1. Nature Commun.：過渡金屬/金屬氧化物異質結構耦合的Pt單原子催化劑用于促進堿性析氫反應
單原子催化劑為減少貴金屬用量，保持其催化活性提供了一條有效途徑。同時，堿性水分解催化劑的較低活性，嚴重阻礙了高效制氫技術的發展。近日，北京工業大學汪浩教授，韓昌報，Xiaoxing Ke報道了開發了一種三維（3D）納米結構電催化劑，該電催化劑由二維（2D）NiO/Ni異質結構納米片負載在一維（1D）Ag納米線（Ag NWs）導電網絡上的單原子Pt組成（PtSA-NiO/Ni）。1）密度泛函理論（DFT）計算表明，PtSA -NiO/Ni異質結界面附近由金屬Ni位和O空位修飾的NiO位組成的雙重活性中心分別對OH*和H*表現出較好的吸附親和力，有效地促進了水的吸附，與PtSA-Ni（0.47 eV）和PtSA-NiO（1.42 eV）催化劑相比，在堿性條件下PtSA -NiO/Ni在Volmer步驟（步驟1）達到了具有較低的能壘的無障礙水解離步驟（0.31 eV）。此外，在NiO/Ni異質結界面錨定Pt單原子時，由于Pt 5d軌道在費米能級的占有率升高，并且比Pt原子在NiO（ΔGH*，0.74 eV）和Ni（ΔGH*，-0.38 eV）處有更合適的H結合能（ΔGH*，-0.07 eV），在Pt位上產生了更多的自由電子，從而有效地促進了H*的轉化和H2的脫附，進而加速了整個堿性HER（步驟2）。此外，Ag-NWs的三維形貌為電荷轉移和質量傳遞提供了豐富的活性中心和可及的通道。2）實驗結果表明，所制備的PtSA-NiO/Ni催化劑具有優異的HER活性，在1 M KOH下，10 mA cm?2時的過電位為26 mV。當過電位為100 mV時，PtSA-NiO/Ni催化劑的質量活性為20.6 A mg?1Pt，是商品化Pt/C催化劑的41倍，明顯優于已報道的催化劑。這項工作為開發用于高效堿性HER的SACs提供了一種設計原則。Zhou, K.L., Wang, Z., Han, C.B. et al. Platinum single-atom catalyst coupled with transition metal/metal oxide heterostructure for accelerating alkaline hydrogen evolution reaction. Nat Commun 12, 3783 (2021).DOI: 10.1038/s41467-021-24079-8https://doi.org/10.1038/s41467-021-24079-8
2. Nature Commun.：硫鉍銅礦半導體Cu3BiS3薄膜用于太陽能驅動的光電化學水分解高效制氫
開發高效、低成本、環境友好、長期穩定的光電陰極是太陽能制氫實際應用的關鍵。近日，華南師范大學江豐研究員報道了開發了一種滿足上述要求的Cu3BiS3薄膜基光電陰極。1）Cu3BiS3基光電陰極具有0.9 VRHE以上的顯著起始電位，在0 VRHE下具有良好的光電化學電流密度（7 mA/cm2），在中性水溶液中具有較好的10 h長期穩定性。在BiVO4光陽極的輔助下，基于Cu3BiS3的光電陰極的獲得了1.6 mA/cm2的無偏壓工作光電流。2）研究人員開發了一種無偏置太陽能-氫轉換效率達到2.04%的Cu3BiS3-BiVO4串聯器件。這種串聯器件在20 h內也表現出高度的穩定性。最終，研究人員制作了一種5×5 cm2大小的Cu3BiS3-BiVO4串聯器件組件，用于獨立整體太陽能光電化學水分解，具有60 h的長期穩定性。Huang, D., Li, L., Wang, K. et al. Wittichenite semiconductor of Cu3BiS3 films for efficient hydrogen evolution from solar driven photoelectrochemical water splitting. Nat Commun 12, 3795 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-24060-5https://doi.org/10.1038/s41467-021-24060-5
3. Angew：氧空位驅動的可逆自由基催化用于實現環境適應性化學動力學治療
