顶刊日报丨杨阳、郑耿锋、林君、胡文彬、胡喜乐、王双印等成果速递20211216
纳米人
2021-12-16
1. Nature Energy: 基于FAIR数据原则的钙钛矿太阳能电池的开放访问数据库和分析工具
大型数据集现在无处不在，因为技术支持更高通量的实验，但由于格式不一致、未记录的存储或不正确的传播，研究领域很少能真正受益于产生的研究数据。亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)T. Jesper Jacobsson和Eva Unger等人从迄今为止发表的有关金属卤化物钙钛矿太阳能电池的同行评审论文中提取所有有意义的设备数据，并将它们提供在数据库中。1）研究人员从超过42,400个光伏设备中收集数据，每个设备有多达100个参数。2）然后，研究人员开发了开源且可访问的程序来分析数据，提供可以从大型数据集分析中收集到的见解示例。3）数据库、图形和分析工具已提供给钙钛矿光伏领域，并将作为开源计划继续发展。这种广泛捕捉整个领域进展的方法，包括数据的排序、交互式探索和图形表示，将适用于材料科学、工程和生物科学的许多领域。4) 数据库链接(文章给的链接不对)和开发方法软件链接：https://perovskitedatabase.comhttps://github.com/Jesperkemist/perovskitedatabaseJacobsson, T.J., Hultqvist, A., García-Fernández, A. et al. An open-access database and analysis tool for perovskite solar cells based on the FAIR data principles. Nat. Energy (2021). DOI：10.1038/s41560-021-00941-3https://www.nature.com/articles/s41560-021-00941-3
2. Angew：用于阴离子交换膜燃料电池的支化聚(芳基哌啶)膜
阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）是一种很有前途的下一代燃料电池技术。AEMFC通常需要高导电性和坚固耐用的阴离子交换膜（AEMs），由于需要在导电性和吸水率之间进行权衡，因此开发AEMs是一项具有挑战性的工作。近日，洛桑联邦理工学院胡喜乐教授，韩国汉阳大学Young Moo Lee报道了开发了一种简便的合成支化聚(芳基哌啶)AEMs的方法。1）研究人员利用三氟甲磺酸（TFSA）催化对三联苯（TP）、TPB和N-甲基-4-哌啶酮（TP）的缩聚反应，制备了中性支化聚(三苯基哌啶)（b-PTPA-x聚合物，其中x为1,3,5-三苯基苯（TPB）与芳基单体的摩尔比）。然后，以b-PTPA-x和碘甲烷为原料，通过MenShukin反应制备了阳离子支化聚(三苯基哌啶)（b-PTP-x）聚合物。2）优化后的b-PTP-2.5膜具有较高的OH-导电率（在80 ℃时,超过145 mS cm-1）、较低的吸水率和膨胀率，以及良好的力学性能（拉伸强度>60 MPa，断裂伸长率>35%），同时该膜具有柔韧性，易于加工。此外，该膜在80 °C的1 M KOH中浸泡1500 h后仍完好无损。3）基于这种膜的AEMFC在H2-O2中的PPD值高达2.3 W cm-2，在H2-Air中的PPD值高达1.3W cm-2，是已知的AEMFC的最高值之一。这些AEMFCs可稳定运行500 h以上，且b-PTP-2.5膜在此过程中保持稳定。研究工作展示了支化聚(三苯基哌啶)AEMs在AEMFC中的应用前景。此外，这种分枝策略可能适用于其他类型AEMs的开发。Xingyu Wu, et al, Branched Poly(Aryl Piperidinium) Membranes for Anion Exchange Membrane Fuel Cells, Angew. Chem. Int. Ed. 2021DOI: 10.1002/anie.202114892https://doi.org/10.1002/anie.202114892
3. Angew：镍-氮-碳的原子桥结构助力高效电催化CO2还原
