1. Chem：2D/3D鈣鈦礦工程消除了鈣鈦礦太陽能電池的界面復合損失
界面工程和設計對于多層設備堆棧的優化至關重要。這對于基于鈣鈦礦的多維（2D/3D）太陽能電池來說是相當關鍵的，其中可以將高效率與穩定的性質相結合。但是，2D/3D電池的界面的復雜功能仍然含糊不清。瑞士洛桑聯邦理工學院Giulia Grancini，Mohammad Khaja Nazeeruddin和Yana Vaynzof等人提供了有關界面能學的確切知識，并證明了2D / 3D鈣鈦礦界面形成了一個p-n結。1）該結能夠降低空穴傳輸層界面處的電子密度并最終抑制界面復合。因此，我們演示了具有增強的填充因子（FF）和1.19 V的開路電壓（VOC）的光伏器件，效率超過21%。2）該器件接近鈣鈦礦吸收體的潛在內部準費米能級分裂（QFLS）電壓，進而抵消界面損失。因此，我們確定了2D/3D鈣鈦礦系統所需的基本參數和能級對準方案，以超越混合鈣鈦礦太陽能電池性能的當前限制。Albertus A. Sutanto et al. 2D/3D perovskite engineering eliminates interfacial recombination losses in hybrid perovskite solar cells, Joule, 2021https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.04.002
2. JACS：一種基于適體的熱泳法實現病毒顆粒的快速一步檢測
快速、敏感地鑒定SARS-CoV-2等病毒性病原體是控制這一大流行疾病的關鍵步驟。病毒抗原檢測在更好地反映病毒感染性和降低酶擴增污染風險方面可與基于金標準PCR的核酸診斷相競爭。有鑒于此，湖南大學的譚蔚泓院士和國家納米科學中心的Jiashu Sun、Chao Liu等研究人員，報道了一種基于適體的熱泳法實現病毒顆粒的快速一步檢測。1）研究人員報道了一種利用適體和聚乙二醇（PEG）直接定量檢測病毒顆粒的一步熱泳法。2）該方法依賴于適體與SARS-CoV-2突刺蛋白的結合，以及在激光誘導的溫度和PEG濃度梯度下適體結合的病毒顆粒的同時聚集。3）采用假型慢病毒模型，無需任何預處理，在15分鐘內檢測限達到～170粒μL–1（26 fM的峰蛋白）。作為一個概念證明，一步熱泳法通過將病毒顆粒注入口咽拭子來檢測合成樣品，準確率為100%。本文研究的熱泳分析方法的簡單、快速和成本效益可能會擴大病毒病原體的診斷工具。Jinqi Deng, et al. Rapid One-Step Detection of Viral Particles Using an Aptamer-Based Thermophoretic Assay. JACS, 2021.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c02929
3. JACS：輕度磁熱可激活先天性免疫以治療肝癌
磁熱治療(MHT)是一種無創、具有良好組織穿透性的深部腫瘤治療方法。然而，由于磁熱效率有限，并且靜脈注射磁性納米顆粒后其在腫瘤內的積累效果不足，因此MHT的治療效果往往較低。磁性納米顆粒中的大部分實際上會被單核吞噬細胞系統攝取，這點在肝臟中尤為明顯。中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士和胡萍研究員首次利用這種肝臟優先攝取的不利特點，設計了一種特殊的復合磁性納米顆粒，并利用其產生輕度的MHT效果以治療原位肝癌。1）實驗合成了一種具有核殼結構、摻雜Zn2+的Zn-CoFe2O4@Zn-MnFe2O4超順磁性納米粒子(ZCMF)，由于其核殼間具有交換耦合磁性，且摻雜有Zn2+，因此它有著優異、可控的磁熱性能。研究表明，基于ZCMF的可控輕度MHT（43~44℃）可幾乎完全抑制肝癌細胞的增殖和腫瘤生長，而這與ZCMF能夠抑制熱休克蛋白70(HSP70)的表達有關。更重要的是，經過輕度MHT治療的肝癌細胞能夠通過顯著上調UL16結合蛋白(ULBPs)、自然殺傷2組成員D配體(NKG2D)的表達來激活自然殺傷(NK)細胞。2）實驗結果表明，ZCMF可在體內誘導產生NK細胞相關的抗腫瘤免疫，并且輕度MHT也能夠完全抑制異種移植瘤和原位肝臟腫瘤的生長。綜上所述，這一研究不僅證明了輕度MHT在治療肝癌方面具有很好的應用潛力，而且也揭示了輕度MHT自身所具有的潛在免疫激活機制。
