1. Science：轉錄起始復合物識別啟動子及動態組裝的分子機制復旦大學生物醫學研究院徐彥輝課題組在《科學》（Science）雜志上在線發表了研究長文（Research Article）《結構研究揭示轉錄前起始復合物識別啟動子及動態組裝機制》（“Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters”）。該項研究首次報道了包含TFIID的完整轉錄前起始復合物（PIC）結構，揭示了PIC如何識別不同類型啟動子并完成多步組裝的完整動態過程。Xizi Chen, et al. Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters. Science, 2021.DOI: 10.1126/science.aba8490https://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/31/science.aba8490
2. Matter綜述：提高室溫鈉硫電池硫正極的電化學動力學
由于成本低、能量密度高等優點，室溫（RT）鈉硫電池（RT-Na/S）被認為是最有潛力的儲能技術之一。然而，其存在的各種問題仍然嚴重阻礙了RT-Na/S電池的實際應用，特別是可溶性多硫化鈉（NaPS）引起的穿梭效應以及S8和Na2S2/Na2S在S正極中的低轉換效率。近年來，人們在RT-Na/S電池中采用了各種策略來提高S正極的電化學動力學，這些策略能夠顯著地提高（或改變）S正極的氧化還原過程，并減輕S正極的穿梭效應。有鑒于此，哈工大王殿龍教授，王博副教授系統地綜述了RT-Na/S電池的工作原理和提高S正極電化學動力學的最新進展。此外，還展望了提高S正極電化學動力學研究的未來仍面臨挑戰和前景。1）對于RT-Na/S電池，反應遲緩和穿梭效應是導致其可逆容量低、衰減快的主要原因。因此，提高S正極的電化學動力學有望成為一種極有前途的策略。在以往的研究中，人們研究了碳基基質、共價硫化合物和金屬改性基質等，并分別在醚基和碳酸鹽基電解質方面取得了巨大進展。作者通過比較基于不同策略的RT-Na/S電池的電化學性能的比較發現：1）與其他含碳基質相比，微孔碳基質具有更好的性能，其除了提高電子電導率之外，還可以實現S和Na2Ss之間的直接固態轉化。由于雜原子的引入，N摻雜的碳基質也表現出更好的性能，這可以增強基質的導電性和極性；2）在共價S復合材料中，得益于其改善的導電性、直接固態轉化和額外增強的Na+離子傳輸，摻雜的S@pPANs實現了優異的倍率性能。更重要的是，使用碳酸鹽基電解質可獲得比使用醚基電解質更好的性能；3）具有催化作用的嵌入在碳骨架中的理想的金屬、金屬氧化物和金屬硫化物等可以首先通過物理限域和極性相互作用來錨定NaPS，然后催化其快速轉化為Na2S2/Na2S，從而有利于抑制穿梭效應。2）雖然近年來有關RT-Na/S電池的研究已經取得了巨大進展，但要實現RT-Na/S電池的大規模實際應用，仍有一些關鍵問題需要解決，包括：i）提高對RT-Na/S電池的基本認識；ii）進一步的優化策略；iii）工業化生產的路線圖。與成熟的商用HT-Na/S電池相比，RT-Na/S電池還處于實驗室研究階段。除了在紐扣電池中測試的電化學性能之外，實現商業化生產還需要考慮其他因素。這篇綜述有望為RT-Na/S電池未來的研究提供重要的指導。Jin et al., Boosting electrochemical kinetics of S cathodes for room temperature Na/S batteries, Matter (2021),DOI：10.1016/j.matt.2021.03.004https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.004
3. EES：一種30 ℃下可拉伸的超級電容器
在相對較低的溫度下（如-30 ℃），由于傳統電解質的耐冷性較差，并且缺乏本質上可拉伸的電極，大多數在室溫下工作良好的柔性超級電容器將失去可拉伸性。近日，北京理工大學張志攀教授，清華大學曲良體教授報道了首次通過乙二醇/水/H2SO4浸漬的交聯聚丙烯酰胺網絡，在有機水凝膠聚電解質上一步原位生長聚苯胺，制備了一種可抗凍、高拉伸的超級電容器（AF-SSC）。1）實驗結果顯示，無需額外的可拉伸基底（如彈性纖維、聚二甲基硅氧烷以及橡膠等），或預確定的可拉伸結構(例如螺旋、彈簧、褶皺、蜂窩結構等)，在這種設計中，所制備的AF-SSC在-30 ℃下表現出200%的機械拉伸率，并且可以重復拉伸100次而不會有明顯的電容損失。當電流密度增加20倍時，-30 ℃下的電容保持率達到73.1%，遠高于室溫下工作的基于贗電容材料的可拉伸超級電容器。此外，AF-SSC還表現出超長的壽命，在-30 ℃下100000次循環后的電容保持率達到91.7%，超過了之前報道的所有可拉伸超級電容器。該器件具有拉伸性高、附著力強、良好的加工性以及抗干燥能力等優點，可作為現實生活中驅動多功能電子元件的理想電源。Xuting Jin, et al, Stretchable Supercapacitor at -30 ℃, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D0EE04066E
