Nature：揭示植物受精奧秘
植物是如何保證卵細胞與一個精子成功融合后，不再與其他精子融合以便確保其遺傳穩定性？與動物不同的是，植物的卵細胞深埋在母體組織中，很難獲得開展相關研究工作。經過長期摸索，武漢大學孫蒙祥課題組創建了一套獨特的卵細胞分離技術，并結合單細胞測序技術，構建了國際上首個擬南芥卵細胞和受精卵轉錄組數據庫， 并從中鑒定得到兩個只在卵細胞特異表達的天冬氨酸蛋白酶ECS1和ECS2。（來源：武漢大學）
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03387-5
1. Nature Sustainability：內置樹脂層可防止鉛泄漏，實現可持續的鈣鈦礦太陽能電池
降雨期間損壞的鈣鈦礦太陽能電池組件的鉛泄漏對環境和人類健康構成了嚴重威脅。迄今為止，替代鉛的策略收效甚微，而封裝方法往往會損害鈣鈦礦的低成本優勢。在玻璃表面上鍍吸收鉛離子層可以幫助降低風險。但是，這些層很容易受到飽和或雨水或灰塵的污染。北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松等人報道了一種新的器件結構，該結構將低成本的介孔磺酸基鉛吸附樹脂結合到鈣鈦礦中作為支架，即使鈣鈦礦暴露在雨水中也能將支架內的鉛離子固定化。1）引入絕緣支架不僅不會降低器件效率，而且可以按比例放大到效率為16.3％的大面積模塊（工作面積為：60.8 cm2）。研究證明，這種結構比玻璃表面的涂層更有效地防止了鉛的泄漏，并且能夠將鈣鈦礦組件損壞造成的雨水的鉛污染降低至十億分之11.9。該解決方案解決了用于太陽能電池和其他應用的鉛基鈣鈦礦的毒性問題，是朝著可持續發展邁出的重要一步。Chen, S., Deng, Y., Xiao, X. et al. Preventing lead leakage with built-in resin layers for sustainable perovskite solar cells. Nat. Sustain. (2021).https://doi.org/10.1038/s41893-021-00701-x
2. Nature Biotechnology：利用毫米級超聲植入物監測了深層組織的氧合作用
器官移植后血管并發癥可能導致移植器官缺血、功能障礙或丟失。成像方法可以提供對移植器官灌注的間歇性評估，但需要熟練的從業人員，并且不能直接評估移植器官內的氧合作用。現有的用于監視組織氧合作用的系統受到有線連接需求的限制，無法提供實時數據或只能提供限于表面組織的數據。有鑒于此，美國加州大學伯克利分校的Michel M. Maharbiz、Soner Sonmezoglu等研究人員，利用毫米級超聲植入物監測了深層組織的氧合作用。1）研究人員研發了一種用于監測深層組織O2的微創系統，該系統可提供從綿羊組織厘米級深度到離體豬組織10 cm深度的連續實時數據。2）該系統由毫米大小的無線超聲波供電可植入式O2傳感器和用于雙向數據傳輸的外部收發器組成，可對手術或重癥監護適應癥患者進行深層組織氧合作用監測。Soner Sonmezoglu, et al. Monitoring deep-tissue oxygenation with a millimeter-scale ultrasonic implant. Nature Biotechnology, 2021.DOI：10.1038/s41587-021-00866-yhttps://www.nature.com/articles/s41587-021-00866-y
3. Nature Commun.：鎳促進氧化銦催化劑的納米結構助力CO2加氫選擇性