Jiong Pan. et al. Mild Magnetic Hyperthermia-Activated Innate Immunity for Liver Cancer Therapy. Journal of the American Chemical Society. 2021DOI: 10.1021/jacs.1c02537https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c02537
4. JACS: 大孔反蛋白石氮氧化物光陽極，用于光電化學水分解
在可持續的能源轉換系統中，直接光電化學（PEC）分解水至關重要。然而，同時控制光捕獲和電荷傳輸以改善PEC性能是一個巨大的挑戰。有鑒于此，大連理工大學侯軍剛教授等人，為了解決這一關鍵挑戰，組裝了一個超薄的基于氮化碳的插層3DOM CsTaWO6-xNx體系結構，作為共形異質結光電陽極。1）首次合成了在氟摻雜的氧化錫襯底上生長的三維有序大孔（3DOM）CsTaWO6-xNx反蛋白石陣列，然后形成了超薄的硼摻雜氮化碳(BCN)均勻插層3DOM CsTaWO6-xNx反蛋白石結構的共形異質結陣列(BCN/CsTaWO6-xNx)。2）這種先進的共形異質結光電陽極具有高達88％的載流子分離效率，在1.6 V（vs RHE）電壓下在模擬AM 1.5G光照下可實現4.59 mA cm–2的高電流密度，它比原始的CsTaWO6-xNx反蛋白石大3.4倍和17倍，并在堿性介質中為光電極供電，在400 nm時入射光電流效率為32%，并且具有出色的PEC水分解穩定性。3）密度泛函理論計算表明，共形光陽極的緊密界面優化了電荷的分離和轉移，從而提高了固有的水氧化性能。總之，該工作闡明了3DOM架構和共形異質結構的關鍵重要性，以及對出色的PEC水分解應用的重要貢獻。Lei Ran et al. Conformal Macroporous Inverse Opal Oxynitride-Based Photoanode for Robust Photoelectrochemical Water Splitting. J. Am. Chem. Soc., 2021.DOI: 10.1021/jacs.1c00946https://doi.org/10.1021/jacs.1c00946
5. JACS: 使用具有雙活性位點的金屬-有機骨架，高選擇性將CO2電還原為C2H4
CO2轉化為C2H4對能源和環境的發展具有重要意義，但*CO中間體加氫和C-C偶聯步驟的高能壘容易導致C1化合物為主要產物，從而限制了C2H4的生成。有鑒于此，中山大學廖培欽等人，報道了一種由2,3,9,10,16,17,23,24-八羥基酞菁(II) (PcCu-(OH)8)配體和CuO4節點組成的金屬有機框架(PcCu-Cu-O)，作為CO2轉化為C2H4的電催化劑。1）與離散分子銅酞菁相比（C2H4的法拉第效率（FE）= 25％），PcCu-Cu-O表現出更高的電催化還原CO2生成C2H4的性能，FE為50（1）％，在0.1M KHCO3溶液中在電位為-1.2 V（vs RHE）時的電流密度為7.3 mA cm–2，代表了迄今為止報道的最佳性能。2）原位紅外光譜和控制實驗表明，電化學性能的提高可能歸因于CuPc單元和CuO4單元之間的協同作用，即CO生成位點（CuO4位點）上的CO可以有效地遷移并二聚化，*CO中間體吸附在C2H4產生位點（CuPc）上，具有較低的C-C二聚化能壘。總之，該工作為設計和利用具有多個催化活性位點的電催化劑將CO2轉化為高價值C2+化合物提供了一種新的策略。Xiao-Feng Qiu et al. Highly Selective CO2 Electroreduction to C2H4 Using a Metal–Organic Framework with Dual Active Sites. J. Am. Chem. Soc., 2021.DOI: 10.1021/jacs.1c01466https://doi.org/10.1021/jacs.1c01466
6. JACS: 通過CO2脈沖電還原法控制氣流電解池中的銅納米晶體的選擇性
