​李亚栋院士综述：单原子催化CO2还原丨顶刊日报20230509

纳米人

2023-05-09

1. Nature Commun.：外部氯离子处理激活天然木材的室温磷光  

利用天然资源制备余辉室温磷光(RTP)是一种很有吸引力的可持续发展的RTP材料。然而，将自然资源转化为RTP材料往往需要有毒的试剂或复杂的加工。近日，东北林业大学Zhijun Chen，Shujun Li，巴斯大学Tony D. James，德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler在室温下将天然木材浸入MgCl₂水溶液中会产生所谓的C-wood，其中含有氯离子，可促进自旋轨道耦合(SOC)并延长RTP寿命。

本文要点：

1）以这种方式生产的C-wood表现出强烈的RTP发射，其寿命约为297ms（相比之下，天然木材的寿命约为17.5ms）。

2）作为潜在用途的演示，只需在原始雕塑上喷洒氯化镁溶液，即可就地制备余辉木雕。C-wood还与聚丙烯(PP)混合，生成可打印的余辉纤维，适用于通过3D打印制造发光塑料。

本研究将促进可持续RTP材料的开发。

Zhai, Y., Li, S., Li, J. et al. Room temperature phosphorescence from natural wood activated by external chloride anion treatment. Nat Commun 14, 2614 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-37762-9

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37762-9

2. EES: 单原子催化剂在CO₂转化中的最新进展

将二氧化碳催化转化为有价值的燃料/化学品是一个极具经济效益高的过程，因为它为化石原料提供了一种替代方案，并带来了大规模转化和循环二氧化碳的途径。经济高效的催化剂对于降低CO₂的利用成本具有极其重要的意义。传统的金属纳米粒子基催化剂仍需提高活性金属的利用效率、催化活性和选择性。而单原子催化（SACs）因其具有高原子利用率、独特电子结构和金属-载体相互作用而引起了研究人员的极大关注。近日，清华大学李亚栋院士综述研究了单原子催化剂在CO₂转化中的最新进展。

本文要点：

1) 作者总结并强调了用于将CO₂电催化、光催化和热催化转化为多用途产物（CO、CH₄、CH₃OH、HCOOH和C₂₊产物）的先进SAC开发的最新进展。此外，作者还对SAC设计的一般原则和结构-性能关系进行了系统和建设性的研究，以探索决定催化性能的关键参数。

2) 此外，作者展示了最近发表的不同SAC对CO₂转化的催化效率，进一步对这些催化剂进行了深入评估。最后，还考虑了SAC在CO₂转化方面未来应用的主要挑战和前景。

Shunwu Wang, et al. Recent Advances of Single-Atom Catalysts in CO₂ Conversion. EES 2023

DOI: 10.1039/D3EE00037K

https://doi.org/10.1039/D3EE00037K

3. EES：构建更出色的水系锌有机电池  

作为传统无机材料的潜在替代品，有机化合物具有高理论容量、结构可调性、可控合成和环境友好性等优点，有望成为水系锌离子电池（ZIBs）的正极材料。

在此，复旦大学沈剑锋教授，叶明新教授，王永刚教授系统地概述了水系锌有机电池(ZOB)的最新发展、储能机制、设计和改进策略。

本文要点：

1）作者首先详细总结了水性ZOB的离子储存机制，然后介绍了分析其动态行为的主要方法。

2）随后，基于离子存储机制和分子结构特征，系统地总结了现有有机电极材料的最新进展和设计策略，包括n型、p型和双极型电极材料。随后，我们首次总结了这些有机电极材料的主要合成策略。

3）作者重点介绍了水系ZOBs现有的改进策略，以在其比容量、工作电压、倍率性能和循环寿命方面获得更高的电化学性能，并实现更低的制备成本。

4）最后，作者讨论了水系ZOBs实现实际应用所面临的挑战。提出了水系ZOBs的合理观点和有前途的探索方向，以指导研究走向实际应用，实现更绿色的可充电世界。

Zhiheng Li, et al, Building better aqueous Zn-organic batteries, Energy Environ. Sci., 2023

DOI: 10.1039/D3EE00211J

https://doi.org/10.1039/D3EE00211J

4. Angew综述：多金属氧酸盐与蛋白质之间的相互作用及其在生物化学和医学中的应用  

鲁汶大学Tatjana N. ParacVogt对多金属氧酸盐与蛋白质之间的相互作用及其在生物化学和医学中的应用相关研究进行了综述。

本文要点：

1）阴离子金属-氧簇（被称为多金属氧酸盐(POM)）与蛋白质之间的特定相互作用可以被广泛用于多种分析传感和生物医学领域。例如，聚甲醛已被开发作为蛋白质修饰的选择性催化剂，并且也已被证明可以促进蛋白质结晶以及确定蛋白结构。此外，POMs还可以用于蛋白质的选择性分离，并且能够通过有效抑制酶活性而表现出潜在的治疗作用。因此，了解POM-蛋白相互作用对开发基于POM的材料及拓展其在多个领域中的应用而言至关重要。

2）作者在文中详细总结了POM-蛋白质相互作用研究所取得的一系列关键进展。近年来，已有研究通过对POM进行功能化实现了对POM-蛋白质相互作用的调节，因此作者也重点介绍了有机配体功能化的杂化POM，旨在进一步推动该研究领域的发展。

Tatjana N. Parac-Vogt. et al. Exploiting Interactions between Polyoxometalates and Proteins for Applications in (Bio)chemistry and Medicine. Angewandte Chemie International Edition. 2023

