顶刊日报丨侯仰龙、欧阳钢锋、浦侃裔、范红金、黄富强等成果速递20211227
纳米人
2022-01-05
1. Chem. Soc. Rev.：可激活的分子探针用于荧光手术导航、内窥镜检查和组织活检
南洋理工大学浦侃裔教授对可激活的分子探针在荧光手术导航、内窥镜检查和组织活检等方面的应用进行了综述。1）实时、动态地对病变部位及其边缘进行光学可视化成像不仅能够实现对恶性组织的完整切除，而且也能在手术过程中更好地保存重要的器官/组织。然而，由于会在正常组织中进行非特异性积累，因此目前大多数的成像探针都会产生高背景噪声信号。相比之下，可激活的分子探针只有在与恶性细胞中过表达的靶向生物分子反应后才会开启信号，所以它也具有更高的信噪比和更好的特异性及敏感性。2）作者在文中综述了可激活的分子探针在外科成像和诊断方面的研究进展，并讨论了可激活分子探针的设计原理和机制；然后。作者重点介绍了这类探针在荧光手术导航、内窥镜和组织活检等方面的应用；最后，作者也对可激活的分子探针在外科成像领域中的发展前景和面临的挑战进行了讨论。Yan Zhang. et al. Activatable molecular probes for fluorescenceguided surgery, endoscopy and tissue biopsy. Chemical Society Reviews. 2021https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cs/d1cs00525a
2. Chem：一种用于高温反应的负载型催化剂活性界面的测定
阐述多相催化中结构-功能关系是设计高效催化剂的核心。然而，揭示主要反应位点仍然极具挑战性。近日，韩国科学技术院WooChul Jung，Kang Taek Lee，韩国忠南大学Hyun You Kim报道了一种具有出色热稳定性的氧化物包裹的金属催化剂，其具有精准的几何结构和反应位点。1）研究人员选择粒径可调的单分散Pt纳米粒子（NPs）为模型催化剂，其周围包裹着一个透气性的氧化铈外壳。此外，作为比较，还制备了二氧化硅包裹的Pt催化剂。2）研究人员利用电子层析成像（ET）结合三维重建（3D）的方法直接观察和量化了Pt-气体和Pt-CeO2-气体界面。基于这些相应的结果，测量了双相界（2PB）和三相界（3PB）位点密度（每克Pt）如何随颗粒大小而变化，以及甲烷（CH4）氧化的催化活性是如何变化的。3）研究人员确定了两个反应中心同时参与CH4氧化反应，确定了每个反应中心对总反应速率的贡献，并从理论上证实了CeO-Pt体系中CH4氧化的双中心反应途径。这项结果表明，即使在高温下，也可以提供一个可靠的平台来探索各种化学反应的催化活性位点和路径。Lee et al., A measure of active interfaces in supported catalysts for high-temperature reactions, Chem (2021)DOI：10.1016/j.chempr.2021.11.024https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.11.024
3. Matter：室温下具有磁旋涡结构的2D铁烯
二维（2D）元素过渡金属单晶是一种重要的纳米材料，具有丰富的磁性等迷人的理论性质。然而由于表面悬挂键的存在，其可控合成面临巨大挑战，因此这些晶体很少被生长和研究。近日，北京大学侯仰龙教授报道了首次实现了使用碲（Te）辅助化学气相沉积(CVD)方法生长的不同厚度的独立的2D Fe纳米片（称为铁烯）。1）研究发现，Te粉的加入和空间受限装置对铁烯的二维各向异性生长起着至关重要的作用。2）更有趣的是，研究人员利用磁力显微镜(MFM)技术在室温下发现了该体系中独特的磁涡旋结构，这种独特的磁畴结构与2D铁烯的厚度和几何形状密切相关，微磁模拟进一步说明了这一点。此外，还利用Lorentz TEM（LTEM）在外加磁场的条件下，原位观察了2D铁烯的磁畴演化和畴壁运动。3）本工作探讨了一种合成具有独特磁旋涡结构和室温铁磁性的独立2D元素过渡金属的有效策略，为各种自旋电子的应用提供了新的机会，例如在非易失性磁性随机存取存储器(MRAM)和磁隧道结(MTJ)中的应用。Li et al., Free-standing 2D ironene with magnetic vortex structure at room temperature, Matter (2021)DOI：10.1016/j.matt.2021.11.029https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.11.029
4. EES：FeNX/C催化剂用于储钠导致的固体电解质界面演化
