福建物构所&上海大学，福大，华东理工&同济，北大5篇Angew等成果速递|顶刊日报20241218
纳米人
2024-12-19
1.福建物构所&上海大学Angew：芳香化合物单层膜空穴传输层改善钙钛矿太阳能电池性能芳香配体构筑自组装单层膜（Ar-SAM）能够调控ITO的功函（work function），因此改善空穴的抽取/传输效率。但是人们对于芳香配体的多环结构和SAM螯合基团之间的作用以及对钙钛矿太阳能电池性质的影响并不清楚。有鉴于此，中国科学院福建物质结构研究所高鹏研究员、上海大学马静等报道开发了一系列吩噻嗪（phenothiazine）Ar-SAM分子，研究不同芳香结构配体对单层膜中的分子堆叠的影响，对载体功函的调控，对载流子动力学的影响。1）将这种Ar-SAM分子作为钙钛矿太阳能电池、钙钛矿/硅叠层太阳能电池的空穴传输层（HSLs），以萘作为连接的Ar-SAM能够形成致密且高度有序的HSL层，增强界面相互作用，促进与钙钛矿之间的能级排列。2）通过这种策略，改善了宽能带钙钛矿太阳能电池器件的性能，实现了21.86%的电池效率，而且基本上没有表现回滞效应，电压达到1.68eV。此外，封装的钙钛矿太阳能电池器件具有更好的稳定性，在ISOS-D-2标准（50% RH，65 ℃）热老化1000h T91。制备的钙钛矿/硅叠层太阳能电池实现了28.89%的效率，而且具有优异的稳定性。这项策略为开发芳香配体官能团增强空穴传输层提供前景。 Peng Gao, Chi Li, Yong chen, Yuheng Li, Lijie Gong, Zhen Yuan, Lusheng Liang, Jinglin Chen, Paramaguru Ganesan, Yixian Zhang, Jing Ma, Deciphering the Impact of Aromatic Linkers in Self-Assembled Monolayers on the Performance of Monolithic Perovskite/Si Tandem Photovoltaic, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202420585https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202420585 2.福州大学Angew：O2可逆结合策略实现光催化反应制氢-产氧解耦在传统的颗粒光催化剂全分解水体系（PPOWS），通常H2和O2是同时发生的，这导致发生严重的逆反应，并且导致形成爆炸性的H2/O2气体混合物。这是PPOWS工业化必须解决的问题。有鉴于此，福州大学张子重教授、沈锦妮副教授等报道一种方便且价格合理能够规模化应用的方法，将PPOWS体系的制氢和产氧反应解耦。1）基于制氢和产氧解耦，开发了三组分的光催化剂Co(5%)-HPCN/(rGO/Pt)，其中含有光响应的芯片（HPCN），制氢催化剂（rGO/Pt），Co分子（结合O2）。这种三组分催化剂能够分别在UV光和可见光进行交替照射，实现制氢和产氧反应解耦。 2）这种不同步的产氧和制氢反应对光催化剂结构和光源非常柔性，因此非常适用于PPOWS体系。 Dan Liu, Huihui Xu, Jinni Shen, Xun Wang, Chengwei Qu, Huaxiang Lin, Jinlin Long, Ying Wang, Wenxin Dai, Yuanxing Fang, Yanhui Yang, Xuxu Wang, Xianzhi Fu, Zizhong Zhang, Decoupling H2 and O2 Release in Particulate Photocatalytic Overall Water Splitting Using a Reversible O2 Binder, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202420913https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024209133.华东理工大学&同济大学Angew：光热膜增强传质处理高浑浊废水由于高浑浊度和有色废水造成光衰减和杂质的干扰（影响传质），对光Fenton过程产生严重的阻碍。 有鉴于此，华东理工大学邢明阳教授、同济大学姜越教授等报道为了解决这个问题，开发了一种光热Fenton膜，将光热催化剂修饰在疏水棉改性处理的滤纸上，能够精确的分布在水体表面之下的1mm。1）通过这种设计策略，对光的利用效率达到89.49%，而且对化学需氧量(COD)的消除非常高，能够处理极端色度（10倍）和极端浑浊（703NTU）的废水。