钙钛矿最新Science，黄劲松、张先正、马丁等成果速递丨顶刊日报20220219
纳米人
2022-02-20
1. Science：24.3%, 湿热稳定的倒置钙钛矿太阳能电池
为了使具有高功率转换效率（PCE）的钙钛矿太阳能电池（PSC）成为商业化，它们必须实现长期稳定性，这通常以加速评估退化测试。PSCs 的持久障碍之一是成功通过湿热测试（85 oC和 85%相对湿度），这是验证商业稳定性的标准光伏（PV）模块。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf团队报道了一种可以实现湿热稳定的钙钛矿电池。1）通过调整二维钙钛矿碎片的维度n值来制造湿热稳定的钙钛矿太阳能电池，这些碎片在室温下由碘化油胺分子形成，在电子选择性接触处钝化钙钛矿表面。2）由此产生的倒置PSC提供了24.3% PCE，并在湿热测试条件下>1000小时后，保持超过95%的初始值，从而满足光伏组件的关键工业稳定性标准之一。Damp heat–stable perovskite solar cells with tailored-dimensionality 2D/3D heterojunctions，Science, 2022.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5784
2. Chem：类菲醌类部分功能化的碳用于电催化酸性析氧
开发廉价、高效、稳定的析氧反应（OER）电催化成为酸性电解液大规模制氢的瓶颈。而高效阳极材料的设计在很大程度上依赖于活性物种的准确识别。有鉴于此，天津大学张兵，史艳梅通过温和的电化学氧化(MEO)处理，将廉价的石墨片(GP)转化为菲醌(PQ)类功能化石墨（MEO-GP），并作为一种优良的酸性OER电催化剂。1）所制备的MEO-GP在电流密度为10 mA cm-2时，过电位仅为270 mV，小于其它含氧官能化石墨电催化剂的过电位。实验和密度泛函(DFT)结果都证实了类PQ结构在酸性OER反应中具有较高的活性。相比之下，无论是化学氧化还是强烈电化学氧化处理的GP，由于缺乏活性的类PQ基团而表现出较差的OER性能。这项工作不仅报道了一种在一定电位窗口下廉价、耐用的酸性水电解制氢阳极材料，而且为研究氧化条件下碳材料的活性物种提供了分子尺度的洞察力。此外，碳材料官能团的转化机理为碳材料作为电化学氧化体系中其他功能材料的载体提供了新的思路。Lu et al., Phenanthrenequinone-like moiety functionalized carbon for electrocatalytic acidic oxygen evolution, Chem (2022)DOI：10.1016/j.chempr.2022.01.016https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.01.016
3. Angew: 去除氧化镍中的杂质提升倒置钙钛电池的性能
应用氧化镍 (NiOx) 作为空穴传输层 (HTL) 的倒置钙钛矿太阳能电池的性能增强受到杂质离子（如硝酸根离子）的限制。西北工大学李炫华等人提出了一种通过离子液体辅助合成法 (NiOx-IL) 获得高质量NiOx纳米颗粒的策略。 1）实验和理论结果表明，离子液体的阳离子可以通过强氢键和低吸附能抑制杂质离子在氢氧化镍上的吸附，从而获得具有高电导率和强空穴提取能力的NiOx-IL HTL。 2）重要的是，杂质离子的去除可以有效抑制NiOx薄膜与钙钛矿薄膜之间的氧化还原反应，从而减缓器件性能的恶化。3）因此，改进后的倒置器件显示出超过22.62%的效率，并且在一次太阳光照下1000 小时的最大功率点跟踪效率保持92%的出色稳定性。Wang, S., Li, Y., Yang, J., Wang, T., Yang, B., Cao, Q., Pu, X., Etgar, L., Han, J., Zhao, J., Li, X. and Hagfeldt, A. (2022), Critical Role of Removing Impurities in Nickel Oxide on High-Efficiency and Long-Term Stability of Inverted Perovskite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed.. DOI：10.1002/anie.202116534https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202116534
4. AM：Ba2+离子在 Sn-Pb钙钛矿中的梯度掺杂用于高效的单结和串联太阳能电池