通過化學動態催化反應以放大自由基的產生和引起癌細胞的氧化損傷在實現腫瘤特異性治療方面得到了研究者的廣泛關注。目前，這一領域所面臨的主要挑戰是這些物種往往不可避免地會對腫瘤微環境(TME)進行負面調控，從而影響其持久的療效。湖南大學譚蔚泓院士和劉艷嵐教授構建了一種富氧空位的Bi基調節劑，它可以實現環境適應型自由基催化。1）研究表明，該調節劑可通過邏輯酶催化反應以在癌細胞中產生劇毒的O2?-和?OH的產生，并能同時清除TME相關的非癌細胞中積累的自由基的和免疫抑制介質。2）原子水平的機制研究表明，這種雙模態的調節行為是由氧空位所控制的。氧空位對于自由基催化動力學和調節劑的細胞命運而言十分重要。綜上所述，該智能調節劑有望實現一石二鳥的癌癥動力學治療。Xi Yuan. et al. Oxygen Vacancy-Driven Reversible Free Radical Catalysis for Environment-adaptive Cancer Chemodynamic Therapy. Angewandte Chemie International Edition. 2021DOI: 10.1002/anie.202107556https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202107556
4. Angew：一種柔性可控的球形聚電解質刷助力二維通道中的超快水傳輸
快速的水傳輸通道是用于與水相關的膜分離過程的關鍵。然而，克服助熔劑和選擇性之間的權衡仍然是一個重大挑戰。近日，華東理工大學徐至特聘研究員，南京工業大學金萬勤教授，Kang Huang報道了將功能性PAA-SPBs與親水性柔性PAA聚電解質鏈合理地結合到GO 2D有限空間中，成功地在膜中制造了快速的水傳輸通道，同時阻礙了丁醇分子的傳輸，提供了超過迄今為止所報道的大多數最先進的膜的通量和選擇性。1）研究人員構建了具有高親水性聚電解質刷層的球形聚電解質刷子（SPB）結構，并將其引入GO層壓板中，從而提高了通量和分離因子。在70 ℃時，膜通量達到5.23 kg m-2 h-1，丁醇/水的分離因子增加到8000左右，是迄今為止。所報道的選擇性最高的膜之一。2）值得注意的是，通過QCM-D技術、對比實驗和分子動力學模擬，研究人員證實了聚電解質鏈的親水性和柔性在丁醇滲透汽化脫水過程中的關鍵作用。特別值得注意的是，溶劑中聚電解質鏈的結構狀態與水的傳輸性能密切相關，這一點迄今為止，一直被人們忽略。3）這項工作有望導致人們更多地關注所結合材料的固有特性，包括柔性、極性和親水性等，這些特性可以用來制造具有高效、快速水傳輸通道的出色的膜。此外，SPBs的獨特結構可能會導致其他材料的改性，如MOF晶體和TiO2納米顆粒，也可能為其他2D膜（如MXenes、2D MOF、2D COF等）的設計提供更多的可能性。4）研究人員利用高度親水性、高度柔性和可控性的聚電解質鏈設計和具有優異水傳輸能力的2D受限通道產生了優異的2D膜，在生物燃料生產、水修復和廢水處理應用以及許多其他工業水過程中具有巨大的應用潛力。Liheng Dai, et al, Ultrafast Water Transport in Two-Dimensional Channels Enabled by Spherical Polyelectrolyte Brushes with Controllable Flexibility, Angew. Chem. Int. Ed.DOI：10.1002/anie.202107085https://doi.org/10.1002/anie.202107085
5. Angew：原子薄Co1-xSe2/石墨烯異質結構中的Co空位誘導的穩健贗電容Na+插層
電極材料的電子結構工程為實現鈉離子電池的高能量、高功率密度提供了一種新的機制。近日，澳大利亞格里菲斯大學張山青教授，Yuhai Dou報道了設計并在原子薄CoSe2/石墨烯異質結構的界面上形成Co空位，得到了有利于Na+插層贗電容的Co1-xSe2/石墨烯異質結構電極材料。1）密度泛函理論(DFT)計算表明，Co空位的引入顯著提高了Na+的吸附能，降低了Na+擴散勢壘。2）實驗結果顯示，優化后的電極在0.1 C下具有673.6 mAh g-1的優異容量，在2.0 C下具有576.5 mAh g-1的優異倍率性能，超長壽命可達2000次。動力學分析表明，Na+存儲的增強主要歸因于Co空位誘導的插層贗電容。