5篇Science Advances速递丨顶刊日报20221212
纳米人
2022-12-14
1. Chem. Soc. Rev.：导电水凝胶的最新进展：分类、性质和应用
用于智能穿戴设备的水凝胶基导电材料由于其优异的柔韧性、多功能性和优异的生物相容性而受到越来越多的关注。今日，福州大学赖跃坤、黄剑莹、新加坡国立大学Lin Zhiqun综述了电子器件用多功能导电水凝胶的最新进展。1) 首先，讨论了具有不同组分的导电水凝胶，包括基于导电聚合物的纯单网络水凝胶、具有额外导电添加剂的单网络水凝胶（即纳米颗粒、纳米线和纳米片）、基于导电聚合物和具有额外导电性添加剂的双网络水凝胶。2) 其次，详细介绍了具有多种功能的导电水凝胶，包括自愈合、超强韧性、自生长、粘合剂、抗溶胀、抗菌、结构颜色、疏水性、防冻性、形状记忆和外部刺激响应性。还说明了水凝胶在柔性设备（即应变传感器、超级电容器、触摸面板、纳米发电机、生物电子设备和机器人）中的应用。最后总结了当前水凝胶面临的挑战。Zhu Tianxue, et al, Recent advances in conductive hydrogels: classifications, properties, and applications. Chem. Soc. Rev. 2022https://doi.org/10.1039/D2CS00173J
2. Nature Materials：颗粒铝纳米结通量量子位
介观约瑟夫森结由重叠的超导电极组成，电极之间由一层纳米薄的氧化层隔开，为超导量子电路提供了宝贵的非线性来源。卡尔斯鲁厄理工学院I. M. Pop和D. Rieger等表明，在一个通量量子位中，约瑟夫逊结的作用也可以由光刻定义的自结构颗粒铝纳米结来发挥:在单层零角度蒸发中获得的超导体-绝缘体-超导体约瑟夫逊结。1）由此产生的量子位元(作者称之为重力子)的测量光谱，与标准的通量子无法区分。值得注意的是，缺少介观平行板电容器会导致本质上较大的颗粒铝纳米结充电能量在几十千兆赫的范围内，与其约瑟夫森能量相当。作者在微秒范围内测量相干时间，并且作者观察到约瑟夫森能量值在从毫秒到天的时间尺度上的自发跳跃。2）该工作为超导材料中的微观缺陷提供了强有力的诊断工具。Rieger, D., Günzler, S., Spiecker, M. et al. Granular aluminium nanojunction fluxonium qubit. Nat. Mater. (2022).DOI: 10.1038/s41563-022-01417-9https://doi.org/10.1038/s41563-022-01417-9
3. Sci. Adv.：通过光和电双重响应的基于多金属氧酸盐的金属有机框架揭示单个金属位点和簇在CO2还原中的作用
二氧化碳（CO2）的光还原或电还原为高价值产品提供了实现碳中和的有前途的策略。近日，南京师范大学兰亚乾教授通过金属卟啉[四(4-羧基苯基)-卟啉-M (M-TCPPs)]和还原性多金属氧酸盐构筑了一系列多金属氧酸盐金属有机框架(M-POMOFs)用于光催化和电催化CO2还原(分别为PCR和ECR)，揭示了单金属位点和簇在催化中的作用之间的奥秘。1）铁-POMOF显示出优异的选择性(97.2%)，在PCR中具有922微摩尔/克的高甲烷产量，以及在ECR中CO2转化为CO的优异法拉第效率(92.1%)。2）研究人员进一步阐明了潜在的机制。在辐照下，光生电子从铁-TCPP转移到POM团簇上生成甲烷，而在外加电场下，大量的电子流向铁-TCPP中心生成CO通过切换驱动力来控制单金属位点和簇催化之间的电子流方向，在铁-POMOF上产生特定的多电子产物。Qing Huang, et al, Demystifying the roles of single metal site and cluster in CO2 reduction via light and electric dual-responsive polyoxometalate-based metal-organic frameworks, Sci. Adv. 8, eadd5598 (2022)DOI: 10.1126/sciadv.add5598https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add5598
4. Sci. Adv.：室内光伏唤醒世界上第一批太阳能电池
