南方科技大学Nature Energy丨顶刊日报20220122
纳米人
2022-01-24
1. Nature Energy: 23.6%效率,单片钙钛矿/有机串联太阳能电池
由于钙钛矿和有机半导体的大化学成分和带隙可调性，钙钛矿/有机串联太阳能电池对于下一代薄膜光伏发电具有吸引力。然而，它们的效率受到宽带隙钙钛矿子电池的开路电压损失和非理想互连层的限制。香港大学Aleksandra B. Djurišić，南方科技大学Zhubing He以及新加坡国立大学Yi Hou等人报告了一种创纪录效率的单片钙钛矿/有机串联太阳能电池。1）研究人员采用苄基膦酸钝化氧化镍空穴传输层抑制界面复合，在 1.79-eV 带隙钙钛矿子电池中将电压提高到 1.26 V。2）随后，研究人员开发了一种基于4nm厚的溅射氧化铟锌层的优化互连层结构，该层插入BCP和氧化钼之间，在近红外区域具有增强的电性能和透射率。3）通过这些改进，研究人员在钙钛矿/有机串联太阳能电池中实现了23.60%（22.95% 认证）的创纪录效率。此外，串联器件在连续标准太阳光光照下最大功率点跟踪500小时后仍保持90%的初始效率。Chen, W., Zhu, Y., Xiu, J. et al. Monolithic perovskite/organic tandem solar cells with 23.6% efficiency enabled by reduced voltage losses and optimized interconnecting layer. Nat Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00966-8
2. Science Advances：强化还原催化解构法用于木质素制高性能聚合物
木质素，特别是工业木质素，是最有效和未得到充分利用的芳烃原料之一，因此，其化学催化升级策略对于可持续的生物经济至关重要。近日，特拉华大学Thomas H. Epps, III报道了提出了一种强化反应蒸馏-还原催化解构（RCD）（RD-RCD）工艺，用于常压下同时分离生物质、解构木质素和提取酚类产物。1）与传统的木质素优先分离/解构策略相比，RD-RCD工艺可以方便地放大和分离产品，减轻与高压还原催化分馏（RCF）/RCD相关的安全风险，并消除高耗能的氢气。此外，它还用甘油取代酒精溶剂，甘油是生产生物柴油的一种更环保、更便宜、含量更高的副产物。2）将RD-RCD生物油被功能化，加入到~80%的生物基树脂中，成功采用商用SLA 3D打印机对其进行打印，从而突出了这些木质素衍生混合物在高性能材料中的应用。用于生产PSA的TEA结果显示，与传统的RCD相比，RD-RCD为三种不同的工业木质素原料提供了有利的MSP，软木硫酸盐木质素减幅达60%。3）最后，研究人员介绍了一种简单、快速、廉价的热分解方法，用于筛选潜在的原料候选物。综上所述，这项工作展示了工业木质素作为一种廉价而丰富的资源来生产附加值化学品和材料的潜力，以及用于原料选择、强化解构、产品制造和经济评价的可扩展的升级途径。Robert M. O’Dea, et al, Ambient-pressure lignin valorization to high-performance polymers by intensified reductive catalytic deconstruction, Sci. Adv. 8, 2022DOI: 10.1126/sciadv.abj7523https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj7523
3. Nature Commun.：光催化三氟甲基脱氟烷基化
东京大学尚睿等报道在可见光照射条件中，邻膦酚酸盐是一种简单的光催化剂，能够活化三氟乙酰胺/三氟乙酸乙酯/三氟甲基杂环芳烃分子，生成二氟甲基衍生物。这种光催化剂能够与巯基氢原子转移催化剂配合，实现选择性去氟烷基化和氢化脱氟化。通过该反应，能够简单的合成含二氟甲基结构的羰基化合物/杂芳烃化合物。1）该反应体系中，邻位二苯基磷取代基能够有效的促进光生电子传输，在酚盐的氧化还原反应活性中起到关键作用。除了三氟甲基官能团，五氟乙基官能团同样能够进行选择性的脱氟烷基化反应。Liu, C., Shen, N. & Shang, R. Photocatalytic defluoroalkylation and hydrodefluorination of trifluoromethyls using o-phosphinophenolate. Nat Commun 13, 354 (2022).DOI: 10.1038/s41467-022-28007-2https://www.nature.com/articles/s41467-022-28007-2
