SSC还表现出超长的寿命，在-30 ℃下100000次循环后的电容保持率达到91.7%，超过了之前报道的所有可拉伸超级电容器。该器件具有拉伸性高、附着力强、良好的加工性以及抗干燥能力等优点，可作为现实生活中驱动多功能电子元件的理想电源。Xuting Jin, et al, Stretchable Supercapacitor at -30 ℃, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D0EE04066E
4. AM: 利用软机器人中的机械不稳定性：控制，传感和驱动
在这些示例的指导下，研究人员最近开发了多种策略来克服使用机械不稳定性的软机器人中的速度和功率限制。通过从结构稳定状态的快速过渡，这些机械不稳定性提供了一种新途径，以实现高输出功率放大并获得令人印象深刻的促动速度。1）鉴于此，普渡大学Ramses V. Martinez等人对与软机器人和致动器的开发有关的文献进行了概述，这些软机器人和致动器利用机械不稳定性来扩展其致动速度、输出功率和功能。2）此外，研究人员还讨论了使用结构相变解决软机器人控制、传感和驱动领域当前挑战的策略。还回顾了使用不稳定性创建完全软逻辑模块以使软机器人具有材料智能和分布式计算能力的方法。Pal, A., et al., Exploiting Mechanical Instabilities in Soft Robotics: Control, Sensing, and Actuation. Adv. Mater. 2021, 2006939.https://doi.org/10.1002/adma.202006939
5. Nano Energy：高度稳定的CsPbI3:Sr2+纳米晶并用于钙钛矿发光二极管
去除钙钛矿纳米晶体（NCs）表面上的长链配体是促进电荷向高性能钙钛矿发光二极管（PeLED）传输的一种有前途的策略。但是，由于其稳定性差和溶剂的高极性，CsPbI3钙钛矿NCs在配体去除过程中易于分解。厦门大学解荣军，Tongtong Xuan和中国计量大学Le Wang等人报道了通过改进的热注入方法合成的Sr2+掺杂的CsPbI3 NCs。
1）CsPbI3:Sr2+ NCs显示出增强的稳定性和近100%的光致发光量子产率（PLQY，99.8％）。更重要的是，在通过极性溶剂（乙酸乙酯，EA）去除表面配体后，CsPbI3:Sr2+ NCs仍然保持较高的PLQY（97.5％）。2) 此外，使用EA和辛烷的混合物制备光滑致密的CsPbI3:Sr2+ NC薄膜，其PLQY高达73.2％，在环境条件下具有很高的稳定性。最后，发红光的CsPbI3：1.8％Sr2+ PeLED的峰值外量子效率（EQE）为17.1％，是目前的世界纪录效率。Cheng Chen et al. Highly Stable CsPbI3:Sr2+ Nanocrystals with Near-Unity Quantum Yield enabling Perovskite Light-Emitting Diodes with an External Quantum Efficiency of 17.1%, Nano Energy, 2021.DOI : 10.1016/j.nanoen.2021.106033https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S22112855210029136. Nano Letters：超细铁镍纳米粒子包裹的氮掺杂碳纳米片作为双功能电催化剂助力具有出色循环稳定性的可充电锌空气电池尽管近年来锌空气电池研究取得了巨大的进步，但由于缺乏高效的双功能氧催化剂，其商业化仍然具有挑战性。近日，美国佐治亚理工学院林志群教授，湘潭大学黎华明教授，Hongbiao Chen报道了制备了一种双功能电催化剂，该催化剂由超细合金FeNi纳米颗粒包裹在N掺杂的层状碳纳米片（FeNi/N−LCN）中，用于高效Zn−空气电池。1）含三苯并咪唑的聚苯胺（TPANI）低聚物与含Fe和含Ni前体进行配位，随后与三聚氰胺结合并随后热解，然后获得FeNi/N−LCN电催化剂。2）所构建的FeNi/N-LCN具有优异的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）电催化活性和稳定性。由FeNi/N−LCN组装而成的Zn−空气电池具有较高的比容量和峰值功率密度。值得注意的是，可充电Zn−空气电池可以在5 mA cm−2下重复充放电1100 h，在10 mA cm−2下重复充放电600 h，在已报道的各种Zn−空气电池中表现出最高的循环稳定性。Xufeng Li, et al, Rechargeable Zn−Air Batteries with Outstanding Cycling Stability Enabled by Ultrafine FeNi Nanoparticles-Encapsulated N‑Doped Carbon Nanosheets as a Bifunctional Electrocatalyst, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00279https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00279
