徐梽川/冯振兴Science Advances，MoS2 纳米带Science Advances丨顶刊日报20211214
纳米人
2021-12-14
1. Science Advances：一种面向蜂窝状水氧化催化剂的钙钛矿中晶格位置相关的金属浸出
在水电解中，通过四电子转移过程的析氧反应（OER）在决定能量转换效率中起着关键作用。然而其缓慢的反应动力学极大地制约了整个反应的效率，因此开发高效OER电催化剂对于实现水电解至关重要。迄今为止，人们开发了各种各样的过渡金属(TM)基材料用于催化在酸和碱性介质中的OER，并取得了实质性的进展。最近，人们在金属合金、金属硫化物/硒化物/氮化物/磷化物和金属氧化物等各种催化剂上广泛检测到了由OER引起的表面重构，主要是离子浸出或结构重建。近日，南洋理工大学徐梽川教授，俄勒冈州立大学冯振兴教授报道了对两种ABO3钙钛矿模型，即SrSc0.5Ir0.5O3和SrCo0.5Ir0.5O3的表面重构的发生和过程进行了操控，从而一步步地阐明其结构和活性的演化。1）通过调节B位的热力学稳定性，控制了Sr(A位)和Sc/Co(B位)浸出的发生和顺序。研究发现，从A位浸出的Sr主要为反应产生更大的电化学表面积，而从B位进一步浸出Sc/Co会触发形成蜂窝状IrOxHy相，其本征活性得到显著提高。2）双位金属浸出的彻底表面重构使活性相比于金红石型IrO2，提高了近两个数量级，因此重构的SrCo0.5Ir0.5O3在酸性条件下具有最佳的水氧化性能。此外，表面敏感X射线吸收分析和密度泛函(DFT)计算表明，重构的非晶态IrOxHy为蜂窝状结构。鉴于离子浸出在电催化催化剂表面重构中的广泛应用，认为这种逐步浸出策略可以推广到其他复合催化剂上，以研究元素浸出在表面重构过程中的作用，从而更好地设计催化剂。Yubo Chen, et al, Lattice site–dependent metal leaching in perovskites toward a honeycomb-like water oxidation catalyst, Sci. Adv. 7, eabk1788 (2021)DOI: 10.1126/sciadv.abk1788https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1788
2. Science Advances：Ni颗粒实现MoS2双层纳米带宽度的可控生长
过渡金属二硫属化物根据层数和宽度的不同，表现出不同的电子行为。因此，开发简便的方法来控制它们的合成至关重要。近日，本田美国研究所Avetik R. Harutyunyan报道了双层MoS2 纳米带（NRs）的合成，其中Ni纳米颗粒的直径控制着纳米带宽度。1）研究发现，Ni纳米颗粒促进第一层MoS2的异质成核，同时通过气-液-固（VLS）机制催化第二层的同质外延尖端生长，产生宽度由纳米颗粒直径控制的双层纳米带。2）模拟进一步证实了纳米带的VLS生长机制，以及与传统的非催化片状生长相比，其生长速度得到了数量级的提高。3）温度高达60 K时，在纳米带的传输特性中观察到的与纳米带宽度有关库仑阻塞振荡，从而展示了该合成策略在未来纳米电子学中的潜在应用价值。Xufan Li, et al, Nickel particle–enabled width-controlled growth of bilayer molybdenum disulfide nanoribbons, Sci. Adv. 7, eabk1892 (2021)DOI: 10.1126/sciadv.abk1892https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1892
3. Advanced Science：通过原位构建的自增强凝胶聚合物电解质实现安全的锂金属电池
具有高理论容量的锂金属电池 (LMB) 是先进储能设备的有前途的候选者。然而，其安全性和稳定性受到锂枝晶和电解液泄漏的挑战。近日，北京化工大学隋刚研究员等人报道了一种自增强凝胶聚合物电解质。1）自增强凝胶聚合物电解质 (GPE) 是通过在纳米纤维骨架中原位聚合1,3-二氧戊环 (DOL) 来产生的，以实现安全的LMB。与商业隔膜相比，纳米纤维膜与聚 DOL (PDOL) 具有更好的亲和力，可用于构建具有增强离子电导率的均质 GPE。此外，在纳米纤维膜上引入聚多巴胺与PDOL和双（（三氟甲基）磺酰基）酰亚胺阴离子形成氢键，显着提高了GPE的机械强度、离子电导率和转移数。此外，同时利用分子动力学模拟揭示高离子电导率和增强作用的内在因素。2）使用自增强 GPE 的LiFePO4//Li电池在 2C的高电流密度下超过800次循环显示出非凡的循环稳定性，每个循环的容量衰减为0.021%，有效抑制了锂枝晶的生长。Dongli Chen, et al. Self-Enhancing Gel Polymer Electrolyte by In Situ Construction for Enabling Safe Lithium Metal Battery.Adv. Sci. 2021, 2103663.DOI: doi.org/10.1002/advs.202103663https://doi.org/10.1002/advs.202103663
