华东师范Science，西安交大Science Advances丨顶刊日报20220129
纳米人
2022-01-30
1. Science: 通过表面硫化构建高效倒置钙钛矿太阳能电池的异质结
具有高功率转换效率 (PCE) 和稳定性的钙钛矿太阳能电池 (PSC) 已在常规nip器件中得到报道，但更易于在串联太阳能电池中使用的倒置PSC通常具有较低的 PCE (22%至23%) 。华东师范大学物理与电子科学学院方俊锋团队采用六甲基二硅硫烷将钙钛矿薄膜表面硫化成PbS富铅层，为倒置太阳能电池构建了稳定的钙钛矿异质结。 1）形成的铅硫 (Pb-S) 键提高了钙钛矿界面处的费米能级，并为电子提取产生了额外的背面场。 2）由此产生的倒置器件表现出>24%的功率转换效率 (PCE)，具有1.19 V的高开路电压，对应于0.36 V的低电压损失。 3）强Pb-S键可以稳定钙钛矿异质结并加强具有相似晶格的潜在钙钛矿结构。具有表面硫化的器件在85°C老化2200 小时或在55°±5°C连续照明下在最大功率点运行1000小时后保留超过90%的初始PCE。
XIAODONG LI, et al. Constructing heterojunctions by surface sulfidation for efficient inverted perovskite solar cells, SCIENCE, 2022 DOI: 10.1126/science.abl5676https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl5676
2. Sci. Adv.：低维钙钛矿化合物实现高效稳定钙钛矿太阳能电池
晶格组装过程中的吸收剂是导致非辐射复合和材料降解的主要原因，这严重影响钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率和稳定性。西安交通大学吴朝新，Hua Dong, Jingrui Li和香港城市大学任广禹等人通过用低维（LD）类钙钛矿覆盖光敏层，证明了PSC性能的显著提高。1）三维 (3D) 钙钛矿表面的配位不足的Pb离子和金属Pb通过来自有利晶格匹配的 3D/LD 界面的Pb-I 键合有效地钝化。 2）LD（0D 和 1D）类钙钛矿具有良好的稳定性和疏水性，可以在恶劣的环境条件下对3D有源层提供出色的保护。PSC 的功率转换效率为24.18%，在经过认证的独立光伏测试实验室中测试的。研究人员还制造了一个有效面积为1 cm2的3D/0D器件，PCE为22.94%。3）在最大功率点工作条件下连续照明800小时后，未封装的器件可保持90%的初始效率。此外，还可以制造具有 21.76%高PCE的基于3D/0D的柔性设备，以证明这种新方法对不同形式设备的普遍适用性。JINBO CHEN, et al. Highly efficient and stable perovskite solar cells enabled by low-dimensional perovskitoids, Sci. Adv., 2022https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abk2722
3. Angew：异质结构PdPdSe纳米片中的异常p-d杂化相互作用促进乙二醇电氧化的C-C键断裂
用于直接乙二醇(EG)燃料电池中乙二醇(EG)完全氧化的高性能电催化剂因具有较高的能量效率而备受青睐。近日，河南农业大学Yuchen Qin，Cuilian Xu，天津大学Zhicheng Zhang报道了采用一步法制备了Pd-PdSe异质结构纳米片（Pd-PdSe HNSs）。1）研究发现，这些Pd-PdSe HNSs具有独特的电子结构和几何结构，其中非常规的p-d杂化相互作用和拉伸应变效应共存。2）与工业Pd/C和Pd NSs催化剂相比，Pd-PdSe HNSs对乙二醇氧化反应（EGOR）的比(质量)活性分别提高5.5（6.6）和2.5（2.6）倍。特别是Pd-PdSe HNSs的最佳C1路径选择性达到44.3%，从而突出了Pd-PdSe HNSs优异的C-C键断裂能力。3）电化学原位FTIR光谱和理论计算表明，特殊的p-d杂化作用和拉伸应变效应能有效地降低C-C键断裂活化能，加速CO*氧化，促进EG的完全氧化，提高催化剂的催化性能。Yuchen Qin, et al, Extraordinary p-d Hybridization Interaction in Heterostructural Pd-PdSe Nanosheets Boosts C–C Bond Cleavage of Ethylene Glycol Electrooxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202200899https://doi.org/10.1002/anie.202200899
4. Angew：一条简便且前所未有的获得耐热甲醛衍生聚酯库的途径实现环缩醛和酸酐的高活性和选择性共聚
