基金申请书中不能提影响因子？顶刊日报丨黄劲松、王野、欧阳钢锋、胡良兵、林君、赵一新等成果速递20210717
纳米人
2021-07-19
1. Nature Commun.：通过动态配位相互作用实现快速电子转移以提高光催化CO2还原的量子效率
实现高量子效率的光催化CO2还原是一个关键的挑战，通过光敏剂和催化剂之间的动态结合策略来克服这一挑战。近日，中山大学欧阳钢锋教授报道了利用配位键将吡啶掺杂的铱光敏剂与用于CO2还原的分子催化剂连接起来，并通过1H核磁共振滴定、理论计算和光谱测量进行了系统地研究。1）研究人员设计了吡啶侧链的Ir(III)PS，[Ir(ppy)2(qpy)](BF4)（IrQPY；ppy=2-苯基吡啶；qpy=4,4‘：2’,2“：4”,4“-季吡啶）和纯净的酞菁钴（CoPc）催化剂的组合。IrQPY的吡啶侧链可以作为与CoPc轴向配位的结合位点，CoPc是一种在光催化还原CO2中很少使用但在电催化中被广泛使用的分子催化剂。2）机理研究表明，光敏剂与未修饰的酞菁钴之间的配位作用显著地加速了电子转移。实验结果显示，IrBPY与CoPc的动态配位相互作用在光催化CO2还原为CO方面取得了令人印象深刻的性能，在450 nm处的量子效率（QE）为10.2%±0.5%，产量为391±7的周转数（TON），CO选择性高达98%，远远优于无配位作用的IrBPY/CoPc（IrBPY=[Ir(ppy)2(bpy)](BF4)）体系。此外，配位相互作用策略对其他构型不同的分子催化剂也具有很强的适用性。3）得益于配位相互作用的增强，而不是其本征活性的增强，在酞菁钴上修饰给电子氨基可以优化其在425 nm处的量子效率，最高可达27.9%±0.8%。Wang, JW., Jiang, L., Huang, HH. et al. Rapid electron transfer via dynamic coordinative interaction boosts quantum efficiency for photocatalytic CO2 reduction. Nat Commun 12, 4276 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-24647-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-021-24647-y
2. Nature Commun.：Cu-ZnO催化剂用于水煤气变换和CO加氢反应的活性中心
Cu–ZnO–Al2O3催化剂是一种用于水煤气变换（WGS）和CO加氢制甲醇反应的工业催化剂。然而，由于缺乏足够的实验证据，在用于WGS的Cu-ZnO基催化剂中，关于活性结构是被ZnO分散和稳定的金属Cu相的独特结构还是可促进H2O解离的Cu–ZnO界面仍然存在争论。这同时导致了基于密度泛函理论（DFT）计算所提出的用于WGS反应的不同Cu–ZnO催化反应机理。近日，中科大黄伟新教授，张文华副教授，厦门大学王野教授报道了在典型的反应条件下，ZnO/Cu催化剂在WGS和CO加氢反应中经历不同的原位重构过程，分别形成Cu羟基化的ZnO和CuZn合金活性位点。这些结果揭示了CuZnO催化剂的反应敏感型结构和活性位点。1）研究人员以相应的ZnO/Cu2O-NCs催化剂为原料，采用形貌保持还原策略制备了一系列ZnO/Cu-NCs催化剂。均匀的不含封端配体的Cu2O NCs主要包括：i）不同尺寸分布的{100}晶面包围的立方Cu2O NCs（c-Cu2O），包括：682±92 nm（c-Cu2O-682）、109±10 nm（c-Cu2O-109）和34±4.5（c-Cu2O-34）；ii）由尺寸分布为583±74 nm的{111}晶面包围的八面体Cu2O NCs（表示为o-Cu2O）；iii）尺寸分布为550±93 nm的{110}晶面包围的菱形十二面体Cu2O NCs（d-Cu2O）。然后以Cu2O NCs为载体，合成了一系列ZnO/Cu2O-NCs催化剂，并保留了相应的Cu2O NCs载体的形貌。2）研究发现，催化剂的原位重构过程受到Cu结构的调节，以形成具有最高内在催化活性的活性位点，CuCu(100)-羟基化ZnO和CuCu(611)Zn合金，分别用于WGS和CO加氢反应。同时，考虑到已确定的活性中心，尽可能多地制备具有Cu{100}面和Cu{611}台阶位的Cu-ZnO催化剂是开发高效的用于水煤气变换和CO加氢反应催化剂的有效策略。Zhang, Z., Chen, X., Kang, J. et al. The active sites of Cu–ZnO catalysts for water gas shift and CO hydrogenation reactions. Nat Commun 12, 4331 (2021)DOI: 10.1038/s41467-021-24621-8https://doi.org/10.1038/s41467-021-24621-8
