顶刊日报丨孙守恒、林志群、赵一新、王焕庭、侯仰龙等成果速递20220105
纳米人
2022-01-06
1. Chem. Rev.综述：磁性纳米粒子: 合成、各向异性和应用
各向异性是材料的一个重要且广泛存在的特性，它提供了所需的方向相关特性。特别是，将各向异性引入磁性纳米粒子（MNPs）已经成为获得对许多应用至关重要的新特性和功能的有效方法。近日，布朗大学孙守恒教授，德克萨斯大学阿灵顿分校J. Ping Liu综述了各向异性金属纳米粒子、它们的合成及其潜在应用的研究进展。1）磁性部分突出显示了MNPs的磁化各向异性，以及MNP结构、形状和表面变化如何影响它们的磁化强度和矫顽力值，以及它们从铁磁到超顺磁性的磁化过程。2）合成部分重点介绍了立方铁氧体、六方铁氧体、金属铁或钴、过渡金属合金、稀土金属合金和其他具有各向异性控制的合金锰氧化物的代表性固溶相方法，以实现纳米级磁性的优化。3）具有良好控制磁性的MNPs可作为磁共振成像和磁加热的敏感探针，作为制造先进纳米材料的理想构件，这些材料对于永磁体、磁记录和磁传输应用非常重要，并且作为活性和选择性催化剂来促进对绿色化学和可持续能源至关重要的各种化学反应。Zhenhui Ma, et al, Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Anisotropy, and Applications, Chem. Rev., 2021DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00860https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00860
2. Chem. Rev.综述：胶体无机配体封端的纳米晶：先进功能纳米器件的基础、现状和见解
胶体纳米晶（NCs）是组装各种功能薄膜和器件的独特构件。溶液处理的无机配体（IL）封端的胶体碳纳米管在电子、光电和热电方面的应用尤其有前景，相关器件的性能可以大大超过有机配体封端的同类器件。这反过来又突显了制备IL封顶的NC分散体的重要性。用短小的、导电的无机配体取代覆盖在NCs上的初始大体积、绝缘性配体是制备IL封端NCs的液相配体交换的关键步骤。溶液相配体交换是非常有吸引力的，NC墨水浓度高，配体交换完整，并且在NC表面覆盖均匀。近日，佐治亚理工学院林志群教授，华南农业大学钟新华报道了综述了基于液相无机配体交换（SPILE）反应制备IL封端的NCs的研究现状。1）首先，综述了IL封端的胶体NCs的合成、SPILE机理、基本反应原理、表面化学和高级表征等方面的发展和最新进展。2）其次，给出了喷雾过程中的一系列重要因素，并举例说明了ILE注入后NC分散体的性质是如何演变的。3）第三，综述了利用无机试剂对钙钛矿型NCs进行表面改性的研究进展。钙钛矿型NCs由于其柔软的离子性质，不能承受极性溶剂或发生SPILE。4）第四，综述了IL封端的NCs的广泛应用研究进展，包括NCs合成、NCs固体和薄膜制备技术、场效应晶体管、光电探测器、光伏器件、热电和光电催化材料。5）最后，总结了在这一领域仍然存在的挑战，并提出了进一步推动IL封端的NCs在未来实际应用中的发展方向。Wenran Wang, et al, Colloidal Inorganic Ligand-Capped Nanocrystals: Fundamentals, Status, and Insights into Advanced Functional Nanodevices, Chem. Rev., 2021DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00478https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00478
3. Chem. Rev.综述：红磷：用于可持续能源开发与环境修复的一种新兴光催化剂
