顶刊日报丨王春生、王野、支春义、郭玉国、侯仰龙、余彦等成果速递20210422

纳米人

2021-04-23

1. Nature Commun.: 氮化镓催化二氧化碳直接加氢制二甲醚为主要产物

将二氧化碳选择性加氢制高附加值化学品是一项很有吸引力的技术，但高性能催化剂仍然是一个挑战。有鉴于此，陕西师范大学刘忠文教授、厦门大学王野教授、西安交通大学常春然副教授等人，报道了氮化镓(GaN)催化CO₂直接加氢制二甲醚(DME)，其选择性约为80%。

本文要点：

1）氮化镓对CO₂加氢的活性比CO加氢的活性高得多，但产物分布非常相似。证明了GaN是将CO₂选择性地直接加氢为DME的有效催化剂，DME被严格揭示为主要产物。

2）稳态和瞬态实验结果、光谱学研究和密度泛函理论计算都严格揭示了DME是通过甲基和甲酸酯中间体作为主要产物生产的，该中间体在具有相似活化能的GaN的不同平面上形成。这与传统的在混合催化剂上通过甲醇中间体合成二甲醚有本质的不同。

3）此外，氮化镓的晶粒尺寸、碱性助催化剂的添加以及操作条件对催化性能有显著影响。在最佳条件下，DME的时空产率（STY）高达2.9 mmol g^-1_GaN h^-1，并且在运行时间（TOS）超过100 h后未观察到失活。

总之，该工作提供了一种能够将CO₂直接加氢成DME的催化剂，并结合DFT结果提出了一种合理的由甲基和甲酸中间体合成二甲醚的机理。

Liu, C., Kang, J., Huang, ZQ. et al. Gallium nitride catalyzed the direct hydrogenation of carbon dioxide to dimethyl ether as primary product. Nat Commun 12, 2305 (2021).

DOI: 10.1038/s41467-021-22568-4

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22568-4

2. Acc. Chem. Res.: 氧化级联反应中的高效多相钯催化剂

涉及级联过程的钯催化氧化为简单原料转化为高原子的功能分子提供了一个通用平台。然而，在Pd催化的氧化级联反应中，由于活性钯物种聚集在Pd黑上，以及在每个成键步骤中可能发生的副反应，在许多情况下，实现钯的高效率和选择性仍然具有挑战性。有鉴于此，斯德哥尔摩大学Jan-E. Bäckvall和安徽大学Man-Bo Li等人，总结了氧化级联反应中的高效多相钯催化剂的最新研究进展。

本文要点：

1）目前解决这些问题的两种解决方案是利用氧化剂稳定的配体或使用电子转移介质(ETMs)。前者通过使用胺类、吡啶类、亚砜类和卡宾类衍生物抑制Pd⁰在催化循环过程中的聚集，而后者通过促进Pd⁰再氧化为Pd^II来提高活性和选择性。

最近，研究人员开发了多相催化剂来解决上述氧化级联反应中的问题。非均相钯催化剂（Pd-AmP-MCF或Pd-AmP-CNC）包含固定在氨基官能化硅质介孔泡沫（MCF）或结晶纳米纤维素（CNC）上的钯纳米簇（1-2 nm），具有较高的活性、选择性和良好的循环利用能力。

2）讨论了非均相钯催化剂的合成，表征，催化行为以及反应中涉及的机理。这些催化剂在氧化反应中的重要方面是在异相中生成活性Pd（II）物种。最近研究的典型氧化级联反应包括:氧化碳环化-羰基化、氧化碳环化-硼化、氧化炔基化-环化、氧化羰基化-环化、氧化碳环化-炔基化。这些反应提供了在药物化学和功能材料中具有吸引力的重要化合物，如γ-内酯/γ-内酯基聚环、环丁烯醇、高取代呋喃和氧硼烷。

3）在这些过程中，非均相催化剂表现出比均相催化剂(如Pd(OAc)₂)更高的周转数（TON），以及均相钯催化剂无法实现的独特选择性。还研究了非均相催化剂的高效率和独特选择性的起源。基于这些非均相过程的优异选择性，实现了光学纯化合物的不对称合成。动力学研究表明，在再循环期间，反应的速率和收率基本保持不变，这表明Pd-AmP-MCF和Pd-AmP-CNC在这些氧化级联反应中具有较强的活性。此外，电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析和热过滤测试表明，这些过程很可能通过异构途径进行。最新进展表明，Pd-AmP-MCF和Pd-AmP-CNC的活性可以通过添加Ag⁺生成阳离子Pd(II)进一步提高。此外，在Pd-AmP-MCF催化的氧化级联过程中观察到有趣的溶剂效应，并基于催化剂的这一特性开发了溶剂控制的化学选择性转化。

总之，这种异质性策略为Pd（II）催化的氧化级联反应中的钯失活和选择性问题提供了解决方案，并实现了有效的催化剂再循环，这将为氧化级联反应开辟新的机会。

Man-Bo Li et al. Efficient Heterogeneous Palladium Catalysts in Oxidative Cascade Reactions. Acc. Chem. Res., 2021.

DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00122

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00122

3. Chem. Soc. Rev.: 质子传导金属有机框架的合理策略

质子传导材料在电化学装置的广泛应用中发挥了重要作用。尤其是，固态质子导体（SSPC）作为燃料电池（FC）的电解质正在兴起，因为它具有在宽广的温度范围内运行的高性能和安全性，成为一种有前景的发电技术。近年来，由于具有高质子传导性（> 10-2 S cm^-1）的多孔金属有机骨架（MOFs）因其在固体电解质中的潜在应用而得到了广泛的研究。它们的结构可设计性、结晶度和多孔性有利于制备一种新型的质子导体，并提供一种综合的导电机制。对于质子传导性MOF，每个组成部分，如金属中心，有机连接剂和孔隙空间，是通过一个明智的预先设计策略或合成后修饰来操纵，以通过有效的传导路径来改善移动质子浓度。

有鉴于此，京都大学Hiroshi Kitagawa和延世大学Dae-Woon Lim等人，从MOF组分的角度，重点介绍了高质子传导性MOF的合理设计策略，并分析了近年来的典型例子。随后，讨论了质子传导MOFs设计面临的挑战和未来的发展方向。

本文要点：

1）多孔金属有机框架已成为各种应用的平台。特别是，质子传导性MOF在过去十年中迅速增长，并以逐年增加的速度取得了巨大的进展。该工作讨论了从框架设计到孔环境的各种策略，以及具有代表性实例的质子传导性MOFs的独特研究。具有高电导率的质子传导性MOF所需的特征如下：（1）框架的鲁棒性；在任何操作过程中，至少在水合和脱水过程中，框架的主干应该被保留；（2）质子给体和规则氢键的有序质子位点；（3）高载流子密度的浸渍。具有酸官能团（例如羧酸根，膦酸根和磺酸根）的酸性支链是设计质子传导性MOF的理想材料。此外，将酸性客体包裹在空隙中成为该领域的一种更通用的方法。

2）然而，在实际应用中仍存在一些障碍，如结构稳定性、膜的制备、晶界效应等。此外，有限的工作温度也是一个挑战。从质子传导MOF的研究角度来看，（1）从报告的结构的大数据系统中挖掘潜在的候选对象作为未来的工作很重要；（2）通过柔性结构设计潜在的传导途径，这种结构在表面上是不可见的，并且可以对外部刺激作出反应，有助于在低湿度条件下形成牢固的氢键网络。（3）从结构角度看，小孔径大空腔可以有效防止导电介质逸出，并在空腔内封装大量导电介质。（4）通过pKa梯度设计定向质子扩散可能为创造新材料提供机会；（5）低温下的高质子导电性和与H₂O介质相当的无水质子导电性可以作为下一个质子导电性MOFs的研究目标; 6）为提高质子交换膜（PEM）的机械强度，有必要研究MOFs和聚合物的杂化材料；（7）利用各种工具全面了解导电机理，有利于设计新的质子导体。

Dae-Woon Lim et al. Rational strategies for proton-conductive metal–organic frameworks. Chem. Soc. Rev., 2021.

DOI: 10.1039/D1CS00004G

https://doi.org/10.1039/D1CS00004G

4. EES：接枝MXene/聚合物电解质助力在低温/高温下延长保存期限的高性能固体锌电池

水系锌离子电池（ZIBs）的锌金属负极存在枝晶和副反应析氢反应（HER）、钝化等严重问题，严重制约了ZIBs的寿命。近日，香港城市大学支春义教授首次报道了一种基于聚丙烯酸甲酯接枝MXenes（PVHF/MXene-g-PMA）填充聚偏氟乙烯-共六氟丙烯的固体聚合物电解质（SPE）以解决ZIBs面临的上述问题。

