​深圳大学Nature，华科/浙大联手Nature丨顶刊日报20210501

纳米人

2021-05-02

1. Nature：GPCR二聚体激活G蛋白的新机制

华中科技大学生命学院、教育部分子生物物理重点实验室刘剑峰教授课题组联合浙江大学基础医学院张岩等人鉴定了C类异源二聚体GABAB受体与G蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了二聚体GPCR偶联G蛋白的新模式，对开发新型毒副作用小的GPCR变构剂药物具有重要指导意义。（来源华中科技大学官网）

Shen, C., Mao, C., Xu, C. et al. Structural basis of GABAB receptor–Gi protein coupling. Nature (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03507-1

2. Nature：揭示阿斯加德古菌新门及其与真核生物的关系

深圳大学高等研究院李猛教授课题组从我国的滨海湿地和近海沉积物到西太平洋深渊等样品中发现六个阿斯加德古菌新门并建立首个阿斯加德古菌功能基因库（AsCOG），研究还深入分析阿斯加德古菌的基因组和代谢潜能，重构了由原核生物（细菌、古菌）和真核生物组成的生命之树，为认识真核生物起源这一未解的生命科学之谜提供了新见解。（来源深圳大学官网）

Liu, Y., Makarova, K.S., Huang, WC. et al. Expanded diversity of Asgard archaea and their relationships with eukaryotes. Nature (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03494-3

3. Nature Nanotech.: 使用表面组装的电生成细胞来传导信号，实现微生物群落的生物电子控制

马里兰大学William E. Bentley等人开发了一种生物电子通讯系统，通过氧化还原信号传导方式在嵌入生物电子界面的活细胞和工程微生物网络之间交换信息。

本文要点：

1）一个自然沟通的三者微生物网络被“插入”到一个外部电子系统中，该系统可以实时地询问和控制生物功能。

2）首先，对电极产生的氧化还原分子进行编程，以激活基因工程化的电极附着细菌细胞群中的基因表达，从而有效地形成活的换能器电极。这些细胞诠释和翻译电子信号，然后通过产生群体感应分子，进而通过浮游共培养来诠释群体感应分子，从而生物学地传输该信息。所传播的分子通讯驱动来自一个菌株的治疗性肽的表达和分泌，同时使来自第二菌株的直接电子反馈成为可能，从而使生物信号传播的实时电子验证成为可能。

总的来说，展示了这个多功能生物电子平台，称为BioLAN，如何可靠地促进按需生物电子通信和并发执行编程任务。

Terrell, J.L., Tschirhart, T., Jahnke, J.P. et al. Bioelectronic control of a microbial community using surface-assembled electrogenetic cells to route signals. Nat. Nanotechnol. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00878-4

4. Science Advances：纳米Cu-MOF中不饱和Cu1-O2位点的暴露用于高效电催化析氢

导电金属有机骨架（MOF）材料近年来被认为是一种有效的电催化剂。然而，其通常存在两大缺点：电化学稳定性差和体相电催化活性低。近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授报道了通过简单的模板式溶剂热反应和随后的氧化还原刻蚀策略，在铁氢氧化物[Fe(OH)_x]纳米盒（NBs）表面精准设计和合成了一层完全负载的超薄导电铜基MOF(Cu-MOF)（[Fe(OH)_x@Cu-MOF]）。

本文要点：

1）X射线吸收精细结构（XAFS）和X射线光电子能谱（XPS）分析结果表明，这些Fe(OH)_x@Cu-MOF NBs中含有丰富的配位不饱和Cu₁-O₂位点。

2）合成的Fe(OH)_x@Cu-MOF NBs具有高度暴露的Cu活性位点和良好的结构，在碱性溶液中表现出良好的HER活性和稳定性，在10 mA cm⁻²时的过电位为112 mV，Tafel斜率为76 mV⁻¹，是迄今为止所报道的最好的MOF基HER电催化剂之一。

3）密度泛函理论（DFT）计算结果表明，Cu-MOF外层不饱和Cu₁-O₂中心的局域电子极化本质上促进了吸附的*H中间体的形成，从而大大提高了HER动力学。

这项工作有望会为设计和合成高性价比的MOF基电催化剂提供一些新的灵感，以实现高效的能量转换和储存。

Weiren Cheng, et al, Exposing unsaturated Cu₁-O₂ sites in nanoscale Cu-MOF for efficient electrocatalytic hydrogen evolution, Sci. Adv. 2021