4. AM: 利用軟機器人中的機械不穩定性：控制，傳感和驅動
在這些示例的指導下，研究人員最近開發了多種策略來克服使用機械不穩定性的軟機器人中的速度和功率限制。通過從結構穩定狀態的快速過渡，這些機械不穩定性提供了一種新途徑，以實現高輸出功率放大并獲得令人印象深刻的促動速度。1）鑒于此，普渡大學Ramses V. Martinez等人對與軟機器人和致動器的開發有關的文獻進行了概述，這些軟機器人和致動器利用機械不穩定性來擴展其致動速度、輸出功率和功能。2）此外，研究人員還討論了使用結構相變解決軟機器人控制、傳感和驅動領域當前挑戰的策略。還回顧了使用不穩定性創建完全軟邏輯模塊以使軟機器人具有材料智能和分布式計算能力的方法。Pal, A., et al., Exploiting Mechanical Instabilities in Soft Robotics: Control, Sensing, and Actuation. Adv. Mater. 2021, 2006939.https://doi.org/10.1002/adma.202006939
5. Nano Energy：高度穩定的CsPbI3:Sr2+納米晶并用于鈣鈦礦發光二極管
去除鈣鈦礦納米晶體（NCs）表面上的長鏈配體是促進電荷向高性能鈣鈦礦發光二極管（PeLED）傳輸的一種有前途的策略。但是，由于其穩定性差和溶劑的高極性，CsPbI3鈣鈦礦NCs在配體去除過程中易于分解。廈門大學解榮軍，Tongtong Xuan和中國計量大學Le Wang等人報道了通過改進的熱注入方法合成的Sr2+摻雜的CsPbI3 NCs。
1）CsPbI3:Sr2+ NCs顯示出增強的穩定性和近100%的光致發光量子產率（PLQY，99.8％）。更重要的是，在通過極性溶劑（乙酸乙酯，EA）去除表面配體后，CsPbI3:Sr2+ NCs仍然保持較高的PLQY（97.5％）。2) 此外，使用EA和辛烷的混合物制備光滑致密的CsPbI3:Sr2+ NC薄膜，其PLQY高達73.2％，在環境條件下具有很高的穩定性。最后，發紅光的CsPbI3：1.8％Sr2+ PeLED的峰值外量子效率（EQE）為17.1％，是目前的世界紀錄效率。Cheng Chen et al. Highly Stable CsPbI3:Sr2+ Nanocrystals with Near-Unity Quantum Yield enabling Perovskite Light-Emitting Diodes with an External Quantum Efficiency of 17.1%, Nano Energy, 2021.DOI : 10.1016/j.nanoen.2021.106033https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S22112855210029136. Nano Letters：超細鐵鎳納米粒子包裹的氮摻雜碳納米片作為雙功能電催化劑助力具有出色循環穩定性的可充電鋅空氣電池盡管近年來鋅空氣電池研究取得了巨大的進步，但由于缺乏高效的雙功能氧催化劑，其商業化仍然具有挑戰性。近日，美國佐治亞理工學院林志群教授，湘潭大學黎華明教授，Hongbiao Chen報道了制備了一種雙功能電催化劑，該催化劑由超細合金FeNi納米顆粒包裹在N摻雜的層狀碳納米片（FeNi/N?LCN）中，用于高效Zn?空氣電池。1）含三苯并咪唑的聚苯胺（TPANI）低聚物與含Fe和含Ni前體進行配位，隨后與三聚氰胺結合并隨后熱解，然后獲得FeNi/N?LCN電催化劑。2）所構建的FeNi/N-LCN具有優異的氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）電催化活性和穩定性。由FeNi/N?LCN組裝而成的Zn?空氣電池具有較高的比容量和峰值功率密度。值得注意的是，可充電Zn?空氣電池可以在5 mA cm?2下重復充放電1100 h，在10 mA cm?2下重復充放電600 h，在已報道的各種Zn?空氣電池中表現出最高的循環穩定性。Xufeng Li, et al, Rechargeable Zn?Air Batteries with Outstanding Cycling Stability Enabled by Ultrafine FeNi Nanoparticles-Encapsulated N?Doped Carbon Nanosheets as a Bifunctional Electrocatalyst, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00279https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00279
7. Nano-Micro Lett.：具有快速離子遷移功能的餅狀MOF固態電解質助力高性能鈉電池