這項研究表明，通過陽離子空位可以使異質結構電極材料具有贗電容Na+插層，以實現大容量和高倍率的儲能。Ding Yuan, et al, Robust Pseudocapacitive Na+ Intercalation Induced by Cobalt Vacancies at Atomically Thin Co1-xSe2/Graphene Heterostructure, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202106857https://doi.org/10.1002/anie.202106857
6. Angew：利用無溶劑法在缺陷UiO-66(Zr)中原位注入單一W位點用于室溫下高效氧化脫硫
設計具有原子級催化中心和高原子利用率的單位點催化劑，為靶向反應提供了獲得優異催化性能的新機會。近日，深圳大學王進教授報道了開發了一種簡便的一鍋法制備W/UIO-66(Zr)，在無溶劑條件下具有W原子彌散和層次化孔隙率。1）結構表征證實了單一W位點通過形成Zr-O-W鍵錨定在UiO-66(Zr)的結點上。通過這種方法，單個W位點的負載量可以達到12.7 wt.%。2）對于DBT和4,6-DMDBT的脫硫，W/UiO-66(Zr)-0.12具有合適的單W位數目和介孔結構，在30 °C下30分鐘內即可完全脫除硫（最高可達1000 ppm），催化劑的周轉頻率（TOF）可達44.0 h-1，分別是純UIO-66(Zr)、WO3和WCl6(均相催化劑)的109.0、12.3和1.2倍，表現出優異的氧化脫硫（ODS）催化活性。50 °C時的TOF（用于DBT達到132.0 h-1）至少是文獻報道的催化劑的2倍。3）理論研究表明，錨定的W位點很容易與氧化劑反應，生成決定反應活性的W(VI)-過氧化物中間體。因此，單W位點的引入對于催化速率的確定起著至關重要的作用。這項研究表明，W-SSCs UiO-66(Zr)在非常溫和的條件下對燃料油的高效脫硫，并表明無溶劑SSCs可以推廣到其他SSCs體系的快速合成。Gan Ye, et al, In situ implanting single tungsten site into defective UiO-66(Zr) by solvent-free route for efficient oxidative desulfurization at room temperature, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202107018https://doi.org/10.1002/anie.202107018
7. AM綜述：刺激響應型AIEgens
香港科技大學唐本忠院士和浙江大學張浩可研究員對刺激響應型AIEgens相關研究進行了綜述。1）得益于獨特的優勢和廣闊的應用前景。AIEgens領域在近年來得到了蓬勃的發展。其中，刺激響應型AIEgens在物理化學、材料科學、生物學和醫學等諸多領域都表現出了巨大的應用潛力。2）作者在文中以力、光、極性、溫度、電、離子和pH等7種最具代表性的刺激類型為例綜述了刺激響應型AIEgens的最新研究成果，并對每種類型的系統在實現各種應用時所需的刺激響應性能進行了介紹，旨在為開發下一代具有更廣泛應用價值的刺激響應型發光材料提供了新的見解和指導方針。Jing Zhang. et al. Stimuli-Responsive AIEgens. Advanced Materials. 2021DOI: 10.1002/adma.202008071https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008071
8. Nano Energy：一種用于太陽能電池的Dion-Jacobson和Ruddlesden-Popper雙相2D鈣鈦礦
