1. Nature Chemistry：利用便攜式平臺集成可編程DNA酶與電子讀數實現快速無培養細菌檢測
目前細菌的檢測和鑒定主要依靠細菌培養和核酸擴增等富集步驟來提高目標分析物的濃度。這些步驟增加了分析時間、成本和復雜性，使得很難實現真正快速的護理點檢測。有鑒于此，加拿大麥克馬斯特大學的Leyla Soleymani等研究人員，利用便攜式平臺集成可編程DNA酶與電子讀數，實現快速無培養細菌檢測。1）研究人員報道了一種利用電活性RNA切割DNA酶（e-RCDs）鑒定特定細菌靶點并隨后釋放DNA條形碼將信號轉導到電子芯片上的電分析方法。2）將e-RCDs集成到具有納米結構電極的雙通道電子芯片中，提供了臨床分析所需的分析靈敏度和特異性。3）e-RCD分析能夠從含有多種非特異性細菌的面板中選擇性地檢測10 CFU（相當于1000 CFU ml–1）的大腸桿菌。4）與目前使用的培養基方法所需的幾個小時相比，在分析時間不到1小時的情況下，對41例患者尿液樣本進行的臨床評估顯示診斷敏感性為100%，特異性為78%。Richa Pandey, et al. Integrating programmable DNAzymes with electrical readout for rapid and culture-free bacterial detection using a handheld platform. Nature Chemistry, 2021.DOI：10.1038/s41557-021-00718-xhttps://www.nature.com/articles/s41557-021-00718-x2. PNAS：用x光和電子觀察掩藏的界面，揭示在熔鹽促進的MgO中捕獲CO2過程中MgCO3的形成熔融堿金屬鹽的加入，通過生成MgCO3，極大地加速了MgO捕集CO2的動力學。然而，目前人們對其生長機制、MgCO3形成的性質以及熔融堿金屬鹽在CO2捕獲過程中的確切作用仍然不清晰，這阻礙了開發更有效的MgO基CO2吸附劑。近日，蘇黎世聯邦理工學院Elena Willinger，Paula M. Abdala，Christoph R. Müller報道了利用原位X射線反射儀（XRR）-掠入射X射線衍射（GIXRD）和非原位掃描電鏡（TEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察到的一種CO2模型吸附劑，即包覆NaNO3促進劑的MgO(100)在相應的CO2捕集條件下表面和界面上發生的形態和結構的變化。研究發現為闡明堿金屬鹽（AMS）在MgO快速吸收CO2中的作用提供了重要的拼圖。1）在實際的CO2捕獲條件下，研究人員觀察到了MgO表面的粗化和MgCO3微晶的形成，這些微晶在MgO(100)表面沿擇優取向生長。這是MgCO3在MgO/NaNO3界面生長良好的原位證據，這一發現將影響更有效的MgO基CO2吸附劑的設計和合理發展。2）當在惰性條件下（330 °C）處理時，NaNO3促進的MgO的表面粗糙度比原始的MgO(100)晶體增加了約4 ?，這可能是由于MgO溶解到熔體中所致。當涂層樣品也暴露在CO2中時，表面粗糙度急劇增加。SEM表征結果顯示，MgCO3晶體呈二維島狀生長，呈扇形片狀生長，產物厚度小于2 μm。其形貌與MgO表面非均相成核機制相吻合，晶體隨后在MgO表面生長。此外，研究人員還觀察到了金字塔形微米大小的凹坑，這些凹坑通常是在MgO酸性蝕刻后形成。在CO2氣氛中，表面MgO在(熔融)NaNO3促進劑中的溶解明顯增強，這可能是由于其酸性所致。3）HRTEM分析提供了對MgCO3/MgO界面原子排列的關鍵洞察力，揭示了碳酸鹽層的外延生長。此外，MgCO3薄膜通過失配位錯來緩解其和氧化物晶體之間的晶格失配。這項研究強調了結合X射線和電子顯微鏡技術的重要性，以提供原子到微米尺度的洞察力，從而了解在反應條件下復雜界面上發生的變化。Peering into buried interfaces with X-rays and electrons to unveil MgCO3 formation during CO2, capture in molten salt-promoted MgO, PNAS, 2021DOI: 10.1073/pnas.2103971118https://doi.org/10.1073/pnas.21039711183. PNAS：多金屬高指數面納米催化劑的晶體結構工程就金屬顆粒催化劑而言，組成、形狀、暴露面、晶體結構和原子分布決定了其活性。盡管人們已經開發了控制這些參數中的每一個的技術，然而，目前還沒有通用的方法可以在多元素體系的環境中優化所有的參數。