光催化是一种有效的常年解决方案，通过收集取之不尽、用之不竭的可再生太阳能来解决与环境污染和能源短缺相关的根深蒂固的挑战。迄今为止，人们已经研究了大量的光催化材料，目前的研究浪潮集中在具有迷人的物理化学和半导体特性的新型、成本低廉、高效无金属半导体的开发。最近出现的红磷（RP）半导体完美地归入了这一类别，这归功于它丰富的储量、低成本和不含金属的特性。更值得注意的是，磷家族中著名的红色同素异形体惊人地被赋予了更强的光吸收特性、有利的电子能带配置、易于功能化和修饰以及高稳定性。基于此，莫纳什大学Siang-Piao Chai综述了RP在光催化中的作用和意义。1）作者首先概述了不同的RP同素异形体及其化学结构，然后详细总结了它们的物理化学和半导体性质，如电子能带结构、光吸收特性和载流子动力学。2）作者概述了开发各种RP同素异形体和基于RP的光催化体系的最新合成策略。3）作者总结了RP与其他半导体的修饰或功能化，以促进有效的光催化应用，以评估其作为高效光催化体系的通用性和可行性。4）作者最后对RP光催化剂面临的挑战和未来的研究方向进行了展望，以期推动基于RP的光催化体系的可行性发展。这篇综述旨在通过拓宽对合理工程的认识以及微调RP的电学、光学和载流子性质，促进多功能RP光催化体系的合理开发。Cheng-May Fung, et al, Red Phosphorus: An Up-and-Coming Photocatalyst on the Horizon for Sustainable Energy Development and Environmental Remediation, Chem. Rev., 2021DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00068https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00068
4. JACS：一类高缺氧钙钛矿衍生物的氧离子和质子电导率
具有高离子导电性的功能氧化物具有许多重要的技术应用。近日，杜伦大学John S. O. Evans，Ivana Radosavljevic Evans报道了一类与钙钛矿相关的化合物的氧化离子和质子电导率的通式A3OhTd2O7.5，其中Oh是一个八面体配位的金属离子，Td是一个四面体配位的金属离子。1）相比于钙钛矿ABO3或钙铁石（brownmillerite）A2B2O5结构，ABO2.5的四面体含量较高，导致其四个顶点中只有三个在多面体框架中连接，为O2−迁移提供了潜在的低能机制。2）研究人员利用Rietveld精修和中子对分布函数（PDF）分析确定了Ba3YGa2O7（P2/c，a=7.94820(5) Å，b=5.96986(4)Å，c=18.4641(1) Å，β=91.2927(5) Å）的低温和高温平均和局域结构，以及与O2−离子迁移有关的向高温P1121/a结构（1000 °C时，a=12.0602(1) Å，b=9.8282(2) Å，c=8.04982(6) Å和γ=107.844(3) Å）。3）研究人员报道了Ba3YGa2O7.5的离子电导率，以及引入额外氧化物空位和填隙物的组合物。大多数相在低温下表现出质子导电性，在高温下表现出氧化物离子导电性，Ba3YGa2O7.5在高温下保持了质子导电性。而Ba2.9La0.1YGa2O7.55和Ba3YGa1.9Ti0.1O7.55是主要的氧化物离子导体，其电导率比母体化合物高一个数量级。Chloe A. Fuller, et al, Oxide Ion and Proton Conductivity in a Family of Highly Oxygen-Deficient Perovskite Derivatives, J. Am. Chem. Soc., 2021https://doi.org/10.1021/jacs.1c11966
5. AM：一种基于导电微桥的可伸缩电子机械联锁策略
包含关键传感、数据传输、显示和供电功能的可伸缩电子产器件对新兴的可穿戴医疗应用至关重要。迄今为止，实现单个功能器件的可伸缩性的方法已经被广泛研究。然而，这些可伸展器件实现全可伸展系统的集成策略仍在探索之中，其中可靠的可伸展互连是一个关键因素。基于此，哈工大Longtao Jiang，南洋理工大学陈晓东教授，中国科学院深圳先进技术研究院Zhiyuan Liu报道了提出了一种无焊策略，实现了将单个软器件组装到可软图案化电路上，从而形成一个多功能系统。1）为了在没有额外焊料的情况下实现坚固的互连，研究人员采用了机械互锁结构和化学粘合剂来提供足够的附着力。无焊可延伸互连（SLSIs）的设计包括弹性导电微桥（CMBs）的可延伸联锁结构和具有区域分布的高粘合聚合物（AP）。2）可伸展的CMBs触发AP的选择性分布，AP覆盖的区域产生紧密的层间粘附，暴露的区域使配对CMBs之间的层间导电。