5位院士，崔屹、鲍哲南、张锦、刘忠范、李灿等团队成果速递丨顶刊日报20230808
纳米人
2023-08-14
1. Chem. Soc. Rev.：无孔自适应晶体在碳氢化合物分离中的潜力
碳氢化合物分离是石油化工领域的一个重要过程，其为工业生产提供了多种原料，并且为国民经济发展提供了有力支撑。近日，东北大学周炯综述研究了无孔自适应晶体在碳氢化合物分离中的潜力。1) 传统的分离工艺涉及巨大的能源消耗，而基于无孔自适应晶体（NAC）材料的吸附分离由于其低能耗、高化学和热稳定性、优异的选择性吸附和分离性能以及突出的可回收性等优点，被认为是传统能源密集型分离技术的一种有效的绿色替代方案。2) 考虑到NAC材料在碳氢化合物分离中的特殊潜力，作者综述了各种超分子主体基NAC的最新进展。此外，还详细说明了当前的挑战和未来的发展方向。
Miaomiao Yan, et al. Potential of nonporous adaptive crystals for hydrocarbon separation. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS00856D
2. Chem. Soc. Rev.：使用功能材料检测和去除重金属离子的当前趋势
重金属污染造成的淡水资源短缺是一个严峻的全球性问题，从而对环境保护和人类健康产生了重大影响。因此，开发新的策略来设计和合成绿色、高效、经济的重金属离子检测和去除材料至关重要。在检测和去除重离子的各种方法中，包括纳米材料、聚合物、多孔材料和生物材料在内的先进功能系统由于其实时检测能力、优异的去除效率、抗干扰性、快速响应、高选择性和低检测限值，在过去几年中引起了人们的极大关注。近日，华北电力大学Li Meng、东北林业大学Chen Zhijun、巴斯大学Tony D. James对使用功能材料检测和去除重金属离子的当前趋势进行了综述研究。1) 作者回顾了上述功能材料的一般设计原则，特别强调了检测和去除重金属离子的基本机制和具体示例。此外，还回顾了使用这些功能材料提高水净化质量的方法，并强调了这一领域中的当前挑战和机遇，包括这些功能材料的制造、后续处理和潜在的未来应用。2) 该综述将为设计用于检测和去除重金属的功能材料提供了宝贵的指导建议，从而加快高性能材料的开发，并促进开发更有效的水污染修复方法。
Meng Li, et al. Current trends in the detection and removal of heavy metal ions using functional materials. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS00683A
3. Chem. Rev.综述：用于可穿戴电子应用的透明电子产品
可穿戴电子产品的最新进展提供了与人体的无缝集成，可提取各种生物物理和生化信息，用于实时健康监测、临床诊断和增强现实。我们付出了巨大的努力，通过材料科学和结构修改赋予电子设备可拉伸性/灵活性和柔软性，使这些设备能够与曲线和柔软的人体稳定、舒适地集成。然而，这些器件的光学特性仍处于早期考虑阶段。通过结合透明度，可以保留来自生物系统接口的视觉信息，并利用图像分析技术进行全面的临床诊断。此外，透明度提供了光学上的不易察觉性，从而减轻了在裸露皮肤上佩戴该设备的不愿意感。近日，首尔大学Seung Hwan Ko综述全面讨论了透明可穿戴电子产品的最新进展，包括材料、加工、设备和应用。1）研究人员讨论了透明可穿戴电子产品的材料的特性、合成和性能增强的工程策略。2）研究人员还研究了与柔软人体稳定集成的桥接技术。讨论了可穿戴电子系统的构建模块，包括传感器、能源设备、执行器和显示器，及其机制和性能。3）最后，研究人员总结了潜在的应用，并总结了仍面临的挑战和应用前景。
Daeyeon Won, et al, Transparent Electronics for Wearable Electronics Application, Chem. Rev., 2023DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00139https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00139
4. Acc. Chem. Res.：将催化单元纳入纳米材料：二氧化碳增值多用途催化剂的合理设计
