1. Nature Nanotechnology: 2D有機-無機雜化鈣鈦礦的半導體物理學
要實現光電子，能量轉換，光子學，自旋電子學和量子器件在技術上的性能和穩定性，需要創建具有定制的均質和異質界面的原子精確材料，進而可以形成功能層次的組件。大自然采用可調序列化學來創建復雜的架構，可以有效地轉換物質和能量，但是相比之下，合成材料的設計及其集成仍然是一項長期挑戰。有機-無機二維鹵化物鈣鈦礦（2DPK）是有機和無機的二維層，它們在溶液中自組裝以形成高度有序的周期堆棧。2DPK展現出大的組成和結構相空間，這使其具有新穎獨特的物理性質。萊斯大學Aditya D. Mohite等人討論了當前了解2DPK從單層到組裝的結構和物理性質，并提供與常規半導體的全面比較，從而廣泛了解具有復雜有機-無機異質界面的低維半導體。1）首先，研究人員討論了目前對2DPK物理的理解，特別是對具有鈣鈦礦層的2DPK的關注。大于1 nm的厚度（對應于2DPK中的n> 1化學式A’An-1BnX3n+1，其中A’和A是有機陽離子，B是金屬，X是鹵化物，整數n定義厚度。然后，總結了有前途的設備應用以及在這些材料中定制電子帶結構，機械性能，傳輸特性和光-物質相互作用的諸多研究。2）研究人員還提供了有關2DPK應用的未來，解決關鍵科學問題它們的合成，結構和特性需要解決為了訪問和利用這些材料的內在物理，這將使設備的性能超過基于傳統材料設備的功能，并為創建新產品鋪平道路。
光電器件學術QQ群：474948391
Blancon, JC., Even, J., Stoumpos, C.C. et al. Semiconductor physics of organic–inorganic 2D halide perovskites. Nat. Nanotechnol. 15, 969–985 (2020).https://doi.org/10.1038/s41565-020-00811-1
2. Joule：M系列受體分子取向控制的高效有機太陽能電池
“face-on”分子取向對于具有有效垂直載流子傳輸的光伏材料至關重要，但要了解其分子結構如何控制取向仍然具有挑戰性。近日，中科院福建物構所鄭慶東研究員，上海交通大學劉烽研究員報道了一種新的策略來控制梯形雜庚烯非富勒烯受體的分子聚集和取向，方法是通過調節benzo[1,2-b:4,5-b’]bis(4-H-dithieno[3,2-b:20,30-d]pyrrole)單元上的體積較大的相鄰側鏈來控制分子的聚集和取向。1）為了研究側鏈的體積對非富勒烯受體光伏性能的影響，研究人員在中心核的sp2雜化橋氮原子上連接了兩條不同的側鏈，即2-己基癸基和n-十六基。2-己基癸基和正十六烷基鏈具有相同的碳原子數，但在靠近π-共軛主鏈的區域，前者比后者分支更大。2）兩個目標非富勒烯受體（M3和M32）都具有典型的ADA型化學結構，中心有一個梯形富電子單元（BDTPT），末端有兩個含氟缺電子單元2-(5，6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden1-ylidene) 丙二腈（INCN2F），以及在π-共軛骨架兩側有四條可溶性側鏈。3）通過用支化的2-己基癸基鏈取代線性正十六烷基鏈，可以將非富勒烯受體的分子取向從edge-on 到face-on，因此，與M32基器件（PCE，5.67%）相比，使用2,9-bis(3-(dimethylamino)propyl)anthra[2,1,9-def:6,5,10-d’e’f’]diiso-quinoline-1,3,8,10(2H,9H)-tetraone（PDIN）作為電子傳輸層（ETL）的M3基器件的垂直電荷傳輸得到了改善，并且PCE顯著提高到了14.50%。此外，研究人員使用共軛聚電解質(聚[(9,9bis(3’-((N,N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2,7-fluorene)-alt-5，50-bis(2，20thiophene)-2，6-naphthalene-1，4，5，8-tetracaboxylic-N，N’- di(2-ethylhexyl)imide]dibromide（ PFNDI-BR）作為ETL，對基于M3的器件進行進一步優化，PCE提高到16.66%。這是迄今為止，所報道的ADA型非富勒烯受體的最高PCE。4）研究人員還研究了sp2-雜化氮取代對光學和電化學性質以及載流子傳輸，電荷產生和復合動力學的影響。該研究提出的分子取向控制策略將指導其他許多高性能非富勒烯受體的創新設計和合成。