4. JACS：一种用于低温丙烯燃烧性能超越铂的胶体铂−铜纳米合金催化剂
将环境有害排放物进行低温脱除对于减少碳氢燃料的有害影响起着至关重要的作用。目前，排放控制催化剂通常由大量稀有贵金属（如铂和钯）组成，这些金属成本昂贵，同时制取又破坏环境。通过将它们与非贵金属进行合金化在提高催化活性方面极有效，同时又优化了贵金属的使用。基于此，斯坦福大学Matteo Cargnello报道了开发了一种可调的种子介导的胶体合成方法，成功制备出组成可控的均匀的PtxCu100−x纳米晶。1）利用深入的结构表征技术，研究人员证明了在控制Pt/Cu比的同时，在单个纳米晶中成功地合金化了Pt和Cu。通过将这些精确合成的胶体纳米碳管沉积在高比表面积氧化铝上，成功开发了一系列催化剂，从而能够研究PtxCu100−x组成对其催化丙烯低温燃烧的影响。2）催化表征实验表明，一些PtxCu100−x合金（Pt86Cu14和Pt69Cu31）的周转频率相比于单金属Pt，提高10倍以上，与其各自的金属催化剂相比具有明显的协同效应。3）反应级数测定表明，在中等Pt/Cu比的催化剂上丙烯键合较强，这可能归因于合金化的电子影响。研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算证实了这一发现，揭示了合金化Pt和Cu如何实现Cu保持类Pt状态，同时提高碳和氧结合能接近最佳值。综上所述，本研究为合成可调、均匀的双金属纳米晶和探索合金催化剂的结构-性能关系提供了基础，为减少贵金属在排放控制催化剂中的使用提供了可能。Nadia Tahsini, et al, Colloidal Platinum−Copper Nanocrystal Alloy Catalysts Surpass Platinum in Low-Temperature Propene Combustion, J. Am. Chem. Soc., 2022DOI: 10.1021/jacs.1c10248https://doi.org/10.1021/jacs.1c10248
5. Angew：一种具有宽工作温度范围（−70~100°C）的钠离子电池
钠离子电池（SIBs）作为电网规模储能系统的潜在候选者之一，需要应对极端天气条件。然而，具有宽工作温度范围的全天候SIBs却鲜有报道。基于此，复旦大学王永刚教授报道了开发了了一种宽温SIB，它由碳涂层的Na4Fe3(PO4)2P2O7（NFPP@C）正极、铋（Bi）负极和二甘醇基电解液构成。1）研究人员利用原位傅里叶变换红外衰减全反射(FTIR/ATR)光谱和原位/非原位X射线衍射(XRD)表征，成功地证明了Bi电极在乙醚基电解液（1 M NaPF6溶解于二甘醇）中的溶剂共插层过程及其相关的合金化反应。2）此外，对Na/Bi半电池的测试证实，Bi电极在二甘醇基电解液中表现出良好的低温行为。同时，NFPP@C正极材料由于其三维扩散通道保证了Na+即使在低温下也能快速转移。3）得益于二甘醇基电解液的低冰点(−71.2 °C)和高沸点(151.5 °C)，开发的Bi//NFPP@C电池可以在−70-100 °C的宽温度范围内正常工作。Zhi Li, et al, Sodium-ion Battery with a Wide Operation-Temperature Range from−70 to 100 °C, Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202116930https://doi.org/10.1002/anie.202116930
6. AM：发光钙钛矿超表面中的光学Rashba效应
Rashba效应，即在具有破坏的反转对称性的晶体的动量空间中分裂电子自旋极化带，使得自旋轨道电子器件的实现成为可能，其中自旋由自旋轨道耦合操纵。在光学中，光偏振的螺旋度代表自旋动量耦合的自旋自由度，光学Rashba效应表现为动量空间中具有相反手性的光学状态的分裂。以前对光学Rashba效应的实现依赖于无源器件确定表面等离子体激元或纳米结构内的光传播，或与发光介质混合时手性发光的定向发射。新加坡南洋理工大学Cesare Soci等人展示了一种以光学Rashba效应为基础的有源器件，其中单片卤化物钙钛矿超表面发出高度定向的手性光致发光。1）研究人员旋转制备了170 nm厚的甲基铅碘化铵 (MAPbI3) 钙钛矿薄膜，其中多晶畴是随机分布的。