7. Nano-Micro Lett.：具有快速离子迁移功能的饼状MOF固态电解质助力高性能钠电池
固体电解质（SSE）由于其广泛的电化学窗口和热稳定性，在下一代储能材料中引起了极大的关注。然而，SSE的高界面阻抗、低离子迁移数和复杂的制备工艺限制了其应用。有鉴于此，武汉理工大学麦立强教授和徐林等人受红细胞优异的筛分功能和高比表面积的启发，将饼状金属有机框架（MOF）与液体电解质结合，获得了一种固体状电解质（SLE）。1）通过简单的水热法制备形状类似于红细胞的饼状MIL-125（PLM）。其独特的三维孔隙结构可以作为LE的“宿主”，限制阴离子的迁移（PLM@LE）。由于PLM具有较大的孔径比和光滑的饼状结构，钠离子可以在PLM中快速运输，使SLE在室温下具有6.60×10-4 S cm-1的高离子电导率和0.112 eV的低活化能。2）同时，PLM独特的孔径大小和亲核官能团限制了阴离子的迁移，使钠离子迁移数从0.16增加到0.33。此外，MOF内部的LE可以在原子水平上润湿MOF粒子的点对点接触。3）这种特殊的润湿效果和PLM颗粒之间的良好接触降低了钠离子的迁移势垒，从而使PLM@LE与钠金属之间具有良好的相容性。组装的Na0.44MnO2//PLM@LE//Na SIBs可以在100 mA g-1条件下稳定循环160次而不发生明显的容量衰减。Gang Zhang et al. Pancake-Like MOF Solid-State Electrolytes with Fast Ion Migration for High-Performance Sodium Battery. Nano-Micro Letters 2021, 13 (1), 105.DOI: 10.1007/s40820-021-00628-0.https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-021-00628-0
8. EnSM：通过溶剂化鞘结构调整高温/高压锂金属电池的鸡尾酒疗法
金属锂电池因其优越的能量密度而受到人们的广泛关注。然而，由于锂和电解质溶液之间的严重副反应以及锂枝晶的过度生长，其循环稳定性较差并且存在严重的安全风险，这一问题在高温/高压下更加严重。为了解决这一问题，中科院宁波材料技术与工程研究所Yonggao Xia、Ya-Jun Cheng和上海大学Hongbin Zhao等人在含有乙二醇二甲醚（DME）、氟代碳酸乙酯（FEC）、己二腈（ADN）共溶剂和双氟磺酰亚胺锂盐（LiFSI，1.0 M）、硝酸锂（LiNO3，0.1 M）的ADFN电解质溶液中进行了溶剂结构操纵，以提升锂金属电池的高温/高压性能。1）通过分子动力学模拟和拉曼光谱表征，构建了含有更多无机组分的大尺寸溶剂化鞘。SEM和XPS分析表明独特的溶剂化结构产生了富含无机物的稳定SEI层，抑制了电解液溶剂的持续消耗，抑制了锂枝晶的生长。2）通过在ADFN电解质溶液中调节溶剂化结构，提高了Li||Cu、Li||Li、Li||LFP和Li||NCM523电池的电化学性能。Li||LFP和Li||NCM523电池都表现出改善的循环稳定性、可逆容量和倍率性能，其中Li||LFP电池在室温、80 ℃和90 ℃下都表现出出色的性能。这项工作不仅提供了有关ADN溶剂化的基本见解和调控锂离子溶剂化的创新策略，还提供了一种简单的方法来进一步优化锂离子电解质的宽温度和高电压应用。Tianle Zheng et al. nCocktail Therapy towards High Temperature/High Voltage Lithium Metal Battery via Solvation Sheath想· Structure Tuning. Energy Storage Mater. 2021.DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.002.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721001434
9. EnSM：BiPS4的电解质调节可同时抑制钾离子电池中的Bi粗化和多硫化物穿梭效应
新一代电池的电极材料被有意识地设计为多组分活性材料，这些活性材料可以协同作用，执行多种电化学和结构任务，从而大大提高电池性能。基于此，延世大学Kwang-BumKim、MasoudNazarian-Samani等人介绍了BiPS4作为一种优良的钾离子电池负极。1）BiPS4具有隧道结构，可提供出色的离子/电子通道和机械完整性，以应对剧烈的体积变化。在钾脱嵌过程中，首次检测到Bi纳米粒子的异常生长和聚集以及中间可溶性多硫化钾的穿梭。2）通过合理构建具有牢固化学键的BiPS4-碳纳米管以及在电化学测试过程中对电解质修饰，成功地阻止了这两种有害现象的发生。各种表征技术和理论计算也证明了这一点。3）因此，该混合电极具有较高的初始放电比容量（在0.05 A g-1时为863 mAh g-1）、库仑效率（81.9％）和出色的循环稳定性（在0.2 A g-1时循环300次后为554 mAh g-1，在1 A g-1下经过600次循环后为489 mAh g-1）。此外该电极通过多重可逆转换和合金化反应实现了极高的倍率性能（在2 A g-1下为498 mAh g-1）。Safa Haghighat-Shishavan et al. Electrolyte modulation of BiPS4 concurrently suppressing the Bi coarsening and polysulfide shuttle effect in K-ion batteries. Energy Storage Mater. 2021.DOI: 10.1016/j.ensm.2021.03.037.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721001422