窄带隙锡铅 (NBG Sn-Pb) 钙钛矿通常具有高密度的无意 p 型自掺杂，这会降低电荷载流子的寿命、扩散长度和器件效率。美国北卡罗来纳大学黄劲松团队展示了由 Ba2+梯度掺杂导致的 Sn-Pb钙钛矿上的p-n同质结。0.1 mol% Ba2+可以有效地补偿Sn-Pb钙钛矿的p型掺杂，甚至在不改变其带隙的情况下将其转变为 n 型。1）研究发现，Ba2+阳离子停留在间隙位点并作为浅电子供体起作用。此外，Ba2+阳离子在钙钛矿薄膜中表现出独特的不均匀分布。2) 大部分Ba2+阳离子停留在钙钛矿薄膜的顶部 600 nm区域，将其转变为弱 n 型，而薄膜的底部则保持为 p 型。3) 从钙钛矿薄膜的顶部到底部的梯度掺杂形成了同质结，具有促进光生载流子提取的内置场，从而增加了载流子提取长度。该策略将Sn-Pb钙钛矿单结太阳能电池的效率提高到21.0%以上，并将单片钙钛矿-钙钛矿串联太阳能电池的效率提高到25.3%和24.1%，活性区域分别为 5.9 mm2和0.94 cm2。Yu, Z., Chen, X., Harvey, S.P., Ni, Z., Chen, B., Chen, S., Yao, C., Xun, X., Xu, S., Yang, G., Yan, Y., Berry, J.J., Beard, M.C. and Huang, J. (2022), Gradient Doping in Sn-Pb Perovskites by Barium Ions for Efficient Single-junction and Tandem Solar Cells. Adv. Mater..DOI：10.1002/adma.202110351https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110351
5. AM：脑膜炎奈瑟菌Opca蛋白/MnO2纳米颗粒可克服血脑屏障以治疗胶质母细胞瘤
胶质母细胞瘤治疗所面临的主要障碍是药物难以穿越血脑屏障(BBB)。研究表明，脑膜炎奈瑟菌能够在一种名为Opca的外膜入侵蛋白的引导下以在中枢神经系统中特异性地富集。基于此，四川大学徐建国教授、武汉大学张先正教授和程翰博士通过将化疗药物甲氨蝶呤(MTX)负载到表面修饰有脑膜炎奈瑟菌Opca蛋白的二氧化锰(MnO2)中空纳米颗粒中而构建了一种仿生纳米治疗系统(MTX@MnO2-Opca)，并将其用于穿越血脑屏障和药物递送。1）Opca蛋白的存在使得该药物递送系统能够穿过血脑屏障并渗透到肿瘤组织中。在胶质母细胞瘤中积累后，该纳米治疗系统能够催化分解肿瘤组织中H2O2以产生O2，缓解肿瘤乏氧，进而增强化疗对于胶质母细胞瘤的治疗效果。2）综上所述，这种仿生纳米治疗系统在治疗胶质母细胞瘤方面具有巨大的应用潜力Cheng-Yuan Dong. et al. Neisseria meningitidis Opca Protein/MnO2 Hybrid Nanoparticles for Overcoming the Blood–Brain Barrier to Treat Glioblastoma. Advance Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202109213https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109213
6. AM：蛋白质衍生的超分子治疗策略以用于多模态成像指导的光动力和光热免疫治疗
能够在体内进行诊断和治疗的诊疗系统是一种能够满足精准医学需求重要工具。然而，大多数的诊疗系统仍然会受限于复杂的分子设计和合成、潜在的毒性和光活性变化等问题。梨花女子大学Juyoung Yoon设计了一种涉及生物标志物蛋白激活(BPA)和主体-客体策略的新型超分子诊疗策略。1）为了证明BPA，实验利用纳米级的无重原子BODIPY染料衍生物(B4 NPs)构建了一种多功能纳米诊疗试剂，以用于白蛋白检测和癌症治疗。在纳米粒子状态下，BODIPY染料的荧光和光活性会下因聚集诱导的自猝灭而被完全抑制。2）实验通过Balb/c裸鼠模型证实，在注射的B4 NPs解组装后，BODIPY会在体内特异性结合白蛋白，使其生物相容性和光热转换效率显著提高。研究表明，这种由超分子主体-客体和BPA等策略所合成的纳米平台能够实现高效的光动力和光热免疫治疗。Hong-Bo Cheng. et al. A Facile, Protein-Derived Supramolecular Theranostic Strategy for Multimodal-Imaging-Guided Photodynamic and Photothermal Immunotherapy In Vivo. Advance Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202109111https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109111
