顶刊日报丨李亚栋、陈义旺、支春义、郭玉国、于中振等成果速递20230403
纳米人
2023-04-04
1. Nature Physics：超导纳米线中高能准粒子的热化和动力学
超导纳米结构中高能准粒子的弛豫涉及电子、声子和库伯对之间的许多级联相互作用，这些动力学是诸如量子位或光子探测器之类的设备性能的核心。然而，它们仍然没有被很好地理解，因为它们需要以可控的方式注入准粒子的实验。到目前为止，此类实验通常采用具有固定隧道势垒的固态隧道结。鉴于此，来自格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的C. Chapelier等人利用低温扫描隧道显微镜开发了一种扫描临界电流显微镜技术，用于研究超导纳米结构中的局部准粒子动力学。1) 该研究开发的这一技术可以分别通过偏置电压和隧道电流独立调节准粒子注入的能量和速率，对于高能准粒子，所观察到纳米线的临界电流减少，并且表明它主要是由注入功率控制，其次则是由注入速率控制；2) 该研究的这些结果对理解约瑟夫逊场效应晶体管和光子探测器等超导纳米器件有着直接的影响，此外，由于其多功能性，研究的设置可以帮助设计未来的超导量子电路，以增强其抗准粒子中毒的能力。
Jalabert, T., Driessen, E.F.C., Gustavo, F. et al. Thermalization and dynamics of high-energy quasiparticles in a superconducting nanowire. Nat. Phys. (2023).10.1038/s41567-023-01999-4https://doi.org/10.1038/s41567-023-01999-4
2. Angew：用于高效氧还原催化的非平面巢状 [Fe2S2] 簇位点
金属氮碳催化剂作为氧还原反应(ORR)铂基催化剂的替代物，通过调节活性中心的组成和空间结构，仍有望获得更好的性能。在此，大连理工大学Yiwei Liu，清华大学李亚栋院士构建了N掺杂碳平面上的非平面套状[Fe2S2]团簇中心。1）相邻的双Fe原子通过形成过氧桥式吸附构型有效地削弱了O-O键，S原子的引入破坏了Fe的平面配位，导致更大的结构形变张力，更低的自旋态，以及Fe d带中心的下移，共同促进了OH*中间体的释放。2）因此，非平面的[Fe2S2]团簇催化剂的半波电位为0.92V，表现出比平面[FeN4]或[Fe2N6]更好的ORR活性。这项工作为有效的氧还原催化提供了原子组成和空间构型的共同调节的见解。
Ming Wang, et al, Non-planar Nest-like [Fe2S2] Cluster Sites for Efficient Oxygen Reduction Catalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202300826DOI: 10.1002/anie.202300826https://doi.org/10.1002/anie.202300826
3. Angew：纵向接枝石墨烯与铁酞菁基多孔有机聚合物促进氧电还原
酞菁铁基聚合物(PFePc)是催化氧还原反应(ORR)的极具吸引力的无贵金属候选材料。然而，块体PFePc的低暴露程度和较差的导电性限制了其实际应用。近日，江西师范大学陈义旺，南昌大学Kai Yuan，上海交通大学Xiaodong Zhuang制备了纵向共价连接的层状PFePc纳米片(3D-G-PFePc)。1）这种结构工程使3D-G-PFePc具有高的场地利用率和快速的传质能力。因此，3D-G-PFePc表现出高效的比活性，达到69.31μA cm−2，高质量活性为81.88A g−1，以及在0.90V下，在O2-饱和0.1MKOH中0.93 e s−1 site−1的高转换频率的性能，表现出优于片状PFePc包裹石墨烯的性能。2）系统的电化学分析结合了变频方波伏安法和原位扫描电化学显微镜，进一步强调了3DG-PFePc向ORR的快速动力学。
Longbin Li, et al, Longitudinally Grafting of Graphene with Iron Phthalocyanine-based Porous Organic Polymer to Boost Oxygen Electroreduction, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301642DOI: 10.1002/anie.202301642https://doi.org/10.1002/anie.202301642
4. Angew：操纵双电层吸附在 2.3 Ah Zn软包电池中获得稳定的固体电解质界面
构建可靠的固体电解质界面(SEI)对于实现高度可逆的锌金属(Zn0)电极至关重要。近日，香港城市大学支春义教授，Jun Fan揭示了EDL吸附在ZIB的SEI形成中起着主导作用。1）研究人员通过引入一系列醚添加剂，即15-crown-5(15-C-5)、12-crown-4(12-C-4)和三甘醇二甲醚(G3)来控制EDL吸附和本体Zn2+溶剂化),这两种特性表现出相反的强度。2）研究人员发现吸附最弱的15-C-5导致无机ZnFx/ZnSx为主的SEI层，而吸附最强的G3导致有机(C-O-C)为主的SEI层。相比之下，具有中等吸附能力的12-C-4促进了层状结构的SEI（即ZnFx/ZnSx-(C-O-C)）。由于无机和有机部分的高刚性和强粗糙度，这种结构赋予了SEI对大体积膨胀的高承受能力。3）协同效应使100 cm2 Zn||Zn软包电池在10 mAh cm-2的高面容量和43%的实际ZUR下显示出4250 mAh cm-2的累积容量。更重要的是，一个2.3Ah Zn||Zn0.25V2O5•nH2O软包电池显示出104 Wh Lcell−1的记录能量密度，并在低负极/正极比(2.2:1)，贫电解质(8 g Ah-1)和高面积容量(~13 mAh cm−2)的严苛条件下运行>70天。
