清华/南京师范Nature Chemistry，浙大/吉大Nature Materials丨顶刊日报20230809
纳米人
1. Nature Chemistry：成核介导的手性三维有机-无机钙钛矿单晶的生长
三维手性杂化有机-无机钙钛矿单晶的生长仍极具挑战性，因为它们不含手性成分，并且它们的晶相属于中心对称的非手性点群。在这里，清华大学Wang Xun、Hu Hanshi、南京师范大学Xu Xiangxing报道了一种生长具有手性光学活性的单晶3D卤化铅钙钛矿方法。
本文要点：
1) 以MAPbBr3（MA，甲基铵）钙钛矿为代表，非手性MAPbBr3是由溶液中的前体通过反温结晶方法结晶而成的，并且添加微或纳米颗粒作为成核剂促进了手性晶体在接近平衡状态下的形成。
2) 此外，3D APbX3（其中A是铵离子，X是Cl、Br或混合Cl–Br或Br–I）钙钛矿的手性源于A位阳离子的手性模式及其与钙钛矿结构中[PbX6]4−八面体的相互作用。手性结构遵循最低能量原理，从而达到热力学稳定。手性三维有机-无机杂化钙钛矿可用于圆偏振光光电探测器的原型。
Gaoyu Chen, et al. Nucleation-mediated growth of chiral 3D organic–inorganic perovskite single crystals. Nature Chemistry 2023
DOI: 10.1038/s41557-023-01290-2
https://doi.org/10.1038/s41557-023-01290-2
2. Nature Materials：氧化物玻璃的再结晶增韧
与晶体不同，玻璃由于缺乏微观结构控制的增韧，导致其本质上是脆性的，这对其技术应用产生了巨大限制。因此，在不损害玻璃有利性能的情况下对玻璃进行增韧的策略一直备受关注。在这里，乔治梅森大学Howard Sheng、浙江大学Xiao Wenge、吉林大学Tang Hu以硅铝酸盐玻璃为例，报道了氧化物玻璃通过副结晶的异常增韧。
本文要点：
1) 通过结合实验和计算建模，作者证明了在高压和高温条件下，通过再结晶可以在玻璃结构中均匀形成了类晶体的中程有序团簇。副晶氧化物玻璃具有优异的韧性，高达1.99 ± 0.06 MPa m1/2，这超过了其他大块氧化物玻璃。
2) 作者将这种特殊的增韧归因于由应力诱导的从准晶态到非晶态的逆变换引起的多个剪切带的激发，并揭示了塑性变形特征。这一发现为设计高耐损伤玻璃材料提供了一种有效策略，并强调了原子级结构变化对氧化物玻璃性能的实质性影响。
Tang Hu, et al. Toughening oxide glasses through paracrystallization. Nature Materials 2023
DOI: 10.1038/s41563-023-01625-x
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01625-x
3. Nature Energy：无掺杂氧化锡透明电极的硅太阳能电池
硅异质结（SHJ）太阳能电池是未来光伏产业的有效方向之一。稀有铟的有限供应和银浆的高成本是SHJ太阳能电池面临的重要问题之一。为了克服铟基透明电极用于高效SHJ太阳能电池的障碍，南开大学Zhang Xiaodan、苏州迈为科技股份有限公司Dong Gangqiang在室温下通过溅射制备了廉价且可批量生产的未掺杂氧化锡（SnOx）电极材料。
本文要点：
1) 利用其天然氧空位缺陷，作者制备材料的载流子迁移率和电阻率达到22 cm2 V−1 s−1和2.38 × 10−3 Ω cm。采用未掺杂SnOx正面透明电极的SHJ太阳能电池具有24.91%的转换效率。
2) 此外，SnOx薄膜具有优异的化学稳定性，可以在电镀过程中承受酸碱溶液的腐蚀。最后，作者制备了镀铜电极和双面铟基透明电极减半的SHJ太阳能电池，其认证效率为25.94%（总面积为274.4 cm2）。
Cao Yu, et al. Silicon solar cell with undoped tin oxide transparent electrode. Nature Energy 2023
DOI: 10.1038/s41560-023-01331-7
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01331-7
4. Nature Energy：稳定致密液流电池阴极电解液中有机自由基的模块化二聚化
水性有机氧化还原液流电池（AORFBs）有望实现安全、可持续和高成本效益的储能应用。然而，开发具有所需稳定性、功率和能量密度的阴极电解液氧化还原分子仍极具挑战性。近日，威斯康星大学Feng Dawei、Li Wenjie通过构建块组装平台合成了一类模拟（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基）氧基二聚体（i-TEMPOD）的离子液体。