DOI: 10.1126/sciadv.abg2580

http://advances.sciencemag.org/content/7/18/eabg2580

5. Acc. Chem. Res.: 碱，过渡金属，氮和氢在氨合成和分解反应中的相互作用

将氮固定为氨对于地球上的生物地球化学循环至关重要。氨气也有望成为一种可持续的能源载体。在温和的条件下，致力于开发绿色工艺和用于氨合成和分解的先进材料的巨大努力已经取得了巨大的进展。将氮还原为氨需要电子和质子，而氢化氢H^-可以提供这些电子和质子。另一方面，极化的，富电子的NxHy中间体可以通过碱金属或碱土金属阳离子来稳定，以降低转化过程中的动力学势垒。碱金属/碱土金属氢化物（表示为AH）的固有特性使它们在氨合成中具有独特的功能。

有鉴于此，中国科学院大连化学物理研究所陈萍研究员等人，总结和讨论了在探索用于氨合成和分解反应的碱金属或碱土金属氢化物（表示为AH），酰胺和酰亚胺（以下称为ANH）方面的最新工作。

本文要点：

1）首先介绍了A与N₂、NH₃和H₂的化学关系，重点介绍了AH和ANH之间的相互转化，这对NH₃的形成和分解有着深远的影响。然后，介绍了关于ANH与过渡金属（TM）在氨分解催化中的强协同作用的发现，这激发了随后对AH进行氨合成的研究。

2）讨论了AH在热催化和化学环氨合成过程中的作用和作用机理。在热催化过程中，AH与早期和晚期TM共同作用形成具有两个活性中心的复合催化剂或具有富电子和富氢离子中心的复合金属氢化物催化剂，从而促进了氨在较低温度下的高活性合成。非常有趣的是，AH提高了TMs的催化性能，并干预了纯TMs催化剂的能量比例关系。

3）此外，ANH作为一种新型的氮载体，可通过低温化学环化工艺有效介导氨合成，其中N₂通过AH形成ANH固定。随后，ANH被氢化成氨和AH。晚期TMs对化学环化过程有很强的催化作用。A、N、TM和H-独特的相互作用为在温和条件下实现氮转化提供了大量的机会，但在基础认识和实际应用方面仍需进一步努力。

Jianping Guo et al. Interplay of Alkali, Transition Metals, Nitrogen, and Hydrogen in Ammonia Synthesis and Decomposition Reactions. Acc. Chem. Res., 2021.

DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00076

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00076

6. Joule：3D/2D钝化是多晶薄膜太阳能电池的制胜法宝

多晶光伏材料具有低成本和良好的可扩展性。但是，这些材料中的晶界是扩展的缺陷，会大大增加载流子的复合。有趣的是，三种领先的多晶薄膜技术-碲化镉（CdTe），CuIn1-xGaxSe₂（CIGS）和钙钛矿太阳能电池（PSC）都以相同方式钝化吸光层表面：通过形成低维范德华材料（通常为二维结构）。这主要是通过工艺优化在吸光层表面形成2D覆盖层以提高设备性能。美国可再生能源国家实验室Matthew O. Reese 等人提供了从文献中收集的证据，并在必要时补充了新数据，以说明CdTe，CIGS和PSC中3D / 2D界面的存在。

本文要点：

1）进一步讨论了界面以及它们与改善的钝化和器件性能的相关性。这表明3D/2D钝化可能是成功的多晶薄膜光伏技术迄今未被认识的关键。最后，通过合理的设计策略为下一代多晶太阳能电池提供了成功的低维层的期望属性。

Deborah L. McGott et al. 3D/2D passivation as a secret to success for polycrystalline thin-film solar cells, Joule, 2021

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.015

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435121001380#!

7. Angew：利用电化学诱导的锂金属负极在不可燃磷酸盐电解质中的化学反应

众所周知，尽管锂金属负极为下一代电池技术带来了巨大的希望，但其目前仍然很难应用。解决这一问题的关键在于形成稳定的固体电解质界面（SEI）层。同时，为了进一步解决其潜在的安全问题，在不可燃电解质中实现这一目标至关重要。近日，受以往在传统碳酸盐基电解质中形成稳定SEI的成功经验，美国波士顿学院王敦伟教授报道了利用一种已知的阻燃剂磷酸三乙酯（TEP）用于可逆的镀锂/剥离。

本文要点：

1）其关键在于通过引入的氧在电化学还原时诱导TEP的初始分解，并生成Li₃PO₄和聚磷酸盐。重要的是，该反应是自限的，同时生成的材料可以通过抑制锂枝晶的形成来调节镀锂。结果显示，锂金属在不可燃电解质中形成了功能性SEI。

2）Li||Li对称电池的测试结果显示，其在0.5 mA cm^-2的电流密度下实现了300多次的稳定镀锂/剥离循环。此外，研究人员制备了Li-O₂和锂离子原型电池并对其进行了测试，从而进一步突出了这一策略的有效性。