近日，美國西北大學Chad A. Mirkin，Chris Wolverton報道了通過將固態、受鉍（Bi）影響的高折射率刻面形狀調節策略與熱退火相結合，實現了對暴露的高折射率刻面上的晶體結構和原子分布的控制，從而產生了化學無序和有序多金屬（Pt、Co、Ni、Cu、Fe和Mn）四六面體（THH）納米顆粒多樣化庫。1）密度泛函理論（DFT）計算表明，無論其內部原子有序性如何，表面Bi改性都穩定了納米顆粒的{210}高指數面。2）研究發現納米顆粒的有序轉變溫度取決于它們的組成，并且，對于Pt3Fe1 THH納米顆粒，增加Ni取代會導致其在900 ℃的有序到無序轉變。3）研究發現有序金屬間THH Pt1Co1納米催化劑對甲醇電氧化的催化性能優于無序THH Pt1Co1納米顆粒和商用鉑碳催化劑，突出了納米催化劑中晶體結構和原子分布控制在高指數面上的重要性。考慮到這種合成策略的普遍性，這些發現突出了具有成本效益的高度優化的催化劑的設計和工業規模制造的巨大潛力。此外，由于THH形成獨立于初始納米顆粒形狀，并且THH納米顆粒的金屬間和化學無序狀態之間的結構轉變是可逆的，因此該策略有望在不同化學過程的催化劑再循環和再活化中發揮巨大作用。Bo Shen, et al, Crystal structure engineering in multimetallic high-index facet nanocatalysts, PNAS, 2021DOI：10.1073/pnas.2105722118https://doi.org/10.1073/pnas.2105722118
4. Nano Letters：親水表面快速持久吸冷用于高效集水
通過露水冷凝集水成為解決水資源短缺的一種可持續解決方案。然而，涉及液滴成核、生長和傳輸的瞬時冷凝過程對表面特性提出了相互矛盾的要求。近日，香港城市大學王鉆開教授，大連理工大學馬學虎教授，華東師范大學周曉峰副教授報道了設計了一種新穎的仿生表面，它能夠快速、定向和持續地進行吸式冷凝，以實現高效的露水收集。1）這種仿Rhacocarpus的多孔表面（RIPS）關鍵在于構建一個從頂部穿過孔洞到底部的三級潤濕性梯度，接觸角分別為81 °、66 °和46 °。2）RIPS具有2.8×10?18 J的低成核勢壘，0.44 Hz的高表面刷新頻率和2 5 μm的最大液滴脫落半徑。與疏水表面相比，這些協同功能使RIPS的集水性能最大提高了160%。3）研究人員闡明了納米溝槽、微孔和表面潤濕性的工作原理，并給出了表面性質對吸液性能影響的相圖。研究結果為多孔材料內部傳質機理的研究提供了新的思路，并為用于海水淡化、冷凝換熱、膜蒸餾等應用的功能表面的設計提供了指導。Ya qi Cheng, et al, Rapid and Persistent Suction Condensation on Hydrophilic Surfaces for High-Efficiency Water Collection, Nano Lett., 2021DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01928https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01928
5. Angew：酞菁鈷衍生的分子隔離層用于高穩定性的鋰負極
鋰（Li）沉積過程中陰離子消耗的不均會引發空間電荷效應，產生Li枝晶，嚴重阻礙了鋰金屬電池（LMBs）的實際應用。近日，江蘇師范大學賴超教授，加拿大國立科學院孫書會教授，Gaixia Zhang報道了提出了一種平面分子酞菁鈷（CoPC）添加劑來有效改善LMBs的電化學性能。1）CoPc逐層存在于鋰金屬負極電極的表面。由于CoPC可以與Li+離子形成配合物，這種平面分子級包覆層（PMCL）不僅可以使Li+離子的分布更加均勻，而且可以提高Li+離子的轉移數，降低空間電場，從而抑制Li枝晶的形成。尤其是致密的CoPC PMCL可以減少溶劑與活性Li的直接接觸，從而大大抑制了循環過程中的副反應。2）實驗結果顯示，在最佳條件下，在3 mAh cm?2的高電鍍容量下，Li|Li對稱電池的循環壽命可達720 h。此外，盡管鋰離子電池稀電解質中CoPc的加入量僅為0.00003 mm（1.0 millimole L-1），但循環性能得到了明顯改善，在稀電解質中質量負載量為9.8 mg cm?2時，循環性能達到97.8 mAh g?1。此外，組裝的Li|LiFePO4全電池還可以在稀電解液條件下（3 μL mg-1）循環200次以上。