硒(Se)太阳能电池是1883年报道的世界上第一个固态光伏电池，开启了现代光伏电池。然而，它的宽带隙(~1.9 eV)限制了太阳光的采集。近日，随着室内光伏（IPVs）的出现，中科院化学所薛丁江重温世界上最古老但长期被忽视的光伏材料；硒的吸收光谱与常用室内光源在400至700纳米范围内的发射光谱完全匹配。1）研究发现广泛使用的Te粘附层也钝化了非键合的Se/TiO2界面处的缺陷。通过将Te覆盖率从6.9%优化到70.4%，所得Se电池在1000勒克斯（lux）室内照明下表现出15.1%的效率，并且在没有封装的情况下连续室内照明1000小时后没有表现出效率损失，在效率和稳定性两方面都优于非晶硅电池的当前IPV工业标准。2）研究人员还制造了Se模块(6.75 cm2)，在室内照明下产生232.6 μW的输出功率，为基于射频识别的定位标签供电。Bin Yan, et al, Indoor photovoltaics awaken the world’s first solar cells, Sci. Adv. 8, eadc9923 (2022)DOI: 10.1126/sciadv.adc9923https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9923
5. Sci. Adv.：通过温度促进的反应金属-载体相互作用在Pd2Ga表面上图案化连续的Pd3到Pd1
对催化剂表面的逐个原子控制是多相催化中一个核心而又具有挑战性的课题，它使反应物分子的精确限制吸附和定向方法成为可能。近日，中科院金属所Bingsen Zhang，中科院大连化物所刘岳峰，吉林大学Wei Zhang利用金属-载体相互作用(RMSI)为Pd2Ga金属间化合物纳米颗粒(NPs)设计了具有连续Pd三聚体(Pd3)或孤立Pd原子(Pd1)的暴露表面。1）在氢气作用下的高温下，原位原子尺度电子显微镜直接观察到Pd2GaNPs从能量有利的(013)/(020)晶面重构为(011)/(002)晶面。红外光谱和乙炔加氢反应互补地证实了Pd2Ga催化剂从连续的Pd3位向Pd1位的演化，同时具有CO吸附和活性特征。2）通过理论计算和模拟，研究人员揭示了Pd2Ga表面的重构是由于表面上额外还原的Ga原子的择优排列所致。研究工作为温度促进的RMSI提供了以前未知的机理见解，以及控制和重新排列负载型金属间化合物催化剂表面原子的可能解决方案。Yiming Niu, et al, Patterning the consecutive Pd3 to Pd1 on Pd2Ga surface via temperature-promoted reactive metal-support interaction, Sci. Adv. 8, eabq5751 (2022)DOI: 10.1126/sciadv.abq5751https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5751
6. Sci. Adv.：用于损伤智能软体系统的自主自愈式光学传感器
在过去的二十年里，在成熟的可伸缩传感器领域出现了激增的增长。利用本质上柔软的材料或符合结构要求的设计，可伸缩传感器已经展示了对软体系统的机械不可见监控，否则这对硅基刚性系统是具有挑战性的。近日，康奈尔大学Robert F. Shepherd通过用于动态传感的自愈式光导网络(SHeaLDS)引入损伤智能软体系统。1）SHeaLDS利用光在光波导中传播的固有损伤弹性，与坚韧、透明和自主修复的聚氨酯尿素弹性体相结合，通过自我修复伤口以及检测这种损伤并相应地控制机器人的行动，实现了损伤弹性和智能机器人。2）SHeaLDS针对机器人的超弹性变形进行了优化的材料和结构设计，并具有自主自愈能力，可在大应变(ε=140%)下提供可靠的动态传感，无漂移或滞后，抗穿孔，并在室温下无需外部干预即可从割伤中自我修复。3）作为实用性的演示，由SHeaLDS保护的软四足动物可以在1分钟内检测并自我修复极端损伤(例如，一条腿上有六处割伤)，并通过反馈控制根据损伤情况自动监控和调整步态。Hedan Bai, et al, Autonomous self-healing optical sensors for damage intelligent soft-bodied systems, Sci. Adv. 8, eabq2104 (2022)DOI: 10.1126/sciadv.abq2104https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2104
7. Sci. Adv.：环境透射电子显微镜揭示Co-W-C合金催化剂中碳纳米管的生长机理