为满足战略应用的需要，合理设计具有原子分散活性中心的先进电催化剂以促进CO2电化学还原为增值化学品至关重要。近日，山东大学张进涛教授报道了展示了一种约束在富氮掺碳纤维中原子分散的镍物种（Ni-CNC），然后通过静电纺丝和随后的热解方法制备具有4个N和2个C原子的双核Ni原子（Ni2-N4-C2）的独特桥联结构。1）镍盐在电纺溶液中的均匀溶解使镍物种在复合纤维中分散均匀，从而避免了金属原子通过与氮原子和碳原子形成配位结构而聚集。通过将裂解温度从900 ℃调整到1100 °C，Ni-CNC纤维中的原子结构由单原子构型（Ni-N3-C，Ni-CNC-900）规律性地调节为双核Ni桥联结构（Ni2-N4-C2，Ni-CNC-1000）和碳基体上的小Ni团簇（Ni4-NC，Ni-CNC-1100）。2）像差校正的大角度环状暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和X射线吸收光谱（XAS）鉴定了Ni原子的几何构型和配位环境。3）令人兴奋的是，具有理想Ni原子配位结构的优化的Ni2N4-C2在H型电池中表现出最大法拉第效率（FE），在-0.8 V（vs.RHE）时达到96.6%，在-1.0V时的TOF值达到4.6×103 h-1，而在流动电池中， -0.5 V下表现出更高的FE（97.8%）。4）进一步，用Ni2-N4-C2电催化剂组装的Zn-CO2电化学电池（ZCEC）表现出2.43 mW cm-2的高峰值功率密度，实现了高效的能量转换。本工作提供了一种简便的方法来调节双核镍物种在多孔碳基体上的原子桥结构，从而有效地促进CO2的选择性还原。特别是结合理论计算，揭示了电子态─自由能变化─电催化活性这一基本关系，为先进电催化剂的合理设计提供了基本原则。Xueying Cao, et al, Atomic Bridging Structure of Nickel–Nitrogen-Carbon for Highly Efficient Electrocatalytic Reduction of CO2, Angew. Chem. Int. Ed. 2021DOI: 10.1002/anie.202113918https://doi.org/10.1002/anie.202113918
4. AM：增强用于太阳能水氧化的BiVO4光阳极中的电荷传输
光电化学（PEC）水分解是将太阳能转化为清洁氢气的直接途径，在过去的几十年里引起了人们的极大关注。半导体电极(光电电极)是PEC电池的关键组件，担负着捕光、载流子产生和向水界面传输的作用。BiVO4用于是PEC水分解的最有前途的光阳极之一，得到了广泛的研究。然而，BiVO4在体相和表面发生的严重电荷复合严重限制了光生载流子的输运和转移效率，导致PEC性能不尽如人意。近日，南京理工大学张侃教授报道了开发了一种利用新型深共晶溶剂（DES）从BiVO4晶格中浸出金属原子(Bi)的后处理方法，用于BiVO4光阳极铋空位（Bivac）工程。这种新型Bivac能显著提高电荷扩散系数，从而显著提高电荷传输效率。这代表了二元或多组分金属氧化物缺陷工程的关键进展，并为更简单、更有效的催化剂设计方法提供了新的可能性。1）通过与传统Ovac进行比较，显示了Bivac在改善PEC分水性能方面的不同作用。结果表明，BiO8单元中形成的Bivac能促进体电荷的输运，使电荷扩散系数从1.82×10-7提高到1.06×10-6 cm2 s-1，相应的载流子分离效率从1.23 V时的26.42%提高到96.45%。2）通过进一步负载CoBi助催化剂来提高电荷转移效率，优化了Bivac浓度的BiVO4光阳极在AM 1.5G照射下，1.23 V时的光电流密度达到4.5 mA/cm2。高于先前报道的基于Ovac工程的通过类似工艺合成的BiVO4光阳极。这种新型的阳离子缺陷工程有望弥补Ovac在未来高效太阳能燃料转换的电荷传输性能方面的不足。Boosting Charge Transport in BiVO4 Photoanode for Solar Water Oxidation, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202108178https://doi.org/10.1002/adma.202108178
5. AM：肿瘤微环境激活的ROS放大器应用癌症饥饿/化学动力学/免疫治疗
