​自组装Science Advances，水凝胶Science Advances丨顶刊日报20231115

纳米人

2023-11-16

1. Science Advances：仿生自组装胶体集体在水下三维漂流   

活跃物质系统具有一系列独特的行为，包括集体自组装结构和集体迁移的出现。然而，在没有墙壁边界支撑的空间中实现由合成活性物质形成的集体实体使得在不分散的情况下执行三维（3D）运动变得具有挑战性。受浮游生物迁移机制的启发，香港中文大学Li Zhang，马克斯·普朗克智能系统研究所Metin Sitt提出了人工胶体系统中的双模态驱动策略，即结合磁场和光场。磁场触发磁性胶体颗粒的自组装形成胶体集合体，使众多胶体保持为动态稳定的实体。

本文要点：

1）光场允许胶体集合体通过光热效应产生对流，使它们能够利用流体电流进行 3D 漂移。 

2）这些集体可以在水下进行 3D 运动，在水-空气界面之间移动，并在水面上进行受控运动。

该研究提供了设计智能设备和材料的见解，提供了开发能够在 3D 空间中可控集体运动的合成活性物质的策略。

Mengmeng Sun, et al, Bioinspired self-assembled colloidal collectives drifting in three dimensions underwater, Sci. Adv. 9 (45), eadj4201.

DOI: 10.1126/sciadv.adj4201

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj4201

2. Science Advances：表面活性剂自聚集驱动α-亚油酸钠异质分布一步合成Janus水凝胶    

Janus 粘合水凝胶具有单面粘合特性，在医疗保健领域具有广阔的应用前景。然而，仍然缺乏合成Janus水凝胶的简单方法。在这项研究中，华南理工大学Lijuan Zhang引入了一种创新方法，利用一种基本现象来制备 Janus 水凝胶：高浓度表面活性剂在水-空气界面的自聚集。

本文要点：

1）通过自由基聚合将少量[相对于丙烯酰胺(AM)质量0.8至3.2重量％]的α-亚油酸钠(LAS)与AM结合，合成了Janus粘性水凝胶。

2）Janus水凝胶表现出显着的粘合强度和粘合差异，顶面（84 J m−2 ）比底面强21倍，并且具有优异的伸长率。

3）通过化学成分、表面形貌和分子动力学（MD）模拟等综合实验，研究人员深入研究了水凝胶异质粘附的机制。

这项研究提出了一种简单、有效且创新的制备单面粘合水凝胶的方法。

Huowen Chen, et al, One-step synthesis of Janus hydrogel via heterogeneous distribution of sodium α-linoleate driven by surfactant self-aggregation, Sci. Adv. 9 (45), eadj3186.

DOI: 10.1126/sciadv.adj3186

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj3186

3. Science Advances：用于无线表皮生物传感的单片集成纺织腕带  

允许舒适的表皮接触的纺织生物电子学在非侵入性生物传感方面具有巨大的前景。然而，它们的应用受到限制，主要是因为其固有电阻大且电子集成兼容性低。近日，香港理工大学Zijian Zheng，南方科技大学Yuanjing Lin报告了一种集成腕带，该腕带由单块纺织品中的多功能模块组成，可实现无线表皮生物传感。

本文要点：

1）织物中的金属图案和可靠的互连封装有助于实现与传统柔性设备相媲美的优异导电性、机械鲁棒性和防水性。

2）此外，维护良好的多孔纺织结构可提供 79 mm s^-1 的透气率和 270 g m⁻² day⁻¹ 的透湿率，比医用胶带高一个数量级以上，从而确保卓越的佩戴舒适度。

3）集成的织物腕带可在 0.3 至 40 mM 范围内连续监测汗液钾，且长期稳定，展示了其在可穿戴健身监测和护理点测试方面的巨大潜力。

Xiaohao Ma, et al, A monolithically integrated in-textile wristband for wireless epidermal biosensing, Sci. Adv. 9 (45), eadj2763.

DOI: 10.1126/sciadv.adj2763

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj2763

4. Science Advances：具有固有控制半导体极性的 P 型和 N 型 InAs 纳米晶体  

InAs半导体纳米晶体(NC)表现出适合下一代电子设备的有趣的电/光电特性。尽管此类器件中需要n型和p型半导体，但InAs NC通常仅表现出n型特性。在这里，西江大学Moon Sung Kang，成均馆大学Sohee Jeong，Ji-Sang Park报告了具有受控半导体极性的InAs NC。

本文要点：

1）p型和n型InAs NC都可以由相同的氯化铟和氨基胂前体获得，但通过使用两种不同的还原剂，分别用于p型的二乙基锌和用于n型NC的二异丁基氢化铝。这是在InAs NC和整个半导体纳米晶体系统合成水平上实现半导体极性控制的第一个实例。

2）相应的NC薄膜获得了相当的空穴(3.3×10⁻³ cm²/V·s)和电子(3.9×10⁻³ cm²/V·s)场有效迁移率。迁移率值允许成功制造互补逻辑电路，包括包含基于InAs NC的光图案化p通道和n通道的NOT、NOR和NAND。

Jong Il Yoon, et al, P- and N-type InAs nanocrystals with innately controlled semiconductor polarity, Sci. Adv. 9 (45), eadj8276.