3. Nature Commun.：高通量计算预测Al-Cr-Fe-Mn-Ti高熵合金力学材料性能
发展除了Ni基超合金外其他类型的价格合理、质量较轻的铁氧体（ferritic）高温材料目前受到研究人员越来越多的关注，但是目前发展铁氧体超合金材料无法具有较高的高温强度，因此显著抑制了这类材料的应用。有鉴于此，田纳西大学Peter K. Liaw、CompuTherm公司张帆、美国国家能源技术实验室Michael C. Gao等报道了通过CALPHAD高通量计算的方法设计合成质量较轻、高强度、价格低的合金材料用于改善材料在高温条件中的性质。作者通过CALPHAD高通量计算方法筛选了上千种不同组分，找到其中沉淀掺杂质量较轻、室温和高温条件中强度更高的组成结构。随后作者通过实验、理论两个方法对强度提高和有序-无序状态变化预测过程中成功和失败的情况进行揭示，因此有效改善了合金材料体系预测的准确性。本文研究结果揭示高通量计算筛选、多维度建模、实验验证等多个角度结合能够高效率的筛选能够用于沉淀增强材料性能的高熵材料。1）作者通过CALPHAD软件高通量计算，对Al-Cr-Fe-Mn-Ti元素体系进行研究，因此对其中的沉淀掺杂合金材料能够改善高熵合金材料力学性能，有助于发展高力学性能的高熵合金材料。2）进一步的，作者发现实现材料力学性质增强的关键在于调控纳米沉淀相的有序温度和形貌，此外作者发现弄清纳米沉淀相结构中原子结构组成情况、晶相变化规律能够提高高通量进行计算筛选高性能力学高熵合金材料的效率。Feng, R., Zhang, C., Gao, M.C. et al. High-throughput design of high-performance lightweight high-entropy alloys. Nat Commun 12, 4329 (2021).DOI: 10.1038/s41467-021-24523-9https://www.nature.com/articles/s41467-021-24523-9
4. Nature Commun.：对称性破缺导致Au plasmonic纳米空腔增强二次谐波
高效率的纳米尺度相干光的频率上转换对于现代光子学技术应用非常重要，但是仍难以实现，贵金属的界面二级非线性效应能通过plasmon增强作用显著增强，但是与此同时高对称性的纳米结构能导致远场二次谐波（SHG）衰减。有鉴于此，香港城市大学雷党愿、伦敦大学国王学院Anatoly V. Zayats等报道发现单个Au纳米球在金属薄膜上紧密结合将导致远场二次谐波（SHG）显著提高，这种作用在不存在二次谐波的情况中同样能够实现。1）纳米尺度结合位点上的光致电磁不对称效应抑制局部远场二次谐波SHG消除，同时二次谐波通过与纳米空腔中的键偶极共振效应进行耦合，因此二次谐波得以显著增强。2）作者发现100 nm直径的单个Au纳米球产生的远场SCG转换效率达到3.56×10-7 W-1，这个结果达到双共振等离子体（double-resonant plasmonic）的两个数量级，同时金属空腔中的高效率SHG能作为超灵敏的非显性纳米探针用于检测纳米光子学器件中的纵向矢量光场分布情况。Li, GC., Lei, D., Qiu, M. et al. Light-induced symmetry breaking for enhancing second-harmonic generation from an ultrathin plasmonic nanocavity. Nat Commun 12, 4326 (2021).DOI: 10.1038/s41467-021-24408-xhttps://www.nature.com/articles/s41467-021-24408-x5. Nano Letters：非晶碳涂层的3D固体电解质助力用于固态电池的电化学机械稳定的锂金属负极固态电解质对于将具有安全、高能量密度的锂（Li）金属负极用于下一代储能技术具有重要意义。然而，长期循环过程中局部电流密度不均匀，导致Li负极不稳定，从电解质中脱落，极大地阻碍了锂离子电池的实际应用。近日，美国马里兰大学胡良兵教授，Eric D. Wachsman报道了提出了一种策略来解决Li金属负极和多孔石榴石电解质之间界面的电化学机械不稳定性。