因此，通过SLSIs（R/R0≤5，≈35%应变）获得了可靠的连接。3）作为概念验证，利用SLSIs将可伸缩应变传感器和可伸缩超级电容互连到软件电路上，成功实现了一个自供电的数据采集平台。这些SLSIs可以作为集成单个可伸缩设备的有价值的技术，以实现全软多功能平台。因此，可伸缩电子封装策略的开发将加速医疗电子集成系统的成熟。Ming Zhu, et al, A Mechanically Interlocking Strategy Based on Conductive Microbridges for Stretchable Electronics, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202101339https://doi.org/10.1002/adma.202101339
6. AM：金属酚醛网络包被的树突状-分子药物偶联物用于肿瘤磁共振成像和化学-化学动力学治疗
通过放大内质网应激(ERS)以实现增强的肿瘤治疗被认为是设计抗肿瘤纳米药物的重要思路之一。东华大学史向阳教授构建了一种新型、可放大ERS、金属酚醛网络包被的树突状分子-药物偶联物。1）实验通过苯硼酸部分将树状大分子与ERS药物丰育霉素(Toy)进行偶联，并利用铁(Fe)-单宁酸网络(TF)对其进行包覆而构建了该纳米复合物。研究表明，尺寸为50.2 nm的纳米复合物在生理环境下是稳定的。而在肿瘤微环境中，由于硼酯键能够对pH和ROS进行反应，因此其能够快速释放Toy，进而有效抑制ERS介导的癌细胞适应性。2）与此同时，包被的TF网络使得该纳米复合物能够通过类芬顿反应产生羟基自由基，进一步放大ERS以改善体内外化学-化学动力学治疗效果。此外，TF包覆层也使得该复合物具有显著的r1弛豫性能，可用于实现体内t1加权肿瘤磁共振成像。综上所述，该研究通过将金属酚醛网络和树枝状分子纳米技术相集成而构建了一种新型的智能纳米复合物，其可通过放大ERS以用于成像指导的癌症治疗。Zhiqiang Wang. et al. Metal–Phenolic-Network-Coated Dendrimer–Drug Conjugates for Tumor MR Imaging and Chemo/Chemodynamic Therapy via Amplification of Endoplasmic Reticulum Stress. Advanced Materials. 2021DOI: 10.1002/adma.202107009https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107009
7. AFM：MAPbI3钙钛矿的多级钝化用于高效稳定的光伏
钙钛矿太阳能电池（PSC）的光伏性能和长期稳定性受陷阱态的影响很大。上海交通大学赵一新和Hao Wei等人介绍了一种功能性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓三氟乙酸盐 (EMIMTFA)来钝化钙钛矿薄膜。1）研究发现，1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子 (EMIM+) 可与PbI2相互作用形成稳定的一维 (1D) 钙钛矿EMIMPbI3和三氟乙酸阴离子（TFA-）可以钝化电子转移层和钙钛矿层之间的界面。2）与广泛研究的低维钙钛矿覆盖层或准2D结构不同，EMIM+ 阳离子不仅分布在顶面和体相内部，而且还在3D钙钛矿薄膜的掩埋界面处积累，实现了多级分布。这种分布模式成功地钝化了不同的缺陷状态，导致非辐射复合的显著减少。3）因此，具有EMIMTFA添加剂的甲基铵碘化铅基PSC显示出增强的光伏性能，效率高达22.14%，并提高了长期稳定性。这项工作表明，形成多级低维结构是制备高效稳定的PSC的新策略。Wei, N., Chen, Y., Wang, X., Miao, Y., Qin, Z., Liu, X., Wei, H., Zhao, Y., Multi-Level Passivation of MAPbI3 Perovskite for Efficient and Stable Photovoltaics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2108944.DOI：10.1002/adfm.202108944https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202108944