金屬在多相催化中的促進作用需要納米級的精密結構以實現最大和持久的效果。近日，蘇黎世聯邦理工學院Javier Pérez-Ramírez報道了通過綜合實驗和理論研究，揭示了Ni和In2O3在CO2加氫合成甲醇中的協同作用。1）研究人員在工業相關條件下對共沉淀和浸漬催化劑的Ni形態進行了對比研究，并進一步研究了不同In含量的In-Al混合氧化物上沉積Ni的電子效應。研究發現，Ni含量在性能較好的浸漬催化劑上有所不同，這顯著影響了產物的選擇性。2）研究人員采用原位光譜和衍射方法以及熱、體積和顯微鏡分析揭示了具有選擇性的貧Ni和非選擇性富Ni樣品的納米結構。同時密度泛函理論（DFT）揭示了沉積在In2O 3上的Ni的獨特結構重排和互補促進表面的反應性，并與實驗動力學參數相聯系。Ni與In2O3的合金化成為向In2O3上的活性中心提供未帶電的氫原子，同時減少Ni介導的不利于甲烷化反應的關鍵。總體而言，這項工作對用于可持續甲醇合成的相關體系有了一個基本的了解，并在CO2加氫路線中Ni的可調選擇性的基礎上揭示了結構和電子特征。Frei, M.S., Mondelli, C., García-Muelas, R. et al. Nanostructure of nickel-promoted indium oxide catalysts drives selectivity in CO2 hydrogenation. Nat Commun 12, 1960 (2021)DOI：10.1038/s41467-021-22224-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-021-22224-x
4. Nature Commun.：乙腈電化學還原為乙胺
使用可再生能源實現化學生產的電氣化是一種減少化學工業對化石能源依賴的有吸引力的途徑。伯胺是重要的有機構筑單元，但由于仲胺和叔胺副產物的形成，伯胺的合成往往受到選擇性差的嚴重阻礙。近日，美國特拉華大學Feng Jiao，天津大學馬新賓教授，哥倫比亞大學陳經廣教授報道了一種在室溫和壓力下通過乙腈的電還原選擇性產制乙胺的電催化途徑。1）研究人員首先在流動電解槽中對7種金屬催化劑（Pd、Pt、Ni、Bi、Sn、In和Cu）進行了初步篩選，確定了用于乙腈電化學還原的最佳催化劑。在所有的電催化劑中，與可逆氫電極相比，Cu納米顆粒在0.29 V下具有最高的乙胺法拉第效率（FE）（~96%）。在最佳條件下，在含12 wt%乙腈的1 M NaOH電解液中，利用Cu納米顆粒催化劑，獲得了846 mA cm?2的乙胺部分電流密度。在100 mA cm?2電流密度下，Cu催化劑可以穩定工作20 h，并具有86%的乙胺FE。2）研究人員最后利用流動電解質譜（FEMS）和密度泛函理論計算（DFT）研究了Cu催化劑上的乙腈電還原反應機理。這項工作為伯胺生產提供了一條替代路線，克服了熱催化丁腈加氫選擇性差的挑戰，為化工生產的電氣化鋪平了道路。Xia, R., Tian, D., Kattel, S. et al. Electrochemical reduction of acetonitrile to ethylamine. Nat Commun 12, 1949 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-22291-0https://doi.org/10.1038/s41467-021-22291-0
5. Angew：用于高壓鋰離子電池穩定運行的先進低燃電解質
盡管磷酸三甲酯（TMPa）是一種有效的阻燃劑，但由于其容易導致石墨(Gr)基鋰離子電池的剝落和電池失效，被普遍認為是制備石墨（Gr）基鋰離子電池電解質的不合格溶劑。近日，美國太平洋西北國家實驗室許武教授報道了采用局域高濃度電解質（LHCE）對TMPa的獨特溶劑化結構，并通過電解質添加劑調節溶劑化鞘層的組成，從而使得TMPa基電解質在Gr||LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2電池中具有優異的電化學性能。1）電解質中較高的TMPa含量有效地降低了電解質的易燃性。同時，由于電解液獨特的溶劑化結構，LiFSi和TMPa的協同分解可以在Gr電極上形成有效的SEI。