锂电池Nature Energy，南开大学Nat. Rev. Chem.综述丨顶刊日报20231125
纳米人
2023-11-28
1. Nature Energy：锂腐蚀最小的硼酸盐-吡喃贫电解质锂金属电池
用于锂（Li）-金属电极的工程液体电解质已被用于控制锂金属电池（LMB）中Li的沉积形态。然而，锂腐蚀问题仍未解决，这阻碍了实际LMB的贫电解质设计，因为实际LMB需要电解质/容量（E/C）比为2 g Ah−1或更低。在这里，韩国科学技术院Hee-Tak Kim报道了一种硼酸盐-吡喃基电解质，以解决长期的锂腐蚀问题。1) 作者发现，硼酸盐-吡喃电解质将固体-电解质界面中的大LiF晶粒转化为细晶体或玻璃状LiF，这通过最大限度地减少电解质分子渗透到固体-电解质相间来增强Li/电解质界面的被动性。2)高镍层状氧化物阴极（3.83 mA cm−2）和薄锂（20 μm）提供了高的全电池能量密度（>400 Wh kg−1），并在E/C比为1.92 g Ah−1时运行400次循环后具有70%的容量保持率，在1.24 g Ah-1时运行350次循环后的容量保持率为73%，在 0.96 g Ah−1时运行200次循环后的容量保持率为85% 。
Hyeokjin Kwon, et al. Borate–pyran lean electrolyte-based Li-metal batteries with minimal Li corrosion. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01405-6https://doi.org/10.1038/s41560-023-01405-6
2. Nature Reviews Chemistry：纯有机超分子组装的磷光共振能量转移
磷光能量传输系统已被应用于加密、生物医学成像和化学传感，这些系统具有超大的斯托克斯位移、高量子产率，并且在环境条件下可与长波长余辉荧光（特别是近红外）进行颜色调谐。近日，南开大学Liu Yu综述研究了纯有机超分子组装的磷光共振能量转移。1) 作者讨论了基于大环或组装受限纯有机磷光的三重态到单重态PRET或三重态-单重态级联PRET系统，在该过程中引入超分子非共价相互作用，这些相互作用促进了系统间的交叉。2) 此外，其还限制了磷光体的运动，最大限度地减少了非辐射衰变，并组织了近距离的供体-受体对。作者讨论了这些系统的应用，并重点讨论了在促进其进一步发展方面面临的挑战。
Xian-Yin Dai, et al. Phosphorescence resonance energy transfer from purely organic supramolecular assembly. Nature Reviews Chemistry 2023DOI: 10.1038/s41570-023-00555-1https://doi.org/10.1038/s41570-023-00555-1
3. Nature Commun.：适应发病机制的聚多巴胺纳米系统用于缺血性卒中的序贯治疗
缺血性卒中是一种致死性脑部血管疾病，而再灌注作为一种用于恢复血供的主要策略也可能会引起严重的缺血性脑损伤。再灌注后的神经炎症是卒中药物治疗面临的主要障碍之一，其具有动态的进展过程，使得对卒中进行精准治疗成为了一项艰巨的任务。有鉴于此，浙江大学陈忠教授和吴迪博士构建了一种用于缺血性卒中的序贯治疗、可适应发病机制的聚多巴胺纳米系统。1）该纳米系统固有的自由基清除性能和定制的介观结构使其能够在疾病的初始阶段有效地缓解氧化应激。在小胶质细胞过度活化的后期，负载米诺环素的纳米系统可以及时逆转基质金属蛋白酶-2激活的促炎转化，以实现按需调节。2）进一步的体内卒中研究表明，与单药治疗和联合治疗相比，该序贯治疗策略能够实现更高的生存率和更好的大脑恢复效果，并且其也具有良好的生物安全性。综上所述，该研究开发的适应性纳米系统能够实现对卒中后神经炎症的序贯按需调节，是一种极具发展前景的缺血性卒中治疗方法。
Di Wu. et al. Pathogenesis-adaptive polydopamine nanosystem for sequential therapy of ischemic stroke. Nature Communications. 2023https://www.nature.com/articles/s41467-023-43070-z