本文要点：
1) 通过系统研究21种i-TEMPOD衍生物，作者发现了最佳的尺寸和电荷特性，这些特性可以防止膜交叉并允许形成盐状态的水。作者使用最佳i-TEMPOD阴极电解液在2 M浓度下实现了AORFB性能的实质性改进。
2) 这些增强包括多个关键指标，包括在96天循环期间没有明显容量衰减的稳健循环稳定性，快速的电化学动力学，并且最大功率密度高达0.325 W m−2和47.3 Wh l−1的全电池高能量密度。该分子设计为低成本和可扩展的AORFB铺平了道路。
Xiu-Liang Lv, et al. Modular dimerization of organic radicals for stable and dense flow battery catholyte. Nature Energy 2023
DOI: 10.1038/s41560-023-01320-w
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01320-w
5. Nature Nanotechnology：钨中具有巨弛豫长度的弹道轨道角动量流的时域观测
与自旋极化电子相比，电子轨道动量L可以在更多材料中以相当高的密度在更长的距离上传输磁信息。然而，对L电流、其扩展的传播长度及其转换为电荷电流的直接实验观察仍极具挑战性。在这里，柏林自由大学Tom S. Seifert触发了Ni|W|SiO2薄膜堆叠中的超快角动量传输。
本文要点：
1) 由此产生的太赫兹电荷电流具有显著的延迟和宽度，其随着W厚度线性增长。作者将这一观测结果归因于从Ni到W的巨大衰变长度（~80 nm）和低速（~0.1 nm fs−1）。
2) 在W/SiO2界面，L流通过反轨道Rashba–Edelstein效应有效地转化为电荷电流，这与从头计算结果一致。该发现确立了具有长距离弹道L传输的轨道电子材料可用于未来超快器件，并为区分类霍尔和类Rashba–Edelstein转换过程提供了方法。
Tom S. Seifert, et al. Time-domain observation of ballistic orbital-angular-momentum currents with giant relaxation length in tungsten. Nature Nanotechnology 2023
DOI: 10.1038/s41565-023-01470-8
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01470-8
6. Acc. Chem. Res.：构建先进锂电池的纯硅负极
随着便携式电子产品、电动汽车和电网规模储能系统的需求不断升级，开发具有高能量密度、成本效益和环境可持续性的下一代可充电电池势在必行。加速这些进步可以大大减少有害的碳排放。对主要目标的追求激起了人们对纯硅作为高容量电活性材料的兴趣，与传统的石墨材料相比，它能够进一步提高重量和体积能量密度。尽管具有这些有前景的特性，纯硅材料仍面临重大障碍，主要是由于它们在锂化/脱锂过程中体积发生剧烈变化。体积变化会产生严重的副作用，例如破裂、粉碎和分层，从而引发容量快速衰减。因此，减轻硅颗粒断裂仍然是一个主要挑战。重要的是，纳米级硅（尺寸低于 150 nm）表现出对反复体积变化引起的应力的弹性，从而凸显了其作为阳极活性材料的潜力。然而，体积膨胀应力不仅影响颗粒的内部结构，还会破坏硅外表面上自发形成的固体电解质界面（SEI）层，从而引起不良副反应。因此，尽管硅纳米颗粒提供了新的机遇，但克服相关问题至关重要。
近日，西江大学Jaegeon Ryu，浦项科技大学Soojin Park重点总结了纯硅负极开发中取得的重大进展，特别关注特征尺寸。
本文要点：
1）自纳米级硅出现以来，以下纳米技术在通过纳米/微米结构生长颗粒方面发挥了至关重要的作用。同样，块状硅微粒由于其实用优势而逐渐通过后工程方法浮出水面。
2）研究人员简要讨论了块体硅工程和纳米/微米结构的代表性示例的特殊特征，所有这些都旨在克服内在的挑战，例如限制大的体积变化和稳定电化学循环过程中SEI的形成。随后，研究人员概述了推进纯硅负极以纳入高质量负载和高能量密度的指南。重要的是，这些进步需要卓越的材料设计和特殊电池组件的结合，以确保兼容性并产生协同效应。
Minjun Je, et al, Constructing Pure Si Anodes for Advanced Lithium Batteries, Acc. Chem. Res., 2023
