前沿科技顶刊日报 20180927

纳米人

2018-09-27

1. 道法自然，江雷/陈华伟Nat. Mater.：发现超快速水捕获和运输

在自然界中，有很多神奇的材料天然就具有微纳米结构，能够允许水的定向运输和捕获。陈华伟和江雷院士团队发现在瓶子草毛状体的表面，水的运输速度比在仙人掌脊柱和蜘蛛丝上的速度快三个数量级左右，这种优异的性能来源于瓶子草毛状体独特的多级次微通道结构。研究表明，具有两种不同高度类型的肋条规则地分布在毛状体锥体周围，其中两个相邻的高肋形成了包含1-5个低肋的大通道，低肋限定较小的基通道，导致产生了两种连续但不同的水输送模式。建模和实验测试表明，这种受生物启发的多级次微通道中的超快速水输送机制有望在微流体应用中发挥巨大的潜力。

Chen H, Ran T, Gan Y, et al. Ultrafastwater harvesting and transport in hierarchical microchannels[J]. Nature Materials, 2018.

DOI: 10.1038/s41563-018-0171-9

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0171-9

2. 刘洪阳/马丁JACS：单原子Pd用于乙炔选择性氢化

中科院沈阳金属研究所刘红阳课题组和北京大学马丁课题组成功在缺陷态的石墨烯上负载原子级Pd催化剂，实现了乙炔90%高选择性氢化制乙烯。表征发现，单原子Pd通过与石墨烯缺陷周围的C相互作用，从而内嵌其中。如此特殊的结构成功降低了C₂H₄*组分的吸附力，这对加氢反应的选择性起到了至关重要的作用。

Huang F, Liu H, Ma D, et al. Atomically dispersed Pd on nanodiamond/graphene hybrid for selective hydrogenation of acetylene[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018.

DOI: 10.1021/jacs.8b07476

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b0747

3.南开大学AM：多级次银纳米线-石墨烯载体实现高性能锂金属复合负极

金属锂负极是下一代高能量密度电池的不二之选，但是其商业化应用由于长期循环性能不佳和受限的充放电倍率而受到阻碍。近日，南开大学的梁嘉杰教授团队将双层网状银纳米线组装在交联石墨烯骨架中构建了一种三维多孔结构的金属锂负极载体，这种设计能够有效促进锂金属电池的充放电倍率的提高和长期循环稳定性的改善。优化材料组分与多级次双层网络的有机结合能够为金属锂的沉积提供快速连续的电子通道和无势垒成核位点。这种结构还表现出杰出的机械性能来支撑大载量的金属锂的沉积，同时可以缓冲长期重复沉积/剥离过程中的内部应力。因此，采用这种多级次载体的复合负极能够促使对称电池在40 mA/cm²的电流密度下顺利的循环超过1000周而极化电压小于120 mV。将其与NCM523匹配组装成全电池后的电化学性能也十分优异。

Xue P, Liu S, et al. A Hierarchical Silver-Nanowire–Graphene Host Enabling Ultrahigh Rates and Superior Long-Term Cycling of Lithium-Metal Composite Anodes[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201804165

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804165?af=R

4. 湖南大学AM：核壳型PbSe@CsPbBr₃线异质结构的外延生长

Fan, C.等人利用化学气相沉积途径，成功地制备出CsPbBr₃包覆PbSe线的核壳异质结构。PbSe线尖端的Pb颗粒催化剂为CsPbBr₃的原位快速生长提供成核位点。CsPbBr₃壳体沿着PbSe线从尖端到底部的定向生长。光谱等表征手段揭示从壳到核的有效光生载流子转移的机制。基于异质结构的光电探测器在405 nm光照下展示出高达4.7×10⁴ AW^-1的响应度，并且在近红外光激发下具有波长相关的光电流极性。