4. Angew：定制两性离子半花菁探针以用于急性肾功能衰竭的早期诊断和预后评估
药物性肾功能衰竭(DIRF)是一种严重的内科并发症，病死率较高。然而，由于目前的DIRF诊断方法依赖于对晚期生物标志物的检测，因此如何实现对DIRF的早期诊断和预后评估仍是一项极具挑战性的难题。有鉴于此，中山大学黄佳国教授开发了一个两性离子单分子半花菁(ZCs)库，其可用于构建对DIRF进行早期诊断的可激活探针。1）实验通过将烷基磺酸盐和季铵盐阳离子整合到半花菁骨架中，使得这些探针具有两性离子的性质，因此能够实现低血浆蛋白结合率(<5%)和显著的肾脏清除效果(~96%)。随后，研究者利用能被caspase-8(细胞凋亡的起始指标)特异性切割的四肽来“掩盖”性能最佳的ZC6，进一步开发了一种可激活型探针ZCRR。2）在顺铂诱导的DIRF小鼠模型中，系统给药的ZCRR能有效地在肾脏内聚集，并响应升高的caspase-8，以"开启"近红外荧光信号，从而能够比临床方法更早地（60 h）实现对肾内细胞凋亡的敏感检测，并精确评估不同药物对DIRF小鼠的凋亡修复作用。由于ZCRR可通过尿液排泄，因此ZCRR还能够通过体外光学尿液分析实现对DIRF的远程检测，并预测肾脏保护效果。综上所述，该研究构建了一种可通过肾脏清除的单分子支架，有望用于开发具有多功能的可激活型探针以实现对肾脏疾病的管理。
Ya Zhou. et al. Tailored Zwitterionic Hemicyanine Reporters for Early Diagnosis and Prognostic Assessment of Acute Renal Failure. Angewandte Chemie International Edition. 2023DOI: 10.1002/anie.202315457https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202315457
5. Angew：NiFe草酸盐的氧阴离子原位转化实现耐腐蚀海水电解
电解海水制氢为沿海地区制氢提供具有吸引力的方法，NiFe基电催化材料是性能最好的海水电催化氧化的材料。但是海水中的Cl-严重的腐蚀催化活性位点，导致催化剂的寿命衰减。有鉴于此，电子科技大学孙旭平、王艳、山东师范大学唐波、东南大学巩峰等报道NiFe草酸盐电极通过原位的碳氧阴离子自转化为碳酸盐的方式，能够稳定高价态金属反应位点。 1）通过原位/离线的研究发现通过“碳阴离子-氧阴离子转化”能够避免Cl-腐蚀导致催化剂失活，这种机制在安培量级电催化反应中同样能够工作。通过这种方法，电催化1 A cm-2电流密度所需的过电势仅为349 mV。2）本文研究发展了一种通过氧阴离子转变的催化剂表面设计概念，为构筑具有抵抗海水腐蚀功能的海水制氢催化剂提供重要进展。
Zixiao Li, et al, Carbon Oxyanion Self-Transformation on NiFe Oxalates Enables Long-Term Ampere-Level Current Density Seawater Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2023DOI: 10.1002/anie.202316522https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202316522
6. AM：将无机纳米粒子安装在介孔液晶聚合物内
发展有机-无机聚合物复合材料需要一种能够控制复合材料形貌和光学性质的同时可以兼容客体材料的新型策略，因为传统的聚合物主要功能是装在无机材料的载体。有鉴于此，韩国科学技术院(KAIST) Dong Ki Yoon等发展了一种使用多孔液晶聚合物纳米粒子制备有机-无机复合材料的普适性方法。1）通过调控液晶的晶相，能够精确的从分子级别控制聚合物的单体的排列，从而精确控制形貌和光学性质。可控的在聚合物内合成无机材料，或者将预先合成的无机纳米粒子修饰在聚合物内，而且保证聚合物主体材料的性质不发生改变。2）这种有机无机复合材料能够按照次序安装一种或多种无机材料，因此在一个聚合物粒子内可能产生多功能。此外，这种方法能够弥补客体材料的缺点和不足，增强复合材料的性能。这种制备有机无机复合材料的方法可能在光电、催化、生物传感等多种多样的领域解决目前的各种社会性问题。