可再生能源驅動的電化學CO2還原（CO2RR）作為一種將溫室氣體轉化為原料化學品和燃料的環境友好途徑而受到關注。在用于CO2RR的金屬催化劑中，銅催化劑因其獨特的能力將CO2轉化為具有高能量密度的各種烴和醇（例如CH4，C2H4和C2H5OH）而特別受關注。然而，控制對特定產物的選擇性仍然是該領域的主要挑戰。有鑒于此，馬克斯·普朗克學會的Beatriz Roldan Cuenya教授等人，利用脈沖式CO2電還原反應(CO2RR)方法來調整氣體流通池中工業相關電流密度下的產物分布。1）比較了在恒電位條件（-0.7 VRHE的固定施加電勢）或脈沖電解條件（氧化電位為Ean = 0.6~1.5 VRHE下1 s脈沖，然后在-0.7VRHE下1 s脈沖）下的銅催化劑的CO2RR選擇性，并確定了在后一種情況下觀察到的提高產品選擇性的主要參數。2）觀察到兩個不同的機制: （i）與-0.7 VRHE的恒電位CO2RR（FE C2H4 = 40.9％，FEC2H5OH = 11％）相比，對于Ean = 0.9 VRHE，獲得10%增強的C2產品選擇性(FE C2H4 = 43.6%, FEC2H5OH = 19.8%)；（ii）當Ean = 1.2 VRHE時，觀察到較高的CH4選擇性（FECH4 = 48.3％，而在恒定-0.7 VRHE時為0.1％）。3）Operando光譜法（XAS，SERS）和非原位顯微鏡（SEM和TEM）測量表明，催化劑選擇性的這些差異可歸因于結構修飾和局部pH效應。發現在用Ean = 0.9 VRHE進行脈沖電解后觀察到的催化劑的形態重構，包括高度缺陷的界面和晶界的存在，對增強C2產物的形成起著關鍵作用。而在Ean = 1.2 VRHE條件下，脈沖電解會導致催化劑表面OH-的消耗，從而產生有利于CH4生產的貧OH環境。Hyo Sang Jeon et al. Selectivity Control of Cu Nanocrystals in a Gas-Fed Flow Cell through CO2 Pulsed Electroreduction. J. Am. Chem. Soc., 2021.DOI: 10.1021/jacs.1c03443https://doi.org/10.1021/jacs.1c03443
7. AM: 用于柔性透明器件的多合一中空花狀共價有機框架
共價有機框架（COFs）在功能電子器件中有著巨大的應用潛力。然而，目前還沒有基于COFs的三維一體化空心微/納米結構的精確制備的報道。于此，南京郵電大學黃維院士、趙強、趙為為等人首次通過自模板策略合成了5-7 μm的中空二噁英基復合COF-316微型花，并具有相互連接的中空花瓣。1）生長機制包括納米粒子自組裝、內外奧斯特瓦爾德熟化和外延生長的協同過程。由于COF-316具有固有的孔隙率和相互連接的中空結構，可以通過“內部”和“外部”功能化與聚吡咯（PPy）均勻復合，其中氫鍵的相互作用提高了充放電過程中的電荷轉移效率和結構穩定性。2）COF‐316@PPy 柔性透明超級電容器的比表面積電容（CA）在3 μcm–2為783.6 μF cm–2和長期循環穩定性。這項工作將促進對用于儲能設備的三維中空COF材料的有價值的設計概念的研究。Wang, W., et al., All‐in‐One Hollow Flower‐Like Covalent Organic Frameworks for Flexible Transparent Devices. Adv. Funct. Mater. 2021, 2010306.https://doi.org/10.1002/adfm.202010306
8. AM: 仿生毛須，可增強機器人的皮膚觸覺
觸摸感知是人類最重要的感知能力之一，智能機器人也是如此。目前觸覺傳感器的研究主要集中在電子皮膚（e-skin）上，但e-skin在重復使用后容易被污染、損壞和干擾，極大地限制了其在機器人中的實際應用。于此，中科院納米能源所的研究人員通過模仿動物利用毛發傳感器探索環境的方式，設計了一種可彎曲的仿生觸須機械感受器（BWMR），用于機器人觸覺感知。1）由于摩擦電納米發電機技術的優點，BWMR可以在無需電源的情況下將外界機械刺激轉化為電信號，有利于其在機器人中的廣泛應用。 2）由于晶須的杠桿效應，BWMR可以通過放大外部微弱信號來分辨出1.129μN的激振力，這可以通過增加晶須長度來進一步改善。利用BWMR演示了實時傳感，展示了其在機器人觸覺系統中的潛力。An, J., et al., Biomimetic Hairy Whiskers for Robotic Skin Tactility. Adv. Mater. 2021, 2101891.https://doi.org/10.1002/adma.202101891