1）通过在多孔石榴石电解质表面沉积一层非晶态碳纳米涂层，研究人员成功地将Li金属限制在电解质孔内，而没有在电解质孔外形成层状和多孔的Li。在经过非晶态碳涂层沉积后，金属Li与石榴石电解质具有良好的润湿性。与无非晶态碳涂层的镀Li相比，其镀Li过程中的成核过电位得到了显著降低。此外，非晶态碳涂层同时具有电子和离子导电能力，这有助于均匀Li沉积，促进电子传输，并扩大Li离子还原的位置。2）镀Li/剥离实验结果表明，在3 mA/cm2下循环500 h后，金属Li与石榴石电解质表现出良好的电化学-机械稳定性。而Li−S电池测试结果显示，石榴石骨架中的这种非晶态碳涂层改善了Li沉积和全电池的稳定性。通过这种实用的非晶态碳涂层设计，研究人员展示了一种稳定的Li金属|电解质界面用于可靠锂金属电池的有效范例。Hua Xie, et al, Amorphous-Carbon-Coated 3D Solid Electrolyte for an Electro-Chemomechanically Stable Lithium Metal Anode in Solid-State Batteries, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01748https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01748
6. Nano Letters：载氧型血红蛋白基天然声敏剂用于声动力癌症治疗
开发具有优异的活性氧(ROS)生成能力和良好生物相容性的新型声敏剂对于推动声动力治疗(SDT)的临床应用而言非常重要。中科院长春应化所林君研究员和程子泳研究员开发了一种带有天然金属卟啉的血红蛋白(Hb)基声敏剂。1）与传统的有机声敏剂相比，由于其卟啉分子被4条多肽链分离，因此Hb具有非常突出的声敏效率，并能有效地避免了疏水卟啉堆积所导致的ROS量子产率低的问题。2）与此同时，Hb也是一种高效、安全的氧载体，可在肿瘤乏氧部位释放氧气，改善肿瘤氧合，进而提高SDT的疗效。实验结果表明，Hb与ZIF-8结合形成的纳米平台可在超声照射下对深部肿瘤实现较强的抑制作用。
Meng Yuan. et al. A Robust Oxygen-Carrying Hemoglobin-Based Natural Sonosensitizer for Sonodynamic Cancer Therapy. Nano Letter. 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01220https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c012207. Angew：原子分散催化剂中的可逆配体交换氧还原反应活性和选择性的调控合理控制原子分散催化剂的配位环境是实现催化剂理想催化活性的关键。近日，韩国蔚山科学技术院Sang Hoon Joo，韩国科学技术院Hyungjun Kim，浦项加速器实验室Kug-Seung Lee报道了通过简单的配体交换反应实现了对原子分散催化剂中金属配位结构的可逆控制。氧还原反应（ORR）是燃料电池中的阴极半电池反应，也是电合成H2O2的一条有价值的路线，而这种配体交换反应实现了对ORR催化活性和选择性的可逆调节。1）研究人员在CO和NH3气体中对浸渍RhCl3的碳基载体进行温和的低温（200 ℃）热处理，分别得到了CO-和NHx-连接的原子分散Rh催化剂。2）结果显示，原子分散的CO-Rh催化剂的ORR活性约是NHx-Rh催化剂的30倍，而后者的H2O2选择性是前者的3倍。值得注意的是，CO-和NHx-配体可以在原子分散的Rh原子周围可逆地交换，相应地调节氧化态，从而可逆地调节ORR的活性和选择性。3）密度泛函理论（DFT）计算表明，与氧化NH2-连接的Rh中心相比，具有还原氧化态的共配体Rh中心与*OOH中间体具有更佳的结合能，从而促进了双电子和四电子（e-）ORR反应途径。这项研究首次成功地对原子分散电催化剂中的配位环境进行可逆调控，具有重要意义。Jae Hyung Kim, et al, Reversible Ligand Exchange in Atomically Dispersed Catalysts for Modulating the Activity and Selectivity of Oxygen Reduction Reaction, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202108439https://doi.org/10.1002/anie.2021084398. Angew：一种抗膨胀梯度聚电解质水凝胶膜用于高性能渗透能发电机由两种不同孔膜组成的新型非对称离子膜在获取清洁、可再生的渗透能量方面显示出巨大的优势。