6位院士，李灿、麻生明、唐本忠、黄维、韩布兴、张久俊等团队成果速递丨顶刊日报20210805
纳米人
2021-08-05
1. Chem. Soc. Rev.：金属基化合物用于对抗真菌
巴黎文理研究大学Gilles Gasser和Kevin Cariou对金属基化合物用于对抗真菌的相关研究进展进行了综述。1）近几十年来，抗菌药物耐药性的出现引发了许多公共卫生方面的问题，这表明目前已有的药物库在治疗包括真菌感染在内的一些疾病时往往效果不佳，特别是在免疫功能低下和有潜在健康问题的人群中。研究表明，将具有抗真菌性质的有机体和金属离子相结合可以提高其生物利用度和有效性。这种新型的有机金属药物也有望缓解目前抗真菌药物所面临的压力。2）作者在文中对快速发展的金属基抗真菌药物进行了综述。大量的抗菌分子，如唑类、Schiff碱，缩氧硫脲类药和其他分子等可以很容易地与多种金属离子配位，进而极大地提高母代配体的生物杀灭活性，从而进一步扩大了目前可用的抗真菌药物库已对抗日益增加的真菌感染发病率。Yan Lin. et al. Recent developments of metal-based compounds against fungal pathogens. Chemical Society Reviews. 2021https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d0cs00945h
2. Nature Commun.：高清晰度离子束成像用于研究生物分子的亚细胞定位和药物分布
对多个生物分子及其配体或细胞中纳米级小分子之间的关系进行可视化成像将有助于更好地理解生物过程的运作情况。斯坦福大学Garry P. Nolan设计了一种高清晰度多束离子束成像(HD-MIBI)策略，它是一种二级离子质谱方法，能够对目标生物实体和外源性添加的结构未修饰型小分子进行三维高参数成像。1）该技术可以将生物分子中的原子成分作为标签进行使用，进而实现~30纳米横向分辨率的测量分析。实验利用该技术将化疗药物顺铂的亚细胞定位与五个亚核结构联系起来。结果表明，顺铂会优先富集在核散斑体中，并被染色质封闭区域所排除，表明顺铂会在染色质活性区域发挥作用。2）研究发现，在经顺铂和BET抑制剂JQ1的多药治疗后所存活的细胞中，顺铂会几乎完全地被排除在细胞核之外，由此表明选择性调节药物的亚细胞再定位有望克服化疗治疗的耐药性。综上所述，这一研究所开发的多分辨率成像技术HD-MIBI能够有效地在生物相关的亚细胞微环境中对生物分子和药物分布进行研究。Xavier Rovira-Clavé. et al. Subcellular localization of biomolecules and drug distribution by high-definition ion beam imaging. Nature Communications. 2021https://www.nature.com/articles/s41467-021-24822-1
3. Nature Commun.：一种用于微机械能采集的高性能漂浮式自激滑动摩擦电纳米发电机
非接触式摩擦电纳米发电机（TENG）具有转换效率高、寿命长，适合采集随机微能量和驱动力小的优点。然而，由于电荷的急剧衰减，非接触式TENG的输出功率很低（<10 μcm−2），这无疑限制了它的应用。近日，重庆大学胡陈果教授，Wenlin Liu报道了通过转子和定子之间的自激放大，提出了一种具有高输出性能和长寿命的浮动自激S-TENG（FSS-TENG），它可以有效地收集各种微小的机械能。1）通过引入单向导通倍压电路（VMC）和在非接触式转子中增加一个励磁电极，FSS-TENG本身实现了电荷密度的快速指数自增长。为了获得最大的输出电荷密度，研究人员从理论和实验两方面给出了非接触式TENG的击穿模型。2）结构优化后，在300 rpm的转速下，其转移电荷为1 μC（71.53 μC m−2），峰值功率为34.68 mW，分别是无电荷激励TENG （F-TENG）的5.46倍和3.88倍。此外，FSS- TENG的最大输出电荷密度在10万次运行后略有增加，表现出超高的输出稳定性。3）研究人员最后利用风杯作为触发器，验证了FSS- TENG能够在3 m s−1低风速下收集风能点亮道路警示灯，并能连续驱动一些小型电子器件。该工作为随机采集环境能量，实现分布式能源供应提供了可靠的策略。Long, L., Liu, W., Wang, Z. et al. High performance floating self-excited sliding triboelectric nanogenerator for micro mechanical energy harvesting. Nat Commun 12, 4689 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-25047-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-021-25047-y