高熔点合金催化剂是单壁碳纳米管(SWCNTs)结构可控生长的有效催化剂。然而，由于复杂的催化生长环境，一些根本性的问题仍然不清楚。近日，中科院金属所Chang Liu，Lili Zhang，韩国基础科学研究所Feng Ding，日本国家材料科学研究所（NIMS）Dai-Ming Tang在常压下用闭室环境透射电子显微镜直接研究了Co-W-C合金催化剂的活性催化相、碳纳米管的生长动力学及其界面动力学。1）研究人员准确鉴定了合金催化剂为立方η-碳化物相，在整个碳纳米管生长过程中保持不变。2）研究人员在碳纳米管生长过程中观察到了催化剂纳米颗粒的旋转，这意味着固体催化剂具有弱的界面相互作用和不确定的取向相关性。3）理论计算表明，生长动力学是由碳原子在η-碳化物催化剂表面和通过催化剂壁界面的扩散决定的。Yang Wang, et al, Growth mechanism of carbon nanotubes from Co-W-C alloy catalyst revealed by atmospheric environmental transmission electron microscopy, Sci. Adv. 8, eabo5686 (2022)DOI: 10.1126/sciadv.abo5686https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo5686
8. Nature Commun.：用于选择性和高效捕集ReO4-或99TcO4-的离子型亚乙烯基连接的三维COF
考虑到形成稳定的碳-碳双键(–C=C –)的难度，离子烯烃连接的三维共价有机框架(3D COFs)的合成极具挑战性。近日，南昌大学Jian-Ding Qiu报道了一种通过分别在四(4-甲酰苯基)甲烷(TFPM)、1，3，5，7-四(4-醛基苯基)金刚烷(TAPM)和1，2，5-三甲基吡嗪-1-碘鎓盐(PZI)之间的酸催化羟醛缩合来构建离子型3D sp2碳连接COFs（TAPM-PZI和TFPM-PZI）的一般策略。1）合成的COFs表现出令人印象深刻的化学稳定性。2）此外，具有高度对称性的独特3D构建单元均匀分离正电荷，使合成的COF成为快速去除核废料离子（ReO4−/ TcO4−）的理想平台。这种sp2碳链3D COF将为多孔晶体功能材料的设计和合成打开一扇窗。Zhang, CR., Cui, WR., Yi, SM. et al. An ionic vinylene-linked three-dimensional covalent organic framework for selective and efficient trapping of ReO4− or 99TcO4−. Nat Commun 13, 7621 (2022).DOI：10.1038/s41467-022-35435-7https://doi.org/10.1038/s41467-022-35435-7
9. Nature Commun.：液态金属中电流体动力学诱导的自愈电催化系统
对于通过将催化剂沉积在刚性集电器上制备的常规复合电极，电催化过程中的催化劣化是不可避免的。相比之下，在接近室温下为液态的金属，液态金属(LMs)，是具有独特柔性和可操作性的潜在电极，其流动性使得它们比刚性基板更具适应性。近日，湖南大学Yingpeng Wu使用含Bi的Ga基LM电极展示了用于CO2电还原的自愈合电催化系统。1）当暴露于可调电位时，分散在LM基质中的Bi2O3经历一系列电流体动力诱导的结构变化，并最终转变成催化性铋，其形态可由施加的电位控制。2）电流体动力学诱导的演化电极对CO2还原为甲酸盐表现出显著的电催化活性。电催化性能退化后，催化剂可以通过简单的机械搅拌修复，然后通过施加还原电位原位再生。通过这一过程，电极的原始结构和催化活性都得到了恢复。Hou, Y., Wang, F., Qin, C. et al. A self-healing electrocatalytic system via electrohydrodynamics induced evolution in liquid metal. Nat Commun 13, 7625 (2022).DOI：10.1038/s41467-022-35416-whttps://doi.org/10.1038/s41467-022-35416-w
10. Nature Commun.：相图指导高度有序金属间电催化剂的合成:分离合金化和有序化阶段