然而，使用E-TMPa的電池在大約190次充放電循環后容量突然衰減。非原位分析表明，Gr的部分剝落是造成這種現象的原因。2）為了解決上述問題，研究人員在E-TMPa中引入了功能性電解質添加劑，包括EC、VC和FEC。在2.5~4.4 V電壓范圍內進行500次充放電循環后，含適當FEC添加劑的TMPa基LHCEs電池的容量保持率可達85.4%，明顯高于使用LiPF6-有機碳酸鹽基電解液的電池的容量保持率（75.2%）。同時，由于TMPa的阻燃作用，與傳統的LiPF6-有機碳酸鹽電解質相比，TMPa基LHCEs的易燃性得到顯著降低。Hao Jia, et al, Advanced low-flammable electrolytes for stable operation of high-voltage lithium-ion batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202102403https://doi.org/10.1002/anie.202102403
6. Angew：單原子鈀納米酶用于鐵死亡增強的溫和光熱治療
光熱治療(PTT)是一種極具發展前景的腫瘤治療方法。然而，過多的熱量往往會不可避免地會損傷腫瘤附近的正常組織，而溫和的熱量所引起的癌細胞損傷也很容易被應激誘導的熱休克蛋白(HSPs)所修復。因此，如何產生適當的治療溫度使PTT的效率最大化，同時使健康組織的損傷最小化對于PTT而言具有非常重要的意義。中科院長春應化所林君研究員、廣州醫科大學侯智堯教授和山東大學李春霞研究員首次報道了一種基于單原子納米酶(SAzyme)的鐵死亡增強PTT的新策略。1）具有原子經濟性的Pd SAzyme具有過氧化物酶(POD)和谷胱甘肽氧化酶(GSHOx)等模擬酶活性以及良好的光熱轉換性能，可誘導鐵死亡以使得脂質過氧化物(LPO)和活性氧物種(ROS)水平上調。2）研究表明，LPO和ROS的積累能夠有效切斷HSP，因此該Pd SAzyme可以通過溫和的PTT實現良好的抗腫瘤效果。Mengyu Chang. et al. Single Atom Pd Nanozyme for Ferroptosis-Boosted Mild-Temperature Photothermal Therapy. Angewandte Chemie International Edition. 2021DOI: 10.1002/anie.202101924https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202101924
7. Angew：二維二硫化鉬的共價雙功能化的方法
二維二硫化鉬（2D-MoS2）的共價功能化在開發堅固的有機二硫化鉬雜化結構方面具有廣闊的前景。有鑒于此，德國弗里德里希-亞歷山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學的Andreas Hirsch等研究人員，開發了二維二硫化鉬的共價雙功能化的方法。1）研究人員首次展示了一種通過將活化的MoS2與烷基碘化物和芳基重氮鹽連續反應來構建雙官能化MoS2雜化結構的方法。該方法可用于修飾膠體和襯底支撐的MoS2納米片。2）研究發現，與MoS2與重氮鹽反應生成的加合物相比，MoS2與烷基碘化物反應生成的加合物對進一步與親電試劑反應表現出更高的反應活性。本文研究對共價功能化MoS2雜化物的形成和反應性的系統研究將為多角度剪裁2D-MoS2的特性提供一些實際指導，以滿足各種潛在的應用。Andreas Hirsch, et al. Covalent Bisfunctionalization of Two‐dimensional Molybdenum Disulfide. Angewandte Chemie, 2021.DOI：10.1002/anie.202103353https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2021033538. Nano Energy：一種用于OER的高熵磷酸鹽催化劑過渡金屬磷酸鹽是一類廣泛應用于生物反應、有機合成、析氧和光催化等領域的催化劑。