4. Advanced Science：CoNiO2/Co4N 异质结构纳米线辅助多硫化物反应动力学改进锂硫电池
可溶性多硫化物的“穿梭效应”和缓慢的反应动力学阻碍了锂硫电池的实际应用。过渡金属氧化物是缓解这些问题的有前景的介质，但较差的导电性限制了它们的进一步发展。近日，澳门大学洪果研究员和南京大学姚亚刚研究员等人报道了一种CoNiO2/Co4N纳米线用于锂硫电池。1）均质的CoNiO2/Co4N纳米线已被制造并用作石墨烯基硫正极的添加剂。通过优化氮化度，可以获得连续的异质结构界面，同时有效调整能带结构。通过结合 CoNiO2的强吸附和催化性能和 Co4N 的导电性，原位形成的CoNiO2/Co4N异质结构显示出协同增强效应。2）理论计算和实验设计表明，它不仅可以通过多硫化物的化学吸附和催化转化显着抑制“穿梭效应”，还可以提高离子和电子的传输速率。因此，由这些纳米线支撑的石墨烯复合硫正极表现出增强的硫物种反应动力学。相应的电池在4 C下提供 688 mAh g-1的高倍率容量，在600次循环中具有每循环≈0.07%的超低衰减率。异质结构纳米线和石墨烯复合结构的设计为多硫化物的快速捕获-扩散-转化过程提供了一种先进的策略。Jun Pu, et al. CoNiO2/Co4N Heterostructure Nanowires Assisted Polysulfide Reaction Kinetics for Improved Lithium–Sulfur Batteries. Adv. Sci. 2021, 2104375.DOI: 10.1002/advs.202104375https://doi.org/10.1002/advs.202104375
5. AM：无添加剂低温结晶制备稳定α-FAPbI3钙钛矿
与基于甲基铵的钙钛矿相比，甲脒三碘化铅 (FAPbI3) 具有约1.45 eV的最佳带隙和更高的热稳定性，因此对光伏器件具有吸引力。相纯α-FAPbI3的结晶通常需要150°C的高温热退火，而获得的α-FAPbI3在室温下是亚稳态的。伦敦玛丽女王大学Tian Du和Joe Briscoe等人报道了气溶胶辅助结晶 (AAC) 将黄色δ-FAPbI3转化为黑色α-FAPbI3。1）该方法在100°C下，仅使用包含碘化铅 (PbI2) 和甲脒碘化 (FAI) 且不含化学添加剂的前体溶液。与150°C 退火的对应物相比，所获得的α-FAPbI3表现出显著增强的稳定性，同时提高了薄膜结晶度和光致发光产率。2）通过使用X射线衍射、X 射线散射和密度泛函理论模拟，研究人员确定了残余拉伸应变的松弛是促进相形成的关键因素，通过较低的退火温度和AAC期间的结晶后晶体生长实现稳定的α-FAPbI3。3）这克服了已知会导致α-FAPbI3亚稳态的应变诱导晶格膨胀。因此，首次报告了纯FAPbI3 pin太阳能电池，通过低温 (≤ 100°C) AAC 处理，证明与使用150°C退火薄膜制造的器件相比，光电转换效率和操作稳定性都有所提高。Du, T., et al, Additive-free, Low-temperature Crystallization of Stable α-FAPbI3 Perovskite. Adv. Mater.. https://doi.org/10.1002/adma.202107850https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107850
6. AFM：亲锂3D铜基磁性集电器用于无锂负极实现深度锂沉积
锂金属是用于高能量密度锂电池的理想负极材料。然而，在镀锂和剥离过程中，锂金属容易积聚在集电器表面形成锂枝晶，导致库仑效率低和安全性等问题。近日，浙江工业大学唐谊平报道了通过将镍钴（Ni-Co）合金和氧化锌（ZnO）负载到碳纤维（CF）(CNZ)上，设计了一种三维（3D）Cu基磁性亲锂集电器。1）Ni-Co合金产生的微磁场有效地实现了锂的深度沉积，这一点已经在不同厚度的CFs中得到了验证。而ZnO作为亲锂结构，降低了锂成核过电位，甚至形成了均匀致密的锂层。此外，研究人员还利用计算流体力学(CFD)研究了微磁场对Li+离子沉积特性的影响，揭示了抑制锂枝晶生长的微观机制。2）实验结果显示，CNZ成功地提高了深度锂沉积水平（从300 µm的CF提高到1000µm），成功地缓解了锂体积变化较大的问题。此外，还有效地提高了库仑效率和循环稳定性。当电流密度为1 mA cm−2时，总容量为1 mA h cm−2，在590次循环时库仑效率保持在95%。