Fan C, et al. Controllable Epitaxial Growth of Core-Shell PbSe@CsPbBr₃ Wire Hetero structures[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201804707

https://doi.org/10.1002/adma.201804707

5. JACS：三维几何结构的电催化纳米粒子作为纳米酶

酶的特征是具有活跃的位点，它可以被嵌入蛋白质外壳内来产生一个具有高反应频率的纳米结构。Benedetti等人用带有孤立底物通道的PtNi纳米粒子来增加氧还原反应的电催化活性，结果发现PtNi纳米粒子具有油胺封顶层，它会阻挡参与催化反应的表面。因此氧化还原主要发生在通道内，这也就提供了一种被限制的纳米级别的反应体积。与未蚀刻的纳米粒子相比，这种纳米酶的氧还原反应活性提高了3.3倍，而与具有相互连通孔隙的介孔PtNi纳米粒子相比，其反应活性也增加了2.1倍。

Benedetti T M, Andronescu C, etal. Electrocatalytic nanoparticles that mimic the three dimensional geometric architecture of enzymes: Nanozymes[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018.

DOI: 10.1021/jacs.8b08664

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b08664

6. 樊春海＆赵春常Nano Lett.：H₂S激活的近红外II区荧光纳米材料用于癌症光热治疗

近红外（NIR）II区荧光试剂对深层组织光热疗法（PTT）有很大的应用价值，但也仍然受到PTT固有的非特异性和毒性问题的困扰。为了应对这一挑战，Shi等人开发了一种硫化氢（H₂S）激活的纳米光热剂（Nano-PT）用于特定位点的NIR-II区荧光导向的结肠直肠癌（CRC）治疗。体内研究表明，这种纳米探针会在富含H₂S 的CRC组织中被激活，而在正常组织中则是非功能性的。Nano-PT的不仅具有比传统荧光探针更深层的组织渗透能力，而且能产生高NIR吸收从而在NIR激光照射下进行有效的光热转换。实验利用这一Nano-PT在肿瘤小鼠建立了NIR-II区成像指导的PTT，使得肿瘤完全被治愈。这一研究为探索癌症生物标志物激活的PTT提供了新的思路。

Shi B, Yan Q, et al. Hydrogen Sulfide-Activatable Second Near-Infrared Fluorescent Nanoassemblies for Targeted Photothermal Cancer Therapy[J]. Nano Letters, 2018.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02767

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02767

7.武汉大学AFM：肽基多功能纳米材料用于肿瘤成像和治疗

在过去的十年中，肽基纳米材料被认为是用于肿瘤成像和治疗的生物医学材料中的关键一员。由于其优良的生物相容性、多样的生物活性、潜在的生物降解性、特殊的生物识别能力以及易于化学改性的特点，使得目前对多肽和肽衍生物的研究得到了快速的发展。Zhang等人综述概述了目前有关肽基多功能纳米材料的设计和它们在生物医学领域中的发展现状，重点介绍了在不同治疗方法中对它们的巧妙应用。

Zhang C, Wu W, et al.Peptide-Based Multifunctional Nanomaterials for Tumor Imaging and Therapy[J]. Advanced Functional Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adfm.201804492

https://doi.org/10.1002/adfm.201804492

8.孟庆波&李玉良AEM：石墨炔掺杂提高钙钛矿太阳能电池的水稳定性

孟庆波和李玉良课题组将Graphdiyne（GDY）引入到钙钛矿膜中，以构建用于平面钙钛矿太阳能电池（PSC）的钙钛矿/石墨烯（PVSK GDY）本体异质结。该PVSK/GDY异质结可以提供额外的传输通道以促进激子分离并促进光生电子提取，进而提高光生电流。同时，GDY的引入可以钝化晶界和界面以有效地抑制载流子复合，获得更高的填充因子。最终实现高达20.54％的效率。此外，这种PVSK/GDY异质结的钙钛矿膜有优异的水稳定性。

Li H, Zhang R, et al.Graphdiyne-Based Bulk Heterojunction for Efficient and Moisture-Stable Planar Perovskite Solar Cells[J]. Advanced Energy Materials, 2018.

DOI: 10.1002/aenm.201802012

https://doi.org/10.1002/aenm.201802012

9. AEM：自组装空穴传输层用于高效钙钛矿光伏器件

基于钙钛矿的太阳能电池（PSCs）的空前出现伴随着对用于电荷选择性接触的合适材料的深入研究。Magomedov, A.等人在倒置PSC器件中首次使用自组装单层（SAM）作为无掺杂剂空穴传输层，效率高达17.8％，平均填充因子接近80 %，并且未检测到寄生吸收。通过简单地将基板浸入新型分子V1036的溶液中，由其的膦基基团锚定结合到ITO表面来实现SAM的形成。

Magomedov A, Al-Ashouri A, etal. Self-Assembled Hole Transporting Monolayer for Highly Efficient Perovskite Solar Cells[J]. Advanced Energy Materials, 2018.