盡管以前的研究表明，多元素的加入可以極大地提高催化劑的催化性能，但由于極短的高溫加熱時間的苛刻合成要求，尚未有關于高熵聚陰離子材料如高熵磷酸鹽（HEPi）的合成報道。近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授，克萊姆森大學Kai He首次報道了一種高溫穿透法（high-temperature fly through）制備了高度均勻的球形HEPi催化劑（CoFeNiMnMoPi）。1）在高溫快速加熱過程中，可以很好地完成氧化物到磷酸鹽的原位轉變，以確保元素在毫秒內均勻混合在磷酸鹽相中。為了滿足催化反應的不同要求，可以通過調節合成過程中的合成參數（例如前體濃度、流速以及合成溫度等）來很好地控制顆粒的大小。2）利用這種方法，研究人員成功地合成了一系列的磷酸鹽顆粒，從單金屬、三金屬到HEPi。STEM-EDS圖譜表明，HEPi中的元素分布高度均勻，而HEPi的特征結構可以通過XPS、拉曼光譜和傅立葉變換紅外光譜進行表征。3）作為概念驗證，研究人員展示了所開發的HEPi催化劑在OER中的應用，結果顯示，其具有出色的OER催化活性（在10 mA cm-2時的過電位僅為270 mV），遠遠低于HEO催化劑（350 mV）和基準IrOx催化劑（340 mV）。此外，HEPi催化劑還可以應用于OER以外的其他反應。這種簡便、高效、可擴展的合成策略為開發一系列用于能源和催化的聚陰離子材料開辟了一條新的途徑。Haiyu Qiao, et al, A High-Entropy Phosphate Catalyst for Oxygen Evolution Reaction, Nano Energy, (2020)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106029https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.1060299. Small Science: 用于太陽能水分解的金屬有機框架材料太陽能驅動的水分解是生產可再生氫的一種有前景的方法。高效半導體光催化劑的設計在這一過程中起著至關重要的作用。金屬-有機骨架(MOF)材料的動態發展為設計高效的太陽能水分解復合光催化劑提供了良好的機會。有鑒于此，澳大利亞南昆士蘭大學王連洲教授和Zhiliang Wang等人，對用于太陽能驅動的水分解的MOF/半導體復合光催化劑的設計和開發進行了綜述。1）介紹了基于MOF的復合光催化劑的設計策略，包括利用有機配體、量子點和碳基材料形成異質結構，以及利用MOF層與半導體結合來制備用于光電化學水分解的薄膜光電電極。還討論了基于MOF的復合材料的剩余挑戰和未來前景，以希望能夠實現更好的太陽能水分解。2）太陽能水分解是一種有前途的策略，可用于可持續地收集可再生太陽能并將其轉化為氫燃料。對于粉末基PC，利用有機功能配體改性MOF材料已被證明是一種有效的方法。QD，石墨烯和納米尺寸的半導體顆粒等其他功能性成分也已被用來滿足MOF基復合材料的太陽能水分解需求。對于膜基PEC系統，簡要概述了過渡金屬氧化物半導體MOF涂層在光電電極制備、導電膜性能改善等方面的最新進展。3）盡管在MOF基復合材料作為光催化劑/光電極方面取得了一些進展，但仍應考慮做出更大的努力來克服以下挑戰。本質上，許多MOF材料的光捕獲能力較弱，這是實現高光催化性能的主要瓶頸。在太陽水分解反應過程中，MOF材料的軟結構會發生坍塌，從而引起對MOF材料穩定性的擔憂。此外，MOF材料固有的導電性差會限制電荷載流子的分離和轉移。4）為了應對這些挑戰，可以考慮以下策略。首先，探索和開發更具導電性的MOF材料對于促進PC和PEC系統中的電子-空穴分離和轉移具有重要意義。