固体电解质界面(SEI)的结构和化学工程在二次电池中起着至关重要的作用。目前，在充放电循环过程中，人们尚未揭示金属-氮（MNX）平台电极增强的储钠特性与SEI之间的内在联系。近日，郑州大学张佳楠教授，中科院大连化物所邓德会研究员报道了采用一步热解法制备了一种具有Fe-NX中心和Fe-NC包裹的Fe3C纳米粒子的FeNX/C催化剂模型负极。1）研究人员通过硝酸铁（Fe源）和聚乙烯吡咯烷酮（稳定Fe原子和平衡Fe含量的N源）在一系列温度下对活性中心进行了微调。研究发现，良好的电子结构使FeNx对SEI的可逆转化过程具有催化作用，这有助于储存额外的钠离子。含表面卤化物的NaF中间体在SEI中转化为FeF3是Fe原子提供容量的关键。2）基于非原位XPS和原位随温度变化的Nyquist图的研究结果，研究人员证实了额外的容量是由SEI中有机和无机成分的可逆转化所提供。此外，表面电容效应和钠离子在碳基材料表面的插层/脱插层过程对额外容量的贡献不可磨灭。3）一系列表征表明，Fe-NX对于FeF3的生成和SEI的后续转化必不可少。此外，由于快速的电子传输动力学，优化后的Fe3C纳米粒子极大地促进了这一过程。而更多的电子通过进一步调节各种Fe物种被处理，这反过来促进了SEI的产生，并抑制了不稳定组分的产生。这些发现为揭示SEI在电化学储能中的有利影响提供了一定指导。Huicong Xia, et al, Evolution of the solid electrolyte interphase enabled by FeNX/C catalysts for sodium-ion storage, Energy Environ. Sci., 2022https://doi.org/10.1039/D1EE02810C
5. Angew：高效蓝光发射的铜卤化物离子混合结构的有效方法
卤化铜基有机无机混合半导体作为发光材料表现出巨大的潜力，具有良好的结构多样性和光学可调性。其中，具有离散无机模块的卤化铜混合分子化合物因其高量子效率而特别有趣，然而，合成高效的蓝光发射分子团块仍然具有挑战性。有鉴于此，中山大学的刘威、欧阳钢锋等研究人员，开发出实现高效蓝光发射的铜卤化物离子混合结构的有效方法。1）研究人员报告了一种新的和简单的策略，通过在这些离子物种中制造协调的阴离子无机模块来设计和合成高度发光的卤化铜混合结构。2）在这种方法下，制备了一系列强蓝色发光的卤化铜混合离子结构，其内部量子产率高达98%。本文研究表明，这些化合物中的离子和共价键的结合所产生的强烈发光使它们成为可能用于光电设备的替代性、不含稀土元素发光材料的理想候选。Haibo Li, et al. Coordinated Anionic Inorganic Module – An Efficient Approach Towards Highly Efficient Blue-Emitting Copper Halide Ionic Hybrid Structures. Angewandte Chemie, 2021.DOI：10.1002/anie.202115225https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115225
6. Angew：将铁死亡与光热效应的作用机制相协调以用于肿瘤诊疗
基于不同细胞死亡机制的联合治疗能够有效提高对肿瘤的治疗效果。然而，目前研究者在设计时相关药物时往往对于不同的治疗模式的整合缺乏合理的理论依据，因此难以最大程度地发挥协同治疗的效果。厦门大学周子健副教授、浙江大学附属第四医院唐龙光研究员和新加坡国立大学陈小元教授通过仔细探究铁死亡和光热治疗的联合作用机制，设计了一种新型纳米诊疗药物。1）实验将克酮酸菁分子作为光热转换试剂和铁螯合剂，利用牛血清白蛋白对其进行包裹，从而构建了具有良好生物相容性的Cro-Fe@BSA纳米粒子。Cro-Fe@BSA纳米颗粒在肿瘤环境中具有可激活的光热效应。由于类芬顿反应具有温度依赖性，因此光热效应能够促进自由基的形成；而铁死亡过程中产生自由基则能够破坏热诱导形成的热休克蛋白，从而解决癌细胞对于热的自我保护机制。2）研究表明，这种“互惠互利”的策略能够在体外和皮下小鼠肿瘤模型中实现高效的抗癌作用。此外，Cro-Fe@BSA纳米粒子也能够实现可激活的光声和磁共振成像。综上所述，这项研究能够为协同不同的治疗方式以设计新型高效的纳米诊疗药物提供新的策略。Fantian Zeng. et al. Coordinating the Mechanisms of Action of Ferroptosis and Photothermal Effect for Cancer Theranostics. Angewandte Chemie International Edition. 2021DOI: 10.1002/anie.202112925https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202112925
7. AM：电负性诱导电荷平衡提高非晶态电催化剂的稳定性和活性
