1. Nature Nanotechnology：原位表征鋰枝晶生長和應(yīng)力產(chǎn)生機制
金屬鋰被認(rèn)為是未來可充電電池的最終負(fù)極材料，但是由于不可控的鋰枝晶生長，基于鋰金屬的可充電電池的開發(fā)僅取得了有限的成功。在廣泛的全固態(tài)鋰電池中，一種抑制鋰枝晶生長的方法是使用機械上堅硬的固體電解質(zhì)。但是，鋰枝晶仍然能通過它們生長。解決這個問題需要對鋰枝晶的生長及其相關(guān)的電化學(xué)機械行為有一個基本的了解。
有鑒于此，燕山大學(xué)黃建宇教授等人通過在新的實驗裝置中將原子力顯微鏡與環(huán)境透射電子顯微鏡結(jié)合在一起，報告了單個Li晶須（主要的Li枝晶形態(tài)）的原位生長觀察和應(yīng)力測量。在室溫下，亞微米晶須在施加于原子力顯微鏡尖端的電壓（超電勢）下生長，產(chǎn)生高達(dá)130 MPa的生長應(yīng)力。該值顯著高于先前報道的大體積和微米級Li的應(yīng)力。在純機械載荷下測得的鋰晶須的屈服強度高達(dá)244 MPa。這一結(jié)果為全固態(tài)電池中鋰枝晶生長抑制策略的設(shè)計提供了定量基準(zhǔn)。
Liqiang Zhang et al. Lithium whisker growth and stress generation in an in situ atomic force microscope–environmental transmission electron microscope set-up. Nature Nanotechnology 2020.
DOI:10.1038/s41565-019-0604-x
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x
2. Nature Materials：二維反鐵磁拓?fù)浣^緣體中的強魯棒性軸子絕緣相和Chern絕緣相
在二維材料中，非平凡拓?fù)渑c磁性存在復(fù)雜的相互作用，這種作用可能導(dǎo)致一些有趣的現(xiàn)象，比如量子反常霍爾效應(yīng)。最近，清華大學(xué)物理系王亞愚、張金松、徐勇等人基于場效應(yīng)晶體管研究了MnBi2Te4塊體和剝離薄片的量子輸運。在被調(diào)制成絕緣態(tài)的由6個MnBi2Te4七元層搭建的器件中，作者觀測到了較大的縱向電阻和零霍爾平臺——軸子絕緣態(tài)的特征。該軸子絕緣態(tài)魯棒性強，在零磁場、較寬磁場范圍以及相對高溫的條件下都能存在。此外，中等強度磁場能導(dǎo)致量子相變——從軸子絕緣體到陳絕緣體（Chern insulator），后者軸向電阻為零，量子化霍爾電阻為h/e2。作者認(rèn)為，該研究為利用具有偶數(shù)個七元層的MnBi2Te4薄片從而實現(xiàn)量子化拓?fù)潆姶判?yīng)和軸子電動力學(xué)開辟了道路。
Liu,C., Wang, Y., Li, H. et al. Robust axion insulator and Chern insulator phasesin a two-dimensional antiferromagnetic topological insulator. Nat. Mater. 2020.
DOI:10.1038/s41563-019-0573-3
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0573-3
3. Nature Nanotechnology：維生素脂質(zhì)納米顆粒通過巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)移來治療多藥耐藥細(xì)菌膿毒癥
膿毒癥，是一種由嚴(yán)重感染引起的疾病，每年影響全世界3000多萬人，并且仍然導(dǎo)致醫(yī)院里病人死亡的主要原因。此外，抗菌素耐藥性已成為膿毒癥治療的一個挑戰(zhàn)，因此，迫切需要替代的治療方法。基于此，俄亥俄州立大學(xué)董一洲等人證明了溶酶體(MACs)中包含與組織蛋白酶B連接的抗菌肽的巨噬細(xì)胞的過繼轉(zhuǎn)移可用于治療免疫抑制小鼠中多藥物耐藥細(xì)菌誘導(dǎo)的膿毒癥。MACs是通過轉(zhuǎn)染傳遞抗菌肽和組織蛋白酶B (AMP-CatB) mRNA的維生素C脂質(zhì)納米顆粒構(gòu)建的。
維生素C脂質(zhì)納米顆粒允許巨噬細(xì)胞溶酶體中AMP-CatB的特異性積累，而巨噬細(xì)胞溶酶體是殺菌活性的關(guān)鍵部位。作者通過實驗結(jié)果表明，采用MAC過繼轉(zhuǎn)移可消除包括金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在內(nèi)的多藥耐多藥細(xì)菌，使免疫功能受損的膿毒癥小鼠完全康復(fù)。該項工作為克服多藥耐藥細(xì)菌誘導(dǎo)的膿毒癥提供了一種替代策略，并為開發(fā)納米粒子激活的感染性疾病細(xì)胞療法開辟了可能性。
XuchengHou, Xinfu Zhang?, Weiyu Zhao,Chunxi Zeng, Binbin Deng, David W. McComb, Shi Du, Chengxiang Zhang, Wenqing Liand Yizhou Dong. Vitamin lipid nanoparticles enable adoptive macrophagetransfer for the treatment of multidrug-resistant bacterial sepsis. NatureNanotechnology. 2020