DOI: 10.1126/sciadv.adj8276

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj8276

5. EES：通过自组装单层在宽带隙钙钛矿太阳能电池中实现1.339 V的高开路电压  

严重的开路电压（V_OC）损失阻碍了宽带隙（WBG）钙钛矿太阳能电池（PSC）的性能提高及其在钙钛矿基串联器件中的应用。在此，四川大学Zhao Dewei、厦门大学Tang Weihua开发了一种新型的（4-（5,9-二溴-7H-二苯并[c，g]咔唑-7-基）丁基）膦酸（DCB-BPA）自组装单层，作为WBG PSCs的空穴选择层。    

本文要点：

1) DCB-BPA促进了WBG钙钛矿的后续生长，并改善了界面质量。与基于聚（三芳胺）PTAA的器件相比，由于减少了界面非辐射复合和增强了能级排列，基于DCB-BPA的器件平均V_OC从1.18V提高到1.31V。

2) 此外，认证设备提供了高达1.339V的V_OC和18.88%的功率转换效率（PCE）。通过与1.25-eV低带隙PSC相结合，作者制造出PCE为26.9%的高效全钙钛矿串联太阳能电池，证明了DCB-BPA在串联器件中的良好应用前景。

Zongjin Yi, et al. Achieving a high open-circuit voltage of 1.339 V in 1.77-eV wide-bandgap perovskite solar cells via self-assembled monolayers. EES 2023

DOI: 10.1039/D3EE02839A

https://doi.org/10.1039/D3EE02839A

6. AEM：用于电催化氮循环的富氧空位金属氧化物  

工农业的发展伴随着人为失衡的氮循环，威胁着人类健康和生态环境。电催化系统已经成为一种将含氮分子转化为高附加值化学品的可持续方式。然而，高性能电催化剂的构建仍极具挑战性。近日，湖南大学Chen Chen、Wang Shuangyin、深圳大学Fu Xianzhu对用于电催化氮循环的富氧空位金属氧化物进行了综述研究。

本文要点：

1) 作者系统综述了电催化氮循环系统中富含氧空位金属氧化物的最新进展，包括电催化硝酸盐还原反应、一氧化氮还原反应、氮还原反应、C─N偶联、尿素氧化反应和氮氧化反应。

2) 首先，作者综述了氧空位的构建方法和表征方法。然后，从调节电催化剂的电子结构、提高催化剂的导电性、降低能垒、加强中间物种的吸附和活化等方面讨论了氧空位对金属氧化物电催化活性的影响。最后，作者展望了氧空位工程和电催化氮循环的发展方向。    

Xiaoxiao Wei, et al. Oxygen Vacancies-Rich Metal Oxide for Electrocatalytic Nitrogen Cycle. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202303027

https://doi.org/10.1002/aenm.202303027

7. AEM：用于CO₂选择性电还原为多碳化学品的多壳铜催化剂  

电催化CO₂还原（CO₂R）与可再生电力相结合被认为是能源和化学工业可持续转型的一条有效途径。然而，多碳（C₂₊）产物的产率不能令人满意，从而阻碍了该技术的发展。近日，天津大学Chen Wei、新加坡国立大学Wang Lei报道了一种利用空间限制效应提高CO₂R中C₂₊产物形成产率的策略。

本文要点：

1) 有限元模拟结果表明，增加催化剂中壳层的数量将产生*CO的局部高浓度，并促进C₂₊产物的形成。受此启发，作者合成了具有所需中空多壳结构的Cu纳米颗粒。CO₂还原结果证实，随着壳层数量的增加，中空多壳层铜催化剂对C₂₊产物表现出优异的选择性。

2) 具有4.4壳层的Cu催化剂在900 mA cm⁻²的电流密度下对C₂₊实现了超过80%的高选择性。原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱表明，与商业Cu相比，多壳Cu催化剂表现出增强的*CO覆盖率和与*CO更强的相互作用。该工作为提高CO₂R对增值化学品的选择性提供一种有效方法。

Yukun Xiao, et al. Multi-Shell Copper Catalysts for Selective Electroreduction of CO₂ to Multicarbon Chemicals. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202302556

https://doi.org/10.1002/aenm.202302556    

8. AEM：石墨烯基硫阴极和双盐基稀疏溶液电解质实现高性能、安全、长循环寿命锂硫电池  

锂硫电池（LSB）已成为一种具有成本效益和可持续的解决方案；然而，它们的实际商业化受到一些内在挑战的阻碍。为了克服这些挑战，西班牙巴斯克研究与技术联盟Alexander Santiago报道了高性能2D石墨烯基硫阴极与微溶剂化电解质（SSE）耦合的有效性。