固體電解質（SSE）由于其廣泛的電化學窗口和熱穩定性，在下一代儲能材料中引起了極大的關注。然而，SSE的高界面阻抗、低離子遷移數和復雜的制備工藝限制了其應用。有鑒于此，武漢理工大學麥立強教授和徐林等人受紅細胞優異的篩分功能和高比表面積的啟發，將餅狀金屬有機框架（MOF）與液體電解質結合，獲得了一種固體狀電解質（SLE）。1）通過簡單的水熱法制備形狀類似于紅細胞的餅狀MIL-125（PLM）。其獨特的三維孔隙結構可以作為LE的“宿主”，限制陰離子的遷移（PLM@LE）。由于PLM具有較大的孔徑比和光滑的餅狀結構，鈉離子可以在PLM中快速運輸，使SLE在室溫下具有6.60×10-4 S cm-1的高離子電導率和0.112 eV的低活化能。2）同時，PLM獨特的孔徑大小和親核官能團限制了陰離子的遷移，使鈉離子遷移數從0.16增加到0.33。此外，MOF內部的LE可以在原子水平上潤濕MOF粒子的點對點接觸。3）這種特殊的潤濕效果和PLM顆粒之間的良好接觸降低了鈉離子的遷移勢壘，從而使PLM@LE與鈉金屬之間具有良好的相容性。組裝的Na0.44MnO2//PLM@LE//Na SIBs可以在100 mA g-1條件下穩定循環160次而不發生明顯的容量衰減。Gang Zhang et al. Pancake-Like MOF Solid-State Electrolytes with Fast Ion Migration for High-Performance Sodium Battery. Nano-Micro Letters 2021, 13 (1), 105.DOI: 10.1007/s40820-021-00628-0.https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-021-00628-0
8. EnSM：通過溶劑化鞘結構調整高溫/高壓鋰金屬電池的雞尾酒療法
金屬鋰電池因其優越的能量密度而受到人們的廣泛關注。然而，由于鋰和電解質溶液之間的嚴重副反應以及鋰枝晶的過度生長，其循環穩定性較差并且存在嚴重的安全風險，這一問題在高溫/高壓下更加嚴重。為了解決這一問題，中科院寧波材料技術與工程研究所Yonggao Xia、Ya-Jun Cheng和上海大學Hongbin Zhao等人在含有乙二醇二甲醚（DME）、氟代碳酸乙酯（FEC）、己二腈（ADN）共溶劑和雙氟磺酰亞胺鋰鹽（LiFSI，1.0 M）、硝酸鋰（LiNO3，0.1 M）的ADFN電解質溶液中進行了溶劑結構操縱，以提升鋰金屬電池的高溫/高壓性能。1）通過分子動力學模擬和拉曼光譜表征，構建了含有更多無機組分的大尺寸溶劑化鞘。SEM和XPS分析表明獨特的溶劑化結構產生了富含無機物的穩定SEI層，抑制了電解液溶劑的持續消耗，抑制了鋰枝晶的生長。2）通過在ADFN電解質溶液中調節溶劑化結構，提高了Li||Cu、Li||Li、Li||LFP和Li||NCM523電池的電化學性能。Li||LFP和Li||NCM523電池都表現出改善的循環穩定性、可逆容量和倍率性能，其中Li||LFP電池在室溫、80 ℃和90 ℃下都表現出出色的性能。這項工作不僅提供了有關ADN溶劑化的基本見解和調控鋰離子溶劑化的創新策略，還提供了一種簡單的方法來進一步優化鋰離子電解質的寬溫度和高電壓應用。Tianle Zheng et al. nCocktail Therapy towards High Temperature/High Voltage Lithium Metal Battery via Solvation Sheath想· Structure Tuning. Energy Storage Mater. 2021.DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.002.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721001434
9. EnSM：BiPS4的電解質調節可同時抑制鉀離子電池中的Bi粗化和多硫化物穿梭效應
新一代電池的電極材料被有意識地設計為多組分活性材料，這些活性材料可以協同作用，執行多種電化學和結構任務，從而大大提高電池性能。基于此，延世大學Kwang-BumKim、MasoudNazarian-Samani等人介紹了BiPS4作為一種優良的鉀離子電池負極。1）BiPS4具有隧道結構，可提供出色的離子/電子通道和機械完整性，以應對劇烈的體積變化。在鉀脫嵌過程中，首次檢測到Bi納米粒子的異常生長和聚集以及中間可溶性多硫化鉀的穿梭。2）通過合理構建具有牢固化學鍵的BiPS4-碳納米管以及在電化學測試過程中對電解質修飾，成功地阻止了這兩種有害現象的發生。各種表征技術和理論計算也證明了這一點。3）因此，該混合電極具有較高的初始放電比容量（在0.05 A g-1時為863 mAh g-1）、庫侖效率（81.9％）和出色的循環穩定性（在0.2 A g-1時循環300次后為554 mAh g-1，在1 A g-1下經過600次循環后為489 mAh g-1）。此外該電極通過多重可逆轉換和合金化反應實現了極高的倍率性能（在2 A g-1下為498 mAh g-1）。Safa Haghighat-Shishavan et al. Electrolyte modulation of BiPS4 concurrently suppressing the Bi coarsening and polysulfide shuttle effect in K-ion batteries. Energy Storage Mater. 2021.DOI: 10.1016/j.ensm.2021.03.037.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721001422