开发生产聚酯的新策略可以扩大可生物降解材料的种类。有鉴于此，浙江大学的张兴宏等研究人员，开发一条简便且前所未有的获得耐热甲醛衍生聚酯库的途径，实现环缩醛和酸酐的高活性和选择性共聚。1）研究人员首次公开了环缩醛（由甲醛和二醇制成）和酸酐的交替共聚，使用5个环缩醛和9个酸酐得到45种前所未有的聚酯。2）在较宽的反应温度范围内（25至140 ℃），各种无金属Lewis/Brnsted酸作为高活性催化剂通过阳离子机理进行这些共聚。3）动力学研究表明，环缩醛和酸酐的共聚将“环缩醛-聚缩醛”的化学平衡向左移动，从而生成交替度大于99%的聚酯。4）所得聚酯具有高氧含量（[O]：[C]高达6:7）、分子量2.0-33.3 kDa、窄多分散性1.2-1.5、低玻璃化转变温度（-64至-27 ℃）以及高分解温度（275至324 ℃）。Xun Zhang, et al. A Facile and Unprecedented Route to a Library of Thermostable Formaldehyde-derived Polyesters: Highly Active and Selective Copolymerization of Cyclic Acetals and Anhydrides. Angewandte Chemie, 2022.DOI：10.1002/anie.202117316https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202117316
5. Angew：光酶法还原CO2的烯烃键合共价有机框架工程
在全球能源和环境危机的背景下，开发新的二氧化碳减排和转化技术具有深远的意义。有鉴于此，南开大学的陈瑶等研究人员，开发了光酶法还原CO2的烯烃键合共价有机框架工程。1）研究人员构建了一种新型的二氧化碳还原人工光酶系统，使用合理设计的介孔烯烃连接共价有机框架（COF）作为多孔固体载体，用于共固定甲酸脱氢酶（FDH）和Rh基电子介体。2）通过调节Rh电子介体的掺入量，有利于从NAD+中再生烟酰胺辅因子（NADH），表观量子产率可高达9.17±0.44%，超过了所有报道的由晶体框架材料构建的NADH再生光催化剂。3）最后，组装的光触媒-酶耦合系统可以选择性地将CO2转化为甲酸，效率高，重复使用性好。本文研究展示了第一个使用COFs固定酶的例子，用于利用太阳能生产增值化学品的人工光合作用系统。Zhengfeng Zhao, et al. Engineering Olefin-Linked Covalent Organic Frameworks for Photoenzymatic Reduction of CO2. Angewandte Chemie, 2022.DOI：10.1002/anie.202200261https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202200261
6. AM：通过斜射角沉积生长的高度各向异性有机金属卤化物钙钛矿纳米壁
偏振器是当前光电设备（如显示器或照相机）中无处不在的组件。然而，对光偏振的控制是一个未解决的挑战，因为现有显示技术的主要缺点在于显著的光学损耗。在这种情况下，有机金属卤化物钙钛矿（OMHP）可以发挥决定性作用，因为它们具有灵活的合成方法，具有可调节的带隙和光致发光等设计光学特性，以及具有低非辐射复合率的优异发光。因此，除了其出色的电性能外，混合钙钛矿已成为光伏和光电子学的首选材料。在不同的 OMHP 纳米结构中，纳米线和纳米棒最近已成为控制照明或检测器应用的光偏振的关键参与者。塞维利亚材料科学研究所Ángel Barranco和Juan Ramon Sanchez-Valencia等人展示了通过掠角沉积制备高度对齐和各向异性的甲基铵碘化铅钙钛矿纳米壁，与大多数基板兼容。1）它们的高取向度为样品提供了光吸收和光致发光等各向异性光学特性。2）此外，它们在光伏器件中的实现为它们提供了偏振敏感响应。3）基于真空的简便方法，开发了一代偏振敏感钙钛矿基光电器件（如照明器具或自供电光电探测器）。Castillo-Seoane, J., et al, Highly Anisotropic Organometal Halide Perovskite Nanowalls Grown By Glancing Angle Deposition. Adv. Mater..DOI：10.1002/adma.202107739https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107739
7. AM：卤化物钙钛矿中非谐性的不同表现