光伏技術學術QQ群：708759169Ma et al., Efficient Organic Solar Cells from Molecular Orientation Control of M-Series Acceptors, Joule (2020)DOI：10.1016/j.joule.2020.11.006https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.006
3. Angew：單分子陰離子結合型催化劑用于O-羧酸酐的選擇性開環聚合
陰離子結合可以通過動態的非共價相互作用來調節氯離子通道中的陰離子運輸，這為設計新的有機催化轉化提供了新的思路，然而，目前在聚合催化方面還沒有人報道過相關研究。近日，中科院長春應化所王獻紅研究員，陶友華研究員報道了一種有效的將4-二甲氨基吡啶固定在硫脲上的單分子陰離子結合型有機催化劑，并將其用于O-羧酸酐（OCAs）的開環聚合，很好地解決了合成高相對分子質量（MW）立體正則聚酯這一艱巨的挑戰。1）在單分子陰離子結合型有機催化劑的催化下，PheOCA（苯丙氨酸的OCA）開環聚合生成了MW高達150.0 kDa的高全同構聚苯乳酸（Ph-PLA）。具有高MW Ph-PLA的斷裂伸長率比其低MW同系物提高了30倍。此外，該聚合的活性物種具有耐濕性，可以在未經凈化的溶劑中進行，便于合成具有側鏈官能團的高相對分子質量立體正則聚酯。2）計算和實驗研究表明，該催化過程是一種動態協同陰離子結合機制，其中硫脲部分與動態陰離子結合作用促進了有效的鏈傳播。此外，協同脫羧反應對環化、異構化和酯交換等副反應保持了較高的OCA開環選擇性。
納米催化學術QQ群：256363607Maosheng Li, et al, Unimolecular Anion-Binding Catalysts for Selective Ring-opening Polymerization of O-carboxyanhydrides, Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202011352https://doi.org/10.1002/anie.202011352
4. Angew：MXene納米片用于可編程各向異性水凝膠的近紅外光驅動變形
合成材料具有柔軟性、光響應性、可編程性和多功能性等優點，已成為開發具有無線控制和仿生功能的下一代智能機器人的新興范例。近日，美國肯特州立大學Quan Li，天津大學許鑫華教授，王玲教授報道了一種可編程的含MXene的各向異性水凝膠致動器的近紅外光（NIR）驅動變形，這種致動器是通過一種精心設計的具有熱敏水凝膠網絡的MXene納米單體進行原位自由基共聚合而成。1）研究人員發現較低的電場（few V mm-1）可以使MXene納米片在空間上分布，從而成功將各向異性引入到水凝膠網絡中。通過控制ITO電極圖案、直流（DC）電場方向和掩膜輔助光聚合，開發了可編程的各向異性水凝膠致動器。2）作為概念驗證，研究人員展示了含有MXene的各向異性水凝膠在近紅外光驅動下變形成各種形狀，并設計了一種四臂軟抓取器，它可以在連續的近紅外光照射下執行不同的光機械功能，如抓取、抬起/放下和釋放物體。該研究有望為可編程和可重構智能致動器的開發提供指導，這些致動器在軟機器人或機器、生物醫學設備等不同領域具有廣泛的應用。
二維材料學術QQ群：1049353403Pan Xue, et al, Near-Infrared Light-Driven Shape-Morphing of Programmable Anisotropic Hydrogels Enabled by MXene Nanosheets, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202014533https://doi.org/10.1002/anie.202014533
5. Angew：用于原位成像和靶向多模態協同治療的內源性mRNA觸發DNA-Au納米機器
開發集診斷和治療功能于一體的多功能納米治療平臺一直是精準癌癥治療中的一個棘手的挑戰。在此，南京大學朱俊杰等人開發了一種適配體束縛的脫氧核糖核酸-金顆粒（Apt-DNA-Au）納米機器，用于乳腺癌的原位成像和靶向多模態協同治療。1）當腫瘤相關的TK1 mRNA被特異性內化到MCF-7細胞后，腫瘤相關TK1 mRNA通過DNA鏈置換級聯反應激活Apt-DNA-Au納米機器，導致熒光團和反義DNA的釋放以及AuNPs的聚集，可分別用于原位成像，抑制生存素表達和光熱療法。2）同時，將控釋藥物用于化學療法，而負載的光敏劑在激光輻照下產生用于光動力療法的活性氧（ROS）。結果證實，Apt-DNA-Au納米機器為原位成像引導的聯合抗癌治療提供了一個強大的納米診斷平臺。