光热效应增强转化效率，加快Mo在Fenton反应中的助催化作用，有效的改善活化PMS的能力，而且在15天之后对苯酚的去除仍高达90%。 2）反应机理研究结果表明固液表面的ROS物种、污染物的传质显著得到改善，而且研究结果表明PMS的扩散是决速步骤。这种膜能够抵御悬浮固体的污染，能够在含有土壤的溶液稳定工作长达10天。这种创新方法为降解颜色较深、浑浊度较高的废水污染物提供一种解决方案，克服看传统工艺的局限。 Jiangchen Fu, Shaoze Xiao, Jiazhen Cao, Zhiyan Liang, Jiabin Chen, Yue Jiang, Mingyang Xing, Mass Transfer-Enhanced Photothermal Membranes with Synergistic Light Utilization for High-Turbidity Wastewater Purification, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202421800https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202421800通过基因编码方式安装光敏剂能够用于设计人工光酶，扩大对非生物反应的兼容范围。有鉴于此，北京大学项征研究员等使用工程化的吡咯基-tRNA/吡咯基-tRNA合成酶的一对合成酶，将含噻吨酮的氨基酸遗传引修饰在蛋白质支架，设计得到了光酶催化剂。 1）设计的酶催化剂在催化脱芳烃[2+2]环加成反应具有高产率（高达>99%的收率）和优异的对映选择性（高达98:2 e.r.）。 2）这项工作为光酶设计提供了一种稳健且简单方便的方法，为开发光酶反应奠定基础。Kai-Yue Chen, Hui Ming, He-Xiang Wang, Hua-Qi Wang, Zheng Xiang, Genetic Incorporation of a Thioxanthone-Containing Amino Acid for the Design of Artificial Photoenzymes, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202419022https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024190225.中科院天津工业生物技术研究所Angew：电化学驱动类囊膜实现体外合成ATP自然界能够通过太阳能（光合磷酸化反应，photophosphorylation）和化学能（反应物级磷酸化phosphorylation和氧化磷酸化oxidative phosphorylation）产生ATP能量流。绿色电力（Green electricity）作为一种重要的可持续能源载体，对于实现碳中和的社会而言至关重要。有鉴于此，中国科学院天津工业生物技术研究所张玲玲研究员等建立一种新的电极驱动磷酸化方法，并且对其进行验证。1）分离富含ATP酶的菠菜的类囊体膜（TMs, thylakoid membrane），将TMs（pTMs）修饰到质子交换膜（PEM）上，在传统的PEM膜上赋予ATP再生的生物学功能。
2）优化TMs的浓度和孵化时间，并且将PEM集成为一个两隔间电化学电池，在电催化分解水过程产生的质子梯度电位触发，pTMs的ATP酶成功合成了ATP。当施加3V的恒定电压时，ATP的合成速率达到3.16μM min-1 μgChl-1，这个数值大约是ΔpH驱动ATP合成速率的两倍。这种设计为体外生物转化（ivBT）系统产生绿色能源提供巨大的前景。Lijing Chang, Huijuan Cui, Weisong Liu, Yi-Heng P. Job Zhang, Lingling Zhang, Electrodriven ATP Synthesis via Integration of a Reconstructed Thylakoid Membrane, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202421120https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024211206.JACS：联烯电催化TEMPO双氧化反应的机理结构不对称的联烯分子的三个不饱和碳原子上有累积的π化学键，因此产生独特的反应性，这种反应性与烯烃或者炔烃不同。虽然这些结构的合成前景，但是联烯的电催化转化仍未曾关注和报道。 目前合成联烯的方法变得更多，而且人们对于烃类化合物的氧化转化反应变得非常感兴趣。有鉴于此，威斯康星大学Jennifer M. Schomaker、意大利帕维亚大学Giuseppe Zanoni等报道电催化TEMPO介导联烯双氧化反应进行深入研究。