顶刊日报丨李巨、黄云辉、刘斌、刘生忠、余桂华等成果速递20230912
纳米人
2023-09-14
1. Acc. Chem. Res.：表面活性剂大气气溶胶代理中的分子自组织 气溶胶在大气中无处不在。在室外，它们通过云滴形成参与气候系统，造成室内和室外空气污染，影响人类健康和人为环境变化。在室内环境中，烹饪和清洁等常见活动会形成气溶胶。人们最多可以花费大约。他们 90% 的时间都在室内，尤其是在西方世界。因此，除了室外气溶胶之外，还需要了解室内气溶胶的处理方式。表面活性剂对气溶胶排放产生重大影响，其来源范围从烹饪到海浪。这些分子通过改变水滴的表面张力来改变云滴形成潜力，从而提高其生长能力。它们还可以覆盖固体表面，例如窗户（“窗户污垢”）和灰尘颗粒。由于与室外环境相比，此类表面膜具有更高的表面积与体积比，因此在室内更为重要，从而增加了表面膜与污染物相互作用的可能性。油酸是一种常见的烹饪和海洋排放物，它可以自组织成一系列 3D 纳米结构。这些纳米结构具有高粘性，因此会影响气溶胶和薄膜老化的动力学（即吸水和氧化）。与基于实验室实验的预测相比，油酸较长的大气寿命仍然存在差异。伯明翰大学Christian Pfrang开展了一系列实验和建模工作，重点关注大气中表面活性剂自组织的新颖命题。自组织代理被研究为纳米到微米薄膜、悬浮液滴和块状混合物。1）大气中丰富的表面活性剂可以在大气气溶胶中常见的其他化合物存在的情况下自组织成一系列粘性纳米结构。2）表面活性剂自组织显着降低了有机相的反应性，增加了这些表面活性剂分子和其他颗粒成分的化学寿命。3） 虽然在广泛的条件和成分中发现了自组装，但观察到的特定纳米结构对混合物成分高度敏感4）在反应颗粒和薄膜的表面上形成产物材料的“外壳”，限制反应气体向颗粒或薄膜本体的扩散以及随后的反应性。这些发现表明，危险的反应性物质可能会在高粘性外壳下的气溶胶基质中受到保护，从而延长了其他短暂物种的大气停留时间。
Adam Milsom, et al, Molecular Self-Organization in Surfactant Atmospheric Aerosol Proxies, Acc. Chem. Res., 2023DOI: 10.1021/acs.accounts.3c00194https://doi.org/10.1021/acs.accounts.3c00194
2. Chem. Rev.：用于荧光传感和成像的零维碳纳米材料
纳米技术和纳米材料的进步引起了人们的极大兴趣，并在不同领域的科学创新中发挥着关键作用。特别是，人们越来越关注表现出多种扩展结构和独特性能的碳基纳米材料。在这些材料中，包括富勒烯、碳纳米洋葱、碳纳米金刚石和碳点在内的零维结构具有优异的生物亲和力和优异的荧光特性，使这些结构适合应用于环境和生物传感、成像和治疗。近日，西北大学Jianli Li系统综述了零维碳纳米材料的分类和结构特性、设计原理和制备方法、光学特性和传感应用。1）最近在重金属污染物、有害物质和生物活性分子的灵敏和选择性传感和成像方面取得的有趣突破，以及在信息加密、超分辨率和光声成像、光疗和纳米药物输送方面的应用是本次综述的主要焦点。2）最后，作者强调并展望了这些材料的未来挑战和前景。这篇综述为设计、开发和应用基于零维碳纳米材料制造的迷人荧光传感器以满足众多研究领域的特定要求提供了全面的基础和方向。
Zheng Yang, et al, Zero-Dimensional Carbon Nanomaterials for Fluorescent Sensing and Imaging, Chem. Rev., 2023DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00186https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00186
3. Nature Commun.：用于功能化异质界面对称工程的各向异性范德华电介质
范德华电介质是凝聚态物理和先进电子应用的基础材料。大多数电介质具有晶体或非晶形式的各向同性结构，并且只有少数研究考虑了电介质中各向异性晶体对称性的作用，作为调节沟道材料电子性能的微妙方法。在这里，南京大学Hongtao Yuan，北京航空航天大学Peizhe Tang，东京大学Toshiya Ideue展示了一种层状各向异性电介质SiP2，它具有非对称双旋转C2对称性作为栅极介质，可以打破MoS2原始的三重旋转C3对称性，从而在SiP2/MoS2上实现意想不到的线偏振光致发光和各向异性二次谐波产生接口。1）与原始MoS2的各向同性行为相反，在SiP2门控MoS2晶体管中可以实现并调制各向异性指数高达1000的大电导各向异性。2）理论计算表明，此类界面处的各向异性莫尔势是造成巨大各向异性电导和光学响应的原因。研究结果提供了一种通过对称工程在介电/半导体界面生成奇异功能的策略。