3）研究人员利用用密度泛函理论（DFT）揭示了SEI的形成机理，并通过在电解质和SEI中检测到相应的产物对其进行了验证。

这项研究代表了解决大容量电化学储能技术关键安全问题的一种新方向。

Haochuan Zhang, et al, Enabling Lithium Metal Anode in Nonflammable Phosphate Electrolyte with Electrochemically Induced Chemical Reactions, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202103909

https://doi.org/10.1002/anie.202103909

8. Angew：基于振动诱导发光的荧光化学传感器用于选择性的葡萄糖视觉识别

开发能够用于检测生物溶液中的分析物的化学传感器是一项极具挑战性的任务。布里斯托大学Javier Ramos-Soriano和M. Carmen Galan合成了一种结合振动诱导发光(VIE)和动态共价化学的荧光受体，并将其用于对水溶液中的葡萄糖进行检测。

本文要点：

1）实验DPAC受体1能够检测葡萄糖，并能区分识别与葡萄糖有着密切关系的单糖（包括血液中常见的单糖）。初步研究表明，单糖会以1:1的化学量与DPAC受体结合产生复合物，进而导致荧光发射产生明显的光学变化。

2）此外，络合引起的发光变化还可以直观视觉观测和通过比率的方法进行定量。这一研究结果表明VIE型受体具有很好的应用潜力，可用于对生物样品中的糖类物质进行定量测定，并且能对水溶液中的相似结构进行其区分。

Javier Ramos-Soriano. et al. A Vibration-Induced Emision-Based Fluorescent Chemosensor for the Selective and Visual Recognition of Glucose. Angewandte Chemie International Edition. 2021

DOI: 10.1002/anie.202103545

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103545

9. Angew：直接观察金属氧化物纳米颗粒转变为具有氧配位结构和高负载量的金属单原子

在热解条件下将块体金属或纳米颗粒直接转化为金属单原子是制备单原子催化剂的一种高效而有前途的策略。其通常使用掺氮掺杂的碳作为锚定载体，在高温下捕获迁移的金属离子物种，并在此过程中形成稳定的、与氮配位的孤立SACs。近日，中科院化学研究所宋卫国研究员，Changyan Cao，北京工商大学Ruilian Qi报道了在750 ℃的惰性气氛中，通过金属氧化物纳米颗粒（Fe，Co，Ni，Mn-NPs）在惰性气氛中直接转化，意外获得了高负载量（超过10 wt%）的氧配位的金属单原子催化剂（Fe，Co，Ni，Mn-SACs）。

本文要点：

1）首先，通过三甘醇热分解过程，将直径约为7 nm的Fe₃O₄纳米颗粒均匀地负载到石墨烯纳米片上(Fe₃O₄/rGO)，然后，用高度交联的poly(cyclotriphosphazene-co-4,4’-sulfonyldiphenol)涂覆所得的Fe₃O₄/rGO复合材料（Fe₃O₄/rGO@PZS），最后，样品在管式炉中在氩气保护下于750 ℃热解2小时（SA Fe/C）。

2）研究人员利用像差校正的大角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）和X射线吸收精细结构（EXAFS）揭示了原子分散的金属单原子及其氧配位结构。此外，另外，利用原位透射电子显微镜直接观察了纳米颗粒向单原子转化的动态过程。

3）实验结果显示，所制备的Fe SAC对过氧化氢催化氧化苯为苯酚表现出较高的催化活性和较好的选择性。

这项研究为制备高性能热稳定的单原子催化剂提供了一条有价值的途径。

Jian Liu, et al, Direct observation of metal oxide nanoparticles being transformed into metal single atoms with oxygen-coordinated structure and high-loadings, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202102647

https://doi.org/10.1002/anie.202102647

10. Nano Letters：常压近室温下ZnO纳米片用于高效甲烷光氧化生成液态含氧化合物

在温和条件下直接将CH₄光转化为液态含氧化合物一直是一个巨大的挑战。

近日，中科大孙永福教授报道了设计了二维氧化物半导体通过产生丰富的活性O^-物种来活化甲烷的C−H键。

本文要点：

1）研究人员以合成的ZnO纳米片为例，通过原位电子顺磁共振谱揭示了它们的晶格氧原子能够捕获光激空穴并产生活性的O⁻物种，从而有效地从CH₄中提取H生成·CH₃自由基。

2）吉布斯自由能计算和原位傅里叶变换红外光谱结果显示，限速步骤是第一个C−H键活化过程，而*CHO放热氧化生成HCOOH比吸热过氧化生成CO更容易，这是选择性生成液体含氧化物的原因。