7. AM：小胶质细胞TRPV1通道的受控激活以促进其自噬和增强帕金森病的治疗
帕金森病(PD)的特征之一是路易小体的积累，其主要成分是纤维状的α-突触核蛋白(α-syn)。苏州大学李桢教授利用合理设计的光热纳米剂，通过控制打开小胶质细胞表面TRPV1通道以增强小胶质细胞的自噬和降解α-syn，从而提高对PD的治疗效果。1）实验制备了Cu2-xSe-anti-TRPV1纳米粒子(CS-AT NPs)，其能够靶向小胶质细胞，并可在近红外II区(NIR-II)激光照射下打开其表面TRPV1通道，引起Ca2+内流以激活ATG5和Ca2+/CaMKK2/AMPK/mTOR信号通路，促进α-syn的吞噬和降解。此外，CS-AT NPs也能够通过聚焦超声以有效地递送到高表达TRPV1受体的PD小鼠纹状体中。2）研究表明，经CS-AT NPs和NIR-II照射治疗后的PD小鼠的运动能力会明显提高，这可归因于自噬增强的小胶质细胞对α-syn的吞噬清除作用。与此同时，治疗后的PD小鼠的酶酪氨酸羟化酶、离子钙结合接合蛋白1、胶质纤维酸性蛋白和pSer129-α-syn (p-α-syn)也基本恢复到正常水平。综上所述，该研究证明了通过靶向表面离子通道激活小胶质细胞的自噬能够改善对PD等神经退行性疾病的治疗效果。Jiaxin Yuan. et al. Controlled Activation of TRPV1 Channels on Microglia to Boost Their Autophagy for Clearance of Alpha-Synuclein and Enhance Therapy of Parkinson’s Disease. Advance Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202108435https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108435
8. Nano Letters：垂直Cu纳米针阵列增强局部电场以促进CO2电还原制C2碳氢化合物
电催化CO2还原（CO2RR）制多碳产品是解决能源危机、实现碳中性的一种极有前景的途径。目前，为了提高铜基催化剂多碳产品的效率，一般需要优化CO吸附和降低C−C偶联能垒。基于此，中南大学蒋良兴教授，Min Liu，慕尼黑大学Emiliano Cortés比较了有序铜纳米针阵列(CuNNAs)和无序(随机排列) CuNNAs用于电催化CO2RR生成C2产物的效率和选择性。1）研究人员首先对有序CuNNAs和无序纳米针结构（CuNNs）的电场分布进行了有限元模拟。取向均匀的纳米针阵列可以极大地增强纳米针尖端的局部电场，有利于K+的吸附和聚集。2）密度泛函理论（DFT）计算表明，在较高的电场和K+的作用下，*CO在Cu活性中心的吸附较强，从而降低了C−C偶联的能垒。进一步的结构分析表明，由于纳米针体表面的CO2和电子浓度较低，垂直纳米针阵列排列抑制了HER副反应。3）CO2RR性能测试表明，与无序随机排列的CuNNAs相比，有序CuNNAs具有更高的C2选择性和更低的H2选择性。这项工作为纳米针结构诱导的针尖局部电场的进一步CO2RR应用提供了新的视角。Yajiao Zhou, et al, Vertical Cu Nanoneedle Arrays Enhance the Local Electric Field Promoting C2 Hydrocarbons in the CO2 Electroreduction, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04653https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04653
9. ACS Catal.综述：将N2固定在增值有机化学品中
固氮是化学和化学工业的中心课题之一。开发高效的转化途径将空气中的氮气（N2）直接转化为高附加值的有机化学品，可以缩短含氮化合物的合成过程，避免潜在的污染，有望成为未来工业固氮的重要补充。基于此，北京大学马丁教授，复旦大学Zhang-Jie Shi，浙江大学姚思宇研究员在N元素流和增值链的基础上，确定了通过直接固氮获取增值含氮有机化学品的潜在目标化合物。1）作者系统分析了温和条件下固氮面临的主要挑战。然后从有机金属合成和多相电催化和光催化两个方面重点介绍了在激活N2三键和进一步形成特定的N−C键以构建目标产物方面的新策略。2）作者指出，虽然大多数情况下，固氮还处于起步阶段，在性能和经济效益方面都面临着巨大的挑战，但这些新的转化途径的进一步开发必将促进均相和多相催化界的研究人员探索一种更有效地将N2固定为增值有机化合物的方法。Jing-He Yang, et al, Fixation of N2 into Value-Added Organic Chemicals, ACS Catal. 2022DOI: 10.1021/acscatal.1c04435https://doi.org/10.1021/acscatal.1c04435