8. AFM：一种具有独特N1O2配位的钨单原子催化剂通过氧还原高效电合成过氧化氢
单原子催化剂（SACs）在过氧化氢（H2O2）合成的电化学氧还原反应（ORR）中显示出巨大的潜力。然而，目前的研究主要集中在3d过渡金属SACs上，对5d SACs的研究很少。近日，澳大利亚莫纳什大学王焕庭教授，Yinlong Zhu，格里菲斯大学Yun Wang报道了通过一种简单的配位聚合物热解方法，设计并制备了一种固定在多孔O，N掺杂碳纳米片（W1/NO-C）上的新型W SAC。1）研究人员结合像差校正扫描透射电镜、X射线光电子能谱和X射线吸收精细结构光谱，鉴定了W SAC的一个独特的局部结构，即由两个O原子和一个N原子配位的三齿状W1N1O2。2）值得注意的是，所制备的W1/NO-C通过2e途径催化ORR，具有高起始电位、宽电位范围内的高H2O2选择性和在0.1 m KOH溶液中优异的操作耐久性，优于已报道的大多数最先进的H2O2合成电催化剂。3）理论计算表明，W1N1O2-C部分中与O相邻的C原子是2e- ORR转化为H2O2最具活性的位点，具有最佳的HOO*中间体结合能。这项工作为开发高性能的钨基电化学H2O2合成催化剂提供了新的契机。Feifei Zhang, et al, High-Efficiency Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide from Oxygen Reduction Enabled by a Tungsten Single Atom Catalyst with Unique Terdentate N1O2 Coordination, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202110224https://doi.org/10.1002/adfm.202110224
9. Nano Energy：一种自支撑连续的ZnSe@碳纳米纤维结构作为超长寿命负极助力柔性锂离子电池
自支撑电极由于不含非电化学活性粘结剂、导电添加剂和集流体而受到广泛关注。近日，北京大学侯仰龙教授报道了采用静电纺丝和一步碳化/硒化工艺制备了一种具有柔性的ZnSe@碳纳米纤维（ZnSe@CNFs）复合材料。1）得益于纳米ZnSe纳米粒子包裹在碳纳米纤维导电网络中的结构优势，该电极表现出优异的电化学性能，包括出色的倍率性能和超长的循环寿命（在5 A g-1下循环3000 mAh g-1，每次循环仅有0.01%的衰减）。2）更重要的是，该自支撑电极可以进一步应用于软包电池，在0.5 A g-1的700 次循环中具有448.9 mAh g-1的突出容量。此外，这种软包电池成功地点亮了发光二极管(LED)。即使以不同的角度(90、180和0 °)重复折叠30次，软包电池仍保持了原始电池的性能。该设计对于推动自支撑电极在柔性/可穿戴电子器件方面的发展具有重要意义。Teng Zhang, Daping Qiu and Yanglong Hou, Free-standing and consecutive ZnSe@carbon nanofibers architectures as ultra-long lifespan anode for flexible lithium-ion batteries, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106909https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106909
10. Nano Energy：效率超过24%！基于有机材料钝化的高效钙钛矿太阳能电池