目前，基于纳米催化剂(NCs)的肿瘤治疗取得了一系列重要进展，但如何实现针对特定肿瘤微环境(TME)的精准治疗仍然是一个重大的研究挑战。有鉴于此，山东大学李春霞教授、中科院长春应化所林君研究员和广州医科大学侯智尧教授设计了一种基于对TME响应的上转化纳米颗粒(UCNPs)的智能UCNPs@Cu-Cys-GOx(UCCG)纳米系统，该系统结合了天然酶和纳米酶，可用于原位放大活性氧(ROS)生成和实现肿瘤饥饿/化学动力学/免疫治疗。1）该纳米系统的最大优点是它可以在正常组织中保持惰性(off)，而只在TME中通过一系列的酶促级联反应被激活(on)，进而通过增加来源(自供给过氧化氢)和减少支出(消耗谷胱甘肽(GSH))以促进活性氧的产生。研究表明，UCCG NCs增强的氧化应激能够逆转免疫抑制TME，从而促进抗肿瘤免疫应答。2）实验结果表明，UCCG联合PD-L1抗体触发的协同型饥饿/化学动力学/免疫治疗能够有效地抑制原发肿瘤的生长和肿瘤转移。此外，UCCG中的UCNPs也具有上转换发光增强性能，能够用于对增强的ROS生成进行实时可视化。综上所述，这项工作为设计和开发基于UCNPs的催化-免疫疗法提供了一个新的策略。Man Wang. et al. Tumor-Microenvironment-Activated Reactive Oxygen Species Amplifier for Enzymatic Cascade Cancer Starvation/Chemodynamic /Immunotherapy. Advanced Materials. 2021DOI: 10.1002/adma.202106010https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106010
6. AM：利用生物矿化外壳保护铁蛋白以调节肿瘤微环境和靶向递送多种治疗药物
铁蛋白(Fn)被认为是一种重要的肿瘤靶向型递送载体，但其在体内的应用尚未完全实现。研究表明，Fn受体会在肝组织中表达，这会对肿瘤递送产生拦截效应。有鉴于此，中科院过程工程研究所魏炜研究员设计了一种生物矿化技术，即利用磷酸钙(CaP)外壳保护Fn，从而减少肝脏对于Fn的拦截，并使其在酸性肿瘤微环境中重新暴露以提高靶向递送性能。1）CaP外壳的选择性溶解不仅能够中和酸性微环境，而且可以诱导了瘤内免疫调节和钙化。在多种细胞系和患者来源的异种移植肿瘤模型上的研究表明，实验通过将化疗药物装入Fn内腔所构建的Fn@CaP具有很好的抗肿瘤效果。2）此外，实验也将光敏剂封装到外壳中，进而实现了化学-光热联合治疗以完全抑制晚期肿瘤。综上所述，这一研究结果表明Fn@CaP可作为一种新型纳米平台以有效调节肿瘤微环境和实现多种治疗药物的靶向递送。Changlong Wang. et al. Shielding Ferritin with a Biomineralized Shell Enables Efficient Modulation of Tumor Microenvironment and Targeted Delivery of Diverse Therapeutic Agents. Advanced Materials. 2021DOI: 10.1002/adma.202107150https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107150
7. AEM综述：具有窄禁带供体和非富勒烯受体的高性能半透明有机光伏器件
太阳能为全球社会日益增长的能源需求提供了另一种解决方案。半透明有机光伏（ST-OPVs）由于其可调的能级和较高的能量转换效率（PCE）而受到人们极大的关注。由于其透明性，ST-OPVs可以用作温室的发电屋顶，以及现代建筑或幕墙的彩色可调墙/窗。随着吸收近红外光子的窄禁带半导体的快速发展，ST-OPVs的性能得到了极大的提高，平均可见光透过率超过了20%，PCE超过了12%。近日，加州大学洛杉矶分校杨阳教授重点综述了用于ST-OPV的窄带隙供体材料和窄带隙非富勒烯受体（NFAs）材料的研究进展。1）作者首先引入显色指数（CRI）、平均可见光透过率（AVT）、光利用效率（LUE）、量子利用效率（QUE）和双面因子等关键参数来提高ST-OPVs的性能。其次，实现高效ST-OPV的最新研究是由于充分利用了近红外光子，其中的器件由窄禁带材料组成。因此，总结涵盖了作为ST-OPVs供体的窄带隙聚合物分子设计的研究进展。然后，根据其化学结构总结了作为受体的窄带隙NFAs材料的研究进展。2）此外，作者还重点总结了高性能ST-OPV器件方面的策略，包括三元混合策略、有源层供体/受体分布策略、串联结构策略和透明导电电极策略。进一步讨论了ST-OPV的潜在应用，如农业自供能温室、美学设计的彩色外观、隔热以及汽车天窗的颜色调节等。3）作者最后总结了ST-OPVs的最新研究进展，并为聚合物给体材料和NFAs的高效分子设计提供了一定指导。同时，从器件角度总结了设计高性能ST-OPV的策略。Hao-Wen Cheng, Yepin Zhao, and Yang Yang, Toward High-Performance Semitransparent Organic Photovoltaics with Narrow-Bandgap Donors and Non-Fullerene Acceptors, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202102908https://doi.org/10.1002/aenm.202102908