负载型铂金属间化合物催化剂因其在质子交换膜燃料电池氧还原反应中的显著活性和耐久性而受到广泛关注。然而，由于对高温条件下金属间化合物催化剂的形成机理了解有限，因此高有序金属间化合物催化剂的合成仍然是一个挑战。近日，中科大梁海伟教授利用原位HT-XRD来研究碳负载PtFe、PtCo和PtNi金属间燃料电池催化剂的高温退火合成过程中的结构演变。1）研究人员确定了PtFe、PtCo和PtNi依赖于TPT的演变过程：对于具有高TPT值的PtFe，合金化和有序化在高温加热阶段同时进行，而对于具有低TPT值的PtCo和PtNi，合金化和有序化是分开的。研究人员据此设计了合理的退火工艺，将高温合金化和低温有序化阶段分开，从而实现了小颗粒高度有序金属间化合物催化剂的合成。2）所制备的高度有序的PtFe金属间化合物催化剂用于H2–O2燃料电池显示出0.96 A mgPt 的高ORR MA，和出色的耐用性。研究结果强调了理解合金化/有序化阶段在最大化具有实际燃料电池应用可接受颗粒尺寸的负载金属间催化剂的有序化程度中的重要性。Zeng, WJ., Wang, C., Yan, QQ. et al. Phase diagrams guide synthesis of highly ordered intermetallic electrocatalysts: separating alloying and ordering stages. Nat Commun 13, 7654 (2022).DOI：10.1038/s41467-022-35457-1https://doi.org/10.1038/s41467-022-35457-1
11. Nature Commun.：通过电响应自生长策略用于粗糙表面的核-壳干粘合剂
仿生干粘合剂在机器人操纵和移动领域有着非凡的影响。然而，由于独特的结构形态和形成机制，就表面适应性而言，人工结构和生物结构之间存在相当大的差异，尤其是对于粗糙表面。近日，西安交通大学邵金友教授提出了一种核-壳粘合结构，它是通过生长策略实现的，即电响应自生长核-壳结构，导致具有刚性核和柔软壳的蘑菇状形态。1）最初，这种结构的状态只包括一层双层膜，没有任何特殊的结构。当该结构暴露在外电场中时，双层薄膜在静电力的作用下向上生长。最后，顶部聚合物与上部电极接触，并由于电润湿效应而在上部电极上膨胀，而底部聚合物继续生长，同时受到顶层的限制，这导致形成具有刚性核心(底层)和柔软弯曲外壳(顶层)的蘑菇状结构。2）所获得的蘑菇形几何形状与其他几何形状(如扁平、球形、凹形和抹刀形态)相比，表现出优异的粘附性，因为蘑菇形帽可以消除接触界面处的应力奇异性(即均匀的应力分布)并稳定板-基底界面处的缺陷。此外，刚性材料生长为蘑菇茎，而柔性材料生长为围绕茎的蘑菇表皮。这种结构在粗糙表面上表现出优异的粘合性能。Tian, H., Wang, D., Zhang, Y. et al. Core–shell dry adhesives for rough surfaces via electrically responsive self-growing strategy. Nat Commun 13, 7659 (2022).DOI：10.1038/s41467-022-35436-6https://doi.org/10.1038/s41467-022-35436-6
12. Angew：室温下砷原子与锗(001)表面的结合
锗（Ge）已经成为自旋电子学和量子信息应用的一种非常有前途的材料，与硅相比具有显著的基本优势。然而，利用供体原子作为量子比特来制造原子级设备的努力主要集中在硅（Si）中的磷上。在硅中以原子级精度定位磷需要热掺入退火，但这一步的低成功率已被证明是一个基本的限制，禁止扩大到大规模的设备。近日，伦敦大学学院Steven R. Schofield对Ge(001)表面上的 As(AsH3)进行了全面的研究。1）研究表明，与之前研究的Si或Ge上的掺杂前驱体不同，As原子在室温下完全结合到取代的表面晶格位置。因此，研究结果为下一代原子尺度的供体设备铺平了道路，该设备将锗的优越电子特性与As/Ge化学的增强特性相结合，有望扩大到大量确定性放置的量子位。Emily V. S. Hofmann, et al, Room Temperature Incorporation of Arsenic Atoms into the Germanium (001) Surface, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202213982DOI: 10.1002/anie.202213982https://doi.org/10.1002/anie.202213982