4. JACS：多介质调制的无辅助光电化学电池助力太阳能水分解超过4%的制氢效率
光电化学（PEC）整体水分解（OWS）被认为是利用太阳能生产化学能的一种很有前途的方法。尽管许多光电化学电池都是通过耦合两个半导体光电极来实现整体水分解，但是光收集器和电子受体/供体之间的低效电荷转移严重制约了太阳能-氢能（STH）的转换效率。近日，中科院大连化物所李灿院士报道了将Co4O4/PGO/BiVO4/SnOx光阳极与Pt/TiOx/PIP/CuOx光阴极多介质调制耦合，构建了一种无辅助PEC OWS系统。1）研究发现，BiVO4光阳极到有机光阴极的有序电子传输是由介体之间的电势差所驱动，空间上分离的多步电子传输降低了体系中的电荷复合速率，提高了电荷传输速率。具体而言，PGO和CuOx介体增加了电荷转移，而SnOx和TiOx介体减少了电荷复合。因此，与不加介体的组装相比，全结构光阳极和光阴极具有最高的电荷转移效率。此外，有机聚合物的离散能级特性使得有机光电阴极和BiVO4光阳极的光吸收具有很强的互补性，从而大大提高了太阳能的利用率。2）得益于太阳能高效的电荷转移与利用，用于OWS的STH高达4.3%。因此，研究结果为高效的、具有互补光吸收和良好电荷转移的双光电极器件提供了合理的设计和组装，为PEC OWS的研究开辟了一个新的领域。Sheng Ye et al, Unassisted Photoelectrochemical Cell with Multimediator Modulation for Solar Water Splitting Exceeding 4% Solar-to-Hydrogen Efficiency, J. Am. Chem. Soc., 2021DOI: 10.1021/jacs.1c00802https://doi.org/10.1021/jacs.1c00802
5. EES：双功能电催化的掺杂调制应变控制用于可充电锌空气电池
晶格失配引起的应变导致晶体中局部原子排列的变化可以以多种方式有效地调节锌空气电池电催化剂的性能，这主要是由于调制的电子结构构型影响氧还原和析氧反应（ORR和OER）中形成的氧中间体的吸附能。然而，由于结构不稳定如溶解和破坏引起的应变弛豫，导致对ORR/OER的耐久性不足，应变工程在电催化中的应用受到严重阻碍。近日，美国中佛罗里达大学杨阳教授，南方科技大学谷猛教授，俄勒冈州立大学冯振兴教授，德克萨斯大学奥斯汀分校Yuanyue Liu报道了提出了一种掺杂策略来调节自支撑的氟化钴-硫化钴（CoFS）纳米孔膜的相变和形成，并使用少量的铜（Cu）作为掺杂剂。这种结构精准的Cu-COFS异质结克服了结构不稳定性的问题。通过揭示局域应变对催化剂电子结构的调节作用，对Cu-COFS的研究也有助于人们建立应变电催化剂的结构-性能关系。1）通过优化中间体的吸附能，显著提高了催化剂ORR/OER的活性和稳定性。特别是，通过适当地控制应变状态，Cu6.81-CoFS催化剂具有理想的催化性能，对ORR和OER的起始电位分别为0.91 V和1.49 V，超过了商用Pt/C@RuO2和基准的非铂族金属（non-PGMs）催化剂。2）采用Cu-COFS催化剂的ZABs具有优良的充放电循环性能，在电流密度为10 mA cm-2时的充放电间隙为0.5 V，在大电流密度为100 mA cm-2时的充放电间隙为0.93 V，峰值功率密度为255 mW cm-2，循环时间均超过480 h。这项工作为利用应变工程合理设计高效电催化剂提供了新的认识。同时，在结构精准的异质结构材料中所提出的掺杂调制应变控制可应用于局域应变对实现性能改善起关键作用的更广泛的领域，包括但不限于量子光子学、超导科学、智能电子学等领域。Zhao Li, et al, Doping-modulated Strain Control of Bifunctional Electrocatalysis for Rechargeable Zinc-air Batteries, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE01271A