3）结果表明，在50 °C左右的常压下，ZnO纳米片上液体含氧化合物的生成率达到2.21 mmol g⁻¹ h⁻¹，选择性为90.7%，优于以往报道的类似条件下的光催化剂。

Shan Zhu, et al, Efficient Photooxidation of Methane to Liquid Oxygenates over ZnO Nanosheets at Atmospheric Pressure and Near Room Temperature, Nano Lett., 2021

DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01204

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01204

11. Nano Energy：含氟聚合物/碳纳米管基超疏水耐腐蚀电极的直接墨水书写用于液滴发电机和自供电电子皮肤

通过利用包括雨滴和身体运动在内的环境机械能来运行的自供电器件和系统由于其有前途的应用而得到了广泛研究。在实际应用中，这些装置经常暴露在潮湿的条件下或直接接触水溶液。近日，华南师范大学周国富教授，香港城市大学王钻开教授，Hao Wu报道了开发了一种基于含氟聚合物（FP）和碳纳米管（CNT）的憎水和化学稳定的电极材料，可以通过直接墨水书写（DIW）法在疏水性Teflon的表面形成图案。

本文要点：

1）这种FP/CNT电极具有超疏水性，水接触角为161°，有助于在恶劣环境中工作的憎水电路。同时，得益于简易的DIW制造方法，可以可控FP/CNT图案的厚度和线宽，并且可以在柔性衬底上制造出复杂的图案。

2）研究人员通过10000次机械弯曲和在盐/酸/碱溶液中浸泡20 h，验证了FP/CNT涂层/图案的机械和化学稳定性。

3）这种坚固的电极与疏水性摩擦材料的集成使得构造出基于液滴的发电机（DEG）成为可能，其瞬时电流和功率输出分别为2 mA和0.12 W。这样一滴水滴就能点亮50个LEDs。同时，研究人员开发了基于FP/CNT的电子皮肤，并展示了其自供电触摸传感功能，从而为自供电器件的电极制备策略提供了广泛的适用性。

Guisong Yang, et al, Direct Ink Writing of Fluoropolymer/CNT-based Superhydrophobic and Corrosion-Resistant Electrodes for Droplet Energy Harvesters and Self-Powered Electronic  Skins, Nano  Energy, (2021)

DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106095

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106095

12. AFM：一种基于石墨炔的高速非易失性存储器

二维材料为下一代新型电子产品的发展提供了理想的平台。在过去十年里，基于二维材料的存储技术层出不穷。基于二维范德瓦尔斯异质结的半浮栅结构是一种新型的存储结构，它可以将电荷通过p-n结直接注入浮栅中，从而克服传统浮栅存储器（基于福勒-诺德海姆隧穿机制）的操作速度低下的弊端。然而，由于p-n结不可避免地存在结区泄露，使得该存储器仅仅能保持数十秒，因此，只能通过频繁刷新来更新存储状态。鉴于前人通过将电荷注入到电荷俘获材料中来实现非易失性存储，通过电荷俘获来防止电荷泄露成为可能。

近日，天津理工大学鲁统部教授和陈旭东副研究员课题组，联合北京大学张锦院士（共同通讯作者）团队在Advanced Functional Materials上发表了一篇题为“An Ultrafast Nonvolatile Memory with Low Operation Voltage for High-Speed and Low-Power Applications”的文章。该课题组开发了一种基于二维范德瓦尔斯异质结的超快非易失性存储器。该存储器使用石墨炔/石墨烯（GDY/Gr）作为异质结浮栅，其中GDY作为电荷俘获层，Gr作为控制层。电荷可在极短的时间内通过GDY/Gr结直接注入GDY层，并可以被GDY中的俘获位点持续俘获。通过测试，该器件具有超高的写入速度（≈ 8 ns）、低的写入电压（30 mV）和较长的保持时间（＞10⁴s），此外，该器件具有10⁶的高开关比，可实现6个不同的存储状态，表明了其在多位存储方面的应用潜力。

综上所述，作者提出了一种基于MoS₂/hBN/GDY/Gr垂直异质结构的超快非易失性存储器。该存储器可实现超快脉冲写入，得益于石墨炔优异的电荷俘获能力，该器件具有良好的保持特性和耐久性。此外，该器件的高开/关比能够实现具有6个不同的存储级别，提高了存储器的存储密度。该器件结合了易失性存储器的超快写入速度和非易失性存储器的长保持时间的优点，填补了超快非易失性存储器技术的空白，展现了其在新型二维电子存储领域的应用价值。

An Ultrafast Nonvolatile Memory with Low Operation Voltage for High-Speed and Low-Power Applications. Advanced Functional Materials, 2021, 2102571.

https://doi.org/10.1002/adfm.202102571