本文要点：

1）由于高度接枝的PMA和PVHF基体之间独特的相互作用，研究人员获得了均匀分散的MXenes。所获得的SPE的离子电导率比PVHF基体高三个数量级，室温下达到2.69×10^-4 S cm^-1。并实现了高可逆性的无枝晶镀锌/剥离（在室温下循环达到1000 h，在高温下达到200 h）。

2）制造的具有消除HER和抑制的负极Zn枝晶的固态全电池在室温下在2 C下表现出10000次循环的优异循环性能，并且可以在-35至100 ℃的温度范围内正常工作。在低温/高温下保存后，全固态ZIBs的保存期限超过90天。

这项研究在具有优异稳定性和可靠性的全固态ZIBs方面取得了实质性进展，其有效抑制了枝晶和副反应、实现了优异的循环性能和显著的储存期限。

Ze Chen, et al, Grafted MXene/Polymer Electrolyte for High Performance Solid Zinc Batteries with Enhanced Shelf Life at Low/High Temperatures, Energy

Environ. Sci., 2021

DOI: 10.1039/D1EE00409C

https://doi.org/10.1039/D1EE00409C

5. EES: 电荷泵浦效应使Co-NC在pH通用析氢反应中优于Pt催化剂

一种过渡金属(TM)与N掺杂碳(NC)纳米复合材料相结合，被认为是一种替代性的电催化剂，对析氢反应(HER)表现出与Pt相当的活性，但到目前为止，没有任何一个例子能胜过Pt酸性，碱性和中性介质中的活性，这是因为对固有催化活性的调节不足。有鉴于此，复旦大学吴仁兵研究员等人，通过简便的ZIF驱动的主客体方法成功地制备了嵌入N掺杂碳电催化剂中的VN/Co异质结构。Co/VN的晶格耦合和从Co到VN的电荷转移可以通过增强对氢中间体的固有吸附能力来有效改善VN/Co-NC的HER性能。

本文要点：

1）开发了一种简便的沸石咪唑酯框架(ZIF)驱动策略，以在N掺杂的多孔碳多面体中构建VN/Co异质结的界面工程，包括在ZIF-8衍生的微孔上吸附双金属Co和V盐，然后同时进行热还原和氮化。

2）报道了一种界面工程VN/Co-NC电催化剂，在1.0 M KOH，0.5 M H₂SO₄和1.0 M PBS溶液中，过电位分别只有44、22和163 mV时，可以实现10 mA cm^-2的电流密度，不仅优于先前报道的TM–NC实例，而且还超过了商用Pt@C催化剂。更重要的是，在宽的pH范围内，高催化活性可以保持72小时以上。

3）密度泛函理论计算和基于同步加速器的X射线吸收精细结构研究表明，优异的催化性能主要归因于具有合适晶格失配的结构明确的VN/Co异质界面，从而通过VN的电荷泵浦效应，允许Co-NC的电子耗竭，从而优化氢中间体的吸附自由能。

总之，该工作不仅在调整TM–NC的电子结构以实现卓越的HER性能方面取得了突破，而且还提供了对其结构－活性相关性的更深入了解。

Ziliang Chen et al. Charge pumping enabling Co–NC to outperform benchmark Pt catalyst for pH-universal hydrogen evolution reaction. Energy Environ. Sci., 2021.

DOI: 10.1039/D1EE00052G

https://doi.org/10.1039/D1EE00052G

6. EES：上转换增强钙钛矿太阳能电池的光电流

有限的太阳光谱利用率阻碍了钙钛矿太阳能电池（PVSC）性能的进一步改善。上转换（UC）过程将PVSC的光谱吸收范围从可见光扩展到近红外（NIR）范围，并使子带隙光子传输损耗最小化。来自红荧烯（Rub）和二苯并四苯基过环蒽（DBP）的钙钛矿敏化三重态-三重态淬灭（TTA）在UC应用中显示出巨大潜力。南昌大学Licheng Tan 和Yiwang Chen等人首先将TTA UC机制引入PVSC中，以将NIR光子转换为可见光子，从而促进光电流的明显改善。

本文要点：

1）得益于TTA UC效应和具有钙钛矿的Rub：DBP UC层的能带匹配，基于MAPbI₃的PVSC获得20.18％的效率，同时开路电压和短路电流密度显著提高。2）另外，由于形成π-共轭附聚物，因此红荧烯掺杂作为钙钛矿结晶核的生长位点，可促进钙钛矿的生长。此外，基于Rub：DBP的未封装器件具有出色的水分稳定性，在空气中（湿度为50-70％，温度为25°C）存储14天后，可以保持原始效率的80％以上。