目前，制约其应用的主要障碍是界面不相容和低的界面离子传输效率，不利于其长期稳定性和提高功率密度。近日，青岛大学隋坤艳教授，随欣教授，Wenxin Fan报道了开发了一种抗膨胀梯度全多糖聚电解质水凝胶膜用于高效渗透能量转换。1）研究人员利用可再生的天然多糖聚电解质（如虾蟹壳壳聚糖（CS）、海藻海藻酸钠（SA）、玉米黄原胶（XG）、石花菜卡拉胶（K-C）和树木羧甲基纤维素钠（CMC-Na）），采用反应扩散法在30 s内快速制备了抗膨胀梯度聚电解质水凝胶膜。2）梯度聚电解质水凝胶膜保留了非对称膜的离子二极管效应（ionic diode effect），有利于离子的单向传输，同时避免了其不良的界面效应。同时，聚电解质水凝胶膜的抗膨胀三维带电网络可以提供固有的高离子电导率和良好的离子选择性。3）实验结果显示，当海水和河水混合时，基于梯度聚电解质水凝胶的渗透发电机装置输出功率密度可以达到7.87 W/m2，远远超过目前最先进的膜。更重要的是，研究人员从理论和实验上证明了功率密度的衰减退化是由测试装置的大内阻引起导致。这项研究展示了梯度聚电解质水凝胶在设计高性能膜基渗透发电机方面的巨大应用前景，并为实现大规模高性能渗透能量转换开辟了一条新的途径。Guoshuai Bian, et al, Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202108549https://doi.org/10.1002/anie.2021085499. AM: 基于铷氯合金的高效纯蓝光钙钛矿发光二极管钙钛矿发光二极管 (PeLED) 因其颜色可调、转换效率高和成本低而成为显示和固态照明的有希望的候选者。然而，蓝色 PeLED 的性能远不如近红外、红色和绿色PeLED 。北卡罗来纳大学黄劲松等人通过定制钙钛矿的成分，可以制造出发射峰值为 475 nm的高效率蓝光发光二极管。1）纯蓝色PeLED的外量子效率高达10.1%，最大亮度为14000 cd m-2。通过将铷和氯离子同时加CsPbBr3中，并掺入苯乙基氯化铵形成准二维杂化钙钛矿，进而形成纯蓝色电致发光LED。2）这些组合工程的组合导致了PeLED的发射蓝移，而不会降低量子产率。明智的合金化对于获得更好的形态、抑制电流泄漏和增强的光耦合是至关重要的。Yang, Y., Xu, S., Ni, Z., Van, C. H., Zhao, L., Xiao, X., Dai, X., Huang, J., Highly Efficient Pure-Blue Light-Emitting Diodes Based on Rubidium and Chlorine Alloyed Metal Halide Perovskite. Adv. Mater. 2021, 2100783.https://doi.org/10.1002/adma.202100783
10. Nano Energy：一种具有高热效率的导电Fe3O4/PANI@PTFE用于界面感应加热膜蒸馏
传统的膜蒸馏（MD）会经历界面温度极化，因此当使用热盐水作为主要热驱动时，可能遭受热效率降低的问题。为了解决这一问题，新泽西理工学院Wen Zhang报道了开发了一种导电Fe3O4/聚苯胺（PANI）包覆的聚四氟乙烯（Fe3O4/PANI@PTFE）膜，用于实现电磁感应下的局部界面加热，从而提高直接接触MD （DCMD）的热效率。1）研究人员将感应响应型Fe3O4纳米颗粒分散在导电PANI聚合物基体中，并通过喷涂与疏水多孔PTFE膜结合。2）结果显示，得益于导电聚合物网络所形成的多个导电通道或涡流通道，在导电PANI聚合物基体中分散Fe3O4纳米颗粒的热效率（2.0 °C·s-1）比直接在没有PANI的PTFE上分散Fe3O4纳米颗粒（1.1 °C·s-1）提高了近一倍。同时，随着冷却剂流速（1.4到22.9 cm·min-1）和感应功率（0.9到3.6 kW）的增加，渗透通量从0.7 增加到 3.4 L·m-2·h-1。但当增加进料流速（3.5 wt.% NaCl溶液）（1.4到8.6 cm·min-1）后，由于水/膜接触传质时间不足，渗透通量从5.0降至1.6 L·m-2·h-1。3）研究人员通过有限元分析对感应加热膜界面处的热传输和质量传输过程进行了分析，与实验结果基本一致，并且确定热效率高达88%，高于传统DCMD （20~58%）。这种新型复合膜材料设计和新型界面传热传质机制，为感应加热DCMD的研究奠定了基础。Weihua Qing, et al, Conductive Fe3O4/PANI@PTFE Membrane for High Thermal Efficiency in Interfacial Induction Heating Membrane Distillation, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106339https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106339