3）研究人員通過X射線吸收近區譜(XANES)、擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)、X射線光電子能譜(XPS)、密度泛函理論(DFT)和量子力學(QM)計算證實了上述這些優良的性能。這項研究為通過表面分子層覆蓋同時構建穩定的正負界面開辟了一條新的途徑。Hongliu Dai, et al, Cobalt Phthalocyanine Derived Molecular Isolation Layer for Highly Stable Lithium Anode, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202106027https://doi.org/10.1002/anie.202106027
6. Angew: 硅萘酞菁四酰亞胺：高效有機太陽能電池的陰極界面層材料
通過引入四個吸電子酰亞胺基團和兩個親水性烷基，萘酞菁衍生物（SiNcTI-N 和 SiNcTI-Br）首先被用作有機太陽能電池中優異的陰極界面層材料（CIM）。SiNcTI-Br具有較深的 LUMO 能級（低于-3.90 eV）、良好的熱穩定性（Td > 210 °C）和強大的自摻雜性能。SiNcTI-Br CIM 顯示出高電導率（4.5×10-5 S cm-1）和電子遷移率（7.81×10-5 cm2 V-1s-1）。南昌大學Xiaohong Zhao, Zhongyi Yuan以及北京化工大學Zhi-Guo Zhang等人將SiNcTI-Br應用于基于 PM6:Y6 的OSC，最佳效率為 16.71%。1）為了研究基于 SiNcTI 的 CIM 在 OSC 中的光伏性能，采用的器件結構為ITO/PEDOT:PSS/活性層/陰極界面層/電極。其中，PM6:Y6 被選為吸光層材料，電極為銀。強吸電子酰亞胺基團和由季銨鹽和萘酞菁之間的電荷轉移引起的有效自摻雜效應使 SiNcTI-Br 具有優異的電子導電性和傳輸性。SiNcTI-Br 顯著降低了金屬電極的 WF，并在富勒烯和非富勒烯 OSC 中作為陰極界面層表現良好。萘酞菁的酰胺化是開發用于高效 OSC 的高性能電子傳輸材料的有效策略。Cai, C., et al, Silicon Naphthalocyanine Tetraimides: Cathode Interlayer Materials for Highly Efficient Organic Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed.., 2021DOI：10.1002/anie.202106364https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202106364
7. Angew：“局部鹽中水”電解質用于水系鋰離子電池
采用超濃縮有機鋰（Li）鹽的“鹽中水”（WIS）電解質因其寬廣的電化學穩定窗口使高能電極偶的應用成為高能鋰離子電池的研究熱點。然而，高鹽成本、高粘度、潤濕性差以及對環境的危害仍然是一個巨大的挑戰。近日，澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授，Dong Zhou，美國馬里蘭大學王春生教授報道了使用價格低廉且環保的無機鋰鹽來代替有毒而昂貴的有機鋰鹽，以及通過用一種能溶解水而不能溶解無機鹽的惰性溶劑（稱為“稀釋劑”）稀釋WIS電解質來降低電解質鹽的濃度。因此，稀釋劑不會改變WIS電解質的鹽溶劑化結構，形成“局部鹽中水(LWIS)”電解質。1）由于有機稀釋劑具有比鹽中水電解質更寬的電化學穩定窗口，LWIS有望在降低鹽濃度、降低粘度和改善潤濕性的同時保持（甚至提高）WIS電解質的電化學穩定性。2）為了論證LWIS的概念，研究人員使用硝酸鋰（LiNO3）作為鋰鹽，1,5-戊二醇（PD）作為稀釋劑。結果顯示，PD的加入不僅顯著降低了WIS電解質中鋰鹽的總濃度，而且通過PD與水分子和NO3-離子之間的氫鍵作用，降低了HER/OER中的水反應性，從而使電化學穩定窗口達到2.8 V（部分歸因于負極表面形成的SEI）。3）通過原位聚合四甘醇二丙烯酸酯（TEGDA）單體，所制備的水凝膠電解質的電解質穩定性提高到3.0 V，且沒有易燃性和液體泄漏危險。所研制的Mo6S8|LWIS凝膠電解質|LiMn2O4（LMO）電池具有較高的循環穩定性，1 C下的庫侖效率為98.53%。所提出的LWIS電解質的設計原則有望推動未來高能低成本水系鋰離子電池的發展。Pauline Jaumaux, et al, “Localized Water-In-Salt” Electrolyte for Aqueous Lithium-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202107389https://doi.org/10.1002/anie.202107389