9. AEM：硫代磷酸鋰固體電解質的結晶度對固態電池性能的影響
固體電解質（SEs）在很大程度上定義了全固態電池（ASSBs）的特性，并有望提高其安全性、穩定性和性能。近年來，它們的離子電導率有了很大的提高，從而有望實現更高的功率和能量密度。然而，更細微的參數，如結晶度，也可能影響電池的電化學性能。有鑒于此，吉森大學Wenbo Zhang、Felix H. Richter、Jürgen Janek和清華大學南策文院士等人研究了具有相同化學計量，但結晶度不同的硫代磷酸鹽SEs與ASSBs性能之間的相關性。1）在In/InLi|SE|LiCoO2@LiNb0.5Ta0.5O3模型電池中，當使用玻璃/玻璃陶瓷SEs（例如，75Li2S·25P2S5玻璃、70Li2S·30P2S5玻璃和Li6PS5Cl玻璃陶瓷）時，可以獲得更好的循環和倍率性能。這主要歸功于與晶體SE相比，玻璃/玻璃陶瓷SE減少了接觸損失。2）此外，以SE和碳復合材料為正極，研究了典型正極電位下SE的分解。循環后，在晶體SE中的SE/碳復合正極出現了更大的體積變化和更嚴重的分解。晶態SEs顯示出較高的電子電導率，這導致復合正極更高的降解程度。這項工作通過仔細選擇具有適當機械和（電）化學性質的固體電解質，為優化ASSB的復合正極設計提供了啟示。Shuo Wang et al. Influence of Crystallinity of Lithium Thiophosphate Solid Electrolytes on the Performance of Solid-State Batteries. Adv. Energy Mater. 2021, 2100654.DOI: 10.1002/aenm.202100654.https://doi.org/10.1002/aenm.202100654
10. AFM: 鈷鎳二元納米粒子修飾的碳化木材，作為一種低成本高效的水分解電極
不可再生燃料資源的迅速耗盡所導致的能源短缺是全球最緊迫的挑戰之一。由于氫的高能量密度以及在處理過程中對環境的影響可以忽略不計，通過電化學水裂解從水中生產清潔的氫氣和氧氣是特別吸引人的。廣泛的研究致力于開發具有成本效益的催化劑，如層狀雙氫氧化物、鈣鈦礦化合物、尖晶石化合物和過渡金屬氧化物用于OER，以及硫化物、硒化物、金屬碳化物、氮化物和磷化物用于HER。然而，在實際應用中，配對兩個電極反應通常需要額外的成本，歸因于多個操作過程和設備集成。每一種電催化劑的pH值范圍的不匹配也需要考慮，因為每一種催化劑都有自己的最佳pH范圍，以使其性能最穩定和活躍。因此，具有高HER和OER活性的雙功能電催化劑是解決這些實際問題的關鍵。有鑒于此，東北林業大學李堅院士和謝延軍教授、美國馬里蘭大學李騰教授等人，利用一種廉價且生態友好的木質基材，開發了一種一步煅燒方法，將Co - Ni二元納米粒子沉積到排列整齊的木材通道中，從而形成有效的碳化木材(CW)電極(稱為Co/Ni - CW)。1）分布均勻的Co-Ni納米粒子是通過木材基質上的羥基與浸泡的金屬陽離子之間的配位鍵實現的。隨后，高溫煅燒促進了Co-Ni納米顆粒的成核和CW的形成。2）通過Co-Ni納米顆粒的均勻分布和多孔木質結構，不僅具有高活性表面積，而且電子和質量擴散路徑也得到增強。因此，所制備的Co/Ni - CW在330和157 mV的低過電位下分別提供了10 mA cm-2的析氧和析氫電流密度。3）值得注意的是，當將木質雙功能電催化劑同時用作陽極和陰極時，需要1.64 V的低電池電壓才能達到10 mA cm-2的電流密度。與雙功能電催化劑中使用的大多數基材相比，木質催化劑的豐富，低成本，生態友好和易于操作的特點使其成為用于水分解和許多其他儲能設備的活性且可擴展的電極。Wentao Gan et al. Carbonized Wood Decorated with Cobalt‐Nickel Binary Nanoparticles as a Low‐Cost and Efficient Electrode for Water Splitting. Advanced Functional Materials, 2021.DOI: 10.1002/adfm.202010951https://doi.org/10.1002/adfm.202010951