DOI: 10.1021/acs.accounts.3c00308
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.3c00308
7. EES：利用摩擦电纳米发电机自行回收废旧磷酸铁锂电池
磷酸铁锂电池（LFP）占全球锂离子电池（LIB）市场份额的32%以上，由于其中的宝贵元素资源和环境问题，导致其回收利用引起了人们的极大关注。然而，最先进的回收技术通常基于电化学或化学浸出方法，存在繁琐的程序、巨大的化学/电力消耗和二次污染等关键问题。在这里，中国科学院Wang Jie报道了一种自供电系统，该系统由电化学LIB回收反应器和用于回收废LFP的摩擦电纳米发电机（TENG）组成。
本文要点：
1) 在电化学LIB循环反应器中，作者采用在NaCl溶液中电化学产生的Cl−/ClO−对作为氧化还原介质，在没有额外化学物质的情况下，通过氧化还原靶向反应将LFP分解为FePO4和Li+。
2) 此外，TENG利用LIBs中丢弃的组件，包括外壳、铝塑膜和集电器，旨在大幅减少二次污染物。TENG通过收集风能，可以输出0.21W，从而为电化学回收系统供电和为电池充电。因此，所提出的废LFP回收系统具有高纯度（Li2CO3，99.70%和FePO4，99.75%）、自供电特性、简化处理程序和高利润的特点，从而可以促进LIB技术的可持续发展。
Baofeng Zhang, et al. Self-powered recycling of spent lithium iron phosphate batteries via triboelectric nanogenerator. EES 2023
DOI: 10.1039/D3EE01156A
https://doi.org/10.1039/D3EE01156A
8. EES：调节单原子催化剂第一配位层之外的非金属物质以实现高性能电催化
单原子电催化剂(SACS)的局部微环境决定了其活性和选择性。虽然以前的研究主要集中在金属中心的第一配位壳层(FCS)，但FCS以外的功能物种(如非配位杂原子掺杂剂、官能团、本征缺陷和配体空位)可以通过与金属原子/吸附物的远程相互作用来影响甚至决定SACs的电催化性能。这篇文章旨在提供一个最新的进展，以规范非金属物种超出FCS(NSBF的SACs)。
近日，湖南大学Shiguo Zhang首先根据它们与金属原子的距离来定义NSBF。然后讨论了在碳骨架、金属有机骨架、共价有机骨架和固定化分子催化剂SACs中构建NSBF的各种策略。
本文要点：
1）研究人员进一步建立了表征协议。从远程电子诱导效应、作为活性中心的空间位阻效应、协同吸附效应、电导增强效应、稳定性改善等方面分析了NSBF的促进作用。
2）研究人员重点介绍了氧还原/放出、二氧化碳还原和其他电催化反应的结构-活性相关性。总结了涉及动态演化的NSBF的原位表征。最后，对NSBF的精确合成、直接表征、模型构建、动态变化研究和更广泛的应用进行了展望。
Wenpeng Ni, et al, Regulating Nonmetallic Species Beyond the First Coordination Shell of Single-Atom Catalysts for High-Performance Electrocatalysis, Energy Environ. Sci., 2023
DOI: 10.1039/D3EE02090H
https://doi.org/10.1039/D3EE02090H
9. EES：具有分级孔隙度的疏水化电纺纳米纤维作为整体气体扩散电极用于膜电极组件中的全 pH 二氧化碳电还原
传统的层压结构气体扩散电极（GDE）在提高电催化二氧化碳还原效率方面取得了巨大成功，但仍然存在分层、溢流、盐沉淀以及活性位点利用率有限等问题。在此，苏州大学Yang Peng，Fenglei Lyu通过静电纺丝制造了具有分级孔隙率的整体GDE（NiNF），其中包含嵌入欠配位Ni-N-C活性位点的CNT增强碳纳米纤维。
本文要点：
1）纳米纤维经过聚四氟乙烯 (PTFE) 热处理，附加表面疏水层，使 GDE 能够在流通池和膜电极组件 (MEA) 中适应广泛的 pH 值。
2）凭借整体结构、分级孔隙率和高活性催化位点，优化的 NiNF GDE 实现了近乎一致的 CO 法拉第效率，在碱性和酸性流中分别提供 282 ± 9 和 362 ± 10 mA cm-2 的峰值电流密度。
3）更重要的是，疏水化整体GDE在中性MEA中稳定运行超过273小时，总能源效率为38%，在酸性MEA中单程CO2转化率为78%。
这项工作通过 GDE 设计的创新为工业规模的二氧化碳电解铺平了道路。