深入了解MOF/半導體復合材料界面間的電荷轉移，對于設計基于MOF的太陽能驅動的水分解具有重要意義。先進的表征工具，如原位光譜和結構觀察電荷轉移，反應中間體，和產物可以提供有用的信息。此外，有必要結合實驗和理論的方法來闡明MOF基材料上不明確的水分解機制。機器學習在催化劑設計和選擇方面的進步也可能推動新一代MOF基復合材料的發展，以滿足在不久的將來可持續的氫生產需求。Xianlong Li et al. Metal–Organic Framework‐Based Materials for Solar Water Splitting. Small Science, 2021.DOI: 10.1002/smsc.202000074https://doi.org/10.1002/smsc.202000074
10. AFM: 用于電磁吸收和屏蔽的多種MOF結構
金屬有機框架及其衍生物具有獨特的三維微觀結構和增強的電磁性能，為電磁功能材料和設備提供了無限的可能性，受到了國內外研究者的極大關注。有鑒于此，北京理工大學曹茂盛教授等人，總結了MOF單體的設計策略，并對其電磁響應機理進行了系統分析。重點介紹了MOF基材料在微波吸收和電磁干擾屏蔽方面的研究進展。最后，對當前面臨的挑戰和未來的研究方向進行了總結和預測。1）MOF單體具有可調整的微結構、高比表面和可調節的微孔/介孔等特點，在功能材料和器件方面取得了一系列重大進展，受到越來越多的關注。可定制的微結構，高比表面和可調節的微孔/介孔MOF單體受到了越來越多的關注，并在功能材料和裝置方面取得了一系列重大進展。2）目前，針對高效微波吸收和電磁屏蔽的MOF的衍生策略可歸納為三類。雜交策略可以拓寬局部導電網絡，豐富極化因子，并整合磁電協同成分。具體方法包括溶液滲透，CVD，涂層，封裝，模板等，涵蓋不同的工作環境（例如溶液，氣相，基質等），并滿足各種形態的定制要求，例如嵌入納米顆粒，構建核殼結構、構建3D網絡等。碳化策略可以改善其物理性質，包括將有機配體熱解為導電碳層，并將金屬離子/團簇轉化為金屬/金屬氧化物。另外，采用了一些新穎的修飾策略來制造電磁功能材料，引起了人們的廣泛關注。例如，蝕刻策略可以構造空心MOF，從而擴大了內部電磁波的傳輸路徑。硫化和磷化策略可以將碳化物產品的金屬成分轉化為金屬硫化物或金屬磷化物，從而提高電導率和穩定性。這些新穎的策略為新穎，高效的材料和設備的設計和制造提供了新的思路。3）當前，在開發高效電磁吸收和屏蔽材料中需要認真考慮一些重要問題。1）理論MOF模型的研究對于認識材料結構，性能以及新型材料和器件的設計與探索之間的聯系是必要的。2）精確控制結構和成分，并系統地結合影響因素（例如溫度，壓力，時間等）是準確調整高效電磁性能的核心因素。3）開發具有優異電導率和磁性的新型MOF單體是一個有價值的想法，可以簡化工藝過程并改善電磁性能。4）對于某些MOF材料，昂貴的成本和復雜的合成路線不足以實現大規模生產和商業化應用。這既是機遇，也是挑戰。應該考慮開發低成本，大規模和簡便的生產工藝。Jin‐Cheng Shu et al. Diverse Metal–Organic Framework Architectures for Electromagnetic Absorbers and Shielding. Advanced Functional Materials, 2021.DOI: 10.1002/adfm.202100470https://doi.org/10.1002/adfm.202100470
11. ACS Nano：用于碳捕獲的木質素基多孔超微粒