非晶化是活化本质惰性催化剂的一种有效策略。然而，非晶态催化剂结晶度低，在水溶液中溶解度高，电化学稳定性差。近日，南洋理工大学范红金教授，李述周教授报道了通过调整局部电荷转移路径，开发了一种高度稳定和活性的非晶态MoSxOy析氢反应（HER）电催化剂。1）研究人员发现，共掺杂的Sn和Rh原子分别与结构八面体[MoSO5]中的顶端O原子和顶端S原子结合。2）实验和计算结果表明，电负性差引起了Mo、O、Sn、Rh和S之间的电荷转移，强烈影响了催化剂在酸性水溶液中用于HER的稳定性和活性。具体地说，给电子体Sn与攻击H的尖端O位结合，大大提高了电化学稳定性。此外，Rh本质上是一种极好的HER电催化剂。Rh原子的加入调节了Sn、Rh和顶端S之间的电荷平衡过程，从而使活性位点转移到顶端Rh位点。3）实验结果显示，非晶MoSxOy的活性甚至比商用Pt/C还要高（例如，η10为26 mV, Tafel斜率为30.8 mV）。同时，Rh和Sn修饰的非晶MoSxOy对HER活性的稳定性大大提高（在1000次循环后，η10仅增加12 mV）。这项工作提供了一种新的策略来提高MoSxOy催化剂的潜力，更普遍地说，有望推动一系列水溶液稳定的非晶催化剂的开发。Yao Zhou, et al, Electronegativity Induced Charge Balancing to Boost Stability and Activity of Amorphous Electrocatalyst, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202100537https://doi.org/ 10.1002/adma.202100537
8. AM：用于大规模和定制设计的电子纺织品的可编程双流道喷涂
对可穿戴医疗保健需求的增加协同推动了电子纺织品或电子纺织品领域的发展，允许动态监测重要的健康信号。尽管前景广阔，但由于缺乏大面积以高空间分辨率生产定制设计的电子纺织品的方法，电子纺织品在临床实践中的实用部署仍然面临挑战。近日，普渡大学Chi Hwan Lee研究员，Byung-Guk Jun研究员，Byung-Guk Jun研究员等人报道了用于大规模和定制设计的电子纺织品的可编程双流道喷涂。1）采用了一种可编程的双态喷雾，能够以亚毫米级分辨率将功能性纳米粒子直接定制写入任意织物中。由此产生的电子纺织品在机械柔韧性、水蒸气渗透性和多次使用和洗衣周期的舒适性方面保留了固有的织物特性。电子纺织品紧密贴合各种体型和体型，以支持在动态条件下对皮肤上的生理和电生理信号进行高保真记录。2）在远程健康监测环境中对大型动物（如马）进行的试点现场测试证明了电子纺织品超越传统设备的可扩展性和实用性。这种方法将适用于定制电子纺织品的快速原型设计，以满足各种临床需求。Taehoo Chang, et al. Programmable Dual Regime Spray for Large-Scale and Custom-Designed Electronic Textiles. Adv. Mater. 2021.DOI：10.1002/adma.202108021https://doi.org/10.1002/adma.202108021
9. AM：过渡金属硫化物的高压超导现象
高压研究是在凝聚态材料中发现新颖现象和新颖性质的有效方法。有鉴于此，吉林大学刘冰冰、李全军，中科院上海硅酸盐研究所黄富强等报道研究了2H-TaS2材料在高达208 GPa的电子传输性能，发现在86.1 GPa压力中产生未曾预料的超导态，临界温度达到9.6 K。当提高压力，Tc温度快速的提高，在157.4 GPa的高压实现了16.4 K的临界温度。这个数值达到了过渡金属硫化物（TMD）的记录。1）发现在高于100 GPa的压力，本征超导态SC-I得以重新增强，而且当压力达到最高时与SC-II同时存在。通过原位高压XRD表征、Hall效应表征，发现出现SC-II超导态伴随着结构调控和空穴载流子的浓度提高。新出现的高Tc超导态来自由高压作用导致层间相互作用变化使得Fermi面附近的电子结构发生变化。2）本文首次在过渡金属硫化物材料体系中发现这种重要的超导态，为层状结构材料提供了新发展空间，扩展了高压超导的范畴。Qing Dong, et al, Record-High Superconductivity in Transition Metal Dichalcogenides Emerged in Compressed 2H-TaS2, Adv. Mater. 2021, 2103168DOI: 10.1002/adma.202103168https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103168
10. Nano Letters：一种基于纺织电极和聚合物水凝胶电解质的柔性可伸缩高性能酶生物燃料电池