将二氧化碳转化为有价值的化学品可有效减少二氧化碳排放。之前研究人员提出了增值策略并开发了高效催化剂来解决与二氧化碳转化相关的热力学稳定性和动力学惰性问题。早些时候，开发了分子捕获试剂和催化剂来整合二氧化碳捕获和转化，即原位转化。基于对分子水平上CO2捕获、活化和转化的机理理解，南开大学何良年，Hong-Ru Li着手开发多相催化剂，通过将活性分子催化剂固定在纳米材料上，将催化单元纳入纳米材料中，并设计具有固有催化位点的纳米材料。1）在热催化CO2转化中，开发了基于碳质和金属有机骨架(MOF)的催化剂，用于非还原性和还原性CO2转化。制备了新型Cu基、Zn基MOF和碳负载Cu催化剂，并成功应用于与CO2的环加成、羧化和羧基环化反应，生成环状碳酸酯、羧酸和恶唑烷酮作为各自的目标产物。CO2的还原转化，特别是CO2的还原官能化，是生产有价值化学品的一种有前途的转化策略，可以减轻对石油化学的依赖。2）研究人员探索了使用有机催化剂的二氧化碳的分级还原功能化，并提出了调节二氧化碳还原水平的策略，引发了多相催化剂的研究。在纳米材料中引入多个活性位点为开发新型二氧化碳转化策略提供了可能性。采用氮掺杂碳负载锌配合物和MOF材料作为CO2吸附剂和催化剂，实现了CO2捕获和原位转化。这些基于纳米材料的催化剂具有高稳定性和优异的效率，并且由于其独特的孔结构在某些情况下可用作择形催化剂。3）基于纳米材料的催化剂也是光催化二氧化碳还原（PCO2RR）和电催化二氧化碳还原（ECO2RR）的有吸引力的候选者，因此通过将活性金属配合物纳入不同的基质（例如多孔有机聚合物（POP））中开发了一系列混合光/电催化剂、金属有机层(MOL)、胶束和导电聚合物。通过将Re-联吡啶和Fe-卟啉配合物引入POPs并调节聚合物链的结构，提高了PCO2RR催化剂的稳定性和效率。4）通过设计含Re-联吡啶的两亲性聚合物在水溶液中形成胶束并充当纳米反应器，实现了水溶液中的PCO2RR。研究人员制备了具有两个不同金属中心（即Ni-联吡啶位点和Ni-O节点）的MOL，以通过这些金属中心的协同效应提高PCO2RR的效率。制备了磺基苯氧基修饰的钴酞菁（CoPc）交联聚吡咯并用作阴极，利用聚吡咯的CO2吸附能力实现了稀释CO2的电催化转化。此外，制备了固定化4-(叔丁基)-苯氧基钴酞菁和Bi-MOF作为阴极，促进CO2和5-羟甲基糠醛(HMF)的配对电解，并有效地获得CO2还原产物和2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。
Li-Qi Qiu, et al, Incorporating Catalytic Units into Nanomaterials: Rational Design of Multipurpose Catalysts for CO2 Valorization, Acc. Chem. Res., 2023DOI: 10.1021/acs.accounts.3c00316https://doi.org/10.1021/acs.accounts.3c00316
5. Science Advances：利用最佳亮场扫描透射电子显微镜直接成像沸石中的局部原子结构
沸石因其独特的多孔原子结构而在工业中用作催化剂、离子交换剂和分子筛。然而，由于电子辐照电阻低，通过电子显微镜直接观察沸石的局部原子结构是十分困难的。这也就意味着，沸石的基本结构-性质关系仍不清楚。东京大学Naoya Shibata和Takehito Seki对两种类型的沸石进行了低剂量原子分辨率最佳亮场扫描透射电子显微镜（OBF STEM）观测，有效地可视化了它们框架中的所有原子位点。1）最佳亮场扫描透射电子显微镜（OBF STEM）是新近开发的一种低电子剂量成像技术，它能够以高信噪比和比传统方法高大约两个数量级的剂量效率重建图像。2）此外，研究还观察了八元环中Na-Lide A型沸石（LTA）中八元环低占有率的Na+离子和八元环双晶界的复杂局部原子结构。这项研究的结果有助于表征许多电子束敏感材料中的局部原子结构。
Kousuke Ooe, et al. Direct imaging of local atomic structures in zeolite using optimum bright-field scanning transmission electron microscopy. Science Advances. 2023DOI：10.1126/sciadv.adf6865https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf6865
6. PNAS：高性能长寿命锂硫电池中具有中等多硫化物锂溶解度的电解质
具有高能量密度和低成本的锂硫（Li-S）电池有望用于下一代储能。然而，它们的循环稳定性受到多硫化锂（LiPS）中间体高溶解度的限制，导致容量快速衰减和严重的自放电。探索具有低LiPS溶解度的电解质是解决这些挑战的有效途径。近日，斯坦福大学崔屹、鲍哲南报道了具有中等LiPS溶解度的电解质，其可以有效地限制穿梭效应并实现良好的Li-S反应动力学。1) 作者探索了37至1100 mM的溶解度范围，发现50至200 mM的中等溶解度表现最佳。通过使用一系列具有不同氟化程度的电解质溶剂，作者为Li-S电池配制了具有中等LiPS溶解度的单溶剂、单盐、标准盐浓度电解质（称为S6MILE）。在设计的电解质中，使用氟化-1，2-二乙氧基乙烷S6MILE（F4DEE-S6MILE）的Li-S电池在室温下0.05 C时具有1160 mAh g−1的最高容量。2) 在60°C下，氟化-1,4-二甲氧基丁烷S6MILE（F4DMB-S6ILE）在0.05 C下的最高容量为1526 mAh g−1，在贫电解质条件下，在0.2 C下150次循环的平均CE为99.89%。与其他醚基电解质相比，循环寿命提高了五倍。