DOI: 10.1038/s41565-019-0600-1
https://doi.org/10.1038/s41565-019-0600-1
4. Nature Catalysis：調(diào)節(jié)OH結(jié)合能實現(xiàn)乙烯選擇性電化學(xué)氧化為乙二醇
開發(fā)直接由可再生電力提供動力的高效的電化學(xué)方法用于制備化學(xué)商品具有重大意義。其中一種至關(guān)重要的化學(xué)品是乙二醇，它可用作防凍劑和聚合物前體，每年的消費量約為2000萬噸。在由乙烯氧化制乙二醇的過程中，需要將兩個OH基團(tuán)連續(xù)轉(zhuǎn)移至乙烯，這其中可能涉及*C2H4OH中間體。因此，OH的結(jié)合能將是該過程中的關(guān)鍵因素。此外，一旦形成乙二醇，它很可能會通過其氧原子吸附到催化劑表面，因此，調(diào)節(jié)OH結(jié)合能可以使其易于解吸，從而避免不必要的進(jìn)一步氧化。近日，多倫多大學(xué)Edward H. Sargent團(tuán)隊報告了一種在環(huán)境溫度和壓力下，在水性介質(zhì)中將乙烯選擇性部分氧化為乙二醇的一步式電化學(xué)路線。
作者認(rèn)為，催化劑與OH結(jié)合能的調(diào)控對促進(jìn)OH轉(zhuǎn)移至*C2H4OH形成乙二醇至關(guān)重要。計算研究表明，金摻雜的鈀催化劑(3.2 at.% Au)可以有效地執(zhí)行此步驟，并且，作者通過實驗發(fā)現(xiàn)它對乙二醇具有80％的高法拉第效率，并在連續(xù)運行100個小時后仍能保持其性能。該工作為在溫和條件下設(shè)計水性介質(zhì)中的其它陽極部分氧化反應(yīng)提供了有用的參考，并指明了化學(xué)工業(yè)中實現(xiàn)電氣化的一種途徑。
YanweiLum, Jianan Erick Huang, Edward H. Sargent*, et al. Tuning OH binding energyenables selective electrochemical oxidation of ethylene to ethylene glycol. Nat.Catal., 2020
DOI: 10.1038/s41929-019-0386-4
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0386-4
5. Nature Catalysis：一種實用的N-異芳烴加氫非貴金屬催化劑的研制
由于過渡金屬催化劑的可用性、價格和生物相關(guān)性，基于3d過渡金屬的催化劑的使用對工業(yè)化學(xué)品的合成以及一般的有機合成具有重要意義。因此，近年來，特別是在均相催化領(lǐng)域，利用這種地球資源豐富、具有生物相容性的金屬已成為人們感興趣的主要領(lǐng)域。然而，為了達(dá)到與貴金屬催化劑相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)活性，通常需要使用復(fù)雜的配體——通常是昂貴的磷衍生物。
在這里，萊布尼茲學(xué)院Matthias Beller研究者報道了使用簡單的基于Mn(I)的復(fù)合物[Mn(CO)5Br]，通過分子氫還原喹諾林和相關(guān)的N-雜環(huán)。在非常溫和的反應(yīng)條件下，這個催化系統(tǒng)能夠減少大量的喹諾林，從而提供了相應(yīng)的高產(chǎn)量的四氫喹諾林，這種骨架存在于許多生物活性化合物中，包括已上市的藥物。力學(xué)研究揭示了活性催化劑的形成，并表明了同時形成的Mn(II)和HBr對雜環(huán)底物加氫的重要作用。
Papa, V., Cao, Y., Spannenberg, A. et al. Developmentof a practical non-noble metal catalyst for hydrogenation of N-heteroarenes. Nat Catal (2020)
DOI：10.1038/s41929-019-0404-6
https://doi.org/10.1038/s41929-019-0404-6
6. Nature Catalysis：局部受限的氧氣促進(jìn)電化學(xué)水氧化為過氧化氫
電化學(xué)雙電子水氧化是一種很有前途的再生和現(xiàn)場生成H2O2的方法，可以替代蒽醌法。但由于傳統(tǒng)的四電子析氧反應(yīng)競爭激烈，且過電位大，產(chǎn)率低，目前選擇性較低。有鑒于此，萊斯大學(xué)汪淏田課題組和University of Calgary的Samira Siahrostami以及Technical University of Denmark的Karen Chan等人報告了一種界面工程的方法，通過涂覆疏水性聚合物的催化劑，限制在現(xiàn)場產(chǎn)生的氧氣，以調(diào)整水氧化反應(yīng)的途徑。
以碳催化劑為模型體系，研究發(fā)現(xiàn)與原始催化劑相比，其內(nèi)在的H2O-to-H2O2選擇性和活性顯著提高。在66%的超電勢640 mV作用下，最大過氧化氫感應(yīng)電流的效率提高了5倍，過氧化氫產(chǎn)量達(dá)到23.4μmol每分鐘每平方厘米(相當(dāng)于75.2毫安每平方厘米的分電流)。這一方法成功地推廣到鎳金屬，證明了局部氣體約束概念的廣泛適用性。