生物燃料电池（BFCs）具有良好的生物相容性，有望成为柔性、可穿戴生物电子产品的动力源。近日，同济大学Tao Chen报道了提出了一种由石墨烯/碳纳米管（G/CNTs）复合纺织电极和聚合物水凝胶电解质构成的高度柔性和可伸缩的BFC。1）研究人员利用化学气相沉积(CVD)两步法合成了G/CNTs复合纺织品。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)图像显示，在纺织品中的Ni纤维上生长了起皱的层状石墨烯。采用第二次CVD工艺，以石墨烯为原料，在Fe/Al2O3涂层催化层上生长出定向碳纳米管阵列。2）研究发现，由石墨烯共价生长的碳纳米管阵列不仅可以作为固定化酶分子的导电基底，而且可以在酶和石墨烯电极之间提供有效的电荷传输通道。3）结果表明，所研制的生物燃料电池的开路电压为0.65 V，输出功率密度为64.2 Wcm−2，远高于以往报道的结果。此外，得益于电极独特的织构结构和聚合物水凝胶电解质，生物燃料电池在400次弯曲循环后表现出很高的功率密度保持率，甚至拉伸到60%的高应变。这种具有高度柔性和可伸缩性、高电化学性能的BFCs有望用于未来植入式生物电子学的能源系统。Zilin Chen, et al, Flexible and Stretchable Enzymatic Biofuel Cell with High Performance Enabled by Textile Electrodes and Polymer Hydrogel Electrolyte, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03621https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03621
11. EnSM：超薄界面改性层的熔融锂注入实现高可逆高能量密度金属电池
枝晶生长失控、无限体积波动和动态界面特性等实际问题阻碍了金属负极在高能量电池中的应用。近日，西北工业大学Yue Ma报道了一种由ZIF-67@ZIF-8核壳结构衍生的超薄（6.3 µm）、轻质（0.35 mg cm−2）双功能化复合层以有效改性铜箔衬底（表示为Co@Zn-CNT-Cu）。1）通过界面工程，研究人员有意地将原子分布的Zn物种铆接在碳质单元的外表面；同时，从内部共中心穿入的原位生长的碳纳米管（CNTs）增强了十二面体存储单元的结构完整性。2）Co@Zn-CNT-Cu衬底可以精确控制熔融锂的注入(过量0.5倍)，与LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC-811）正极（10.80 mg cm−2）集成在一个单层电池中，通过透射式X射线衍射进行Operando相跟踪，结果显示，样机表现出增强的循环可逆性和锂利用率。这项研究表明，通过控制熔融锂注入基底的界面工程为利用金属电池的能量密集型优点提供了一种极有效策略。Yue Ma, Molten-Li Infusion of Ultra-Thin Interfacial Modification Layer towards the Highly-Reversible, Energy-Dense Metallic Batteries, Energy Storage Materials (2021)DOI：10.1016/j.ensm.2021.12.032https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.12.032
12. EnSM：软模板法层间约束合成用于Zn-空气电池的Fe-Co双单原子催化剂
具有最大原子利用率的双单原子催化剂（DSACs）很大程度上依赖于双金属单原子在理想载体上的稳定性，如具有开放双面表面的二维原子层。金属-2D载体相互作用的调节对于提高DSACs的催化性能至关重要，而常规的2D原子纳米片缺很少能实现这一点。近日，南京理工大学朱俊武教授，熊攀教授报道了提出了一种软模板引导的层间限制合成Fe-Co DSAC的方法。1）全氟十四酸(PFTA)和硬脂酸(SA)两种两亲分子自组装成片状胶束，形成二维软模板。Fe和Co离子被限制在2D软模板的中间层和随后包覆的聚吡咯(Ppy)层之间。2）热解后得到Fe-Co DSAC（FeCo-NSC），Fe、Co单原子通过与N、S杂原子配位在2D纳米碳片上分离，经像差校正的大角度环状暗场扫描透射电子显微镜(AC-HAADF-STEM)、X射线吸收光谱(XAS)和理论计算证明了这一点。3）制备的FeCo-NSC作为锌-空气电池的正极表现出优异的电催化活性，具有~1.51 V的高开路电位和152.8 mW cm-2的高功率密度，优于单金属SAC（Fe-NSC和Co-NSC）的性能。这项工作为合理设计可持续能源转换应用的DSC提供了一种新的途径。Yunyan Wu, et al, Soft template-directed interlayer confinement synthesis of a Fe-Co dual single-atom catalyst for Zn-air batteries, Energy Storage Materials (2021)DOI：10.1016/j.ensm.2021.12.029https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.12.029
