1. Science：動量和能量多波段對齊使發電和熱電冷卻成為可能
北京航空航天大學趙立東及南方科技大學何佳清共同通訊在Science 在線發表題為“Momentum and energy multiband alignment enable power generation and thermoelectric cooling”的研究論文，該研究采用協同調控動量空間和能量空間的多價帶傳輸策略，實現了P型SnSe晶體性能的大幅提升；并搭建了基于SnSe晶體材料的器件，不但實現了溫差發電，還實現了大溫差的電子制冷。通常認為能帶間隙Eg 在 (6-10) kBT（其中kB為玻爾茲曼常數和T為開氏溫度）范圍內的材料為理想的制冷材料，但本工作表明能帶間隙約為33 kBT的SnSe晶體材料也具有電子制冷的巨大潛力，且具備成本低、儲量豐富和重量小等優勢。Bingchao Qin, et al. Momentum and energy multiband alignment enable power generation and thermoelectric cooling. Science. 2021.DOI: 10.1126/science.abi8668https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi86682. Nature：哺乳動物精子陽離子通道復合體的結構精子的陽離子通道 (CatSper) 對精子活力和生育能力至關重要。CatSper 包含成孔 CatSper1-4 和多個輔助亞基，包括 CatSperβ、γ、δ、ε、ζ 和 EFCAB9。西湖大學吳建平團隊在Nature 在線發表題為“Structure of a mammalian sperm cation channel complex”的研究論文，該研究報告了從小鼠精子中分離的 CatSper 復合物的冷凍電鏡結構。Lin, S., Ke, M., Zhang, Y. et al. Structure of a mammalian sperm cation channel complex.Nature (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03742-6
3. Nature Energy：CO2的氧化還原中性電化學轉化為碳酸二甲酯
電化學CO2還原（eCO2RRs）為增值化學品是一種極有前途的CO2利用途徑。然而，eCO2RRs產物僅限于還原形式，如CO、HCOOH和C2H4。此外，降低陽極過電位和設計膜分離系統是提高該工藝整體效率的重要決定因素。近日，韓國首爾大學Ki Tae Nam?報道了提出了一種由CO2和乙醇在常溫下氧化還原中性電合成碳酸二甲酯（DMC）的方案。隨著陽極和陰極反應的同時發生，基于溶液的非均相氧化還原循環被耦合起來，從而實現電中性。1）該方案包括一個CO2RR（CO2/CO）和兩個氧化還原循環（Pd(0)/Pd(II)和Br?/Br2），用于單獨的化學轉化，同時滿足總的電中性。CO2RR過程包括從陰極到CO2的雙電子轉移。兩個質子從甲醇轉移到CO2，同時將CO2和甲醇分別活化成一氧化碳和甲醇鹽。第二步為金屬催化劑（Pd(0)/Pd(II)）的還原，用于活化分子氧化成DMC。在這個步驟中，CO將兩個電子轉移到金屬催化劑上，并與甲醇鹽離子結合。接下來，通過鹵素分子（X2）捕獲從金屬催化劑釋放的兩個電子，產生鹵化物陰離子（X），最后，X在陽極經歷氧化以再生X2。轉移的電子可用于CO2RR，使整個過程循環進行。2）實驗結果顯示，DMC的最大法拉第效率（FE）為60%。而計算出的所需電能表明，用于生產DMC的能量輸入相當于或低于直接從CO2RR中獲得的任何其他產物的能量輸入。此外，與從CO電化學合成DMC的研究相比，該機制是一個明顯的進步，從而提高了性能。同時，使用氧化還原介體實現了穩定的操作而沒有電極溶解，并抑制甲醇氧化成二甲氧甲烷，即使在高陽極電位下也是如此。3）研究人員還成功地以CO2和乙醇為原料合成了碳酸二乙酯，從而展現了該系統的通用性和可擴展性。
Lee, K.M., Jang, J.H., Balamurugan, M. et al. Redox-neutral electrochemical conversion of CO2 to dimethyl carbonate. Nat Energy (2021).DOI：10.1038/s41560-021-00862-1https://doi.org/10.1038/s41560-021-00862-1