钙钛矿和电子传输层 (ETL) 之间界面处的表面和晶界缺陷会导致严重的非辐射复合，不利于器件的性能和稳定性。有机材料通常用于表面钝化，但大多数工作将强大的钝化能力归因于形成的二维 (2D) 钙钛矿。南开大学张晓丹等人证明了有机铵盐钝化作用强于2D结构。1）有机卤化物盐己烷碘化铵 (HAI) 的靶向作用是在晶界处生长，并在抑制电荷复合而不是形成准二维或二维钙钛矿以钝化表面缺陷方面发挥关键作用。2）此外，HAI结构具有超疏水性的钙钛矿薄膜，增强了防潮性并防止了Li+扩散到钙钛矿薄膜中。结果，将PSC的效率从22.38%提高到了24.07%（认证效率为 23.59%），电压损失仅为0.35 V。3）HAI表面处理还提高了钙钛矿太阳能电池 (PSC) 的运行稳定性，未封装的器件保持在N2气氛中连续光照200小时后，仍保留初始效率的81%以上。Pengyang Wang, et al. 2D perovskite or organic material matter? Targeted growth for efficient perovskite solar cells with efficiency exceeding 24%, Nano Energy, 2022. DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106914https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521011630#sec0050
11. ACS Energy Lett.：有机胺在金属卤化物钙钛矿前体胶体不可逆降解中的关键作用：机制和抑制策略
溶液可加工性使钙钛矿太阳能电池 (PSC) 成为了优于传统真空光伏技术的潜在优势候选者。然而，金属卤化物钙钛矿（MHP）前体胶体的稳定性问题严重阻碍了PSC未来的工业化。大连理工大学Yantao Shi等人阐明了有机胺——去质子化的有机胺阳离子在混合阳离子MHP前躯体的降解中的关键作用。1）本研究采用的是最有商业前景的甲脒/甲基铵 (FA+/MA+) 混合阳离子组分。并确定FA-MA+的胺-阳离子反应，而不是MA-FA+。FA-MA+是触发不可逆降解过程的主要途径。2）随后，基于席夫碱反应，醛（如甲醛、苯甲醛和 3-乙醛）用于消除有机胺，以有效抑制前躯体的不可逆降解和所得 MHP 薄膜中H空位陷阱的钝化。3）此外，最佳效果的苯甲醛可以降低晶界密度，将PSC的光电转换效率从20.7%提高到了23.3%，同时提高了器件的运行稳定性。Qingshun Dong, et al. Critical Role of Organoamines in the Irreversible Degradation of a Metal Halide Perovskite Precursor Colloid: Mechanism and Inhibiting Strategy, ACS Energy Lett. 2022, 7, 481–489DOI：10.1021/acsenergylett.1c02449https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c02449
12. CEJ：氯封端MXene量子点用于提高钙钛矿太阳能电池的性能
在 n-i-p 平面钙钛矿太阳能电池中，高结晶度钙钛矿薄膜和对高湿度的长期稳定性对于高光伏性能和未来的商业化至关重要。上海交通大学陈俊超等人通过一步沉积方法将Cl封端的Ti3C2量子点（表示为 Ti3C2Clx QD）作为添加剂引入钙钛矿前驱体溶液中。 1）Ti3C2Clx QDs的Cl末端与Pb2+离子之间的强相互作用可以延缓结晶速率并在薄膜结晶过程中诱导优选的晶粒取向，从而提供具有高结晶度、较少陷阱态和较小残余物的高质量钙钛矿薄膜拉伸应变。2）同时，由于其自上而下的梯度分布，Ti3C2Clx量子点的加入还可以加速氧化锡（SnO2）电子传输层（ETL）和钙钛矿层之间的电荷提取和有益带对齐。3）因此，具有Ti3C2Clx QD 的器件可以实现21.31%的效率，1.19 eV的超高开路电压和可忽略的滞后。此外，通过取代Ti3C2Clx 的OH端基，Cl端基的Ti3C2Clx 量子点可以避免钙钛矿中质子化有机胺可能发生的去质子化，从而提高整体稳定性。4）因此，未封装的器件在室温下在 40%的相对湿度下老化1000小时后，仍能保持其初始PCE的84%以上，从而表现出出色的长期湿度稳定性。Xiao Liu, et al. Chlorine-terminated MXene quantum dots for improving crystallinity and moisture stability in high-performance perovskite solar cells,DOI：10.1016/j.cej.2021.134382https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721059544#!