11. ACS Energy Letters: 基于稳定富铯纯碘甲脒钙钛矿高效光伏器件
目前报道的基于碘-溴混合卤化物成分的宽带隙钙钛矿会受到卤化物偏析的影响。上海交通大学赵一新和吉林大学张立军等人报道了富含 Cs 的宽带隙纯碘化物CsxFA1–x–yDMAyPbI3 (x > 0.5; y < 0.01)（表示为 CsFA）钙钛矿，并成功解决了宽带隙钙钛矿中的相分离问题。1）综合实验和理论结果表明，由于八面体骨架轻微变形，制造的CsFA纯碘化物宽带隙钙钛矿在热应力或光照应力下比具有相似带隙的混合卤化物钙钛矿表现出的稳定性。基于具有1.65 eV带隙的Cs0.7FA0.3-yDMAyPbI3钙钛矿的的太阳能电池可提供19.40%的稳定输出效率和良好的光稳定性。总体而言，富含Cs 的纯碘化物 CsFA 钙钛矿为宽带隙光电应用提供了有希望的开发途径。Xingtao Wang，et al. Stable Cesium-Rich Formamidinium/Cesium Pure-Iodide Perovskites for Efficient Photovoltaics, ACS Energy Letters, 2021DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01013.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c01013
12. AFM：一种自修复耐损伤水凝胶用于高效太阳能净水和海水淡化
太阳能驱动的界面蒸发已经成为一种高效、清洁水生产的创新和可持续技术。其实际应用依赖于新型的低成本、轻质和坚固的材料，这些材料可以集成到一个单片设备中，从而可以承受实际水资源上的各种条件。迄今为止，关于这方面的研究还比较少，同时，为了防止界面蒸汽发生器的永久性故障、恢复原有的功能和延长其使用寿命，人们迫切需要开发可自修复的构筑单元。有鉴于此，中国海洋大学徐晓峰教授，英国剑桥大学Petri Murto报道了通过简单集成自愈合聚合物水凝胶，成功地制造了一种整体式、耐用和自浮的界面蒸汽发生器，并用于高性能太阳能驱动的水蒸发和海水淡化。1）所选择的复合聚合物作为水凝胶的构建块具有独特的设计优点，其合理性如下：i）利用PVA、SA和PAAS之间丰富的动态共价键和非共价键，通过化学和物理交联成功地形成了自愈合水凝胶。可以通过改变材料组件的质量比来调节它们的保水性、机械性能和自修复能力，从而首次开发出用于界面蒸汽发生器的自修复和耐损伤构建块；ii）通过自修复过程调节表面粗糙度和整合结构元素（太阳能吸收器和水路），大大简化了设计过程；iii）经过优化的材料组件和合理的器件架构，使得单片器件中能够对太阳能的吸收、浮力、耐久性、水扩散、热定位和耐盐性进行协同管理。2）实验结果表明，该装置在1 min的日照条件下，获得了2.2 kg m−2 h−1的高而稳定的水分蒸发率。同时，由于PAAS诱导的复合水凝胶具有较高的渗透压和离子浓度，在盐度为36~210 g kg−1的盐水中保持了2.0 kg m−2 h−1以上的水分蒸发速率。其太阳能蒸发和海水淡化性能是效率最高的界面蒸汽发生器之一，超过了大多数以PVA、SA和PAAS为结构元件构建的器件。这项工作突出了使用自愈合水凝胶制造坚固耐损的材料的巨大应用潜力，实现了新一代界面蒸汽发生器，可以在各种自然环境中自修复物理损害，避免永久性故障并恢复原来的功能。
Fangbin Li, et al, Self-Repairing and Damage-T olerant Hydrogels for Efficient Solar-Powered Water Purification and Desalination, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202104464https://doi.org/10.1002/adfm.202104464