10. ACS Nano: 納米多孔金屬：從等離子體特性到在增強光譜學和光催化中的應用
等離子體激元領域能夠在從紫外到紅外的不同波長范圍內進行有趣的應用。等離子體材料的選擇和材料的納米結構對任何等離子體器件的最終性能有重要的影響。人工設計的納米多孔金屬(NPMs)具有較大的比表面積、獨特的光學性能、高導電性和較低的剛度等材料特性，具有廣泛的應用前景。有鑒于此，意大利理工學院Denis Garoli等人，綜述了金、銀、銅、鋁、鎂、鉑等多種納米多孔金屬材料，重點介紹了它們作為等離子體材料的性能。1）盡管存在有關NPM的使用和表征的大量報道，但缺少有關NPM與表面等離激元和增強的光譜學以及光催化作用的詳細討論。報告了從最常用的納米多孔金到混合金屬化合物的各種不同金屬，并討論了每種等離激元材料對各種結構設計和應用的適用性。最后，討論了用于增強光譜學和光催化的傳統和替代等離子體材料的潛力和局限性。2）納米多孔金屬的另一個重要方面是它們的制造策略。利用目前應用最廣泛的脫合金技術和簡便的方法制備具有三維雙連續多孔結構、開放納米孔、孔徑可調的納米多孔金屬。不幸的是，不可能對任何起始合金進行脫合金處理，適合該工藝的合金數量有限。因此，制備具有理想性能的NPMs仍然具有挑戰性。目前正在研究用于脫合金的先進方法，例如，由于可以實現良好的成分控制，金屬玻璃可以用作前體。此外，如果脫合金工藝與模板等其他策略相結合，就有可能制備具有良好控制的形貌和3D結構的NPMs。最后，還提出了其他方法，例如純金屬（例如多孔Au和多孔Cu電極）上的電化學勢處理，使用H2氣泡作為模板的電化學沉積，使用水熱法的金屬納米粒子自組裝等，用于制備NPM。3）除了精確的建模、合理的設計和易于制備的納米多孔金屬外，NPMs的材料組成也是決定其性能和功能的關鍵因素。盡管有關納米多孔金屬的早期工作主要集中在傳統的等離子金屬（尤其是金和銀）上，但最近，使用了其他納米多孔金屬，例如Cu，Ni，Fe，Al和Rh。此外，最常用的NPMs主要在電磁光譜的可見光和紅外波段支持等離子體特性。為了填補這一空白，替代等離子體材料，如Al, Mg，和Rh已成為UV領域最有前途的金屬。特別是Al由于其等離子體頻率大，導致負介電常數(實部)下降到100 nm波長，以及由于其高電子密度而產生的強局域場增強，在UV和DUV區域是一種很有前景的等離子體材料。Alemayehu Nana Koya et al. Nanoporous Metals: From Plasmonic Properties to Applications in Enhanced Spectroscopy and Photocatalysis. ACS Nano, 2021.DOI: 10.1021/acsnano.0c10945https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10945
11. ACS Nano：一石多鳥：用于胞內miRNA和多模態協同癌癥治療的智能比率型雙光譜納米器件
開發一個集精確診斷和有效治療于一體的診斷平臺具有重要意義，但仍然極具挑戰性。在此，青島科技大學張曉茹等人構建了一個由Au@Cu2-xS@聚多巴胺納米粒子(ACSPs)和燃料DNA共軛四面體DNA納米結構(fTDNs)組成的集成智能納米器件，其中ACSP納米探針在抗腫瘤治療和癌細胞中microRNAs (miRNAs)的原位監測中發揮了重要作用。1） 在分析方面，ACSP探針具有兩種光學特性：優異的表面增強拉曼散射(SERS)增強和高熒光(FL)猝滅性能。以ACSPs為高效檢測底物，以fTDN輔助的DNA行走納米機為優勢放大策略，構建了一種超低背景信號、高靈敏度的SERS-FL雙光譜生物傳感器，FL和SERS的檢測限分別為0.11 pM和4.95 aM。2） 此外，通過雙信號比率策略還實現了對癌細胞miRNA的快速FL成像和精確的SERS定量檢測，提高了診斷的準確性。3） 在治療應用方面，由于ACSPs具有較高的活性氧生成能力和優異的光熱轉換效率，還可作為多模態協同治療腫瘤的一體化納米制劑。值得注意的是，體內和體外實驗均證實了其高度的生物安全性和較強的抗癌作用，表明其在診斷方面具有廣闊的應用前景。Peng He, et al. Many Birds, One Stone: A Smart Nanodevice for Ratiometric Dual-Spectrum Assay of Intracellular MicroRNA and Multimodal Synergetic Cancer Therapy. ACS Nano, 2021.