本文要点：

1) 作者发现，掺入双（氟磺酰基）酰亚胺（LiFSI）盐调节的环丁砜和基于1，1，2，2-四氟乙基-2，2，3，3-四氟丙醚的SSE能够形成坚固紧凑的富含氟化锂的固体电解质界面。这改善了锂的相容性，在Li||Cu电池中实现了98.8%的高库仑效率（CE），并实现了薄而致密的锂沉积。

2) 当与高性能2D石墨烯基硫阴极结合时，其具有共生效应，并产生高放电容量、优异的倍率性能、增强的电池稳定性和广泛的温度适用性。此外，该策略的可扩展性通过组装总容量为93mAh、100次循环后的容量保持率为70%、平均CE为99%的高性能单层电池而得到证明。    

Julen Castillo, et al. Graphene-Based Sulfur Cathodes and Dual Salt-Based Sparingly Solvating Electrolytes: A Perfect Marriage for High Performing, Safe, and Long Cycle Life Lithium-Sulfur Prototype Batteries. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202302378

https://doi.org/10.1002/aenm.202302378

9. AEM：用于高性能锂氧电池的分层多孔和最小堆叠石墨烯阴极  

尽管锂氧电池因其极高的能量密度而备受关注，但仍迫切需要对实用锂氧电池的高能量密度阴极进行合理设计和关键评估。在此，日本东北大学Yu Wei、Hirotomo Nishihara展示了无粘合剂阴极的多尺度、从埃到毫米的精确可控合成，该阴极含有无边缘位置的最小堆叠石墨烯。    

本文要点：

1) 所获得的Li–O₂电池基于分级多孔阴极，实际质量负载>4.0 mg cm⁻²，同时表现出优异的比表面积（>30.0 mAh cm⁻²）、质量（>6300 mAh g⁻¹）和体积（>480 mAh cm^–3）容量，以及具有793 Wh kg⁻¹的高能量密度。

2) 原位表征表明，分级孔隙中有一种独特的放电机制，有助于提高电池性能。该电池在0.1至0.8 mA cm⁻²的电流密度范围内具有优异的倍率性能，并在0.4 mA cm⁻²中具有长周期稳定性。该研究深入了解了下一代碳阴极，不仅可用于实际的Li–O₂电池，还可用于其他高能量密度的金属-空气电池。

Wei Yu, et al. Hierarchically Porous and Minimally Stacked Graphene Cathodes for High-Performance Lithium–Oxygen Batteries. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202303055

https://doi.org/10.1002/aenm.202303055

10. Nano Letters：氧化石墨烯对仿生磷酸化响应型离子门体积排斥和润湿性的调节  

通过人工流体系统复制磷酸化响应离子门对于生物分子检测和细胞通讯研究至关重要。然而，当前控制栅极的方法主要依赖于体积排斥或表面电荷调制。为了克服这一限制并增强离子传输的可控性，南京医科大学Jinlong Li，南京大学Genxi Li将氧化石墨烯（GO）引入纳米通道系统，同时调节体积排阻和润湿性。

本文要点：

1）受(cAMP)依赖性蛋白激酶A(PKA)调节的L型Ca²⁺通道的启发，使用肽进行磷酸化，将其保留为纳米粘合剂，用GO涂覆纳米通道。

2）该涂层增强了空间位阻并降低了润湿性，形成了坚固的离子传导屏障，这代表了在非生物纳米通道中实现精确离子传输调节的重大进步。

3）利用该机制，还制造了一种灵敏的生物传感器，用于PKA活性检测和抑制探索。体积排阻和润湿性的联合调节为受控纳米流体操纵提供了一种有吸引力的策略，在诊断和药物发现方面具有有前景的生物医学应用。

Liu Shi, et al, Graphene Oxide-Mediated Regulation of Volume Exclusion and Wettability in Biomimetic Phosphorylation-Responsive Ionic Gates, Nano Lett., 2023

DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02924

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02924

11. Nano Letters：用于电催化二氧化碳还原的二维单晶六方铋纳米片的夹层外延生长  

二维（2D）铋预计具有有趣的物理性质，但由于高表面能限制，其制备仍然具有挑战性。在此，南京大学金钟教授，Jing Ma报告了一种夹层外延生长策略，用于在铜箔基板和六方氮化硼覆盖层之间可控制备二维铋。

本文要点：

1）顶部h-BN层在抑制铋的结构转变和补偿从铋到Cu(111)表面的电荷转移方面起着至关重要的作用。

2）由于 h-BN 层的钝化作用，铋纳米片在空气中高达 500 °C 的温度下表现出优异的热稳定性。

3）此外，铋烯纳米片在电化学二氧化碳还原反应中表现出高达 96.3% 的甲酸生产效率，这是已知的铋基电催化剂中最高的法拉第效率之一。

这项研究提供了一种同时合成和保护二维铋纳米片的有前景的方法，该方法可以扩展到其他具有高表面能的二维材料。    

Yi Hu, et al, Sandwiched Epitaxy Growth of 2D Single-Crystalline Hexagonal Bismuthene Nanoflakes for Electrocatalytic CO₂ Reduction, Nano Lett., 2023

DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03310

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03310