Yu Wang, et al, Manipulating Electric Double Layer Adsorption for StableSolid-Electrolyte Interphase in 2.3 Ah Zn-Pouch Cells, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302583DOI: 10.1002/anie.202302583https://doi.org/10.1002/anie.202302583
5. Angew：基于闪烁纳米颗粒、X射线触发CO和MnO2的产生用于级联癌症放疗增敏
一氧化碳(CO)是一种内源性信号分子，具有多种治疗作用。有鉴于此，中科院杭州医学研究所谢斯滔研究员和杜祯研究员开发了一种基于金属羰基和闪烁纳米颗粒(SCNPs)多功能生成纳米平台，其能够在X射线的触发下产生一氧化碳(CO)和二氧化锰(MnO2)。1）由于SCNPs具有辐射发光特性，因此对紫外响应的Mn2(CO)10不仅可以被X射线间接激活以释放CO，而且还可以降解为MnO2。高剂量的CO不仅可以作为糖酵解抑制剂以用于肿瘤抑制，并且也会使肿瘤细胞对放射治疗更加敏感。2）同时，作为Mn2(CO)10光解副产物的MnO2具有消耗谷胱甘肽(GSH)和递送类芬顿反应催化剂Mn2+等特性，可在肿瘤中产生剧毒的羟基自由基(•OH)。实验结果表明，该策略可以实现X射线激活的CO释放、GSH消耗和•OH生成等级联型癌症放疗增敏。此外，X射线激活的Mn2+也能够在体内表现出MRI对比增强效应，使其能够作为一种潜在的纳米诊疗平台。
Zhen Du. et al. X-Ray-triggered Carbon Monoxide and Manganese Dioxide Generation based on Scintillating Nanoparticles for Cascade Cancer Radiosensitization. Angewandte Chemie International Edition. 2023DOI: 10.1002/anie.202302525https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302525
6. AM: 一种用于耐用CSSNI3钙钛矿太阳能电池的双功能叠氮化碳添加剂
具有低毒性和窄带隙的无机CsSnI3是一种极具潜力的光伏材料。然而，CsSnI3钙钛矿太阳能电池（PSC）的性能远低于Pb基和混合Sn基（如CsPbX3和FASnX3）的性能，这归因于其较差的成膜性能和Sn4+诱导的深陷阱。近日，华南理工大学严克友报道了一种用于耐用CSSNI3钙钛矿太阳能电池的双功能叠氮化碳添加剂1) 作者采用双功能添加剂咔唑（CBZ）沉积无针孔膜，并通过两步退火去除深陷阱。在80°C的相变过程中，CBZ中-NH2和-CO单元的孤电子可以与Sn2+配位，形成具有大晶粒的致密膜。而在150°C退火过程中，CBZ的分解可以将Sn4+还原为Sn2+，以去除深陷阱。2) 与对照装置（4.12%）相比，CsSnI3:CBZ PSC的最大效率达到11.21%，而其在一个独立的光伏测试实验室中获得了10.90%的认证效率。此外，未密封的CsSnI3:CBZ器件在惰性气氛连续运行60天、标准最大功率点连续跟踪650小时和环境空气连续运行100小时后的功率保持率为100%、90%和80%。
Chenghao Duan, et al. A Bifunctional Carbazide Additive For Durable CSSNI3 Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202300503https://doi.org/10.1002/adma.202300503
7. AEM: 以茚并二噻吩基团为有效供体的双栅栏卟啉在高效染料敏化太阳能电池中的应用
卟啉是用于高效染料敏化太阳能电池（DSSC）的一类重要染料。然而，由于染料分子结构的设计策略不足，使DSSC的效率落后于有机和钙钛矿太阳能电池。近日，台湾中兴大学Chen-Yu Yeh、国立清华大学Tzu-Chien Wei报道了以茚并二噻吩基团为有效供体的双栅栏卟啉在高效染料敏化太阳能电池中的应用。1) 作者报道了具有优异光伏性能的双栅栏卟啉，并在其中引入了八个烷氧基链来包裹卟啉核并阻止电解质接近TiO2表面。在双栅栏卟啉设计策略的基础上，作者合成了具有双功能茚并二噻吩基团的新型卟啉bJS8、YS2、YS3、YS7和MC1，并研究了它们在DSSC中的光伏性能。2) 与先前报道的10.7%的双栅栏卟啉bJS2（JSC=16.59 mA cm−2，VOC=0.849 V，和填充因子（FF）=0.759）和10.1%的基准卟啉染料GY50（JSC=16.14 mA cm−2，VOC=0.863 V，和FF=0.725）相比， YS7具有11.4%的功率转换效率，并且短路光电流（JSC）为17.34mA cm−2，开路光电压（VOC）为0.864V，填充因子（FF）为0.78。