铅基卤化物钙钛矿 (PbHaP) 晶体被证明具有强烈的非谐结构动力学。这种行为很重要，因为它可能是它们卓越的光伏特性的起源。最近研究了双钙钛矿Cs2AgBiBr6作为光电子应用的无铅替代品。然而，它没有表现出PbHaPs的优异光伏活性。因此，为了探索PbHaPs中非谐波结构动力学和光电特性之间的相关性，魏茨曼科学研究院Omer Yaffe等人研究了Cs2AgBiBr6 的结构动力学并将其与铅基模拟CsPbBr3进行比较。1）研究人员使用与温度相关的拉曼测量，我们发现这两种材料确实是强非谐波的。尽管如此，它们的非谐行为的表达明显不同。 2）Cs2AgBiBr6在整个测量温度范围内具有明确定义的正常模式，而CsPbBr3在200 K以上显示正常模式图片的完全分解。3）研究人员认为正常模式图片的分解意味着平均晶体结构可能不是正确的开始点了解晶体的电子特性。除了主要发现之外，我研究人员还发现了一个未报告的Cs2AgBiBr6相，低于 ∼37 K。Cohen, A., et al, Diverging Expressions of Anharmonicity in Halide Perovskites. Adv. Mater.. DOI：10.1002/adma.202107932https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107932
8. AM：超支化聚(β-氨基酯)可作为强效通用的胞质蛋白递送平台
胞质蛋白递送是基于蛋白的生物技术和实现细胞内靶点治疗的前提。能够与蛋白质复合形成纳米组装体的聚合物是最重要的一类材料，其具有制备简易，蛋白质负载效率高，不需要纯化和能够维持蛋白质生物活性等优点。稳定的蛋白包封和高效的细胞内释放是胞质递送的两个关键却相反的过程，而目前能够解决这一矛盾冲突的聚合物还很少。有鉴于此，苏州大学殷黎晨教授构建了主链嵌入苯硼酸(PBA)的超支化聚β-氨基酯(HPAE)，其中PBA可通过氮-硼 (N-B)配位作用增强对蛋白的包封效率，并能在被肿瘤细胞内的H2O2氧化后引发聚合物降解和蛋白释放。1）实验通过优化分支度、电荷密度和PBA分布而构建了具有最佳性能的A2-B3-C2-S2-P2。其能够有效地将多种具有不同分子量(1.6-430 kDa)和等电点(4.1-10.3)的蛋白质/多肽递送到癌细胞中,包括酶、毒素、抗体和CRISPR-Cas9核糖核蛋白(RNPs)等。2）实验结果表明，A2-B3-C2-S2-P2能够在体内外介导实现有效的皂草素胞质递送。从而产生显著的抗肿瘤作用。综上所述，该研究所开发的胞质蛋白递送平台能够为蛋白质药物的发展提供新的推动力。Xun Liu. et al. Tailoring Hyperbranched Poly(β-amino ester) as a Robust and Universal Platform for Cytosolic Protein Delivery. Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202108116https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108116
9. AEM：非晶态磷化钴上卤素掺杂的碳点作为强电催化剂用于整体水分解
设计稳定高效的析氢析氧双功能催化剂(HER/OER)对发展水分解制氢具有重要意义。近日，郑州大学卢思宇教授报道了一种新型的卤素(X=F，Cl，Br)掺杂碳点修饰的非晶态磷化钴（X-CDs/CoP），这种碳点可以通过选择X-CDs来调节，使其具有海胆、白皮松和合欢树等类型的结构。1）研究发现，不同X-CDs的不同特性导致了不同的形成机制和最终结构。2）海胆状F-CDs/CoP晶体作为双功能催化剂具有优异的电催化性能，在碱性溶液中表现出优异的HER/OER活性和持续稳定性。对于整体水分解，在1M KOH中，实现10 mA cm−2的电流密度，仅需要1.48 V的低电池电压。此外，100 h后催化剂的降解性能可以忽略不计，表现出良好的长期循环稳定性。3）密度泛函理论（DFT）计算表明，F-CDs/CoP催化剂电催化性能的提高是由于CoP与F-CDs之间的偶联界面优化了氢/氧吸附能，加速了水的裂解动力学。这项研究为合理设计性能优异的过渡金属磷化物电催化剂提供了指导。Haoqiang Song, et al, Halogen-Doped Carbon Dots on Amorphous Cobalt Phosphide as Robust Electrocatalysts for Overall Water Splitting, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202102573https://doi.org/10.1002/aenm.202102573
10. AEM：钴掺杂稳定的具有活性和耐久的亚2 nm铂纳米团簇用于具有低Pt负载量的PEMFC阴极