Wangping Sheng et al. Tremendously Enhanced Photocurrent Enabled by Triplet-Triplet Annihilation Up-Conversion for High-Performance Perovskite Solar Cells，Energy Environ. Sci., 2021

DOI：10.1039/D1EE00631B

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00631b#!divAbstract

7. Nano Energy: 基于交错电极的滑动摩擦电纳米发电机

摩擦电纳米发电机（TENG）是基于摩擦起电和静电效应，属于将机械能转换为电能的发电设备。TENG具有重量轻，功率高，成本效益高和简单的制造工艺的特点，即使在较低的工作频率下仍具有很高的效率，使其有望成为应用于物联网设备的电源选择。TENG可以根据其工作模式分为四种类型：接触分离，侧向滑动，单电极和独立式摩擦电层。获得连续滑动的最简单方法是使用旋转。因此，关于S-TENGs的许多研究都采用了一种磁盘结构，其中两个电极排列在一个磁盘平面中。在大多数有关S-TENG的研究中，电极放置在同一平面上，并且它们之间有绝缘空间。有关电极的不同空间排列的研究很少。在此，韩国高丽大学Jaehwa Jeong等人提出一种带有交错电极的S-TENG，通过简单地改变电极的空间排布即可提高输出性能。这项工作有望为S-TENG技术的发展提供有价值的思路。

本文要点：

1）通过简单地改变电极的空间布置来显著提高S-TENG的输出性能。通过在空间上错开电极，可以同时增加转移电荷（由于增大的摩擦面积而引起）和开路电压（由于减小的电容而引起）。

2）通过一系列的仿真和实验，证实了S-TENG-SE优于具有传统电极排布的S-TENGs。与常规S-TENG相比，实验性开路电压，转移电荷和短路电流分别增加了3.3倍，2.7倍和4.5倍。

3）结果表明，所提出的S-TENG-SE的结构比传统的S-TENG的结构更有利于实现更好的性能。

Yongjoo Lee, et al. Sliding triboelectric nanogenerator with staggered electrodes. Nano Energy. 2021

DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106062

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106062

8. ACS Energy Lett.：具有添加剂的商用碳酸盐电解质助力高性能锂金属电池

锂金属负极被认为是高能量密度电池负极材料的最终选择。然而，在碳酸盐电解质中形成的以有机为主的固体电解质界面（SEI）对金属Li的界面能较低，且电阻率较高，导致镀锂/剥离库仑效率（CE）低于99.0%，且Li枝晶生长严重。近日，马里兰大学王春生教授，清华大学何向明教授首次报道了在商用碳酸盐电解质中引入FEC-SL/LiNO₃复合添加剂，从而获得了优异的循环稳定性和锂金属负极的高CE，其性能优于不加添加剂的碳酸盐电解质和单独添加FEC或LiNO₃的碳酸盐电解质。值得注意的是，LiNO₃是通过使用LiNO₃/环丁砜(SL)浓溶液引入电解质中，其中SL载体溶剂比碳酸盐溶剂具有更高的LiNO₃溶解度和更高的氧化稳定性。

本文要点：

1）实验结果表明，与在1 M LiPF₆/EC-DMC（体积比为1：1）电解质（简称BE）相比，在BE中加入FEC-SL/LiNO₃添加剂(简称Be-FeC-SL/LiNO3)之后，镀锂/剥离的CE从84.4%提高到99.5%。

2）研究发现，由于LiNO₃和FEC的协同作用，在锂金属负极表面构建了一种具有高锂离子电导率的疏锂LiF-Li₃N增强型SEI，在降低Li成核过电位的同时抑制了Li枝晶的生长。

3）具有BE-FEC-SL/LiNO₃电解质的4.3 V LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂（NCA）/Li（50 μm）全电池在150次循环后的容量保持率达到90.8%，平均CE为99.7%。

这项工作为实现具有最佳性能的基于商用碳酸盐电解质的高压LMBs提供了一种简单、经济的策略。

Nan Piao, et al, Lithium Metal Batteries Enabled by Synergetic Additives in Commercial Carbonate Electrolytes, ACS Energy Lett. 2021

DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00365

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00365

9. EnSM: 将阻燃磷酸盐原位封装到聚合物基体实现稳定的准固态锂金属电池

基于锂离子在锂金属负极上可逆镀覆/剥离的锂电池已经得到了广泛的研究，因为与传统锂离子电池相比，锂电池可以提供更高的能量输出。如果使用有机液体电解质，锂金属负极通常会在电极-电解质界面处出现枝枝晶和连续的副反应，从而导致安全隐患和低库仑效率。通过改用固态电解质（SSE），可以抑制抑制上述问题，并且能提升电池的安全性和循环寿命。在室温下，陶瓷SSE的Li⁺电导率与液体电解质相当，但是大多数陶瓷颗粒与两个电极的界面接触都很差，并且机械性能也很差，无法与现有的LIB制造工艺相匹配。对此，可行的做法是将有机液体电解质引入聚合物基体中，但是，其的大多数组分都是易燃的，存在安全隐患。为了应对这一挑战，近日，中国科学院化学研究所郭玉国和辛森研究员等人通过将阻燃液态磷酸盐原位封装到坚固的固体聚碳酸酯基体中，实现了一种不易燃的SLHE。

本文要点：

1）原位固化SLHE同时具有高Li⁺电导率（4.4 mS cm^-1），杨氏模量（12.4 GPa），Li⁺迁移数（0.76）和宽的电化学窗口（0-4.9 V vs. Li⁺/Li）有效抑制负极上的枝晶和不利的副反应，并提供与高压正极的相容性。

2）通过将液态磷酸盐增塑剂引入聚合物骨架，SLHE成为阻燃剂，而聚合物骨架和增塑剂均具有电绝缘性。

3）通过使用不易燃的SLHE，Li||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂电池在200次循环后保留了初始容量的87.7％，Ah级Li||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂袋式电池显示出更高的安全性，并且通过了第三方授权的穿刺测试。

Shuang-JieTan, et al. In-situ encapsulating flame-retardant phosphate into robust polymer matrix for safe and stable quasi-solid-state lithium metal batteries. Energy Storage Materials. 2021

DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.020

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.020

10. EnSM: 基于NbSe₂的错配层状硫族化物具有优异的储钾性能

由于K⁺/K的标准氧化还原电位低（-2.93 V）和丰富资源优势（地壳中的2.09 wt％），钾离子电池（KIBs）成为了目前的研究热点，在大规模储能领域中具有较大的竞争力。KIB应用的最大挑战是寻找合适的电极材料，这是因为较大的半径使K⁺在电极中的扩散缓慢，并且K⁺在电极材料中的嵌入脱出会产生巨大的体积膨胀。为了解决这些问题，目前已经做出了许多努力。二维（2D）过渡金属二硫化物（TMDC）由于其高的理论容量和较大的层间距成为有前景的钾离子电池（KIB）负极材料。然而，TMDC的应用受到循环期间的体积膨胀和相对较差的导电性的限制。为了应对这一挑战，近日，中国科技大学余彦和王青松教授等人开发了一种通用的策略，可以通过简单的自上而下的过程制备一系列基于NbSe₂的错配层状化合物MLC，这项工作为设计用于储能系统的新型层状结构电极材料提供了一条新途径。

本文要点：

1）通过简便的烧结方法开发了（SnSe）_1.16NbSe₂和（PbSe）_1.14NbSe₂，MLC中的软性和刚性亚单元逐层精细地排列，以形成高度有序的自然异质结构。

2）NbSe₂亚单元充当导电骨架，不仅增强了高容量硒化物单元（SnSe或PbSe）的反应动力学，而且还提供了限制和保护以适应K⁺插入/脱出过程中巨大的体积变化，从而改善了电化学性能。

3）FL-（SnSe）_1.16NbSe₂和FL-（PbSe）_1.14NbSe₂都具有目前最高的可逆容量，优于单一组分的SnSe，PbSe和NbSe₂。这项工作充分证明了基于NbSe₂的MLC在大规模储能应用中的巨大潜力，并为拓宽设计具有先进纳米结构的新型高性能电极材料的方法铺平了道路。

Qingkui Peng, et al, Boosting Potassium Storage Performance via Construction of NbSe₂–Based Misfit Layered Chalcogenides. Energy Storage Materials. 2021

DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.032

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.032

11. AFM：通过多功能硒化锌保护层来消除枝晶和副反应助力高性能水系Zn金属电池

严重的腐蚀、析氢副反应和枝晶生长等问题严重阻碍了水系Zn金属电池（AZMBs）的发展。此外，AZMBs不能实现大容量也阻碍了其商业化。近日，北京大学侯仰龙教授报道了在裸露的Zn表面原位构建了一种多功能保护层，有效地解决了上述AZMBs面临的问题问题；该保护层由密集堆积的ZnSe纳米颗粒组成（Zn@ZnSe）。这种致密的保护层可有效消除界面副反应，包括腐蚀和析氢副反应，从而使得AZMBs在整个使用周期（包括储存期和工作期）内保持出色的电化学稳定性。

本文要点：

1）系统的密度泛函理论（DFT）计算和原位光学显微镜分析结果显示，ZnSe的低锌亲和力导致Zn²⁺浓度增加，从而在电解质-ZnSe界面提供了均匀的Zn²⁺通量。此外，ZnSe–Zn界面间的原子成键引起的电荷分布不平衡加速了Zn离子的沉积，极大地抑制了Zn枝晶的生长。

2）实验结果显示，基于Zn@ ZnSe的对称电池表现出高倍率性能，稳定运行超过1500小时（10 mA cm^-2，1 mAh cm^-2）。即使在高倍率（10 mA cm^-2，5 mAh cm^-2）下具有大的面积容量，Zn@ZnSe电池仍能在低极化电压（50 mV）下长期稳定运行。最后，将Zn@ZnSe||MnO₂进一步应用于MnO2||Zn全电池中，电池可稳定工作1800次以上，CE接近100%，显示出较大的应用潜力。

这种高倍率、大容量可消除枝晶和副反应的策略为AZMBs的发展提供了一种很有前途的解决方案。

Long Zhang, et al, Eliminating Dendrites and Side Reactions  via a Multifunctional ZnSe Protective Layer toward Advanced Aqueous Zn Metal Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adfm.202100186

https://doi.org/10.1002/adfm.202100186

12. ACS Nano: 基于纤维素纳米纤维和导电纳米材料的太赫兹双折射仿生气凝胶

生物聚合物气凝胶因其重量轻、孔隙率可变、微结构设计、可持续性和可再生性等优点而受到学术界和工业界的广泛关注。生物聚合物气凝胶可进一步与其他具有优异电学，热学和光学性能的其他纳米材料结合使用，在保温、储能、传感器、电磁波吸收或屏蔽等方面具有巨大的应用潜力。这些生物聚合物气凝胶中的功能性结构单元和孔微结构为引入更多功能性或改善其性能提供了更多可能性。例如，纤维素，氧化石墨烯和海泡石纳米棒的组合有助于实现超绝热，阻燃，轻质但坚固的生物聚合物泡沫，其性能要优于传统的基于聚合物的绝缘材料。

有鉴于此，瑞士联邦材料测试与开发研究所(EMPA)的Gustav Nyström和Elena Mavrona等人，通过简单的双向冷冻干燥方法组装合成了仿生，层状和高度多孔的过渡金属碳化物（MXene）包埋纤维素纳米纤维（CNF）气凝胶。

本文要点：

1）生物聚合物气凝胶具有大规模，平行定向的微米级孔隙，并具有出色的机械强度和柔韧性，可调节的电性能以及低密度（2.7–20 mg/cm³）。有效利用CNF，MXene和层状孔，使气凝胶在太赫兹（THz）范围内具有异常高的双折射性。在0.4 THz时，双折射值可高达0.09-0.27，可与大多数商业THz双折射材料（例如液晶）相比较，其衰变快、成本高、制备工艺复杂。

2）对不同MXene含量的CNF气凝胶进行了经验建模，并与银纳米线或碳纳米管包埋的CNF气凝胶进行了实验比较。值得注意的是，三维气凝胶充分利用了CNF、导电纳米材料和层状孔微结构的协同作用，在太赫兹状态下具有良好的双折射率。

3）实验表明，导电纳米材料的本征性质、纳米材料的含量、孔隙率和层状多孔结构对THz参数，如对仿生生物聚合物气凝胶的吸收率和双折射率等有很大影响。生物聚合物气凝胶光学各向异性的测定为进一步探索基于超轻、独立、低成本的仿生多孔结构太赫兹器件奠定了基础。

总之，该工作制备的太赫兹双折射仿生生物聚合物气凝胶为开发基于轻质，独立，低成本多孔结构的太赫兹器件提供了有希望的途径。

Zhihui Zeng et al. Terahertz Birefringent Biomimetic Aerogels Based on Cellulose Nanofibers and Conductive Nanomaterials. ACS Nano, 2021.

DOI: 10.1021/acsnano.1c00856

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00856