Xia, C., Back, S., Ringe,S. et al. Confined local oxygen gas promotes electrochemical wateroxidation to hydrogen peroxide. Nat Catal(2020) doi:10.1038/s41929-019-0402-8
DOI：10.1038/s41929-019-0402-8
https://doi.org/10.1038/s41929-019-0402-8
7. Nature Catalysis：構(gòu)建一種混合離子和電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的途徑，將O2引入Pr0.1Ce0.9O2?x
在界面電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，反應(yīng)路徑的復(fù)雜性隨著電荷轉(zhuǎn)移的數(shù)量增加而增加，當(dāng)反應(yīng)同時涉及到電子(電荷)和離子(質(zhì)量)時，其復(fù)雜性變得更大。這些所謂的混合離子和電子轉(zhuǎn)移(MIET)反應(yīng)在嵌入/插入電化學(xué)中至關(guān)重要，例如氧還原/演化的電催化劑和鋰離子電池電極。了解MIET反應(yīng)途徑，特別是確定決速步(RDS)，對于分子、電子和點缺陷水平的工程接口至關(guān)重要。
在此，斯坦福大學(xué)William C. Chueh等人建立了一個可推廣的實驗和分析框架，用于構(gòu)建反應(yīng)途徑，將O2(g)與Pr0.1Ce0.9O2?x結(jié)合。實驗者們通過測量電流密度過電位曲線在控制固體氧活動和氧氣分壓，利用操作環(huán)境壓力x射線光電子能譜對化學(xué)驅(qū)動力和靜電驅(qū)動力進(jìn)行定量分析，最后從100多種可能性中選出了4種RDS(中性氧氣吸附物的分離)。
Chen,D., Guan, Z., Zhang, D. et al. Constructing a pathway for mixed ionand electron transfer reactions for O2 incorporationin Pr0.1Ce0.9O2?x. NatCatal (2020)
DOI：10.1038/s41929-019-0401-9
https://doi.org/10.1038/s41929-019-0401-9
8. Nature Materials：范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中可調(diào)的室溫自旋電流和自旋霍爾效應(yīng)
自旋-軌道耦合是一種強大的工具，可以相互轉(zhuǎn)換電荷和自旋電流，并通過自旋-扭矩現(xiàn)象控制磁性材料的磁化。然而，盡管現(xiàn)有的體相材料具有多樣性，且最近出現(xiàn)了界面和低維效應(yīng)，但在室溫下控制這種相互轉(zhuǎn)化仍然難以實現(xiàn)。近日，CSIC和巴塞羅那科學(xué)技術(shù)學(xué)院(BIST) Sergio O.ValenzuelaL.，L. Antonio Benítez, Williams Savero Torres等報道了WS2的接近驅(qū)動了石墨烯中室溫自旋-電荷互變。
通過合理設(shè)計在霍爾bars中進(jìn)行的自旋進(jìn)動實驗，作者將自旋霍爾和自旋電流效應(yīng)的貢獻(xiàn)分開。值得注意的是，該材料的相應(yīng)轉(zhuǎn)換效率可以通過靜電門控來調(diào)控，并在電荷中性點附近達(dá)到峰值，等效幅值可與迄今為止報道的最大效率相媲美。這種電場可調(diào)性為無磁性材料的自旋產(chǎn)生和超緊湊型磁性存儲技術(shù)提供了基礎(chǔ)。
L.Antonio Benítez*,Williams Savero Torres*, Sergio O. Valenzuela*, et al. Tunable room-temperaturespin galvanic and spin Hall effects in van der Waals heterostructures. Nat.Mater., 2020
DOI: 10.1038/s41563-019-0575-1
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0575-1
9. Nat. Commun.: 無機納米晶體/有機分子界面的三重態(tài)能量轉(zhuǎn)移機理
無機納米晶體/有機分子界面的三重態(tài)能量轉(zhuǎn)移的機理仍然知之甚少。已經(jīng)報道了許多看似矛盾的結(jié)果，這主要是由于無機半導(dǎo)體的復(fù)雜陷阱態(tài)特征以及這些研究中所用的半導(dǎo)體與分子之間不確定的相對能量學(xué)。大連化物所Kaifeng Wu團(tuán)隊通過對瞬態(tài)吸收和光致發(fā)光測量進(jìn)行組合，以亞皮秒時間分辨率來闡明傳輸機制，二者都具有亞皮秒時間分辨率，該模型系統(tǒng)包含表面陷阱密度非常低的鹵化鈣鈦礦鉛納米晶體作為三重態(tài)施主和有利于或禁止電荷轉(zhuǎn)移的聚并苯作為三重態(tài)受體。