Geunjung Lee, et al, Universal Strategy for Inorganic Nanoparticle Incorporation into Mesoporous Liquid Crystal Polymer Particles, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202307388https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202307388
7. AEM：全小分子有机太阳能电池的效率提升
在全小分子有机太阳能电池（ASM-OSCs）中实现高性能在很大程度上依赖于通过活性层中的畴尺寸操作实现精确的纳米级相分离。尽管如此，对于ASM-OSC系统来说，在调节和相分离的复杂性之间建立明确的联系仍极具挑战性。深圳职业技术大学Hu Hanlin、香港理工大学Li Gang、中国科学院上海高级研究院Yang Chunming研究了结构域大小调整和最佳相分离形态的之间的复杂相互作用，这对ASM-OSCs的性能至关重要。 1) 结果表明，ASM-OSCs活性层中的异常相分离是通过重新填充过程精心控制畴的连续性和均匀性来实现的。作者采用一系列卤素取代的溶剂（氟苯、氯苯、溴苯和碘苯）来调节再填充动力学，并使CB处理的ASM-OSC具有16.2%的功率转换效率（PCE）。2) PCE的增强可归因于逐渐结晶过程，促进了平滑互连和均匀分布的畴尺寸。这反过来又导致了有利的相分离形态、增强的电荷转移、延长的载流子寿命，并因此减少了自由电荷的复合。这些发现强调了重新填充动力学在ASM-OSC中实现最佳相分离的关键作用，为设计高性能ASM-OSC制造策略提供了重要见解。
Xiaokang Sun, et al. Efficiency Boost in All-Small-Molecule Organic Solar Cells: Insights from the Re-Ordering Kinetics. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202302731 https://doi.org/10.1002/aenm.202302731
8. AEM：高浓度聚合物电解质构建高可逆硅阳极二维固体电解质界面
硅阳极具有4200 mAh g−1的高容量和0.3 V（vs. Li+/Li）的低电势，从而使锂离子电池具有高能量密度。然而，在液体电解质中的Si颗粒上形成的3D固体电解质界面（SEI）消耗了电解质/活性Si，并阻断了Li+/e−的传输，导致容量快速衰减。在此，中国科学院大连化学物理研究所Li Xianfeng、Zhang Hongzhang、Yang Xiaofei设计了一种高浓度聚合物电解质（HCPE）来代替颗粒在Si阳极表面构建2D SEI，它适应了体积变化并保持了连续的Li+/e−传输路径。1) NO3−的阻滞作用降低了1,3-二氧戊环（DOL）的聚合速率，使 6M LiFSI能够溶解。高浓度的LiFSI参与了溶剂化结构的构建并将DOL拉开，减少了DOL和聚DOL（PDOL）的分解，并诱导产生具有高机械强度和快速Li+传输能力的富含LiF和Li3N的SEI。2) 因此，使用HCPE的电池在2C下具有1765 mAh g−1的高容量，并在0.2C下循环100次后保持2000 mAh g–1的高电容，这优于液体电解质（617 mAh g‑1）和低浓度聚合物电解质（45 mAh g‐1）。
Yuxiao Wang, et al. 2D Solid-Electrolyte Interphase Built by High-Concentration Polymer Electrolyte for Highly Reversible Silicon Anodes. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202303189https://doi.org/10.1002/aenm.202303189