10. ACS Nano: 纳米多孔金属：从等离子体特性到在增强光谱学和光催化中的应用
等离子体激元领域能够在从紫外到红外的不同波长范围内进行有趣的应用。等离子体材料的选择和材料的纳米结构对任何等离子体器件的最终性能有重要的影响。人工设计的纳米多孔金属(NPMs)具有较大的比表面积、独特的光学性能、高导电性和较低的刚度等材料特性，具有广泛的应用前景。有鉴于此，意大利理工学院Denis Garoli等人，综述了金、银、铜、铝、镁、铂等多种纳米多孔金属材料，重点介绍了它们作为等离子体材料的性能。1）尽管存在有关NPM的使用和表征的大量报道，但缺少有关NPM与表面等离激元和增强的光谱学以及光催化作用的详细讨论。报告了从最常用的纳米多孔金到混合金属化合物的各种不同金属，并讨论了每种等离激元材料对各种结构设计和应用的适用性。最后，讨论了用于增强光谱学和光催化的传统和替代等离子体材料的潜力和局限性。2）纳米多孔金属的另一个重要方面是它们的制造策略。利用目前应用最广泛的脱合金技术和简便的方法制备具有三维双连续多孔结构、开放纳米孔、孔径可调的纳米多孔金属。不幸的是，不可能对任何起始合金进行脱合金处理，适合该工艺的合金数量有限。因此，制备具有理想性能的NPMs仍然具有挑战性。目前正在研究用于脱合金的先进方法，例如，由于可以实现良好的成分控制，金属玻璃可以用作前体。此外，如果脱合金工艺与模板等其他策略相结合，就有可能制备具有良好控制的形貌和3D结构的NPMs。最后，还提出了其他方法，例如纯金属（例如多孔Au和多孔Cu电极）上的电化学势处理，使用H2气泡作为模板的电化学沉积，使用水热法的金属纳米粒子自组装等，用于制备NPM。3）除了精确的建模、合理的设计和易于制备的纳米多孔金属外，NPMs的材料组成也是决定其性能和功能的关键因素。尽管有关纳米多孔金属的早期工作主要集中在传统的等离子金属（尤其是金和银）上，但最近，使用了其他纳米多孔金属，例如Cu，Ni，Fe，Al和Rh。此外，最常用的NPMs主要在电磁光谱的可见光和红外波段支持等离子体特性。为了填补这一空白，替代等离子体材料，如Al, Mg，和Rh已成为UV领域最有前途的金属。特别是Al由于其等离子体频率大，导致负介电常数(实部)下降到100 nm波长，以及由于其高电子密度而产生的强局域场增强，在UV和DUV区域是一种很有前景的等离子体材料。Alemayehu Nana Koya et al. Nanoporous Metals: From Plasmonic Properties to Applications in Enhanced Spectroscopy and Photocatalysis. ACS Nano, 2021.DOI: 10.1021/acsnano.0c10945https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10945
11. ACS Nano：一石多鸟：用于胞内miRNA和多模态协同癌症治疗的智能比率型双光谱纳米器件
开发一个集精确诊断和有效治疗于一体的诊断平台具有重要意义，但仍然极具挑战性。在此，青岛科技大学张晓茹等人构建了一个由Au@Cu2-xS@聚多巴胺纳米粒子(ACSPs)和燃料DNA共轭四面体DNA纳米结构(fTDNs)组成的集成智能纳米器件，其中ACSP纳米探针在抗肿瘤治疗和癌细胞中microRNAs (miRNAs)的原位监测中发挥了重要作用。1） 在分析方面，ACSP探针具有两种光学特性：优异的表面增强拉曼散射(SERS)增强和高荧光(FL)猝灭性能。以ACSPs为高效检测底物，以fTDN辅助的DNA行走纳米机为优势放大策略，构建了一种超低背景信号、高灵敏度的SERS-FL双光谱生物传感器，FL和SERS的检测限分别为0.11 pM和4.95 aM。2） 此外，通过双信号比率策略还实现了对癌细胞miRNA的快速FL成像和精确的SERS定量检测，提高了诊断的准确性。3） 在治疗应用方面，由于ACSPs具有较高的活性氧生成能力和优异的光热转换效率，还可作为多模态协同治疗肿瘤的一体化纳米制剂。值得注意的是，体内和体外实验均证实了其高度的生物安全性和较强的抗癌作用，表明其在诊断方面具有广阔的应用前景。Peng He, et al. Many Birds, One Stone: A Smart Nanodevice for Ratiometric Dual-Spectrum Assay of Intracellular MicroRNA and Multimodal Synergetic Cancer Therapy. ACS Nano, 2021.