6. EES：从氢氧化物前驱体到锂氧化物的多级微结构调节用于高性能富镍Li[Ni0.9-xCo0.1Alx]O2正极
由于大量锂离子从主体结构中去除而导致的机械不稳定，富镍层状正极的可充电性能在循环过程中迅速恶化。近日，韩国汉阳大学Yang-Kook Sun，Chong S. Yoon报道了化学和微结构工程可以有效地缓解影响富镍层状（NCA和NCM）正极循环时的容量衰减。1）研究人员通过正极的成分分级来实现化学保护，以最小化不稳定的Ni4+物种的表面浓度。通过精准控制前驱体微结构，使得正极微结构在很大程度上继承了前驱体，从而实现高度取向的微结构，初级颗粒可以在深度带电状态下均匀收缩，并防止局部应力集中的形成。此外，通过引入过量的Al来细化颗粒尺寸，抑制了颗粒的粗化。细小的显微组织使微裂纹的扩展偏转，并耗散了晶格的突然收缩所产生的应变能。2）这些化学和微观结构的改进使得4-Al-NCA正极具有优异的循环稳定性，无论是在室温下还是在45 °C的高温下。4-Al-NCA正极在45°C的高温下具有前所未有的长期循环稳定性，而传统的富镍NCA正极的循环寿命在高温下会受到严重影响。3）4-AlNCA正极显著提高的循环稳定性可以转化为老化和热稳定性的提高，从而使正极更加坚固和安全。这种4-Al-NCA正极是一种高度工程化的富镍NCA正极，代表了一种新的富Ni NCA正极，可以满足下一代电动汽车所需的能量密度，而不会影响电池寿命和安全性。Geon-Tae Park, et al, High performance Ni-rich Li[Ni0.9-xCo0.1Alx]O2 cathode via multi-stage microstructural tailoring from hydroxide precursor to lithiated oxide, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE01773J
7. EES：立体式：全温自适应柔性锌空气电池的界面设计
柔性锌空气电池（ZABs）被认为是用于下一代电子设器件的一种很有前途的柔性电源，但由于其工作特性，其温度适应性一直是一个主要问题。近日，澳大利亚悉尼大学陈元教授，Shenlong Zhao，Zengxia Pei报道了空气正极的结构对柔性ZABs的温度适应性有意想不到的显著影响。1）研究人员开发了一种集成式立体空气正极，在电解液-正极界面上呈现丰富的反应性三相界面，使柔性ZABs具有良好的温度适应性。2）与其他密封结构的电池或电容器不同，看似合理的有机水凝胶不适合作为高性能柔性ZABs的温度适应性聚电解质，而可以通过利用聚电解质骨架中水和端基之间的相互作用来实现。3）通过结合这两种策略开发的柔性ZABs显示出最先进的电化学性能，极大地抵消了从-30到80 ℃极端温度变化的影响。研究结果不仅为温度自适应柔性ZABs的设计提供了一条合理的新途径，而且对其他类似储能器件中高效电极的开发也具有一定的启发作用。Zengxia Pei, et al, Make It Stereoscopic: Interfacial Design for Full-Temperature Adaptive Flexible Zinc-Air Batteries, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE01244D
8. Angew：原子分散的Sn与缺陷CuO催化剂的结合用于高效CO2电还原制取甲醇
利用可再生电力驱动CO2电还原是实现碳中性能源循环、生产增值化学品和燃料的一种极具吸引力的途径。甲醇作为一种重要的平台分子和清洁燃料，在CO2还原过程中需要6个电子转移。而目前，CO2电还原制取甲醇存在效率低、选择性低的缺点。近日，中科院化学研究所韩布兴院士，孙晓甫研究员首次报道了在缺陷CuO上构建原子分散的Sn催化剂用于CO2电还原制甲醇。1）研究人员首先简单地将SnCl4·5H2O和CuSO4·5H2O溶解在质量比为1：100的去离子水中，并放置在冰水浴中，猛烈搅拌，形成均匀的蓝色溶液。然后将1.2 M的NaOH水溶液缓慢注入混合物中。在冷藏（3°C）24 h后，将混合物转移到内衬聚四氟乙烯的高压釜中，在130 °C下加热18 h。然后将所得粉末在400 °C下煅烧3 h，得到Sn1/CuO。