人為CO2排放被認為是氣候變化的主要因素。盡管已經證明了固體吸附劑如沸石和金屬有機骨架對CO2的吸附。然而，多孔碳質材料由于其穩定性（化學、機械和熱）和再生過程中的能量攝入，仍然是優良的CO2吸附材料。然而，CO2在碳通道中的擴散限制了CO2的快速吸附或解吸。碳納米和微球將促進CO2分子在整個孔網絡中的傳輸。因此通過結合碳納米和微球有望解決上述問題。近日，加拿大不列顛哥倫比亞大學Orlando J. Rojas，芬蘭阿爾托大學Bruno D. Mattos報道了合成了堅固的碳超微粒（SPs）作為優良的CO2吸附劑。1）通過氧化熱穩定化和隨后的碳化，直徑在200 nm到2.3 μm范圍內的木質素顆粒（LPs）被成功地轉化為不易熔的碳納米球和微球。較小的LPs在較慢的升溫速率下穩定，而較大的LPs需要較快的熱穩定性（LP200可以在0.05 ℃/min的加熱速率下氧化穩定，而2.3 μm的LPs需要1 ℃/min的預氧化加熱）。2）自組裝木質素SPs的機械強度隨CNF負載量的增加而增加。在EISA蒸發水分的過程中，木質素SPs被纏繞的納米纖維壓實，在碳化過程中生成了顆粒間網絡。CNF的添加和碳化的協同效應使得SPs具有顯著的高機械強度，這是任何一種組分單獨無法實現的。3）氨蒸汽激活SPs的方式與水蒸氣相似，但含有氮氣。研究人員分析了N摻雜對活性炭吸收CO2的影響。結果表明，碳源中的N不利于CO2的吸附（40 ℃時僅吸附1 bar的CO2）。此外，碳SPs可吸附77 mgCO2 g-1，是一種有效且可持續的固碳途徑。這項工作連接了基于木質素納米和微球的微觀和宏觀結構，形成了毫米級的碳SPs。堅固的碳SPs易于操作，同時保持接近碳納米和微球的初級表面。由于這些碳SPs作為主體碳具有更好的可加工性，并且納米和微米材料提供了吸附物的快速擴散，因此這些碳SPs有望成為更佳的CO2吸附劑。Bin Zhao, et al, Lignin-Based Porous Supraparticles for Carbon Capture, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.0c10307https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10307
12. ACS Nano：離子型樹枝狀大分子聚酰胺膜用于離子分離
分離亞納米尺寸的低價/高價離子在各個領域（例如，環境、醫療保健、化學和能源工程）是一項關鍵而又具有挑戰性的任務。要滿足高分離精度需要所開發的膜具有極高的選擇性。實現這一點的一種方法是在壓力驅動膜中構建設計良好的離子選擇性納米通道，其中分離機制依賴于空間、介電排斥和Donnan 效應的綜合作用。有鑒于此，浙江大學朱寶庫教授，丹麥技術大學Claus Hélix-Nielsen報道了一種將離子型聚酰胺-胺型（PAMAM）樹枝狀高分子通過界面聚合（IP）過程引入聚酰胺（PA）膜中，從而在PA膜中形成帶電納米通道的策略，可用于高效分離低價離子和高價離子。1）由于離子型PAMAM樹枝狀大分子的典型物理化學特性及其在PA納米膜中的梯度分布，研究人員成功地在同時含有用于水分子快速傳輸的內部和外部納米通道的PSF-UF襯底上形成了無缺陷的PA膜。同時，離子型PAMAM樹狀大分子將可電離基團附著在納米通道外壁上，成功構建了帶電納米通道，增強了離子篩分/傳輸過程中的Donnan效應，降低了離子分離性能對孔徑變化的敏感性。這些結果與基于DSPM-DE模型的分離機理分析相一致。2）通過簡單地加入離子型PAMAM樹枝狀大分子，可以實現對低價/高價共離子的高效分離，并且在用化學清洗劑處理后可以保持高選擇性。與目前最先進的膜相比，基于PAMAM樹枝狀大分子的離子型PA膜具有更高的單鹽選擇性、效率、長期穩定性和耐化學清洗能力，可應用于凈水、醫療保健、能源轉換和化工等多個實際應用領域。Ze-Lin Qiu, et al, Ionic Dendrimer Based Polyamide Membranes for Ion Separation, ACS Nano, 2021DOIA：10.1021/acsnano.1c00936https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00936
