上海交通大学，西安交通大学，汕头大学，清华大学Nature Commun. 等成果速递 | 顶刊日报20240715
纳米人
2024-07-26
1.上海交通大学Nature Commun：Ni-O-Ti不对称位点促进电化学尿素氧化生成N2电化学尿素氧化反应为可持续制氢和废水脱氮等领域提供一种技术，但是电化学尿素氧化反应的大规模应用被产生有害的氰酸盐或亚硝酸盐而不是产生N2所阻碍。有鉴于此，上海交通大学张礼知教授、李浩副教授、么艳彩副教授等在Ti膜上修饰不对称Ni-O-Ti位点，在电化学尿素氧化反应N2选择性达到99 %，性能比Ni电催化剂仅为55 %的N2选择性更高。1）构筑的Ni-O-Ti不对称位点结构不仅在电化学氧化反应中实现99 %的N2选择性，而且在电压为1.40 V，电流密度为213 mA cm-2，与Pt电极配合，实现了22.0 mL h-1的产氢速率。2）由亲氧Ti原子和相邻Ni原子构成的不对称位点有助于尿素分子的羰基产生相互作用，而不是与氨基相互作用，因此能够避免共振导致切断C⎓N化学键，并且更容易发生N-N偶联生成N2。作者进一步使用Si光伏电池供电建立了电化学氧化尿素的器件原型。 Zhan, G., Hu, L., Li, H. et al. Highly selective urea electrooxidation coupled with efficient hydrogen evolution. Nat Commun 15, 5918 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-50343-8https://www.nature.com/articles/s41467-024-50343-8 2.西安交通大学Nature Commun：通过设计耦合反应实现对聚合物高效掺杂通过掺杂改善聚合物的导电性受到研究者的广泛关注，有鉴于此，西安交通大学王洪教授等发展了聚合物半导体掺杂的技术，这种半导体掺杂通过生物体系常见的自发偶联反应。1）在掺杂过程中，掺杂剂与聚合物之间在添加剂作用下通过添加剂对掺杂剂的还原产物之间具有非常强的反应，形成偶联反应，使得反应在热力学上非常有利，因此聚合物的导电性提高3-7个数量级。2）这种耦合反应进行掺杂的过程在许多掺杂体系具有广泛的制备功能导电聚合物的应用前景，有可能成为有机电子学领域的重要技术。Pan, J., Wang, J., Li, K. et al. Efficient molecular doping of polymeric semiconductors improved by coupled reaction. Nat Commun 15, 5854 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50293-1https://www.nature.com/articles/s41467-024-50293-13.汕头大学Nature Commun：Os分子修饰Si电极CO2光催化还原制备甲烷太阳能驱动CO2还原制备高附加值化学品是具有前景的解决环境变化的技术，但是如何在光催化还原CO2反应选择性生成特定产物非常困难。有鉴于此，汕头大学简经鑫教授、佟庆笑教授等报道两个Os复合物（przpOs和trzpOs）用于CO2还原催化剂，实现了选择性还原CO2生成甲烷。1）przpOs和trzpOs分子表现较好的CO2还原性能，催化反应速率常数分别为0.544 s-1和6.41 s-1。在AM1.5G光照射下的Si/TiO2/trzpOs光催化还原CO2的主要产物是CH4（法拉第效率达到>90 %），在0.0 V过电势的光电流密度达到-14.11 mA cm-2。2）理论计算结果说明双吡唑和三唑配体的N原子能够稳定CO2加合物中间体，并且随后进一步加氢生成CH4，因此在CO2转化为CH4的反应中表现超高选择性。这些结果的性能能够与目前最先进的Si光电极CO2还原性能媲美，说明分子催化剂对于光电催化转化CO2制备CH4的重要作用。Li, XY., Zhu, ZL., Dagnaw, F.W. et al. Silicon photocathode functionalized with osmium complex catalyst for selective catalytic conversion of CO2 to methane. Nat Commun 15, 5882 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50244-whttps://www.nature.com/articles/s41467-024-50244-w4.