8. Angew：共價排列的MoS2-CNTs異質結構用于高性能電化學電容器
先進的二維納米薄片結構從根本上提高了離子的動態傳輸和存儲能力，對高性能電化學電容器（ECs）的發展具有重要的意義。然而，再堆積的微結構、弱的層間導電和受阻的電活性利用通常導致ECs的能量密度較低。近日，南京工業大學暴寧鐘教授，武觀副教授，清華大學徐建鴻教授報道了開發了一種簡單的二元金屬催化（BMC）策略來設計MoS2-CNTs的2D/1D異質結構，其中一維（1D）CNTs通過C-Mo共價鍵在2D MoS2骨架中垂直橋聯。1）原位生長的CNTs緩解了MoS2納米片的層間再堆積，增強了層間電導，保證了1162.8 S m-1的超高電導率，可與金屬MoS2納米片的電導率相媲美。因此，2D/1D MoS2-CNTs能夠暴露出豐富的離子擴散通道（微孔：0.63~1.98 nm，比表面積：377.14 m2 g-1），使得離子的動態擴散速度更快，存儲能力更強。2）MoS2-CNTs具有有序的垂直插層異質結構、較快的層間電子轉移速度、較高的離子擴散通道和較大的贗電容反應活性，在KOH電解液中表現出5485 F g-1的超高電容和良好的結構穩定性（10000次循環后初始電容為92%）。此外，采用直寫打印技術構建的全統一固態F-EC具有高能量密度（226 mWh g-1）、大容量（723 F g-1）和穩定的溫度工作范圍（從-20到55 °C）。3）F-EC可以有效地為顯示器和可穿戴健康監測設備供電，展示了其在COVID-19微型化人體健康的潛在應用。這項研究為先進儲能技術和新一代可穿戴/便攜式應用中的多結構2D材料的設計提供了新的參考。Xingjiang Wu, et al, Covalently Aligned MoS2-CNTs Hetero-Architecture for High-Performance Electrochemical Capacitors, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202107734https://doi.org/10.1002/anie.202107734
9. Angew：plasma法合成五元高熵氧化物電催化生物質轉化
高熵氧化物HEO（High-entropy oxide）是一種新型熵穩定策略，展示了獨特的結構和吸引人的性質，具有顯著的應用前景。但是傳統高溫合成方法一般得到的高熵氧化物通常為微米尺度的低比表面積，催化活性無法實現實際應用需求，暴露活性位點數目、本征催化活性較低。有鑒于此，湖南大學王雙印、鄒雨芹、陶李等報道低溫O2 plasma方法合成富含缺陷位點的HEO高熵氧化物納米片，表現較高的比表面積，首次考察了高熵氧化物材料(FeCrCoNiCu)3O4的電催化5-羥甲基糠醛氧化反應性質。1）通過通過水熱法合成五種金屬鹽組成的高熵層狀氫氧化物水滑石LDH材料，隨后在O2 plasma處理實現了低溫轉化為高熵氧化物。2）高熵氧化物(FeCrCoNiCu)3O4納米片材料表現比高溫煅燒法合成的高熵氧化物更低的起始電勢，更快的反應動力學，更高的反應活性，為發展納米結構高熵氧化物材料的應用提供機會和指導。Kazhi Gu, et al. Defect-Rich High-Entropy Oxides Nanosheets for Efficient 5-Hydroxymethylfurfural Electrooxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2021DOI: 10.1002/anie.202107390https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202107390
10. Angew：雙金屬電子協同效應與孤立的氧化物位點的集成用于促進乙炔的選擇性加氫