大力促進(jìn)從納米晶體到并四苯的空穴轉(zhuǎn)移，因此通過電荷分離狀態(tài)進(jìn)行三重態(tài)轉(zhuǎn)移。相比之下，向萘的電荷轉(zhuǎn)移在能量上不利，并且光譜顯示三重態(tài)從納米晶體直接轉(zhuǎn)移至萘。但是，這種“直接”過程也可以通過高能虛擬電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)來介導(dǎo)。
Mechanismsof triplet energy transfer across the inorganic nanocrystal/organic moleculeinterface, Nature Communications, 2020
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13951-3
10. JACS: 水-空氣界面上過量水合質(zhì)子的特性
了解酸性水溶液界面上的分子結(jié)構(gòu)對于大氣化學(xué)、生物物理學(xué)和電化學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究具有重要意義。考慮到界面水的有效密度較低，界面質(zhì)子的水化作用必然不同于體相的水化作用，但是這種水化作用的差異尚未得到重視和明確闡述。最近，德國馬普研究所的Mischa Bonn等表面特定振動光譜探測了水-空氣界面上質(zhì)子的信號響應(yīng)從而首次發(fā)現(xiàn)了水-空氣界面上的質(zhì)子連續(xù)體。
研究人員將這一發(fā)現(xiàn)與基于從頭算分子動力學(xué)模擬的光譜計算相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)水-空氣界面上的質(zhì)子盡管可用水分子較少但其水合作用良好，在界面上同時存在水合質(zhì)子的Eigen結(jié)構(gòu)和Zundel結(jié)構(gòu)。盡管界面上的水合質(zhì)子呈現(xiàn)出與體相類似的結(jié)構(gòu)，但研究人員還是從實驗上觀察到了-1.3±0.2 kcal/mol的界面穩(wěn)定能量，這與自由能計算結(jié)果吻合良好。這種質(zhì)子的表面傾向性可歸因于水合質(zhì)子與其反離子之間的相互作用。
SudiptaDas, Mischa Bonn et al, Nature of Excess Hydrated Proton at the Water–Air Interface, JACS, 2020
DOI:10.1021/jacs.9b10807
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b10807
11. Nano Letters: 富鋰正極材料中晶界誘導(dǎo)的衰減機制
盡管富鋰錳基層狀氧化物正極材料xLi2MnO3·(1-X)LiTMO2(TM=Ni,Mn,Co)(LMR-NMC)具有很高的能量密度，但其商品化應(yīng)用仍然面臨著Mn的溶解、電壓衰降以及阻抗增大等問題。在諸多正極材料改性方法中，最具應(yīng)用前景的是將尖晶石型正極材料與LMR-NMC正極復(fù)合形成局部“層狀-層狀-尖晶石”的正極結(jié)構(gòu)。不過，即便是這樣，對于材料結(jié)構(gòu)和組分的精準(zhǔn)控制以及后續(xù)的相關(guān)表征仍然充滿了挑戰(zhàn)性。因此，對這些復(fù)合材料的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的探究對于LMR-NMC正極材料的發(fā)展十分關(guān)鍵。
最近，美國阿貢國家實驗室的Jason Croy以及伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的Reza Shahbazian-Yassar等利用球差矯正掃描透射電子顯微鏡技術(shù)（AC-STEM）技術(shù)對集成了尖晶石結(jié)構(gòu)的LMR-NMC正極材料充放電前后的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，具有不同的原子構(gòu)型的應(yīng)變晶界在LMR-NMC正極中是可能存在的。這些高能界面通過增加與電解液的接觸表面積和Ni在循環(huán)過程中的遷移來誘導(dǎo)正極材料顆粒的開裂以及金屬Mn的溶解，并因此加速了正極材料電化學(xué)性能的衰減。這些結(jié)果揭示了局部結(jié)構(gòu)在正極結(jié)構(gòu)宏觀衰減中所起的重要作用。
SorooshSharifi-Asl, Jason Croy, Reza Shahbazian-Yassar et al, RevealingGrain-Boundary-Induced Degradation Mechanisms in Li-Rich Cathode Materials,Nano Letters, 2020
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04620
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04620