DOI: 10.1002/aenm.201801892

https://doi.org/10.1002/aenm.201801892

10. Nano Energy：锂电池中层状正极材料快速充放电状态下的化学机械相互作用

形貌缺陷会导致长期以及剧烈的电池性能突变。这些形貌缺陷牵涉到多维度下与材料内部机械应力相关的化学-机械偶联相互作用。由结构各向异性、化学和充电态的不均匀性诱发的机械应力会通过形成裂纹的方式 ，同时会逐渐破坏离子电子的扩散通道，创造出新的界面副反应。当前对于机械化学相互作用的理解一直停留在描述水平上，因此对其进行量化或建模是十分重要的。Liu等系统地研究了在快速充电状态下NCM622材料二级颗粒介观尺度下形貌缺陷的演变。他们借助先进的同步辐射X射线断层扫描技术，无损地穿透二级颗粒的内部体积，并量化了裂纹形成的形貌结果，如孔隙率和内部表面积等。研究发现，颗粒内部离子电导率和电子电导率的不匹配会造成整个二级颗粒上充电态的不均匀分布。

Xia S, Mu L, et al. Chemomechanical Interplay of Layered Cathode Materials undergoing Fast Charging in LithiumBatteries[J]. Nano Energy, 2018.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.09.051

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518306955?dgcid=rss_sd_all

11.Energy Storage Materials：为锂金属电池设计刚柔并济的保护层

合理的设计具有低阻抗、高机械强度、良好界面相容性的人工保护层对于抑制锂枝晶的生长十分迫切。浙江大学的陆盈盈教授团队近日报道了一种采用浸渍铸造方法制备的2.5微米厚的锂化Nafion-LiCl界面膜（NLI）。这种柔软的界面膜能偶提供快速地离子通道和良好的界面相容性，同时其内部LiCl可以作为机械模量增强剂来抵抗严重的界面波动、抑制锂枝晶的生长。凭借以上优良的性质，这种NLI膜能够确保Li-Li对称电池在8 mA/cm²的高电流密度下正常工作，钛酸锂和磷酸铁锂全电池同时也能够实现超长的循环寿命。

Li S, Fan L, Lu Y, et al. Rational Design of Robust-Flexible Protective Layer for Safe Lithium Metal Battery[J]. Energy Storage Materials, 2018.

DOI: 10.1016/j.ensm.2018.09.015

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829718309012?dgcid=rss_sd_all

12.胡勇胜JMCA：抑制P2型铁基钠离子电池正极材料的电压衰降

含Fe、Mn等元素正极材料的可充钠离子电池是未来大规模储能设备的有力竞争者。然而，P2型铁基正极材料在电池工作过程中会经历严重的电压下降，这是Fe³⁺向相邻的四面体位点迁移造成的。在本文中，胡勇胜研究员等制备了两种Cu元素掺杂的铁基层状氧化物正极材料Na_0.7[Cu_0.15Fe_0.3Mn_0.55]O₂ 和 Na_0.7[Cu_0.2Fe_0.2Mn_0.6]O₂。他们利用原位XRD、X射线PDF、软硬X射线吸收光谱等手段发现，铁基层状氧化物正极材料的电压下降是由动力学原因造成的。动态相变可由更高的截止电压而引发，同时部分不可逆的Fe迁移也会造成电压下降。通过向晶格中掺入过量的Cu元素，可以在保持材料晶体结构稳定性的同时抑制Fe的不可逆迁移。此外，Cu元素的引入还会通过过渡金属元素与配位氧原子之间的关联带来额外的容量，因而补偿了惰性非纯相掺杂造成的容量损失。

Xu S, Wu J, et al. Suppressing the Voltage Decay of Low-Cost P2-Type Iron Based Cathode Materials for Sodium-ion Batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018.

DOI: 10.1039/C8TA07933A

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/TA/C8TA07933A#!divAbstract