Dion-Jacobson（DJ）相和Ruddlesden-Popper相2D鈣鈦礦已經分別被證明是用于鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）中時比3D對應物更穩定。近日，為了進一步提高2D PSCs的效率和穩定性，中科院大連化物所李燦院士，郭鑫研究員報道了首次將兩者合并，構建了一種DJ：RP雙相鈣鈦礦（DPP）結構。1）研究人員以DJ 2D鈣鈦礦為基質，加入尺寸比聯胺（diammonium）大的單銨（monoammonium），形成與DJ-2D鈣鈦礦共存的獨立的RP相 2D鈣鈦礦（DJ：RP-DPP結構），這有利于晶體生長，抑制電荷復合，以及改善電荷傳輸等。而作為對比，引入尺寸比聯胺小的單銨會導致它插入無機片之間，產生扭曲的DJ 2D鈣鈦礦結構，從而引起晶格弛豫/畸變，降低電荷輸運。2）實驗結果顯示，基于DJ：RP DPP的2D PSCs具有13.8%的令人印象深刻的效率，并且在85 ℃的潮濕空氣中具有優異的熱穩定性。這項工作展示了一種新的、有前途的開發DJ：RP DPP的策略，該DJ：RP DPP用于高效和穩定的2D PSC。Ping Fu, et al, Dion-Jacobson and Ruddlesden-Popper Double-Phase 2D Perovskites for Solar Cells, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106249https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106249
9. Cell Reports Physical Science：具有空位依賴性的Cu9S5納米花的類酶抗菌活性
由于細菌抗藥性的增加以及通過光動力和光熱途徑制備抗菌納米材料的局限性，因此，開發具有優異酶活性和細菌結合能力的新型納米材料，使其具有良好的抗菌活性和抗菌能力具有重要意義。近日，南開大學Ming-Yang Liu，王貴昌教授，中科大俞書宏院士報道了采用水熱合成法合成了Cu9S5-1（即Cu1.8S-1），在氬氣保護下于200 ℃熱處理2 h，得到Cu9S5-2（Cu1.8S-2）。1）Cu9S5-1和Cu1.8S-2兩種樣品的形貌和成分沒有明顯變化。正電子湮沒譜表征表明，Cu9S5-1以VCuSCu空位為主，而Cu9S5-2以VCuSS空位為主。2）研究人員測定了Cu9S5-1和Cu1.8S-2對革蘭氏陰性大腸桿菌（E.coli）和枯草芽孢桿菌（B.subtilis）的抑菌效果。與Cu9S5-1（VCuSCu）相比，Cu9S5-2(VCuSS)表現出優異的類氧化活性，由于對細菌脂多糖（LPSs）有更大的電子親和力和更強的吸附能力，產生了活性氧，從而使其具有更好的類酶抗菌性能。這項研究揭示了空位依賴的抗菌活性，為設計高效納米材料提供了新的見解。Chen et al., Enzyme-like antibacterial activities of Cu9S5nanoflowers with vacancy-type dependence, Cell Reports Physical Science (2021)DOI：10.1016/j.xcrp.2021.100456https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100456
10. AFM：一種基于羽毛的自愈式摩擦電納米發電機用于傳感與能量收集
解決能源問題的一個有用的方向是有效地重復利用生物材料用于機械能量收集和傳感應用。近日，北京科技大學Xia Cao，王寧教授，中國科學院北京納米能源與納米系統研究所的人員報道了設計了一種基于羽毛的單電極模式摩擦電納米發電機（TENG） (F-STENG)。1）制造工藝簡單，保留了一些沒有經過獨特設計的羽毛的特點，比如輕便和自愈。同時，F- STENG的羽毛是一種天然材料，具有不同于其他摩擦電納米發電機的聚合物材料的環境友好性。此外，F- STENG還具有超強的耐用性。2）F-STENG的電壓和短路電流分別為90 V和3.5 μA。一個F-STENG的最大輸出功率為0.12 mV。此外，F-STENG的輸出電壓隨著濕度的變化呈線性變化，從而可以感知環境中的水分，其系數為0.968。3）根據羽毛的個體物理結構，F-STENG在受損后具有自修復的能力，自修復前后的輸出性能幾乎沒有降低，因此具有極好的抗毀性。此外，當F-STENG放在生物體上時，它仍然具有良好的輸出性能和傳感特性，這擴大了TENG在微生物上的應用范圍。4）研究人員最后組裝了一個基于F-STENG的風車，該風車可以有效地將風能轉化為電能，功率密度為0.62 mW g?1。這項研究所開發的F-STENG為開發自供電傳感器和器件用于軍事、工業、交通和日常生活中等應用提供了一條有效的途徑。