10. ACS Nano：3D打印氧化石墨烯软机器人
氧化石墨烯（GO）表面附着着丰富的含氧官能团，易于在水中加工，在水净化、储能、纳米复合材料等方面具有广阔的应用前景。GO凝胶的干燥或除水过程凝胶的干燥或脱水过程通常是不断演变的，这在很大程度上决定了GO纳米片的最终微观结构和形貌以及GO基凝胶的宏观结构。近日，哈尔滨工业大学Zhi-Hua Yang，Jing Zhong提出了一种通用的三维（3D）打印策略，通过直接墨水写入和约束干燥相结合的方式打印具有高度排列和致密致密的氧化GO复杂结构。1）这些约束不仅允许在纳米尺度上产生巨大的毛细作用力，伴随着水的蒸发，导致GO的高度致密性和取向，而且还限制了挤出细丝仅沿壁厚方向的收缩，从而成功地保持了宏观尺度上的结构均匀性。2）研究发现，在干燥过程中，收缩应力逐渐增大，最大值超过∼0.74 MPa，明显高于其他胶体体系。有趣的是，由于具有不同约束方向的板之间的收敛，在拐角处自然形成了沿厚度方向的孔隙度梯度。这使得研究人员通过3D打印获得基于湿敏GO软机器人。Guo-Xiang Zhou, et al, 3D Printing Graphene Oxide Soft Robotics, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c06823https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06823
11. ACS Nano：多孔氮化硼纳米纤维锚定的Cu单原子用于促进硝基芳烃的选择性还原
单原子催化剂（SACs）因其独特的金属原子效率和独特的催化机理而受到人们的广泛关注。近日，香港城市大学Chun-Sing Lee，Zhifeng Jiang采用简单的煅烧方法制备了一种高性能的单Cu原子修饰的氮化硼纳米纤维电催化剂（BNNF-Cu）。1）实验结果显示，无论有无光激发，所制备的催化剂对不同硝基化合物转化为相应的胺均表现出较高的催化活性和良好的稳定性。2）通过同步辐射分析、高分辨率大角度环形暗场透射电子显微镜和密度泛函理论（DFT）计算相结合的研究，研究人员深入揭示了分散的Cu原子、配位及其催化机理。3）与以前报道的非贵金属催化剂相比，BNNF-Cu催化剂具有创纪录的高周转频率。此外，尽管BNNF-Cu催化剂的性能在最先进的贵金属基催化剂中只处于中等水平，但由于BNNF-Cu催化剂的成本要低得多，其成本效率是这些催化剂中最高的。本工作为SACs的发展提供了一种可供选择的载体材料。Jianli Liang, et al, Anchoring Copper Single Atoms on Porous Boron Nitride Nanofiber to Boost Selective Reduction of Nitroaromatics, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c10003https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10003
12. ACS Nano：柔性木质基摩擦电自供电智能家居系统
随着物联网、人工智能和大数据的快速发展，智能家居在人类生活和智慧城市中发挥着至关重要的作用，需要大量的分布式传感器。基于此，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的Xia Cao研究人员报道了一种有效而简单的方法来制备具有优异机械和摩擦电学性能的木质薄膜，从而实现了柔性、轻便、低成本和灵敏的木质摩擦电自供电传感器（WTSS）。WTSS在低工作频率下具有稳定的电性能，具有超灵敏的运动传感能力，适合大规模传感器网络的构建。1）由于经过处理的木材具有优异的性能，WTSS可以与各种家庭设施高度集成，这些设施通常是由木材材料制成的，用于构建智能家居系统。2）在此基础上，利用其高灵敏度，采用简单的信号处理电路，研究人员开发了一种自供电的智能家居控制系统。同时，为了身份识别和家庭安全，构建了一个自动供电的智能门锁系统。此外，还介绍了一种能够实现步态识别和健康监测的自供电智能楼层监控系统。这项工作拓展了自供电木质电子产品在智能家居中的应用领域，或将极大提高家居生活的有效性、便捷性和安全性。Xue Shi, et al, Flexible Wood-Based Triboelectric Self-Powered Smart Home System, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c11587https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11587