清华大学Nature Commun：超高强度结构材料曲率梯度石墨烯超结构的蒸发铸造在当代制造业中，结构材料的加工在创造适用于各种工业应用的坚固、量身定制和精确的组件方面发挥着关键作用。尽管如此，由于内应力和缺陷，当前的材料成形技术仍面临挑战，从而导致机械性能和加工精度大幅下降。近日，来自清华大学曲良体、中国科学院力学研究所刘峰和北京理工大学赵扬等人开发了一种针对具有曲率梯度的石墨烯超结构的加工策略，从而能够制造出具有精心设计的功能形状的坚固结构材料。1) 该研究合成的这些结构由位于同轴曲率中心的石墨烯纳米片弧形组件组成，在基于脱水的蒸发铸造过程中，组件通过毛细效应被拧紧，导致局部弯曲，并且通过精确调整轴心距离和倾斜角度，该研究实现了对所获得结构形状的精确控制；2) 该研究发现，利用内应力来加强设计的榫卯结构，可以获得高达约200 MPa的高连接强度，这种创新方法解决了当前材料成形技术面临的挑战，并为制造坚固和精确成形的部件开辟了更多可能性。 Lu, B., Yu, L., Hu, Y. et al. Evaporate-casting of curvature gradient graphene superstructures for ultra-high strength structural materials. Nat Commun 15, 5917 (2024).10.1038/s41467-024-50191-6https://doi.org/10.1038/s41467-024-50191-6 5.Nature Commun：摩擦发电催化还原大气气氛CO2由于能量消耗非常高，而且需要使用昂贵的催化剂，传统催化反应技术通常面临着难以找到可再生进行CO2转化为高附加值产品的路线。有鉴于此，新加坡科学技术研究局(A*STAR)李子彪研究员、叶恩毅研究员、中国科学院兰州化物所王道爱研究员等报道接触电催化（contact-electro-catalysis）的CO2还原技术，生成CO的法拉第效率达到96.24 %。1）通过修饰含有单原子Cu的氮化碳催化剂以及季铵化纤维素纳米纤维的电纺聚偏二氟乙烯构筑的摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerator）提供接触-电催化的驱动力。2）反应机理研究发现Cu-PCN的单原子Cu在接触电化处理过程中产生丰富的电子，促进电子的转移。而且，CO2在季铵化纤维素纳米纤维上具有非常强的吸附作用，因此能够捕获大气气氛中的低浓度CO2，在接触电催化过程的CO产量达到33 μmol g-1 h-1。这项研究实现了减少CO2排放并且发展先进的可持续制备化学品技术。 Wang, N., Jiang, W., Yang, J. et al. Contact-electro-catalytic CO2 reduction from ambient air. Nat Commun 15, 5913 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-50118-1https://www.nature.com/articles/s41467-024-50118-16.Angew：NiCo(OH)x纳米线活化晶格OH电化学合成氢氧化物的电化学脱氢在形成高价态金属活性位点用于5-羟甲基糠醛的氧化（HMFOR）制备高附加值2,5-呋喃二甲酸（FDCA）非常重要。有鉴于此，华中科技大学王得利教授、河南师范大学陈野博士等报道苯甲酸配体修饰NiCo(OH)x纳米线（BZ-NiCo(OH)x），这种BZ-NiCo(OH)x催化剂具有丰富的缺电子Ni/Co位点进行HMFOR催化反应。1）由于苯甲酸配体具有非常强的吸电子能力，因此大幅度增加BZ-NiCo(OH)x电化学活化晶格羟基官能团，并且促进羟基官能团脱氢（M2+-O-H⇌M3+-O），从而显著增强形成缺电子的高价态Ni/Co位点。DFT模拟计算结果显示脱离的质子能够与苯甲酸形成氢键的方式促进质子转移。2）BZ-NiCo(OH)x通过Ni/Co位点协同对羟基和醛基官能团的协同氧化，在HMFOR电化学氧化反应中得到优异的性能，在1.4 V过电势达到111.20 mA cm-2电流密度，达到NiCo(OH)x的四倍。FDCA的产量达到95.24 %，法拉第效率达到95.39 %。这种配体杂化催化剂设计策略有助于发展和设计应用于生物质转化的高性能过渡金属电催化剂。参考文献