最后，利用等离子体对Sn1/CuO进行不同时间的处理，合成了不同氧空位浓度的催化剂（Sn1/VO-CuO-x，其中x是处理时间(以秒为单位)）。2）结果表明，当电流密度为67.0 mA cm-2时，Sn1/VO-CuO-90电催化剂用于CO2电还原的甲醇法拉第效率（FE）可达88.6%。与最先进的电催化剂相比，这是高电流密度下的最高FE（甲醇）。3）Sn1/VO-CuO-90电催化剂的优异CO2电还原性能可以归因于Sn原子与其邻近氧空位之间形成的局部Lewis酸碱，具有较高的电化学活性和电子电导率，从而加快了CO2还原过程中的电荷转移。4）原位X射线吸收光谱(XAS)、原位拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)研究表明，Sn原子中心和缺陷CuO载体的协同作用可以通过降低*COOH解离生成*CO的能垒来促进CO2的活化和进一步还原。然后，生成的*CO中间体与Cu物种结合，促进了CO2还原制甲醇。Weiwei Guo, et al, Highly efficient CO2 electroreduction to methanol via atomically dispersed Sn coupled with defective CuO catalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202108635https://doi.org/10.1002/anie.202108635
9. ACS Energy Lett.: 柔性钙钛矿太阳能电池研究进展
在日常生活中，轻量化和柔性光伏技术的进步将推动需要高单位重量功率的新一代软电子和机器。具有高单位重量功率的超薄柔性钙钛矿太阳能电池 (F-PSC) 在特定应用中显示出独特的潜力，在这些应用中，更轻的重量、更高的柔韧性和一致性是必不可少的。西北工业大学黄维院士、南京工业大学陈永华和Yingdong Xia等人总结了超薄轻质 F-PSC 的最新进展和实际应用。1）首先阐述了提高器件效率和改善机械和环境稳定性的途径，并展示了在柔性基板的选择、高性能功能层以及柔性透明电极的开发等诸多方面。2）研究人员总结了大规模生产高效 F-PSC 的制造技术，包括与低温工艺相结合的连续卷对卷方法。此外，还详细阐述了专注于自供电可穿戴电子设备、太阳能微型无人机，甚至是在近太空运行的太阳能模块的实际应用。最后，讨论了当前的挑战性问题和未来前景，旨在促进轻量级 F-PSC 更广泛的应用和商业化进程。Yingzhen Hu, et al. Flexible Perovskite Solar Cells with High Power-Per-Weight: Progress, Application, and Perspectives, 2021, 6, 2917–2943.https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01193
10. ACS Nano：一种用于自抗病毒个人防护装备的附着高效聚集型光敏剂的织物
个人防护装备（PPE）对于预防和控制SARS-CoV-2至关重要。然而，传统的PPE缺乏杀灭病毒的能力，随意丢弃使用过的PPE可能会造成交叉污染和环境污染的高风险。最近报道的光热或光动力自灭菌口罩具有杀菌−病毒的能力，但仍存在一些固有的缺点，如在光热过程中产生难以承受的热量或需要额外的紫外光照射来灭活病原体，这限制了它们的实际应用。近日，香港科技大学唐本忠院士，中山大学第五附属医院黄曦教授报道了基于一种高效的聚集诱导发光光敏剂（即ASCP-TPA），制备了一系列具有实时自抗病毒能力的织物（来源于各种PPE）。1）ASCP-TPA具有合成简单、生物相容性好和极高的活性氧产生能力，明显优于传统的光敏剂。2）研究发现，ASCP-TPA附着织物（ATAF）对与SARS-CoV-2相似的冠状病毒MHV-A59显示出巨大的光动力灭活效果。在超低功率白光（3.0 mW cm−2）照射下，ATAF上超过99.999%的病毒粒子（5 log）在10 min内被清除。这种超低功耗和快速杀灭病毒的能力使基于ATAFs的PPE能够在室内光线照射下为佩戴者提供实时保护。3）研究发现，ATAF的杀毒能力在100次洗涤或连续暴露在办公室光线下2周后仍保持不变，因此具有可重复使用和长期使用的优点。此外，ATAFs对正常皮肤没有毒性，即使在持续的高功率光照射下也是如此。