Gao Xin, et al. Electrolytes with moderate lithium polysulfide solubility for high-performance long-calendar-life lithium–sulfur batteries. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2301260120https://doi.org/10.1073/pnas.2301260120
7. Matter：用于稳定锂金属负极的人工混合中间相层的数据驱动发现和智能设计
锂金属是一种很有前景的高能量密度电池负极材料，但其应用受到枝晶生长引起的安全问题的阻碍。在这项工作中，中国科学院深圳先进技术研究院Dongfeng Xue，Chao Peng提出了一种高通量工作流程，将量子力学模拟与机器学习相结合，以准确预测自组装单分子层（SAM），该自组装单分子层可以在锂金属阳极上组装人工无机-有机混合界面层，以增强循环稳定性并减轻枝晶生长。1）该工作流程包括自动数据收集、第一原理模拟以及使用机器学习筛选候选分子。研究人员从PubChem数据库中筛选出了128个分子，并确定了8个具有低Li扩散势垒和高机械稳定性的最佳候选分子。2）使用简单的量子力学（QM）偶极子和静电势描述符，在锂扩散势垒与SAM中头、中、尾基团的结构特征之间建立了结构-性质关系。这些结果为设计用于锂金属电池实际应用的高度稳定的锂金属负极开辟了新途径。
Zhang et al., Data-driven discovery and intelligent design of artificial hybrid interphase layer for stabilizing lithium-metal anode, Matter (2023),DOI：10.1016/j.matt.2023.06.010https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.06.010
8. EES：分级多孔疏水电纺纳米纤维作为膜电极组件中全pH CO2电还原的气体扩散电极
常规气体扩散电极（GDE）在提高电催化CO2还原的产率方面取得了巨大成功，但仍存在分层、溢流、盐沉淀以及活性位点利用有限的问题。近日，苏州大学彭扬、吕奉磊通过静电纺丝制备了具有分级孔隙率的整体GDE（NiNF），其包括嵌入过配位Ni-N-C活性位点的CNT增强碳纳米纤维。1) 作者将纳米纤维用聚四氟乙烯（PTFE）进行热处理，以附加表面疏水层，使含有GDE的膜电极组件（MEA）能够在宽pH下工作。凭借整体结构、分级孔隙率和高活性催化位点的优势，优化的NiNF GDE实现了接近1的CO法拉第效率，在碱性和酸性液流电池中分别具有282±9和362±10 mA cm-2的峰值电流密度。2) 此外，疏水化GDE在中性MEA中具有超过273小时的连续稳定性，并且总能效为38%，在酸性MEA中，CO2转化率为78%。该工作为工业规模的CO2电还原铺平了道路。
Min Wang, et al. Hydrophobized Electrospun Nanofibers of Hierarchical Porosity as the Integral Gas Diffusion Electrode for Full-pH CO2 Electroreduction in Membrane Electrode Assemblies. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01866K
9. AM：碳纳米管定向7-GPa杂环芳纶纤维及其在人造肌肉中的应用
具有优异机械性能的聚对苯并咪唑-对苯二甲酰胺（PBIA）纤维广泛应用于需要抗冲击材料的领域，如弹道防护和航空航天。而杂环在这些聚合物链中的引入增加了它们的柔韧性，并使其更容易在纺丝过程中优化纤维结构。然而，聚合物链的取向不充分是PBIA纤维的测量力学性能与理论力学性能之间存在较大差异的主要原因之一。北京大学张锦院士和Zhenfei Gao选择碳纳米管（CNTs）作为定向种子来介导制造高性能杂环芳纶纤维（p-CNT/PBIA）。1）CNT的结构特征允许其在纺丝过程中定向，这可以诱导聚合物的有序排列，并改善纤维微观结构的定向，包括在结晶和非晶区域。同时，PBIA也可作为一种有效的分散剂，确保长CNT（~10μm）的完整一维拓扑结构。2）p-CNT/PBIA纤维（10μm-SWNT 0.025wt%）的拉伸强度和伸长率分别提高了22%和23%，最大拉伸强度为7.01±0.31GPa，增强效率为893.6。使用CNT/PBIA纤维制造的人造肌肉对2公斤的哑铃上表现出34.8%的收缩和25%的举起作用，为高性能有机纤维作为高负载智能致动器提供了一种有前景的范例。