此外，对称电池在电流密度为2 mA cm−2、1 mA h cm−2容量下可稳定循环560 h以上。这一新的策略有望为无锂负极开辟新的视野，并可以推广到其他先进的储能系统。Jianli Zhang, et al, Lithiophilic 3D Copper-Based Magnetic Current Collector for Lithium-Free Anode to Realize Deep Lithium Deposition, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202110110https://doi.org/10.1002/adfm.202110110
7. Materials Today综述：用于先进水系可充电电池的MXenes及其衍生物
水系电池以其安全性高、成本低、环境友好等优点成为新兴的动力源，但其电化学稳定窗口窄、活性物质易溶解、枝晶生长不良、循环寿命差等问题严重阻碍了水系电池的实际应用。近年来，二维MXenes及其衍生物由于其特殊的性质，在水基电池领域取得了令人鼓舞的进展，自2019年以来，相关研究取得了长足的进步。近日，山东大学冯金奎教授，Yuan Tian从正极制备、负极设计和电解液优化等方面系统地综述了用于Zn、Li、Na和双离子电池的MXenes及其衍生物的最新研究进展。1）作者首先总结了水系电池的基本背景，包括分类、水系电解质、负极、负极、粘结剂和导电添加剂的优点和面临的挑战。总结了MXenes及其衍生物在电化学储能方面的优势。2）作者随后对MXenes及其衍生物在改善水系Zn离子、Na离子、Li离子和双离子电池电化学性能方面的设计策略和内在机理进行了全面的总结和讨论。3）作者最后对MXenes及其衍生物在各种水系可充电电池中的未来研究进行了展望。Yuan Tian, et al, MXenes and their derivatives for advanced aqueous rechargeable batteries, Materials Today, (2021)DOI: 10.1016/j.mattod.2021.11.021https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.021
8. Materials Today：可调分级微结构和双纳米沉淀使选择性激光熔化的AlZnMgCuScZr合金具有优异的机械性能
通过选择性激光熔化(SLM)技术制造的可时效硬化的Al7000系列（Al-Zn-Mg）合金要获得高机械强度和延展性仍然具有挑战性。近日，新加坡制造技术研究院Sharon Mui Ling Nai，南方科技大学逯文君报道了通过SLM和热处理，成功制备出一种无裂纹AlZnMgCuScZr合金，其具有前所未有的强度-延展性协同效应。1）所制备的AlZnMgCuScZr合金样品具有由多峰晶粒结构和层次化相形貌组成的的结构化微观结构。由初始Al3(ScxZr1-x)颗粒组成，作为超细晶粒的孕育剂，防止裂纹的形成。亚稳富Mg、Zn和Cu的二十面体准晶（I-相）大量分布在晶粒内，沿晶界呈丝状骨架排列。2）热处理后SLM制备的AlZnMgCuScZr合金通过双纳米沉淀、η’相和二次(Al,Zn)3(Sc9Zr)相和晶粒粗化之间的权衡，表现出可调的力学行为。由于降低固溶处理温度和时间，晶粒和(Al,Zn)3(Sc9Zr)颗粒粗化程度较小，可以压倒I-相（触发更多的η’相）的完全溶解，从而获得更高的屈服强度。3）层次化特征的最佳组合使得AlZnMgCuScZr合金具有迄今为止报道的所有通过SLM生产的铝合金中最高的屈服强度(约647 MPa)，显著的延展性(约11.6%)。具有可调分层结构的高强度Al7000系列合金的成功制造，为设计和微调可承受高机械载荷的SLM生产的铝工程构件铺平了道路。Zhiguang Zhu, et al, Superior mechanical properties of a selective-laser-melted AlZnMgCuScZr alloy enabled by a tunable hierarchical microstructure and dual-nanoprecipitation, Materials Today, 2021DOI: 10.1016/j.mattod.2021.11.019https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.019
9. Nano Lett.：多肽包被的介孔Fe3O4纳米颗粒用于非介入靶向栓塞/磁热治疗和多模态成像联合诊疗