Xupo Liu, Xihui Wang, Chenxing Mao, Jiayao Qiu, Ran Wang, Yi Liu, Ye Chen, Deli Wang, Ligand‐Hybridization Activates Lattice‐Hydroxyl‐Groups of NiCo(OH)x Nanowires for Efficient Electrosynthesis, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202408109https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024081097.华中科技大学AFM：超分子 3D 打印可一步生成可修复、可回收的结构彩色物体 具有 3D 几何形状的结构彩色物体在光学设备和视觉传感器中非常有吸引力，但它们的制备受到复杂程序和有限材料选择的阻碍。于此，华中科技大学张连斌等人提出了一种简便的超分子 3D 打印策略，通过直接墨水书写 (DIW) 超分子胶体墨水 (SCI)，该墨水由基于超分子相互作用的聚合物和胶体组成，以构建可修复和可回收的结构彩色物体。1）优化的超分子相互作用平衡了 DIW 的流变要求和高颗粒体积分数，从而实现了结构颜色的一步式和即时生成。SCI 的剪切稀化和触变性特征，其特点是打印过程中粘度降低两个数量级，此后储能模量恢复 50%，确保了挤出和沉积过程中可逆的固液转变。2）基质内胶体的短程有序排列产生与角度无关的结构颜色。此外，SCI 制备的 3D 结构着色物体具有可修复性，更重要的是，由于超分子相互作用的可逆性，可以进行闭环回收。利用优化的超分子相互作用，可以扩展满足 DIW 工艺的各种具有广泛材料选择的 SCI，以直接构建 3D 结构着色物体。这项研究为利用超分子策略构建先进的 3D 材料铺平了道路。 Z. Hu, M. Li, Q. Lyu, X. Chen, X. Zhang, Y. Yu, L. Zhang, J. Zhu, Supramolecular 3D Printing Enabling One-Step Generation of Healable and Recyclable Structurally Colored Objects. Adv. Funct. Mater. 2024, 2410921. https://doi.org/10.1002/adfm.2024109218.Joule：钙钛矿有机叠层太阳能电池中稳定高效宽带隙钙钛矿 碘化物和溴化物的集成有助于宽带隙钙钛矿的带隙可调性，但高浓度的溴化物会导致卤化物相分离，对太阳能电池器件的效率和稳定性产生不利影响。近日，新加坡国立大学Hou Yi等人将具有高度极化电荷分布和紧凑分子结构的2-氨基-4,5-咪唑二腈（AIDCN）掺入1.86 eV的宽带隙钙钛矿中，以有效抑制光诱导碘逃逸和相分离。1) 作者通过高光谱光致发光显微镜研究发现，AIDCN在连续激光照射下减轻了相分离。同时进行的原位掠入射广角X射线散射和X射线荧光测量进一步验证了碘逃逸的抑制，这可以从晶格收缩的显著减缓和连续照明下钙钛矿的整体化学成分得到证实。2) 应用这种方法，作者在1.86 eV宽带隙钙钛矿太阳能电池中实现了18.52%的功率转换效率（PCE）。通过将这种钙钛矿子电池与PM6:BTP-eC9有机子电池集成，串联电池的最大PCE为25.13%，经认证的稳定PCE为23.40%。Xiao Guo et.al Stabilizing efficient wide-bandgap perovskite in perovskite-organic tandem solar cells Joule 2024DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.009https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.06.009