8. AEM：实际条件下金属锂复合阳极亲锂位点的失效机理
通过引导均匀的锂沉积和缓解体积变化，具有亲锂活性中心的3D主体已成为稳定金属锂负极的一种很有前途的策略。近日，北京理工大学黄佳琦教授报道了首次全面研究了实际条件下3D主体中亲锂位点的失效机理。1）研究人员在具有金属基亲锂位点的典型体系中，揭示了实际条件下3D中亲锂位点的演化过程。亲锂位点可以降低成核过电位，但在实际条件下，这种影响在循环过程中逐渐丧失。2）与温和条件相比，实际条件下循环容量的显著提高导致了死锂的快速积累。积累的死锂覆盖了亲锂位点，大大加剧了锂离子的扩散势垒，堵塞了锂离子向亲锂位点的扩散通道，从而导致亲锂位点失效。而经过长时间的循环后，一旦死锂被移除，亲锂位点仍然可以发挥作用。本工作揭示了亲锂位点的失效机理，为实际条件下亲锂主体的设计提供了指导。Ying-Xin Zhan, et al, Failure Mechanism of Lithiophilic Sites in Composite Lithium Metal Anode under Practical Conditions, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202103291https://doi.org/10.1002/aenm.202103291
9. AFM：纳米多孔珊瑚状Pt纳米线用于电催化甲醇和氨氧化反应
在电催化领域，提高Pt的催化活性，降低其使用量以及增强稳定性对于甲醇和氨氧化至关重要。近日，天津大学胡文彬教授，钟澄教授报道了以植三醇溶致液晶为模板，通过简单的电沉积方法合成了具有珊瑚状纳米线形貌的纳米多孔Pt/碳纤维布电催化剂。1）研究人员首先在碳纤维布表面电沉积了致密的Pt核。其次，以植三醇层为模板，在植三醇-乙醇(33%，w/w)溶液中浸渍，在沉积有Pt核的碳纤维布表面涂覆一层植物三醇层。第三步，将植三醇涂层电极在六氯铂酸的水溶液中浸泡至少5 min，然后在常规的三电极电化学池中通过植三醇模板辅助电沉积制备Pt电催化剂。最后以乙醇为溶剂去除植物三醇，得到三维珊瑚状Pt纳米线电催化剂。2）这种三维珊瑚状Pt纳米线电催化电极具有多种优点，可以最大限度地发挥1DPt纳米线的电催化潜力。首先，直接在碳纤维布表面合成的珊瑚状Pt纳米线不仅可以避免聚合物粘结剂的引入，而且可以最大限度地减小电催化剂与碳纤维布衬底之间的接触电阻，大大提高了电子传递能力。第二，具有独特的三维珊瑚状纳米线结构的电极避免了Pt纳米线的杂乱堆积，同时继承了1D纳米线的优点。第三，得到的珊瑚状Pt纳米线电极，其中每根Pt纳米线都具有大量的纳米孔，可以为质量传输提供较大的可及表面积。3）实验结果显示，珊瑚状Pt纳米线电极具有43.1 m2 g-1的高电化学比表面积，几乎是商用Pt/C（25.4 m2 g-1）的两倍，对甲醇和氨氧化的催化活性分别为343.1 mA mg-1和72.0 mA mg-1，远远高于商用Pt/C电极（分别为173.7 mA mg-1和26.2 mA mg-1）。此外，加速100次循环后，珊瑚状Pt纳米线电极对甲醇和氨氧化的电流保持率分别达到82.1%和85.6%，因此具有良好的稳定性。Jie Liu, et al, Designing Nanoporous Coral-Like Pt Nanowires Architecture for Methanol and Ammonia Oxidation Reactions, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202110702https://doi.org/10.1002/adfm.202110702
10. Adv. Sci.: 通过机器学习发现用于高性能太阳能电池的无铅钙钛矿