生物材料學術QQ群：1067866501Sha Yu, et al. Endogenous mRNA Triggered DNA-Au Nanomachine for in Situ Imaging and Targeted Multimodal Synergistic Cancer Therapy. Angew. Chem. Int. Ed., 2020.DOI: 10.1002/anie.202012801https://doi.org/10.1002/anie.202012801
6. Angew：室溫下分子篩中受限的非經典2-降基正離子的原位觀察
碳離子是一類重要的反應中間體，但由于其壽命極短，在實驗條件下很難用原位技術監測其動態演化。一個最著名的例子是2-降基正離子（2-norbornyl cation 2NB+）：它的存在形式（經典或非經典）已經爭論了幾十年，直到人們在超低溫（40 K）和超酸性環境下，利用X射線晶體表征揭示了其非經典幾何結構。然而，目前在環境條件下，人們仍然很難闡明2NB+。近日，中科院武漢物理與數學研究所鄭安民研究員，美國波多黎各大學陳中方教授報道了以ZSM-5分子篩為研究對象，利用分子篩的約束效應和離域酸性環境，揭示了2NB+在ZSM-5分子篩中的結構和演化。1）通過從頭算分子動力學模擬（AIMD），研究人員在飛秒尺度上跟蹤了酸性ZSM-5分子篩中2NB+的詳細結構，并通過13C固體核磁共振（ssNMR）實驗對其非經典結構進行了驗證。結果表明，當溫度從40 K升高到298 K時，非經典2NB+的比例下降，但非經典2NB+在[C7H11]+[Al2Br7]-·CH2Br2鹽和ZSM-5骨架中仍占主導地位，這分別有力地證明了晶格約束和限制效應的穩定作用。2）通過對分子篩的多極衍生電荷（MDC-Q）、約化密度梯度（RDG）以及分子軌道的分析，研究人員揭示了靜電和范德華相互作用是分子篩約束效應的關鍵因素，使得分子篩可以穩定高活性、短壽命的非經典2NB+。該研究首次實現了在常溫、無超酸性環境下實時監測非經典2NB+的結構和動態演化，有助于從根本上理解分子篩空間內存在的不穩定的短壽命碳正離子中間體的穩定性。因此，分子篩可以提供封閉的空穴來補償其中等酸性，并在溫和的條件下取代超強酸來穩定不穩定的碳正離子，進而有望對這些高活性物種實現原位觀察，并為擴展碳正離子化學和中間化學提供了一種新的策略。
Xiaomin Tang, et al, In Situ Observation of Non-Classical 2-Norbornyl Cation in Confined Zeolites at Ambient Temperature, Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202013384https://doi.org/10.1002/anie.202013384
7. Angew：新型智能表面活性劑用于穩定pH響應型乳液
乳液在消費品和其他工業領域中具有廣泛的應用。根據所用乳化劑的種類，乳液包括通過表面活性劑或聚合物分子穩定的常規乳液，由膠體顆粒穩定的Pickering乳液，以及帶類似電荷的表面活性劑和顆粒共同穩定的非去污（分散油）乳液。盡管大多數乳液長期穩定或易于破乳，但在許多領域，如乳液聚合，非均相催化，油品運輸和新材料合成，也需要暫時穩定的乳液。近日，英國赫爾大學B.P. Binks，江南大學崔正剛教授報道了通過在烷基三甲基溴化銨的疏水鏈末端連接一個叔胺基團，合成了新型結構的pH響應型智能表面活性劑（N+-(n)-N，n = 14、16）。1）在中性和堿性介質中，N+-(n)-N表現為正常的陽離子表面活性劑，可以單獨穩定常規乳液，以及Pickering乳液和新型分散油乳液以及帶相反電荷和相似電荷的納米顆粒。在酸性介質中，由于胺鹽的形成，N+-(n)-N轉變為強親水的Bola型表面活性劑N+-(n)-NH+，無論是單獨使用還是與帶電納米顆粒一起使用，都是一種劣質乳化劑，導致破乳。2）由于N+-(n)-NH+在破乳后單獨或與納米顆粒一起返回水相，不會污染油相，而且整個水相可以在pH的觸發下多次循環使用。從而為設計和合成結構新穎、可循環使用的智能表面活性劑提供了一種新的方法，特別是為制備各種常用于乳液聚合、多相催化和輸油等領域的暫時穩定的乳液提供了一種綠色工藝。
X.M. Pei, et al, Behaviour of novel smart surfactants in stabilizing pH-responsive emulsions, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202013443https://doi.org/10.1002/anie.202013443
8. Angew：金屬有機層層次化集成三個協同活性中心用于串聯催化