Li, Z., Huang, J., Zhou, L. et al. An anisotropic van der Waals dielectric for symmetry engineering in functionalized heterointerfaces. Nat Commun 14, 5568 (2023).https://doi.org/10.1038/s41467-023-41295-6
4. EES：用于锂离子电池精密接触预锂化的大面积锂金属碳纳米管膜
预锂化是提高锂离子电池能量密度和循环寿命的一种方法，而薄锂箔石墨阳极的接触预锂化技术是一种极具潜力的技术。然而，生产5μm以下的薄锂箔极具挑战性，并且其难以实现与锂金属的精确预硫化。此外，纯薄Li箔存在诸如低锂利用率、碎片形成和可扩展性问题等缺点。为了应对这些挑战，麻省理工学院李巨、华中科技大学黄云辉、中国科学院Zhang Yongyi、同济大学Wang Chao开发了一种简单的刮刀方法，将熔融的锂浇铸到碳纳米管（CNT）膜上，从而形成薄而超轻的Li-CNT膜。1) 锂化引起CNT膜的亲锂性增加使得熔融锂能够均匀地浇铸到其表面上。该方法通过控制铸造锂的量，实现了0.1至1.12 mAh cm−2或更高范围的可调节锂容量。由于其特殊的导电网络、多孔结构和亲电解质性质，Li-CNT膜具有高比容量和近100%的锂利用率，这有助于电子和锂离子的有效传输。2) 当其与约3.3 mAh cm−2的商用LFP电极配对时，Li-CNT膜将LFP||Gr全电池的初始库仑效率从89%提高到100%，完全补偿了由固体电解质界面形成而引起的活性锂离子损失。此外，Li-CNT薄膜具有优异的机械性能，使其更有利于锂离子电池实际应用。
Chao Wang, et al. Large-Area Lithium Metal-Carbon Nanotube Film for Precise Contact Prelithiation in Lithium-ion Batteries. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01725G
5. EES：具有双位氢键和调节Zn2+溶剂化结构的廉价电解质
水性锌离子电池（AZIB）由于其高安全性、低成本和环境友好性，在大规模储能方面具有巨大前景。然而，其在低温下会冷冻含水电解质。在此，南京工业大学吴宇平、首都师范大学Han Peng报道了一种低成本、安全、高介电常数的共溶剂（甲酰胺（FA）），其作为氢键受体和供体，并与廉价的锌盐（乙酸锌）一起引入，使该混合电解质在冷冻环境下具有低于-40℃的低凝固点和高离子电导率。1) 实验和理论计算表明，FA可以有效地将水分子锚定在双位点氢键相互作用构型中，并中断原有的氢键网络，以及限制自由水的活性，从而显著降低电解质的冰点，减少析氢反应的发生。此外，FA和Zn2+之间的强配位相互作用可以调节Zn2+的溶剂化结构，取代Zn2+溶剂化鞘中的水，实现均匀的Zn沉积，避免枝晶的形成，抑制Zn表面的腐蚀。2) 在–30℃的Zn||Zn对称电池中，作者在0.5 mA cm–2下实现了9500小时的超长循环寿命，并在Zn||Cu不对称电池中实现了99.91%的高库仑效率。此外，采用所设计电解液的Zn||PANI电池在–30℃下具有超稳定的可逆容量和优异倍率性能。即使在-40℃下，Zn||PANI电池也能在5 A g-1下以80mAh g-1的容量循环6000次。
Chaolin You, et al. Inexpensive Electrolyte with Double-site Hydrogen Bonding and Regulated Zn2+ Solvation Structure for Aqueous Zn-Ion Batteries Capable of High-rate and Ultra-long Low-Temperature Operation. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01741A
6. Angew：可活化的I型光敏剂与淬灭光敏前后光动力治疗
光敏剂（PS）在光动力疗法（PDT）前后的光毒性以及乏氧的肿瘤微环境是限制PDT应用的两个主要问题。虽然可激活的PS可以成功地解决PDT前的PS光毒性，并且I型PS可以在缺氧环境中有效地产生活性氧（ROS），但解决PDT后的光毒性的方法非常有限。新加坡国立刘斌和浙江大学平渊提出了一种概念验证的按需可切换光敏剂，其在PDT前后具有淬灭的光敏剂作用，并且只能在肿瘤乏氧环境中被激活。1）研究设计了乏氧-常氧循环响应的I型PS TPFN-AzoCF3来证明上述概念，并使用DSPE-PEG-2000作为封装基质将其进一步配制成TPFN-AzoCF3纳米颗粒（NP）。2）NPs只能在乏氧肿瘤中被激活，在PDT治疗期间产生I型ROS，但在正常组织中，无论是在PDT之前还是之后，NPs都是无毒的，从而最大限度地减少副作用并提高治疗效果。3）在体外和体内肿瘤治疗中也验证了上述概念，这一策略将为未来设计更多副作用最小化的按需可切换光敏剂铺平道路。