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, Energy Environ. Sci., 2023
DOI: 10.1039/D3EE01866K
https://doi.org/10.1039/D3EE01866K
10. Nano Letters：用于氢气分离的单层富勒烯膜
氢分离膜是新兴氢经济的关键组成部分，为氢气的纯化和生产提供节能的解决方案。受最近发现的单层共价富勒烯网络的启发，范德比尔特大学De-en Jiang从浓度梯度驱动的分子动力学中证明，准方格单层富勒烯膜提供了最佳的孔径匹配、独特的漏斗形孔和熵选择性。
本文要点：
1）这些特性的结合使得这些膜有望从二氧化碳和氧气等较大气体中分离出氢气。
2）该超薄膜表现出优异的氢渗透性以及对 H2/CO2 和 H2/O2 分离的高选择性，大大超过了 2008 年 Robeson 上限。
研究工作指出了一个有前途的方向，即使用单层富勒烯网络作为膜，用于水分解等过程的高性能、选择性氢分离。
Yujing Tong, et al, Monolayer Fullerene Membranes for Hydrogen Separation, Nano Lett., 2023
DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01946
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01946
11. ACS Nano：通过共混纺丝辅助冷冻铸造可定制弹性多功能石墨烯气凝胶
石墨烯气凝胶因其独特的物理性质而受到广泛关注，但其较差的机械性能和功能性的缺乏阻碍了其高级应用。在这项研究中，新加坡国立大学Yong Yang，Wei Zhai提出了一种共混纺丝辅助冷冻铸造（BSFC）策略，将颗粒改性碳纤维纳入石墨烯气凝胶中，以实现机械强化和功能增强。
本文要点：
1）这种方法为创建可定制的多材料、多尺度结构石墨烯气凝胶提供了很大的自由度。例如，制造了碳化硅颗粒改性碳纤维增强石墨烯（SiC/CF-GA）气凝胶。所得气凝胶具有优异的性能，例如超轻、高弹性和抗疲劳压缩性（50% 应变下 1000 次循环）。同时，增强的弹性激发了 SiC/CF-GA 气凝胶的有效应变传感能力，灵敏度为 13.8 kPa−1 。
2）由于SiC颗粒的掺入而产生的可调节介电性能赋予SiC/CF-GA气凝胶具有宽带（8.0 GHz）有效电磁波衰减性能。此外，可以通过 BSFC 策略将不同的颗粒纳入石墨烯气凝胶中，从而实现可定制的设计。此外，改性气凝胶还表现出吸音、隔热、防火、防水等多功能性，进一步丰富了其实用性。
因此，BSFC 策略为制造用于先进功能应用的改性石墨烯气凝胶提供了定制的解决方案。
Yijing Zhao, et al, Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting, ACS Nano, 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c02491
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02491
12. ACS Nano综述：刺激响应型功能微/纳米机器人
香港中文大学王潇朴教授对刺激响应性功能微/纳米机器人相关研究进行了综述。
本文要点：
1）刺激响应型功能微/纳米机器人(srFM/Ns)是一类智能、高效、发展前景广阔的微型机器人，其可以对外部刺激(如温度、光、超声、pH、离子和磁场)做出响应并执行指定任务。通过自适应转化为相应的功能形式，srFM/Ns可以完美地匹配不同应用的需求，进而在靶向治疗、生物检测、组织工程等领域中表现出重要的作用。因此，有必要对这些智能srFM/Ns的研究现状进行概述，从而进一步推动该领域的发展。
2）作者在文中对刺激响应型功能微/纳米机器人的响应机制、可实现的功能以及相关的应用等方面的研究进展进行了综述，并重点介绍了不同刺激形式的优缺点；此外，作者也讨论了srFM/Ns目前所面临的挑战以及相应的解决策略，旨在加快该领域的研究和发展，并推动srFM/Ns走向实际应用。
Yan Zhou. et al. Stimuli-Responsive Functional Micro-/Nanorobots: A Review. ACS Nano. 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c01942
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01942
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