2）研究人员将具有破坏的面内反转对称性的全电介质超表面设计直接压印到高折射率发光钙钛矿薄膜中，在室温下产生60%的光致发光圆偏振度。Tian, J., Adamo, G., Liu, H., Klein, M., Han, S., Liu, H. and Soci, C. (2022), Optical Rashba effect in a light-emitting perovskite metasurface. Adv. Mater.. DOI：10.1002/adma.202109157https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109157
7. AM综述：融合生物传感和药物递送功能智能可穿戴医疗设备
浙江大学彭丽华副教授对融合生物传感和药物递送功能智能可穿戴医疗设备相关研究进行了综述。1）精准医疗的主要作用是进行实时检查，按需用药和医疗仪器的循环持续使用。然而，目前大多数的治疗系统都是单独执行这些过程，因此会导致治疗中断和病人的恢复效果受限。个性化医疗和智能医疗极大地推动了生物传感和给药集成系统的研究和开发。其中，智能可穿戴医疗设备(IWMDs)因其具有非侵入性和可定制性而受到越来越多研究者的关注。2）作者在综述了将生物传感与按需给药相结合的IWMDs的研究进展，并讨论了IWMDs目前面临的挑战和未来的发展方向。Minhong Tan. et al. Recent advances in intelligent wearable medical devices integrating biosensing and drug delivery. Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202108491https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108491
8. Nano Lett.：首个用于敏感、特异性检测c‑di-GMP的FRET基RNA适配体NanoKit
开发一种能够识别c-di-GMP的有效方法有助于探索其信号通路和细菌致病机制。南京大学宁兴海教授、孔德圣教授和重庆大学冯旭利研究员开发了首个具有独特核壳结构、共轭聚合物扩增的RNA适配体NanoKit，其结合了RNA适配体的高选择性和荧光共振能量转移(FRET)效应高灵敏度的优点，可用于对c-di-GMP进行精确检测。1）研究表明，NanoKit可以选择性检测c-di-GMP，其检出限为50 pM。此外，NanoKit可以根据不同的c-di-GMP表达模式以识别细菌的种类和生理状态，如浮游生物、生物被膜以及对抗生素的耐药性。2）实验结果表明，NanoKit可以区分细菌感染和炎症，并能够识别铜绿假单胞菌相关的肺炎和脓毒症，从而指导治疗选择和监测抗生素效果。综上所述，该NanoKit可为快速识别c-di-GMP及其相关疾病提供一种新的策略。Ya Gao. et al. The First FRET-Based RNA Aptamer NanoKit for Sensitively and Specifically Detecting c‑di-GMP. Nano Letters. 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03970https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c039709. ACS Catalysis：一种具有增强N−H相互作用的柔性超薄g-C3N4纳米片用于光催化选择氧化析氢光催化氧化5-羟甲基糠醛（HMF）合成2，5-二甲酰基呋喃(DFF)，同时析氢被认为是一种很有前途的方法。然而，探索一种活性稳定的光催化剂仍然是一项具有挑战性的工作。基于此，山东大学Baibiao Huang，Zeyan Wang报道了提出了柔性超薄石墨氮化碳（UCNT）可能是一种理想的候选材料。1）在可见光照射下，UCNT具有光催化活性，在可见光照射下，催化活性分别为95.0和92.0 μmol g−1 h−1。重要的是，UCNT还表现出高的DFF选择性(95%)和良好的循环稳定性。2）这种活性可能归因于HMF与UCNT之间有很强的特异性相互作用。固体核磁共振(NMR)和密度泛函理论(DFT)结果表明，HMF分子的扭曲结构可以与UCNT形成较强的相互作用，降低HMF氧化的脱氢能垒。此外，通过原位电子自旋共振（ESR）捕捉测试的机理研究表明·C6H4O3是HMF氧化过程中的关键自由基中间体。