乙炔半加氫制乙烯是工業上提純乙烯的重要工藝。然而，在目前的文獻報道中，通常都是以犧牲大量活性為代價來實現高乙烯選擇性。近日，中科大路軍嶺教授報道了Ga2O3包覆的Ag@Pd核殼雙金屬顆粒催化劑（Ag@Pd/SiO2）比包覆的單金屬Pd顆粒在更大程度上提高了乙烯選擇性，同時保持了顯著的內在活性，比Pd1Ag單原子合金（SAAs）基準催化劑高約50倍，重要的是，通過有效地抑制結焦，生成的催化劑還表現出優異的長期穩定性。。1）研究人員首先用浸漬法制備了Ag/SiO2催化劑，ICP-AES測定的Ag的粒徑為3.7±0.5 nm，負載量為4.9 wt.%。利用原子層沉積（ALD）技術，在Ag納米顆粒上選擇性地沉積了Pd，而不是在SiO2載體上成核。ICP-AES分析了在Ag/SiO2和對照SiO2上沉積Pd后的Pd含量，進一步證實了選擇性沉積。在Ag/SiO2上進行10次Pd ALD后（Ag@Pd/SiO2），Pd負載量為0.98 wt.% Pd顆粒尺寸約為4.0±0.6 nm， Pd殼層厚度非常薄，約為0.15 nm。接下來，在Ag@Pd/SiO2上進一步進行不同循環的Ga2O3ALD獲得Ga2O3包覆的Ag@Pd/SiO2。2）光譜表征表明，Ga2O3包覆的Ag@Pd/SiO2催化劑中雙金屬電子協同作用削弱了乙烯的吸附，氧化物位點的隔離是高乙烯選擇性和高抗焦性的必要條件。H-D交換測試進一步表明，Ga2O3包覆的Ag@Pd催化劑比Pd1Ag SAAs催化劑具有更高的H2活化活性，從而提高了乙炔加氫活性。Fang Liu, et al, Integration of Bimetallic Electronic Synergy with Oxide Site Isolation for Boosting Selective Hydrogenation of Acetylene, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202105931https://doi.org/10.1002/anie.202105931
11. Angew：分子刷表面活性劑：用于穩定和結構化液體的多功能乳化劑
使用兩親性分子刷穩定乳液通常需要合成特定的側鏈，這是一個耗時且比較困難的過程。近日，北京化工大學Shaowei Shi報道了利用水溶性分子刷與油溶性低聚配體之間的靜電相互作用，描述了分子刷表面活性劑（MBSs）在油水界面的原位形成、組裝和堵塞。1）研究人員使用聚(甲基丙烯酸2-羥乙酯)-g-聚丙烯酸（PHEMA-g-PAA）和胺化多面體低聚倍半硅氧烷（POSS-NH2）在甲苯-水界面生成MBSs。2）研究發現，界面處原位形成了一種“Janus-type”MBS，顯著降低了界面能。這種“Janus-type”MBSs是一種非常有效的乳化劑，可穩定水包油（o/w）和油包水（w/o）乳狀液，出人意料地穩定多種乳狀液。3）由于主鏈的剛性增加和界面處MBSs的高結合能，當界面面積減小時，界面處的MBSs發生堵塞，導致具有特殊機械性能的堅固組件穩定的非平衡液體形狀。這些結構化液體具有許多潛在的應用，包括化學兩相反應、液體電子學和全液體仿生系統。Beibei Wang, et al, Molecular Brush Surfactants: Versatile Emulsifiers for Stabilizing and Structuring Liquids, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202104653https://doi.org/10.1002/anie.202104653
12. Angew：雙修飾鉑-鎵金屬間化合物作為穩定催化劑用于丙烷脫氫
丙烷脫氫（PDH）是一種極有前途的化工工藝，可以滿足全球對丙烯日益增長的需求。然而，迄今為止，人們所報道的Pt基催化劑通常在≥600 °C時會因副反應和結焦而失活，導致這種催化劑的壽命不足。近日，日本北海道大學Shinya Furukawa報道了提出了一種新穎的催化劑設計思想，設計并成功合成了雙修飾的金屬間化合物，利用Ca和Pb對PtGa的幾何和電學性質進行了改性。1）Pb沉積在PtGa納米顆粒的三重Pt（和Ga）位上，而Ca被放置在納米顆粒周圍，使其具有電子富集的Pt1位（高選擇性PDH的活性位）。這些改性效果具有協同效應，從而顯著提高了PDH的催化穩定性。2）實驗結果顯示，PtGa-Ca-Pb/SiO2催化劑的穩定性遠優于已報道的PDH催化劑（即使在600 °C下也能達到一個月的穩定性）。此外，除了Ca之外，沒有其他堿性添加劑和載體不能作為PtGa金屬間化合物的有效改性劑，突出了Ca對雙重修飾策略的特殊性。這項研究提出的催化劑設計理念為提高金屬間化合物在烷烴脫氫中的催化性能開辟了新的天地。Yuki Nakaya, et al, Doubly Decorated Platinum–Gallium Intermetallics as Stable Catalysts for Propane Dehydrogenation, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202107210https://doi.org/10.1002/anie.202107210