Dan Yan, et al. Carbon Nanotube-Directed 7-GPa Heterocyclic Aramid Fiber And Its Application in Artificial Muscles. Advanced Materials. 2023DOI：10.1002/adma.202306129https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306129
10. AM：具有功能阳离子空位的软-刚性异质结构用于快速充电和高容量钠存储
优化电极材料中的电荷转移和减轻体积膨胀对于最大限度地提高储能系统的电化学性能至关重要。温州大学肖遥、北京化工大学徐赛龙和阿德莱德大学Shilin Zhang构造了原子薄的软-刚性Co9S8@MoS2，其是原子界面上具有双阳离子空位的核壳异质结构，可作为高性能钠离子电池负极材料。1）异质结构和软MoS2壳层中含有VCo和VMo的双阳离子空位，可为快速电荷转移提供离子途径，而刚性Co9S8核作为主要活性成分，可在充电/放电过程中抵抗结构变形。2）电化学测试和理论计算证明了良好的Na+转移动力学和赝电容行为。因此，软-刚性异质结构提供了非凡的钠存储性能（在5.0 A g−1下500次循环后为389.7 mA h g−1），优于单相异质结构；和组装的Na3V2（PO4）3||d-Co9S8@MoS2/S-Gr全电池在0.5℃时实现了235.5 Wh kg−1的能量密度。该发现开辟了一种新的软硬异质结构策略，拓宽了储能和转换材料设计的视野。
Yu Su, et al. Soft-Rigid Heterostructures with Functional Cation Vacancies for Fast-Charging And High-Capacity Sodium Storage. Advanced Materials. 2023DOI：10.1002/adma.202305149https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305149
11. Nano Letters：通过共形和清洁转移实现双层石墨烯的高防潮性能
理论上可以阻挡几乎所有分子的石墨烯薄膜已成为有机光子器件和气体存储应用中防潮薄膜的有前途的候选材料。然而，目前石墨烯薄膜的阻隔性能还没有达到理想值。在这里，北京大学刘忠范院士，Qin Xie，Li Lin，苏州大学Wan-jian Yin揭示了大面积堆叠的多层石墨烯的层间距离是抑制水渗透的关键因素。1）研究表明，通过最小化两个单层之间的间隙，双层石墨烯的水蒸气透过率在A4大小的区域上可以低至5×10−3 g/(m2d)。2）高阻隔性能是通过在逐层转移过程中石墨烯层之间不存在界面污染和保形接触来实现的。3）研究工作揭示了石墨烯层的水分渗透机制，通过这种方法，可以为新的物理和应用定制手动堆叠的二维材料的层间耦合。
Qi Lu, et al, High Moisture-Barrier Performance of Double-Layer Graphene Enabled by Conformal and Clean Transfer, Nano Lett., 2023DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02453https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02453
12. ACS Catal.：通过分解水促进电化学还原硝酸盐
电催化还原硝酸盐反应为制备氨提供新方法和途径，但是电催化还原硝酸盐反应面临缓慢的反应动力学，因为该反应包括多个电子和多个质子。有鉴于此，中国科学院李灿院士、丁春梅等发展Cu1Co5合金催化剂用于电催化还原硝酸盐制备NH3，在0.075 V vs RHE过电势进行电催化反应，NH3实现了高电流密度（453 mA cm-2）和高法拉第效率（96.2 %），该性能达到目前相关报道最好的结果。1）研究发现Cu和Co之间的相互作用导致合金的电子结构产生重构，NO3-吸附变为自发吸附过程，并且改善*NO→*N和*NH→*NH2步骤。2）发现水解离反应与N物种的转化步骤是电催化反应的决速步骤，该反应在Co位点上容易进行，并且改善NO3-还原反应。这项研究有助于设计通过增强H2O分子解离实现高活性碱性NO3-还原电催化剂。
Yiyang Zhou, et al, Boosting Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia via Promoting Water Dissociation, ACS Catal. 2023, 13, 10846−10854DOI: 10.1021/acscatal.3c02951https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.3c02951