这项工作阐明了复杂生物质分子在柔性催化剂表面的相互作用，为生物质多相催化转化的进一步发展提供了思路。Xiaolei Bao, et al, Photocatalytic Selective Oxidation of HMF Coupled with H2 Evolution on Flexible Ultrathin g-C3N4 Nanosheets with Enhanced N−H Interaction, ACS Catal. 2022DOI：10.1021/acscatal.1c05357https://doi.org/10.1021/acscatal.1c0535710. ACS Nano：一种多孔Ti3C2Tx MXene膜用于高效盐度梯度能量收集利用海水和河水之间的盐度梯度，通过纳米孔膜提取渗透能是获取可再生和可持续能源的一种有效途径。尽管纳米孔基膜的最新进展重振了蓝色能源的应用前景，但其能量转换受到纳米膜问题，如高内阻或低选择性的严重阻碍。基于此，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef报道了通过重堆积纳米孔2D Ti3C2Tx MXene薄膜作为纳米流体平台来制备用于高性能渗透发电的可伸缩层状膜。1）研究人员通过简单的H2SO4基刻蚀特意将纳米孔引入到MXene薄膜中。使用温和的酸性氧化剂，即H2SO4，从无孔到多孔的转变既不会恶化Ti3C2Tx薄片的结晶度，也不会影响未刻蚀部分的表面功能性。2）采用这种方法，纳米孔MXene层状膜能够克服渗透性和选择性之间的权衡，表现出比原始膜更强的渗透性。而这种增强的渗透扩散是由形成的较低的离子渗透能垒支持的。此外，具有较高堆积密度的纳米孔Ti3C2Tx MXene膜在100 h的操作和模拟海浪条件下都表现出较长的稳定性。这种纳米多孔层状结构的性能表明，通过MXene基膜实现高效渗透能量转换是一条可行的途径。Seunghyun Hong, et al, Porous Ti3C2Tx MXene Membranes for Highly Efficient Salinity Gradient Energy Harvesting, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c08347https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08347
11. ACS Nano: 一类生物相容性染料-蛋白质复合光学纳米探针
分子有机染料是经典的荧光纳米探针，在生物和生命科学中有着巨大的应用。然而，它们具有亮度低、光稳定性差和缺乏用于生物结合的官能团的问题。于此，哈尔滨工业大学陈冠英等人描述了一类生物相容性染料-蛋白质光学纳米探针，它们显示出长期的光稳定性、超亮度和丰富的官能团。1）这些纳米探针利用去铁蛋白（一种用于铁储存和释放的细胞内蛋白质）包裹适当的分子有机染料，以在水溶液中产生按需荧光。去铁蛋白亚基的 pH 驱动解离-重建过程允许将亲水性（聚集引起淬灭，ACQ）或疏水性（聚集诱导增强，AIE）染料分子大量掺入蛋白质纳米腔（8 nm）中，产生单分散的染料-去铁蛋白纳米颗粒（apo-dye-NPs，~12 nm）。与单一染料单体相比，单一apo-dye-NPs 具有数百倍的摩尔消光系数和2个数量级的绝对发光量子产率（高达 45 倍），荧光亮度倍增高达 2778 倍。2）研究表明，改变掺入染料的类型需要精确控制可在 370-1300 nm 的宽光谱范围内调谐的纳米探针发射曲线。力学研究表明，纳米腔内表面多样化的微结构能够在合理的空间间隔内与 ACQ 染料一致，同时为 AIE 染料提供蛋白质引导的堆叠，从而通过限制分子间淬灭和分子内旋转来提高荧光量子产率。3）此外，在超高激光辐照度（1.3 × 106 W/cm2）下对 HepG2 癌细胞进行共聚焦成像时，apo-dye-NPs 能够发出稳定的荧光（超过 13 分钟）而不会猝灭。这些卓越的特性使它们适用于 48 小时内的长期超分辨率结构照明显微细胞成像（空间分辨率，117 nm），以及全身血管的近红外（NIR）荧光血管造影成像（空间分辨率，380μm）和体内肝脏的 NIR 光声成像。A Class of Biocompatible Dye–Protein Complex Optical Nanoprobes. ACS Nano 2021.https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06536