作為3D MOF的2D單層的金屬有機層（MOLs），為設計具有孤立的、均勻的和結構精準的活性中心的多相催化劑提供了一個可調節的材料平臺。將多個催化中心的層次化整合到MOLs可以促進協同催化或串聯催化，從而潛在地提供原子經濟和高效的合成方法。盡管人們已經構建了具有兩個不同活性中心的幾種MOLs，其中一些已顯示出比同類均質催化劑更高的催化性能，然而包含三種或更多種不同催化活性的MOLs的設計仍然是一個挑戰。近日，美國芝加哥大學林文斌教授報道了一種三功能Hf12-Ru-Co-OTf MOL。1）研究人員通過將鈷肟基封端的Hf12-SBU與Ru基光敏劑的橋聯配體連接而制備了新的雙功能Hf12Ru-Co MOL。實驗結果顯示，Hf12-Ru-Co可以有效催化二氫吲哚和四氫喹啉的無受體脫氫反應，生成吲哚和喹諾酮，顯示出優異的協同催化性能。2）研究人員進一步設計了新型的三功能Hf12-Ru-Co-OTf MOL，其中包含Ru光敏劑，助氫轉移催化劑（PPA-Co）以及強Lewis酸催化劑（Hf12 SBU-OTf），用于脫氫串聯催化。結果顯示，Hf12-Ru-Co-OTf可以高效催化吲哚與乙烯基酮或醛的脫氫串聯轉化，并合成了多個3-烷基吲哚和雙吲哚甲烷（BIMs），其轉化率分別高達500和460。3）研究發現，MOL集成了三個孤立的、均勻的和結構精準的催化中心，通過防止相互失活和增加局部濃度以提高多催化性能。研究工作突出了MOLs作為2D材料平臺在設計串聯催化多催化體系方面的巨大潛力。
多孔材料學術QQ群：813094255Yangjian Quan, et al, Metal–Organic Layers Hierarchically Integrate Three Synergistic Active Sites for Tandem Catalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2020DOI: 10.1002/anie.202011519https://doi.org/10.1002/anie.202011519
9. Angew：通過熱轉化和表面重建合成的Ag單原子催化劑用于高效CO2電化學還原
眾所周知，CO2電化學還原（CO2RR）產物從C1（一氧化碳，甲酸和甲烷）廣泛分布到C2+（乙烯，乙醇，丙酮等）中。將CO2選擇性還原為CO被認為是最重要的CO2RR商業化應用，CO加氫是生產碳氫化合物和醇類的重要途徑。Pd，Au以及Ag基電催化劑已經顯示出高的催化活性和對CO2RR轉化為CO的選擇性。特別地，與Pd和Au相比，由于其低成本和豐度，Ag基催化劑已在CO2RR中得到了廣泛的研究。迄今為止，人們已經開發出各種策略來提高Ag基電催化劑的CO選擇性，包括改變晶面、大小和形狀、與其他金屬合金化、構建表面缺陷以及修飾暴露表面。然而目前銀的利用率仍然很低，不適合可持續發展。此外，傳統多相催化劑的不均一性導致CO2RR中活性中心和反應路徑容易發生變化。因此，開發一種簡單的方法來制備具有高CO選擇性和高Ag利用率的Ag基CO2RR電催化劑至關重要。近日，清華大學王定勝副教授報道了通過納米銀（Ag NPs）的熱轉化和MnO2的表面重構，成功合成了一種Ag1單原子催化劑（Ag1/MnO2）。1）研究人員通過原位ETEM）、原位XRD等表征技術和密度泛函理論（DFT）計算首次揭示了Ag NPs向單原子的演化過程。從MnO2（211）晶面到（310）晶格面的溫度誘導表面重構過程是對Ag單原子存在表面進行牢固約束的關鍵過程，即MnO2的熱處理和表面重構是形成Ag單原子的驅動力。2）實驗結果顯示，與可逆氫電極相比， Ag1/MnO2在-0.85 V下的法拉第效率達到95.7%，并且對CO2RR具有長期穩定性。3）密度泛函理論（DFT）計算結果表明，單個Ag位點在費米能級附近具有較高的電子密度，可以作為CO2RR中唯一的活性中心。結果表明，Ag1/MnO2催化劑具有優異的CO2RR催化性能，遠遠超過傳統的Ag納米催化劑（AgNP/MnO2）和其他已報道的Ag基催化劑。
電催化學術QQ群：740997841Ningqiang Zhang, et al, Silver single-atom catalyst for efficient electrochemical CO2 reduction synthesized from thermal transformation and surface reconstruction, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202014718https://doi.org/10.1002/anie.202014718
10. Angew：利用Ru/Nb2O5催化劑將芳香族塑料廢物轉化為芳烴