同时，这种基于ATAFs的自身抗病毒策略也可能被应用于对抗其他空气传播的病原体，并具有缓解全球个人防护用品供应短缺的巨大潜力。Bin Li, et al, Fabrics Attached with Highly Efficient Aggregation-Induced Emission Photosensitizer: Toward Self-Antiviral Personal Protective Equipment, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c06071https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06071
11. Carbon Energy: 电化学能源技术中碳点及其复合材料的研究进展
碳点及其复合材料作为储能材料和电催化剂已成为一类新型准零维碳材料。CDs可以提供大的比表面积、众多的电子-电子空穴对、可调杂的杂原子掺杂、丰富的表面官能团等。然而，CDs及其复合材料在提高电化学性能中的作用和作用机制尚不清楚，并且需要深入了解。有鉴于此，上海大学张久俊院士，赵玉峰教授等人，全面综述了各种类型CDs及其复合材料的合成方法和应用，包括作为超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池电极材料，作为析氢、析氧的电催化剂，以及金属-空气电池、燃料电池和电解水中的氧还原反应电催化剂。综述了与CDs及其复合材料相关的几个重要方面，分析了实际应用中的技术挑战，并讨论了可能的发展前景。1）从CDs的分类、合成、表征、功能机制和性能验证/优化等方面全面回顾了CDs研发的最新进展。特别地，强调了CDs在材料制备和电化学性能中的作用。为了促进进一步的研发，总结了与CDs及其复合材料相关的几个重要方面，并分析讨论了实际应用中的技术挑战和可能的发展前景。2）CDs是尺寸为1-100 nm的准球形纳米粒子，通常由sp2碳原子和sp3碳核组成，并在边缘和主体处具有异质原子、缺陷和表面官能团。CDs可分为五种类型：碳量子点（CQDs）、石墨烯量子点（GQDs）、碳纳米点（CNDs）、聚合物点（PDs）和碳化聚合物点（CPDs）。CDs具有导电性、多的电化学活性位点、大的表面积、与各种材料的兼容性、强的可塑性和环境稳定性。多功能CDs还可以与其他活性材料（如金属氧化物和导电聚合物）结合，以用作为电极材料并显示出增强的比容量、循环稳定性和倍率性能。此外，将异质原子掺杂剂掺入到CDs，可以提高金属-空气电池、燃料电池和H2O/CO2电解中氧气还原反应（ORR）、氧气析出反应（OER）/氢气析出反应（HER）的电导率和电催化活性。为了进一步提高电催化性能，可通过改变反应条件来控制CDs表面官能团的尺寸和嵌入状态。Yiming Liu et al. A review of carbon dots and their composite materials for electrochemical energy technologies. Carbon Energy, 2021.https://doi.org/10.1002/cey2.134
12. ACS Catal.：Cu催化三组分偶联合成联烯
浙江大学麻生明院士等报道了一种Cu催化三组分反应，实现了环丁烷酮肟酯、1,3-烯炔、TMSCN/TMSCF3之间偶联合成联烯。该反应条件在温和条件中进行，具有非常广泛的底物兼容性，容忍较多的官能团，位合成1,7-双功能团化联烯分子提供了一种简单有效的合成方法学。而且合成的联烯产物通过目前成熟的方法难以合成得到。1）反应情况。该反应的催化剂为CuBr和联吡啶，在DMF溶剂中与室温条件中进行反应。2）作者在产物衍生化过程中发现，合成的联烯氰化物能够转变为联烯基团的酸性衍生物、立体结构明确的烯烃。因此说明该反应能够作为一种合成广泛物种的分子平台。作者通过反应机理研究，给出了该反应的简单机理。Yulong Song, et al, Copper-Catalyzed Syntheses of Multiple Functionalizatized Allenes via Three-Component Reaction of Enynes, ACS Catal. 2021, 11, 10007–10013DOI: 10.1021/acscatal.1c02140https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c02140