Jianwu Tian, et al. Activatable Type-I Photosensitizer with Quenched Photosensitization Pre and Post Photodynamic Therapy. Angew. 2023DOI：10.1002/anie.202307288https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202307288
7. Angew：可重复使用的铁单原子催化剂的水促进碳-碳键断裂
以绿色的方式开发热力学稳定的C-C/C=C键的选择性裂解反应的方法是一个极具挑战性的研究领域，在很大程度上还没有被探索。在这里，莱布尼茨催化研究所Matthias Beller，Kathrin Junge提出了一种具有高度分散的铁中心的非均相Fe-N-C催化剂，它允许胺、仲醇、酮和烯烃在空气(O2)和水(H2O)存在下的氧化C-C/C=C键断裂。1）机理研究表明，水的存在对Fe-N-C系统的性能至关重要，将产品产率从1%提高到90%。2）结合光谱表征和对照实验表明，O2和H2O分别生成的单重态1O2和氢氧化物物种选择性地参与了C-C键的断裂。3）广泛的适用性(>40例)，即使对于复杂的药物，以及在相对温和的条件下的高活性、选择性和耐用性，突出了这一独特的催化系统。
Haifeng Qi, et al, Water-Promoted Carbon-Carbon Bond Cleavage Employing a Reusable Fe Single-Atom Catalyst, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311913DOI: 10.1002/anie.202311913https://doi.org/10.1002/anie.202311913
8. AM：了解高性能太阳能电池钙钛矿结晶的微观结构发展
薄膜器件中的溶液结晶引起了钙钛矿太阳能电池等各个领域的广泛兴趣。然而，由于退火过程中晶粒簇生长的原位观察困难，详细的钙钛矿结晶动力学仍不清楚。在这里，陕西师范大学刘生忠教授，Ran Chen，香港城市大学Jiaxue You展示了开发的原位激光扫描共焦偏振显微镜，具有温度控制阶段，用于观察钙钛矿晶体簇的成核和生长。1）研究发现，液晶与钙钛矿的相互作用增强，形成了一种新的中间复合物，根据 Avrami 方程，该复合物诱导扩散控制生长。2）延迟的团簇生长（63 nm/s）源于退火过程中扩散活化能增大至 40 kJ/mol，而对照膜的扩散活化能为 152 nm/s 和 37 kJ/mol。最后，具有增强晶体学和光学特性的优化钙钛矿薄膜应用于太阳能电池，实现了 24.53% 的冠军效率、1.172 V 的开路电压 (VOC) 和 82.78% 的填充因子 (FF)。没有任何保护的裸器件在环境环境中老化6600小时后仍保持其初始效率的89%。这项工作意味着使用荧光显微镜进行原位观察对于理解薄膜器件中的结晶动力学至关重要。
Yabin Ma, et al, Understanding microstructural development of perovskite crystallization for high performance solar cells, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202306947https://doi.org/10.1002/adma.202306947
9. AM：通过与二维共价有机框架的层间耦合增强单层 MoS2 中的载流子传输
将不同的二维材料(2DM)耦合形成范德华异质结构(vdWH)是调整二维半导体电子特性的强大策略，适用于光电子和量子计算应用。二维二硫化钼(MoS2)代表了一种典型的半导体、单层厚多功能平台，用于生成混合vdWH，通过其与分子及其组件的界面可调节电荷传输特性。然而，（大）分子在二维MoS2上的物理吸附产生的杂化物具有有限的热稳定性，从而危及其技术应用。在此，斯特拉斯堡大学Paolo Samor报道了二维共价有机框架（2D-COF）的合理设计和优化合成，用于生成具有强层间耦合效应的MoS2/2D-COF vdWH。1）2D-COF薄膜的高结晶度使得在MoS2上设计超稳定的周期性掺杂效应成为可能，从而提高了器件在室温下的场效应迁移率。2）这种性能的提高可归因于有效的界面电子转移过程和对MoS2晶格振动的显着抑制的协同效应。这项概念验证工作验证了一种前所未有的方法，可以有效调制二维过渡金属二硫属化物的电子特性，从而实现CMOS数字电路的高性能（光）电子学。
Can Wang, et al, Enhancing the Carrier Transport in Monolayer MoS2 through Interlayer Coupling with 2D Covalent Organic Frameworks, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202305882https://doi.org/10.1002/adma.202305882