随着铂（Pt）负载量的降低，质子交换膜燃料电池（PEMFC）在高电流密度（HCD）区性能损失严重。较小的电催化剂粒径来实现较高的电化学活性表面积（ECSA）是解决这一问题的关键。然而，亚2 nm纳米团簇较差的电催化活性和稳定性限制了其尺寸缩小的潜力。基于此，华北电力大学Jianguo Liu，南京大学Jia Li报道了采用一种高效、可扩展的微波辅助多元醇还原法成功地合成了小于2 nm的Co掺杂Pt纳米团簇。1）与未掺杂的Pt和商品Pt相比，Co掺Pt纳米团簇的ECSA明显提高。此外，Co掺杂的Pt纳米团簇表现出前所未有的亚2 nm纳米团簇的MA和耐久性。这种纳米团簇掺杂策略在稳定和活化小尺寸电催化剂方面的通用性被其他3D过渡金属（Fe，Ni）掺杂所证实。2）结构和成分表征以及密度泛函理论（DFT）计算表明，掺杂降低了纳米团簇的总能量，实现了尺寸控制。掺杂剂使d带中心下移，优化了含氧中间体的结合能。从而提高了纳米团簇的活性。此外，掺杂还增大了空位形成能，提高了材料的耐久性。3）Co掺杂的Pt纳米团簇在整个电流密度范围内表现优于商用Pt，与最近发表的论文中的先进铂基催化剂相当。在H2-Air PEMFC测试中，由于Pt负载量减少而造成的HCD性能损失显著降低。此外，经过30 K循环方波加速耐久试验(ADT)，掺杂Co的Pt/C比商用Pt/C更稳定。由于过渡金属掺杂策略成功地解决了铂纳米团簇的活性和稳定性问题，因此这项工作对于促进低铂负载量质子交换膜燃料电池中铂纳米团簇的研究具有重要意义。Xiao Duan, et al, Cobalt-Doping Stabilized Active and Durable Sub-2 nm Pt Nanoclusters for Low-Pt-Loading PEMFC Cathode, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202103144https://doi.org/10.1002/aenm.202103144
11. AEM：Ge提高无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池性能
针对稳定的CsPbI3钙钛矿太阳能电池，Ge首次整合到基于DMAPbI3的前驱体系统中。中科院物理所Lin Gu和Dongmei Li等人发现Ge掺入能够改变CsPb1-xGexI3薄膜的结晶生长，并通过降低CsPbI3形成能来降低退火温度和处理时间。1）研究人员实现了19.52%的冠军功率转换效率 (PCE)，认证的PCE为18.8%，这是外来元素掺杂CsPbI3 PSC的最高性能。2）此外，GeO2的原位形成可以钝化晶界和表面缺陷，从而显著提高钙钛矿薄膜及相关器件的耐湿性。在连续的白色 LED (6500 K) 照明和氮气气氛下，在0.85 V的固定偏压下，实现了出色的操作稳定性，超过3000小时PCE没有退化。这项工作表明，3）通过同时提高钙钛矿结晶度和钝化晶界和界面缺陷，Ge掺入是稳定CsPbI3钙钛矿太阳能电池的一种有前途的方法。Meng, F., et al, Ge Incorporation to Stabilize Efficient Inorganic CsPbI3 Perovskite Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2022, 2103690. https://doi.org/10.1002/aenm.202103690
12. ACS Nano：一种面向高性能电化学电容器的电化学腐蚀法制备无氟Ti3C2Tx的简化方法
MXenes在电化学储能和其他方面的应用已经得到了广泛的研究。然而，在传统的MXenes合成方法中，使用了涉及高毒性HF或类似物的耗时的多步骤步骤。此外，−F端基不可避免地存在于这些MXenes中，不利于超级电容器和电池的性能。基于此，佐治亚理工学院Chingping Wong，井冈山大学Bo Liu，南京林业大学Jizhang Chen报道了开发了一种无氟电化学刻蚀方法来合成Ti3C2Tx，刻蚀效率高达92.2%。1）特别值得一提的是，声化法可以在不使用任何有害的有机插入剂的情况下制备d-Ti3C2Tx薄片，比以前报道的所有电化学蚀刻方法都要简单和省时得多。所得EE-Ti3C2Tx不含F元素，含有−Cl末端官能团，横向尺寸为∼3.8 μm，∼厚度为3.9 nm，比HF-Ti3C2Tx更稳定。2）此外，采用真空过滤法制备了EE-Ti3C2Tx薄膜，该薄膜具有良好的力学性能（强度为20.52 MPa，模量为13.4 GPa）和较大的电导率（1663 S cm−1）。用于超级电容器时，EE-Ti3C2Tx薄膜可提供出色的比电容（323.7 F g−1、1.39 F cm−2和1160 F cm−3），在已报道的性能最好的MXenes中名列前茅。此外，将Ee-Ti3C2Tx薄膜用于组装柔性准固态ZHC器件，实现了20.8 mWh cm−3和249.9μWh cm−2的高能量密度。Jizhang Chen, et al, Simplified Synthesis of Fluoride-Free Ti3C2Tx via Electrochemical Etching toward High-Performance Electrochemical Capacitors, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c09004https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09004