DOI: 10.1021/acsnano.0c10844https://doi.org/10.1021/acsnano.0c1084412. ACS Catal.: 非接觸式外場輔助光催化的最新進展：從基礎到應用光生載流子的有效分離在光催化反應中起著至關重要的作用。除了光催化的內在驅動力之外，產生增強效應的外場可以為光催化系統提供額外的能量，作為分離光生電荷的額外動力，從而提高整體催化效率。在有利的非接觸條件下，探索與純光催化或光電催化不同的外場效應，可以拓寬光催化技術的應用范圍。有鑒于此，中國科學院理化技術研究所張鐵銳研究員和澳大利亞科廷大學賈國華教授、遼寧科技大學羅旭東教授、韓露副教授等人，綜述了四種典型的非接觸外部場(即熱場、磁場、微波場和超聲場)及其在光催化中的耦合作用。1）重點介紹了各外場協同作用的機理和特點及其對催化體系性能的耦合作用。首次區分和定義了非接觸外場提供的電荷分離驅動力和傳統的電荷分離驅動力。討論了非接觸外場驅動的光催化技術面臨的挑戰和發展前景。2）外場輔助光催化作為一種綜合策略，可以將更多的能量引入光催化體系，為光生電荷的分離提供強大的驅動力，從而顯著提高光催化活性。在有效分離電子和空穴的基礎上，討論了由非接觸外部場驅動的光催化反應，著重于熱，磁，微波和超聲場的機理和特性以及多個能量場的耦合。非接觸外部場的引入可以提供一種均勻，無創且實時的方式來控制電荷分離，這可以在保持材料固有活性的同時顯著提高光催化性能。盡管場輔助光催化增加了系統的復雜性并引入了諸如材料表征，偶聯機理等新問題，但是這種跨學科方法具有獨特的優勢，可以補充和擴展傳統的光催化。3）這一新興領域值得深入研究，未來的挑戰和研究方向應集中在以下幾個方面：（i）熱場作為基礎場的經典代表，在有效分離光生載流子、提高光催化活性方面發揮著重要作用。因此，熱場表征技術和先進反應器的設計需要進一步探索。（ii）磁場輔助光催化是非接觸外場和光催化反應相結合的模型。有機和2D材料的磁場輔助驅動的發展不僅代表了新型光催化材料的充分利用，而且還代表了磁耦合理論（如自旋極化）的擴展和應用。（iii）微波作用于光催化過程時，它們可以發揮其獨特的優勢，對光催化產生各種影響，并大大提高外場耦合的應用價值。（iv）作為一種簡單實用的非接觸式外場，超聲波可以為光催化反應提供連續穩定的能量來源。因此，在探索超聲與光催化的結合時，有必要進一步加深對超聲及其他應用領域機理的認識，為單一外場和多場耦合光催化提供可能性。（v）在由多個能量場耦合驅動的光催化系統中，由于每個場的發展水平和與光催化的耦合程度不同，因此在實際操作中可能存在相容性問題。（vi）需要探索一些原位表征和檢測方法，以進一步確定在復雜的外場環境中催化劑中光生電荷的分離和遷移。總之，該工作能夠為外場輔助光催化的研究和發展提供參考，并為外場耦合增強光催化從而提高催化效率的深入研究提供啟示。Xibao Li et al. Recent Advances in Noncontact External-Field-Assisted Photocatalysis: From Fundamentals to Applications. ACS Catal., 2021.DOI: 10.1021/acscatal.0c05354https://doi.org/10.1021/acscatal.0c05354