Jiaqing Zhu, et al, A Self-Healing Triboelectric Nanogenerator Based on Feather for Sensing and Energy Harvesting, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202100039https://doi.org/10.1002/adfm.202100039
11. AFM：一種用于觸摸屏傳感器的環保型石墨烯油墨
盡管石墨烯基材料在許多技術領域引起了人們極大的關注，但擴大石墨烯基材料技術仍然面臨著巨大的挑戰。高通量自上而下的方法通常需要危險、有毒和高沸點的溶劑。近日，伊比利亞國際納米技術實驗室Andrea Capasso，Pedro Alpuim報道了提出了一種高效而低成本的策略，通過剪切混合（SM）和尖端超聲（TS）相結合的液相剝離（LPE）技術來制備石墨烯分散體，從而獲得與噴涂兼容的高濃度石墨烯油墨。1）研究人員使用不同的光譜和顯微技術比較了石墨烯薄片的質量（例如橫向尺寸和厚度）及其在分散體中的濃度。2）將幾種方法（單獨的SM和TS，以及它們的組合）在三種溶劑（N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和環己烯）中進行了測試。有趣的是，SM和TS在環烯中的結合產生了高質量的石墨烯分散體，克服了與其他兩種溶劑相關的環境問題。3）研究人員從環己烯分散體出發，制備了一種石墨烯基墨水，用于在柔性電極上噴涂，并組裝成觸摸屏原型。這些電極的特點是方阻低（290 ? □?1）和光學透過率高（78%），這為樣機提供了高信噪比（14 dB）和多點觸摸功能（最多四次同時觸摸）。這些結果為LPE-石墨烯在商業柔性電子中的集成提供了一條潛在的途徑。Sergey Tkachev, et al, Environmentally Friendly Graphene Inks for Touch Screen Sensors, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202103287https://doi.org/10.1002/adfm.202103287
12. ACS Nano：高熵二維碳化物Mxenes：TiVNbMoC3和TiVCrMoC3
二維（2D）過渡金屬碳化物和氮化物，稱為MXenes，是一個快速增長的2D材料家族。MXenes 2D薄片具有n+1（n=1?4）層的過渡金屬原子層，中間夾雜著碳/氮層，然而迄今為止，其組成仍然局限于一種或兩種過渡金屬。近日，美國印第安納大學與普渡大學印第安納波里斯聯合分校Babak Anasori，伊利諾伊大學Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan報道了基于四種過渡金屬，實現了多組元高熵M4C3Tx MXenes的合成。具體而言，研究人員合成了兩種高熵MXenes，TiVNbMoC3Tx和TiVCrMoC3Tx，以及它們的前驅相TiVNbMoAlC3和TiVCrMoAlC3高熵MAX相。1）研究人員使用實空間和倒易空間表征相結合（X射線衍射、X射線光電子能譜、能量色散X射線能譜和掃描透射電子顯微鏡）來確定這四種過渡金屬在高熵MAXs和MXenes相中的結構、相純度和等摩爾分布。2）研究人員使用第一性原理計算來計算形成能，并探索了這些高熵MAX相的可合成性。研究發現，當使用三種過渡金屬而不是四種過渡金屬時，在與四種過渡金屬MAX相相似的合成條件下，可以形成兩種不同的MAX相（即沒有純的單相形式）。這一發現表明了構型熵在多相MAX上穩定所需單相高熵MAX的重要性，這對于合成相純高熵MXene必不可少。高熵MXenes的合成大大擴展了MXene家族的組成種類，同時進一步調整了它們的性能，包括電、磁、電化學、催化、高溫穩定性和機械性能等。High-Entropy 2D Carbide MXenes: TiVNbMoC3 and TiVCrMoC3 Srinivasa Kartik Nemani, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c02775https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02775