DOI: 10.1021/acsnano.0c10844https://doi.org/10.1021/acsnano.0c1084412. ACS Catal.: 非接触式外场辅助光催化的最新进展：从基础到应用光生载流子的有效分离在光催化反应中起着至关重要的作用。除了光催化的内在驱动力之外，产生增强效应的外场可以为光催化系统提供额外的能量，作为分离光生电荷的额外动力，从而提高整体催化效率。在有利的非接触条件下，探索与纯光催化或光电催化不同的外场效应，可以拓宽光催化技术的应用范围。有鉴于此，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员和澳大利亚科廷大学贾国华教授、辽宁科技大学罗旭东教授、韩露副教授等人，综述了四种典型的非接触外部场(即热场、磁场、微波场和超声场)及其在光催化中的耦合作用。1）重点介绍了各外场协同作用的机理和特点及其对催化体系性能的耦合作用。首次区分和定义了非接触外场提供的电荷分离驱动力和传统的电荷分离驱动力。讨论了非接触外场驱动的光催化技术面临的挑战和发展前景。2）外场辅助光催化作为一种综合策略，可以将更多的能量引入光催化体系，为光生电荷的分离提供强大的驱动力，从而显著提高光催化活性。在有效分离电子和空穴的基础上，讨论了由非接触外部场驱动的光催化反应，着重于热，磁，微波和超声场的机理和特性以及多个能量场的耦合。非接触外部场的引入可以提供一种均匀，无创且实时的方式来控制电荷分离，这可以在保持材料固有活性的同时显着提高光催化性能。尽管场辅助光催化增加了系统的复杂性并引入了诸如材料表征，偶联机理等新问题，但是这种跨学科方法具有独特的优势，可以补充和扩展传统的光催化。3）这一新兴领域值得深入研究，未来的挑战和研究方向应集中在以下几个方面：（i）热场作为基础场的经典代表，在有效分离光生载流子、提高光催化活性方面发挥着重要作用。因此，热场表征技术和先进反应器的设计需要进一步探索。（ii）磁场辅助光催化是非接触外场和光催化反应相结合的模型。有机和2D材料的磁场辅助驱动的发展不仅代表了新型光催化材料的充分利用，而且还代表了磁耦合理论（如自旋极化）的扩展和应用。（iii）微波作用于光催化过程时，它们可以发挥其独特的优势，对光催化产生各种影响，并大大提高外场耦合的应用价值。（iv）作为一种简单实用的非接触式外场，超声波可以为光催化反应提供连续稳定的能量来源。因此，在探索超声与光催化的结合时，有必要进一步加深对超声及其他应用领域机理的认识，为单一外场和多场耦合光催化提供可能性。（v）在由多个能量场耦合驱动的光催化系统中，由于每个场的发展水平和与光催化的耦合程度不同，因此在实际操作中可能存在相容性问题。（vi）需要探索一些原位表征和检测方法，以进一步确定在复杂的外场环境中催化剂中光生电荷的分离和迁移。总之，该工作能够为外场辅助光催化的研究和发展提供参考，并为外场耦合增强光催化从而提高催化效率的深入研究提供启示。Xibao Li et al. Recent Advances in Noncontact External-Field-Assisted Photocatalysis: From Fundamentals to Applications. ACS Catal., 2021.DOI: 10.1021/acscatal.0c05354https://doi.org/10.1021/acscatal.0c05354