1）TEMPO介导的电催化双氧化反应烯烃-TEMPO产物能够通过后期官能团化转化，在烯烃的碳原子上安装杂原子。 2）反应机理研究。通过循环伏安，理论计算，原位NMR表征等机理研究手段，对电催化联烯的官能团化进行研究，为联烯的官能团化研究建立基础，为这种独特的结构砌块的进一步官能团化提供帮助。Ken S. Lee, Federico Barbieri, Emanuele Casali, Elijah T. Marris, Giuseppe Zanoni*, and Jennifer M. Schomaker*, Elucidating the Mechanism of Electrooxidative Allene Dioxygenation: Dual Role of Tetramethylpiperidine N-Oxyl (TEMPO), J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c10431https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c104317.Nat. Commun：利用负载金纳米簇的脂质体实现对细菌植入物感染的无创体内传感金黄色葡萄球菌是导致医院内植入物相关感染的主要原因。由于这类感染具有较高的发病率和死亡率，因此研究者亟需开发快速、无创、具有成本效益的诊断方法。有鉴于此，帝国理工学院Molly M. Stevens、Adrian Najer和墨尔本皇家理工大学 Irene Yarovsky优化了可通过肾脏清除的金纳米簇（AuNCs）的合成过程，以增强其催化活性，并开发了一种敏感的细菌感染比色诊断方法。1）全原子分子动力学（MD）模拟结果表明，谷胱甘肽包被的AuNCs具有良好的稳定性，并且能够在复杂的生理环境中表现出类过氧化物酶活性。随后，研究者将这些优化的AuNCs封装在对细菌毒素响应的脂质体中，开发了一种生物传感器。暴露于金黄色葡萄球菌毒素后，该脂质体会发生破裂，以释放AuNCs，其在模拟肾脏过滤后可产生比色信号。2）研究者在透明质酸（HA）水凝胶植入物感染模型中进一步验证了该生物传感器的有效性。实验结果表明，在细菌感染的HA水凝胶植入物小鼠的尿液样本中添加底物后，该样本会变为蓝色，由此表明该传感器能够实现对植入物相关感染的非侵入性检测。综上所述，该研究开发的诊断平台是一种多功能、经济高效的诊断工具。Kaili Chen. et al. Non-invasive in vivo sensing of bacterial implant infection using catalytically-optimised gold nanocluster-loaded liposomes for urinary readout. Nature Communications. 2024https://www.nature.com/articles/s41467-024-53537-28.南京工业大学AM：聚合物交联-Al2O3骨架双重限域实现稳定的荧光碳量子点碳点是一种新型荧光纳米材料，由于碳点的广泛存在，环境友好，具有可调制的光学性质，因此受到人们的广泛关注。但是碳点通常面临温度导致振动激子变化，发光容易被热淬灭，因此阻碍了碳点的实际应用。 有鉴于此，南京工业大学张伟娜教授、霍峰蔚教授、张所瀛教授等报道一种双重限域策略（bi-confinement），这种双重限域策略使用交联聚合物网络和刚性Al2O3骨架稳定聚合物量子点，实现了具有高温荧光的碳点。1）当温度从303K提高至500K，CPDs@Al2O3量子点的荧光和磷光强度基本上保持不变，此外，不同碳化程度的CPDs@Al2O3量子点具有动态的激发荧光性质，能够进行图案化用于多重信息加密防伪。2）这项工作为设计能够在苛刻条件使用的荧光稳定CPDs材料提供方法，拓展了CPD量子点的应用场景。Yu Shen, Chengyang Luo, Cheng Chen, Xinglong Zhang, Minghao Shi, Zhida Gu, Ruifa Su, Yitong Wang, Linpo Li, Liangjun Wang, Suoying Zhang, Fengwei Huo, Weina Zhang, High-Temperature Resistance Photoluminescence Carbonized Polymer Dots Through Equilibrium Bi-Confinement Effects, Adv. Mater. 2024 DOI: 10.1002/adma.202407811https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202407811