探索无铅候选物并提高效率和稳定性仍然是基于混合有机-无机钙钛矿的器件商业化的障碍。传统的试错方法严重限制了发现，特别是对于大搜索空间、复杂晶体结构和多目标特性。复旦大学Yiqiang Zhan和Hao Zhang等人提出了一种多步多阶段筛选方案，通过将机器学习与高通量计算相结合，以追求卓越的效率和热稳定性，以加速从大量候选者中发现杂化有机-无机钙钛矿 A2BB'X6在太阳能电池中。1）经过一系列筛选，建立了映射A2BB'X6性质的结构-性质关系，预测结果与报道的实验结果接近。成功地筛选出四种具有良好稳定性、高德拜温度和合适带隙的实验可行候选物。2）并通过密度泛函理论计算进一步验证，其中三种无铅候选物 (CH3NH3)2AgGaBr6、(CH3NH3)2AgInBr6以及（C2NH6)2AgInBr6)的预测效率分别达到20.6%、19.9%和27.6%。3）原因为从UVC到IRC的超宽带吸收区域，激子辐射组合率低至10 ps。三种无铅候选物的计算的热导率分别为5.04、4.39和5.16 Wm-1K-1，德拜温度大于500 K，有利于抑制非辐射组合和热诱导降解。Cai, X., et al, Discovery of Lead-Free Perovskites for High-Performance Solar Cells via Machine Learning: Ultrabroadband Absorption, Low Radiative Combination, and Enhanced Thermal Conductivities. Adv. Sci. 2021, 2103648.DOI：10.1002/advs.202103648https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103648
11. Small Methods：Cu3Sn催化剂用于高效CO2电还原制乙醇
二氧化碳（CO2）电化学还原制乙醇提供了一种潜在的降低CO2水平和生产增值液体燃料的策略，然而开发低成本、高活性和高选择性的催化剂仍然是一个主要挑战。基于此，复旦大学郑耿锋教授，南洋理工大学李述周教授报道了研制了一种双金属，低熵的Cu3Sn催化剂，用于高效电催化CO2还原制乙醇。1）研究人员通过氢泡模板法、然后电还原的两步法制备出Cu3Sn催化剂，同时为了进行比较，采用电沉积的方法直接制备了Cu6Sn5样品。2）实验结果显示，低熵的Cu3Sn催化剂用于电催化CO2还原，乙醇生产的法拉第效率高达64%，这与高熵的Cu6Sn5催化剂不同，后者用于电催化CO2还原主要选择性地生成甲酸盐。此外，在−900 mA cm−2的工业级电流密度下，Cu3Sn催化剂在膜电极电解槽中可稳定48 h以上。3）理论计算表明，Cu3Sn催化剂较高的乙醇选择性是由于其增强了乙醇生产过程中几个关键中间体（*CO和*CHCHOH）的吸附。相比之下，高熵Cu6Sn5催化剂对*CO的吸附较差，但对*OCHO中间体的吸附较强，有利于生成甲酸盐。此外，生命周期评估（LCA）显示，使用Cu3Sn电催化剂，由风力发电的电化学CO2还原制乙醇的电解系统生产1吨乙醇可带来120 kgCO2-eq的全球变暖潜力，与传统的生物乙醇工艺相比，碳排放减少了55%。Longmei Shang, et al, Efficient CO2 Electroreduction to Ethanol by Cu3Sn Catalyst, Small Methods 2021DOI: 10.1002/smtd.202101334https://doi.org/10.1002/smtd.202101334
12. Chem Catalysis：电化学诱导Cu(I)/Cu(II)非均相氧化还原介导的室温化学环流制氢
化学链法是一种很有前途的高纯氢气生产技术。然而，该工艺需要在高温（如>600 ℃）下运行，这对反应器设计和氧气载体提出了严格的要求。近日，湖南大学王双印教授，卢彦兵报道了提出了一种以氧化铜为氧载体，抗坏血酸为还原剂的室温电催化化学链（RTECL）制氢工艺。电解槽由Cu2O和HER的电氧化耦合组装而成。1）研究人员通过原位拉曼光谱和非原位X射线光电子能谱（XPS）研究了Cu(I)/Cu(II)的氧化还原循环，Cu2O被电化学氧化为Cu(OH)2，后者被抗坏血酸自发还原为Cu2O。2）得益于Cu2O的低起始电位（0.7 VRHE）， RTECL体系在0.94 VRHE时的电流密度可达100 mA cm-2。此外，该新系统的耗电量仅为传统的水电解的一半（2.57 vs 4.83 kWh Nm-3 H2）。通过综合低温、高氢气纯度、设备要求简单等优点，这项工作为制氢提供了一种新的途径，并朝着创新催化工艺的发展迈进了一大步。Zhou et al., Room-temperature chemical looping hydrogen production mediated by electrochemically induced heterogeneous Cu(I)/Cu(II) redox, Chem Catalysis (2021)DOI：10.1016/j.checat.2021.11.003https://doi.org/10.1016/j.checat.2021.11.003