经导管动脉栓塞(TAE)是目前临床治疗不可切除或血管增生肿瘤的重要方法之一。为了突破TAE的局限性和简化TAE的流程以实现理想的联合治疗效果，西北师范大学路德待副教授制备了一种三嵌段多肽包被、负载全氟戊烷的介孔Fe3O4纳米复合材料(PFP-m-Fe3O4@PGTTCs)，并将其用于非介入靶向栓塞、磁热治疗和多模态成像联合诊疗。1）在h22荷瘤小鼠和vx2荷瘤兔体内的实验结果表明，PFP-m-Fe3O4@PGTTC-6.3具有在肿瘤中进行特异性聚集和栓塞等作用。经栓塞和磁热联合治疗后4周，肿瘤会受到显著抑制并逐渐消失。2）实验结果表明，磁共振/超声/SPECT多模态成像也具有良好的效果。综上所述，这种对pH响应的非介入栓塞联合治疗系统能够为对抗实体肿瘤提供了一个新型的多功能选择。Dedai Lu. et al. Smart-Polypeptide-Coated Mesoporous Fe3O4 Nanoparticles: NonInterventional Target-Embolization/Thermal Ablation and Multimodal Imaging Combination Theranostics for Solid Tumors. Nano Letters. 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03340https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03340
10. ACS Nano：蒸发诱导自组装层次化制备淀粉样纤维
淀粉样纤维（Amyloid fibrils）是一种基于蛋白质的各向异性胶体，由β-Sheet聚集体自组装成扭曲的螺旋带，由于其与老年性痴呆等病理疾病的关系，在生物学和医学上得到了广泛的研究。近日，韩国科学技术院Dong Ki Yoon，苏黎世联邦理工学院Raffaele Mezzenga报道了通过蒸发诱导自组装技术结合表面图案化技术，成功制备了多尺度层次化纳米和微米结构的淀粉样纤维。1）在干燥过程中，连续的粘滑运动导致淀粉样纤维的单轴排列，其特征是具有较高的取向顺序。研究人员利用偏振光显微镜（POM）和原子力显微镜（AFM）直接观察到淀粉样聚集体的光学织构。2）进一步，所得到的纤维结构可以通过改变形貌图案的宽度(例如，微通道宽度)来调节，从而导致沉积在玻璃基板上的淀粉样纤维之间的不同分离。此外，还可以利用Au纳米颗粒对淀粉样纤维还用金纳米颗粒进行修饰，从而产生具有良好导电性的导电微丝（10−3 S/m）。所提出的精细控制的沉积淀粉样纤维展示了一种将自然丰富的生物材料用于实际应用的方法，如纳米线和传感器。Soon Mo Park, et al, Hierarchically Fabricated Amyloid Fibersvia Evaporation-Induced Self-Assembly, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c08374https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08374
11. ACS Nano：通过金属半导体界面效应改变电子能带结构实现高法拉第效率电化学固氮
界面工程策略不仅可以改变材料的电子能带结构，而且能对材料的电化学性能产生有益的影响。这对环境友好的电化学氮还原反应(NRR)非常重要，因为该反应经常受到竞争性析氢反应(HER)的影响。实现在合适的电位下获得高的电流密度，并且NRR占主导，HER受到抑制，还具有挑战。为了解决这个问题，开发具有弱H吸附亲和力，从而抑制表面HER的催化剂至关重要。近日，印度纳米科学技术研究所Ramendra Sundar Dey等采用界面工程策略合成了NPG@SnS2电催化剂（NPG为立方纳米多孔金），它不仅抑制了活性位点上的HER，而且获得了49.3%的高NRR法拉第效率。1）六方SnS2片与底层NPG组装在一起，其中NPG既充当导电载体又充当集电器。2）大量的实验和DFT计算研究表明，由于电荷重新分布、Mott–Schottky效应和SnS2在NPG界面处跨接触层的带弯曲，NPG@SnS2表面Sn原子的d带中心降低，这有利于N2吸附在Sn活性位点上。3）费米能级的上移进一步促进了这种现象，最终，与原始SnS2相比，异质结构的功函数降低，这增加了材料的导电性。Ashmita Biswas, et al. Alteration of Electronic Band Structure via a Metal–Semiconductor Interfacial Effect Enables High Faradaic Efficiency for Electrochemical Nitrogen Fixation. ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c08652https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08652