10. AM：基于混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的超高响应度自供电紫外光电探测器
自供电光电探测器（PD）具有无需外部电源、无线操作、寿命长等优点。自发铁电极化可以显着增加内置电场强度，在自供电光电探测中显示出巨大的潜力。此外，铁电体具有热释电和压电特性，有利于增强自供电PD。二维金属卤化物钙钛矿（MHP）具有铁电特性，适合制造高性能自供电PD。然而，二维金属卤化物钙钛矿铁电体的研究主要集中在块状晶体的生长上。在此，河北大学Zheng Yang，Shufang Wang，中国科学院北京纳米能源与系统研究所Caofeng Pan通过混合RP型和DJ型钙钛矿，展示了具有混合间隔阳离子的2D铁电钙钛矿薄膜，用于自供电PD。1）(BDA0.7(BA2)0.3)(EA)2Pb3Br10薄膜总体上具有最好的薄膜质量，具有最好的结晶质量、最低的陷阱密度、良好的相纯度和明显的铁电性。2）基于铁热光电子效应，360 nm PD表现出优异的光电特性，具有超过93 AW-1的超高峰值响应度、2.5×1015 Jones的探测灵敏度，以及优异的重现性和稳定性。最大响应度可以通过压电光电子效应进行调制，有效增强率为480%。研究工作将为高性能PD设计MHP铁电薄膜开辟一条新途径，并提供将其用于各种光电应用的机会。
Linjuan Guo, et al, A Self-Powered UV Photodetector with Ultrahigh Responsivity based on Two-Dimensional Perovskite Ferroelectric Films with Mixed Spacer Cations, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202301705https://doi.org/10.1002/adma.202301705
11. AM：二维晶体中的原子级图案化和电阻切换工程及其在图像处理中的应用
二维层状材料的超薄厚度可以控制其周期性介电结构，已被证明具有大规模精确控制局域原子和电子环境的能力，从而为实现定制材料特性和设备功能。在这里，武汉大学Jun He和Ruiqing Cheng，Zhenxing Wang通过利用非等价铜位点的键合差异报告了超离子碲化亚铜中可扩展的原子尺度图案。1）受益于有序和无序亚晶格的自然耦合，研究人员通过设计的晶体结构和电接触实现了可控的类压电多级开关和双极开关，并展示了它们在图像增强中的应用。2）这项工作扩展了已知类别的可图案化晶体和原子开关器件，并开创了忆阻器图像处理的前沿。
Lei Yin, et al, Engineering atomic-scale patterning and resistive switching in two-dimensional crystals and application in image processing, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202306850https://doi.org/10.1002/adma.202306850
12. Nano Letters：通过双向冷冻铸造实现可扩展快速充电对齐电池电极
近年来，锂离子电池在电动交通领域得到广泛应用。同时，得益于材料科学和封装技术的发展，锂离子电池组的能量密度也得到显着提高。尽管电动汽车巡航范围最近取得了进展，但电池充电速率的提高仍然是具有商业级质量负载的电极的关键问题。在此，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授，Bowen Zhang开发了一种可扩展的策略，将双向冷冻铸造纳入传统的流延方法中，以制造具有对齐结构的能量密集、快速充电的电池电极。1）双向冷冻铸造电极中的垂直层状结构可以进行卷对卷压延，形成倾斜但对齐的通道。2）这些通道为充满电解质的孔隙中有效的锂离子传输提供了定向通道，从而实现了快速充电能力。在这项工作中，研究人员不仅提供了一种简单但可控的方法来构建用于快速充电的对齐电极架构，而且还强调了可扩展性在电极制造考虑因素中的重要性。
Zhengyu Ju, et al, Scalable Fast-Charging Aligned Battery Electrodes Enabled by Bidirectional Freeze-Casting, Nano Lett., 2023DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03040https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03040