11. Nano Energy：具有壓電光電效應的局域表面激元共振耦合促進Au@MoS2納米花的析氫性能
具有經濟高效、環境友好的制氫技術至關重要。光催化和電催化水分解作為一種極有前途的析氫反應（HER）和降解污染染料的技術已經得到了廣泛研究，但其量子效率仍然存在局限性。近日，臺灣清華大學Jyh Ming Wu報道了通過局域表面等離激元共振（LSPR）與壓電光電效應的耦合，MoS2納米花包裹的Au納米顆粒（Au@MoS2 NFs）的析氫速率顯著提高。1）具有異質結構的Au@MoS2 NFs具有非常活躍的壓電極化反應位點，建立了電場和表面等離子激元效應，在調節界面電荷遷移中起著至關重要的作用。2）將光照和機械振動同時作用于Au@MoS2 NFs，結果顯示，其析氫速率從單純壓電催化過程的2981 μmol g?1 h?1增加到4808 μmol g?1 h?1。Au@MoS2 NFs的析氫速率是原始MoS2 NFs的161%。3）Au@MoS2 NFs的出色HER性能得益于通過LSPR壓電產生的超熱電子。研究人員采用密度泛函理論（DFT）和有限元方法，模擬了Au@MoS2 NFs在光照和機械振動同時作用下的電荷轉移過程。異質結構催化劑的機械應變越大，產生的電場越大，說明壓電光效應與LSPR有很強的協同作用，從而提高了析氫速率。Chia-Yu Tu and Jyh Ming Wu, Localized Surface Plasmon Resonance Coupling With Piezophototronic Effect for Enhancing Hydrogen Evolution Reaction With Au@MoS2 Nanoflowers, Nano Energy,DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106131https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106131
12. EnSM：嵌入金屬硫化物的MXene納米片中，陰離子空位可實現獨特的中間吸附，克服鋰氧電池中氧電極反應的動力學障礙
迫切需要設計具有優化表面電子結構和完全暴露活性位點的電極材料，以改善鋰氧電池（LOBs）中的氧電極反應動力學。有鑒于此，成都理工大學龍劍平教授、舒朝著教授等人在二維MXene上制備了富硫空位的Ni3S2（VS-Ni3S2@MN）作為LOBs的雙功能催化劑。1）通過Ar等離子體轟擊引入的硫空位在VS-Ni3S2@MN表面暴露了大量的配位不飽和位點，在氧還原反應和析氧反應中可以沉積和分解均勻分布的Li2O2，從而有效地降低了過電位并改善了往返效率。2）此外，理論計算證實，硫空位作為活性位點可以顯著提高中間體的內在親和性，從而從根本上調整Li2O2的沉積機制。具體來說，以VS-Ni3S2@MN為電極的LOB顯著降低了過電位（0.77 V），提高了長期循環穩定性（在400 mA g?1的電流密度下循環200圈）。這項研究提供了一個獨特的觀點，即通過表面空位調節中間吸附是提高LOBs性能的一種實用策略，并為氧電極材料的設計提供了新的思路。Ruixin Zheng et al. Unique intermediate adsorption enabled by anion vacancies in metal sulfide embedded MXene nanosheets overcoming kinetic barriers of oxygen electrode reactions in lithium-oxygen batteries. Energy Storage Mater. 2021.DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.041.https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.041