Ching-Chin Chen, et al. Double Fence Porphyrins Featuring Indacenodithiophene Group as an Effective Donor for High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202300353https://doi.org/10.1002/aenm.202300353
8. AEM: 功能性预锂化分离器实现可持续的高能锂离子电池
使用硅基负极材料构建的高能锂离子电池通常具有较短的循环寿命，这是由于负极的机械故障，并且由于正极 Li 的不可逆消耗导致电池的电化学故障。 近日，中国科学院郭玉国、Xin Sen通过功能性预锂化分离器实现可持续的高能锂离子电池。1) （电）化学预锂化能够补偿初始 Li 损失并改善电池的循环性能，然而，其直接应用于阳极或阴极的策略会引起电池安全性问题和电极结构退化，并且其与电池工业制造不兼容。作者利用的锂化剂预锂化功能隔膜对电极制备、电池制造和合成具有高度适应性，并且能够通过简单地调节电池电压，不仅可以补充正极损失的锂，还可以重新吸收负极锂。2) 通过使用功能性隔膜，可以显著抑制局部过度锂化和枝晶形成，并且将硅基阳极和高镍层状氧化物阴极配对的锂离子电池具有 >330 Wh kg−1 的稳定能量输出和大大改善的循环性能。
Qinghai Meng, et al. A Functional Prelithiation Separator Promises Sustainable High-Energy Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202300507https://doi.org/10.1002/aenm.202300507
9. AEM: 用于增强电催化氧还原的有效电荷捕获
非金属碳基材料是贵金属铂基电催化剂的有效替代品之一。然而，杂原子调制碳的电催化活性很少达到金属基电催化剂的性能。近日，中南大学田忠良、伦敦大学学院 Guanjie He报道了用于增强电催化氧还原的有效电荷捕获。1) 作者合成了富含电子的碳和与碳纳米片修饰的C空位相邻的丰富吡啶-N（E-NC-V），并将其用作促进有效氧还原反应的主体。与C空位相邻的富吡啶-N结构与富电子碳协同作用，促进|ΔGO*|的急剧下降，从而导致氧中间体的平衡吸附和离解，进而活化O=O，这归因于Zn和N/C之间丰富的空位和d–p轨道杂化。2) E-NC-V催化剂通过4e−转移主导的途径来驱动氧还原反应（ORR），在碱性溶液中，半波电位为0.87V，甚至优于Pt/C。而在组装的铝-空气电池中，其具有113 mW cm−2的峰值功率密度。该策略为ORR的坚固、高密度和高性能活性位点的设计和制造提供了指导，并有利于激励未来关于电子结构调制和缺陷工程来增强反应动力学的研究。
Li Zheng, et al. Potent Charge-Trapping for Boosted Electrocatalytic Oxygen Reduction. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202203963https://doi.org/10.1002/aenm.202203963
10. ACS Nano：自适应和可调MXene/还原氧化石墨烯混合气凝胶复合材料与相变材料和热致变色涂层相结合，用于同步可见光/红外伪装
虽然红外/可见光波段下的单功能伪装已经取得了很大的进展，但伪装材料仍然很难应对跨越可见光和红外光谱的协同探测，适应复杂多变的场景。近日，北京化工大学于中振，Dongzhi Yang将各向异性的MXene/氧化石墨烯杂化气凝胶与正十八烷相变材料相结合，在其上表面涂覆一层热致变色涂层，制备了一种集隔热、吸热、太阳能/电热转换和热致变色功能于一体的可见光和红外双重伪装的三层复合材料。1）得益于多孔气凝胶层的隔热和正十八烷相变层的吸热的协同热抑制，该复合材料可以作为一种斗篷，在丛林中白天和晚上在所有场景中隐藏其周围环境的红外图像，并凭借其绿色外观帮助目标逃避视觉监视。2）对于沙漠场景，复合材料可以通过光热转换自发地提高表面温度，将目标的红外图像融合到高温环境中；同时，它可以将表面颜色从原来的绿色改变为黄色，使目标能够从视觉上从周围的沙子和丘陵中消失。这项工作为设计自适应和可调整的综合伪装材料以对抗复杂环境中的多波段监视提供了一种有前途的策略。
Bai-Xue Li, et al, Adaptive and Adjustable MXene/Reduced Graphene Oxide Hybrid Aerogel Composites Integrated with Phase-Change Material and Thermochromic Coating for Synchronous Visible/Infrared Camouflages, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c00573https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00573