DOI: 10.1002/anie.202303817

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202303817

5. Angew综述：用于研究免疫系统中的机械信号的DNA纳米技术  

埃默里大学Khalid Salaita对用于研究免疫系统中的机械信号的DNA纳米技术相关研究进行了综述。

本文要点：

1）当免疫细胞和靶细胞发生物理接触时，在特定的细胞-细胞连接处会发生免疫识别。在这种连接中，受体-配体复合物群会组合在一起并经历由细胞骨架所产生的分子力。这些力通常在皮牛顿(pN)的范围内，并且会在免疫细胞激活和随后的效应反应中发挥关键作用。

2）作者在文中回顾了基于DNA的分子张力传感器的发展及其在免疫受体(包括T细胞受体(TCR)、淋巴细胞功能相关抗原(LFA-1)和b细胞受体(BCR)等)所经历的机械力的定位和定量等方面的应用；此外，作者也重点介绍了如何将DNA作为机械门来调控机械转导和研究机械力对于抗原识别和受体信号传导的调节作用。

Yuesong Hu. et al. DNA Nanotechnology for Investigating Mechanical Signaling in the Immune System. Angewandte Chemie International Edition. 2023

DOI: 10.1002/anie.202302967

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302967

6. Angew：实现高性能气敏的柔性金属-有机骨架的孔径调制  

孔径在决定金属有机框架 (MOF) 在催化、传感和气体储存或分离方面的性能方面起着至关重要的作用。然而，揭示孔径/性质关系仍然极具挑战性，因为缺乏具有不同孔径但具有相同成分的理想结构模型。在这项工作中，中科院福建物构所Gang Xu，Qiao-Hong Li开发了一种溶剂配位定向结构溶胀方法，用于调节柔性 MOF MIL-88B 的大孔相和窄孔相之间的比例。

本文要点：

1）研究人员首次在 MIL-88B 样品中研究了孔径相关的气体灵敏度和选择性。

2）优化后的 MIL-88B-20% 样品在所有报道的基于 MOF 的 H₂S 传感材料中表现出最佳传感性能之一。

这项工作不仅提供了一种合成理想结构模型的方法，以揭示孔径和性能之间的关系，而且可能激发高性能气敏材料的发展。

Chuan-Zhe Wang, et al, Pore Size Modulation in Flexible Metal-Organic Framework Enabling High Performance Gas Sensing, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302996

DOI: 10.1002/anie.202302996

https://doi.org/10.1002/anie.202302996

7. AEM: Weyl半金属MIrTe₄（M=Nb，Ta）作为染料敏化析氢的有效催化剂  

染料敏化光催化分解水是生产绿色氢气的一种可行的解决方案。然而，确定合适的催化剂一直是有效驱动染料敏化光催化的瓶颈之一。近日，慕尼黑大学Bettina V. Lotsch、马克斯·普朗克固体研究所Manisha Samanta报道了一种基于层状Weyl半金属MIrTe₄（M=Nb，Ta）的新型电催化剂，并将其用于Eosin Y（EY）敏化的析氢反应（HER）。

本文要点：

1) 在可见光照射10小时后，NbIrTe₄和TaIrTe₄的HER活性分别为≈18000和14000µmol g⁻¹。作者通过UV-Vis光谱和高压液相色谱结合质谱分析，揭示了其反应动力学，从而能够更加深入地了解MIrTe₄析氢速率趋势。使用EY作为光敏剂和三乙醇胺作为牺牲剂，MIrTe₄半金属在催化HER活性方面优于基于过渡金属的Weyl半金属。

2) MIrTe₄-Weyl半金属中与拓扑结构相关的能带反转促进了费米能级附近的高密度M d态，从而实现了它们的高催化性能。该研究介绍了一类新型层状Weyl半金属作为高效催化剂，并为设计拓扑增强催化剂提供了指导。

Manisha Samanta, et al. The Weyl Semimetals MIrTe₄ (M = Nb, Ta) as Efficient Catalysts for Dye-Sensitized Hydrogen Evolution. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202300503

https://doi.org/10.1002/aenm.202300503

8. AEM: 水氧化电催化剂的原位电化学氧阴离子导向以优化活性和稳定性  

与传统的金属阳离子掺杂调控相比，含氧阴离子由于其特殊的聚阴离子构型和大的电负性，可以提供更高的可能性来介导电催化剂对析氧反应（OER）的性能。然而，对含氧阴离子介导的机制和规则仍知之甚少。近日，中国科学院Wang Jiacheng、大连理工大学杨明辉、苏州科技大学马汝广报道了一种原位电化学氧阴离子（NO₃⁻、PO₄³⁻、SO₄²⁻或SeO₄²⁻）转向策略，以研究过渡金属（TM=Ni、Fe、Co）氢氧化物电催化剂OER性能的变化和规律。

本文要点：

1) 电催化实验表明，氧阴离子修饰的TM氢氧化物的活性和稳定性遵循PO₄³⁻>NO₃⁻>SO₄²⁻>SeO₄²⁻的顺序。PO₄³⁻或NO₃⁻的电化学掺入提高了TM氢氧化物的活性和稳定性。相反，SO₄²⁻或SeO₄²⁻掺杂显著加速TM浸出，从而削弱OER性能。

2) 理论计算表明，电化学氧阴离子掺杂同时调节TM-O共价和TM-3d带中心，这与TM氢氧化物的TM稳定性和OER活性有关。该研究构建了一个氧阴离子介导的规则，可用于设计能量转化中的高性能电催化剂。

Xunlu Wang, et al. In Situ Electrochemical Oxyanion Steering of Water Oxidation Electrocatalysts for Optimized Activity and Stability. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202300765

https://doi.org/10.1002/aenm.202300765