由于對環境的破壞性影響，塑料廢棄物的處理是21世紀人類面臨的重大挑戰之一。目前大量廣泛使用的塑料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）和聚苯醚（PPO），都是由芳香單體通過單元間C-O或C-C鍵構成。迄今為止，有關塑料廢物的化學降解的研究報道主要集中在熱解方面，熱解可以處理相對混合的塑料廢物，特別是聚烯烴、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。近日，新加坡國立大學顏寧教授，華東理工大學王艷芹教授報道了一種多功能的Ru/Nb2O5催化劑可以將芳香族塑料廢物直接轉化為芳烴，同時具有極高的產率。1）研究發現，Ru/Nb2O5不僅催化單組分塑料廢物選擇性地轉化為大宗化學品(PET轉化為對二甲苯，PPO轉化為間二甲苯)，而且能夠將混合芳香族塑料轉化為芳烴。2）Ru/Nb2O5催化劑結合了兩個關鍵功能，即分別用于C-O鍵活化的NbOx物種和用于C-C鍵活化的Brnsted酸中心，使得單環芳烴的生產成為可能。Nb2O5上的Ru以低配位數（C.N.=5-6）的亞納米粒子形式存在，阻止了苯環的加氫反應，從而對芳烴有明顯的選擇性。研究工作首次通過單元間C-O和/或C-C鍵的選擇性裂解實現芳香族塑料廢棄物的芳烴升級，使得Ru/Nb2O5與其他催化劑相比，具有無法比擬的的催化性能。
納米催化學術QQ群：256363607
Yaxuan Jing, et al, Towards the circular economy: converting aromatic plastic waste back to arenes over Ru/Nb2O5catalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202011063https://doi.org/10.1002/anie.202011063
11. Angew：兩種不良溶劑的混合物中的超分子解聚：離子π-體系超分子聚合的機理研究和調節
溶劑在軟材料的合成和加工過程中必不可少。超分子聚合物（SPs）是一類新興的軟材料，通常在單一或混合的不良溶劑中穩定存在。與之相反，近日，印度理工學院海得拉巴分校Kotagiri Venkata Rao報道了SPs在兩種不良溶劑的混合物中的解聚。1）研究人員在水和異丙醇（IPA）等兩親性有機溶劑混合物中的cationic perylene diimides（cPDIs），觀察到了SPS的解聚。cPDIs在水和IPA中形成穩定的SPs，但在含水的50-70 vol% IPA中很容易解聚成單體。分子動力學模擬表明，這是由于π表面被IPA的烷基鏈和離子側鏈選擇性地溶劑化所致。2）研究人員通過系統地改變水和兩親性有機溶劑的比例，增加和降低溶劑的極性實現了前所未有的超分子聚合。
Srinu Kotha, et al, Supramolecular Depolymerization in the Mixture of Two Poor Solvents: Mechanistic Insights and Modulation of Supramolecular Polymerization of Ionic π-Systems, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202011977https://doi.org/10.1002/anie.202011977
12. ACS Nano：等離激元活性不對稱金納米結構用于單金屬光電探測器
基于等離激元的光電探測器正受到越來越多的關注，因為其簡單的結構變化可使光電探測器具有巨大的敏感性。近日，萊斯大學Douglas Natelson等采用不對稱金納米結構，通過光熱電響應進行光檢測。1）該單金屬光電探測器通過金納米線在所需波長的等離激元共振產生的局部光吸收來產生溫度梯度。結合與幾何形狀依賴的Seebeck系數，在照亮整個幾何形狀時產生凈電信號，并具有等離激元共振的光譜敏感性和偏振依賴性。2）作者展示了近紅外范圍內的兩個波長處（785和1060 nm）的單波長光電探測器的實驗結果和模擬。基于仿真結果和與幾何相關的Seebeck響應的模型，作者演示了一種光電探測器結構，該結構針對兩個波長生成具有相反符號的偏振敏感響應。并將實驗光熱電結果與模擬相結合，推斷Seebeck響應的幾何依賴性。該工作報道的結果可用于進一步提高光電探測器的響應度。
光電器件學術QQ群：474948391Mahdiyeh Abbasi, et al. Single Metal Photodetectors Using Plasmonically-Active Asymmetric Gold Nanostructures. ACS Nano, 2020DOI: 10.1021/acsnano.0c08035https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08035