4. Nature Chemistry：催化不對稱交叉偶聯法合成環丁烷
立體定向四元環是生物活性分子中常見的基元，是有機合成中的通用中間體。然而，復雜、手性環丁烷的合成是一個很大的難題，需要通用和模塊化的合成方法。有鑒于此，英國牛津大學的Stephen P. Fletcher等研究人員，研制了催化不對稱交叉偶聯法合成環丁烷。1）研究人員報道了一系列由銠催化的不對稱碳金屬化引發的環丁烯與芳基硼酸之間的不對稱交叉偶聯反應。2）在初始碳化后，Rh催化環丁基中間體進行鏈行走或C-H插入，進而觀察到各種各樣的加成反應，如還原Heck反應、1,5加成和同烯基取代。3）這些高度立體選擇性轉換的合成適用性在候選藥物Belaperidone和PF-04862853的簡明合成中得到了證明。本文研究的方法預計將被合成和藥物化學家廣泛采用。雖然本文報道的碳金屬化方法以Rh和芳基硼酸為例，但它可能適用于其他金屬和親核試劑。F. Wieland Goetzke, et al. A catalytic asymmetric cross-coupling approach to the synthesis of cyclobutanes. Nature Chemistry, 2021.DOI：10.1038/s41557-021-00725-yhttps://www.nature.com/articles/s41557-021-00725-y
5. Chem：P≡P、Pt螯合分子之間的配位
與N2分子的結構不同，含三重鍵P≡P的中性磷分子目前發現只在氣態條件中存在，以往研究報道中能夠通過與卡賓等Lewis堿或者與過渡金屬進行配位，能夠穩定較高親電性的P2分子，因此顯著降低P2分子的鍵級。有鑒于此，哥廷根大學Sven Schneider、歌德大學Max C. Holthausen等報道了一系列結構為[(μ2,η1:η1-P2){Pt(PNP)}2]，其中PNP=N(CHCHPtBu2)2，的晶體學、光譜學、量子化學進行研究，該分子中的配體分別表現為(P2)2–, (P2)?–, (P2)0。1）Pt螯合物分子與P2分子結合時，P2的P≡P三鍵結構得以保持，這是因為與非氧化還原活性的Lewis酸性Pt螯合物分子配位時不存在向較高親電性P2顯著的電荷轉移。2）這種通過與非氧化還原活性的Lewis酸性Pt金屬分子，能夠實現從固體狀態分子復合物進行可控的釋放氣體P2分子。Jian Sun, et al. Stabilizing P≡P: P22–, P2?–, and P20 as bridging ligands, Chem 2021DOI: 10.1016/j.chempr.2021.06.006https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929421003107
6. Chem：Cu/雙配體協同催化炔烴合成碳硼化烯烴
馬德里自治大學Ramón Gómez Arrayás等報道一種基于以往未見報道的動態多配體配位池的Cu催化方法學，該反應實現了極性/自由基兩種方法進行催化反應，作者將這種催化反應方法用于Cu催化對炔烴以B2Pin2進行碳硼化反應，該反應方法具有一定挑戰，因為中間體Cu(I)-烯基的反應性非常弱，因此傳統反應方法中除了簡單的以及鹵化物之外，難以有效的進行反應。作者通過對有機金屬中間體的配體交換反應過程克服了這個問題，因此將反應兼容反應物拓展至二級烷基鹵化物，為合成特定立體結構的四取代烯基硼酸酯提供一種新方法。1）通過在反應體系中引入多種配體，通過Cu金屬中心位點上的動態多配體催化，實現了極性/自由基交叉合成策略，該反應方法學通過價格低廉的有機磷、菲咯啉作為配體，該催化反應體系能夠兼容不同電子結構的炔烴分子，與二級溴化物/碘化物分子之間偶聯反應。2）該反應方法學中，在有機磷配體幫助中，炔烴分子首先進行Cu金屬化，隨后通過菲咯啉配體促進自由基快速消除從而進行交叉偶聯反應。本文方法具有位點選擇性、立體選擇性，具有較高的官能團兼容性，能夠在兩種反應分子中組裝復雜的碳基基團、雜環結構。該反應具有優異的選擇性，能克服原子轉移自由基加成過程導致反應無法表現立體選擇性。Shin-Ho Kim-Lee, et al, Dynamic multiligand catalysis: A polar to radical crossover strategy expands alkyne carboboration to unactivated secondary alkyl halides, Chem 2021DOI: 10.1016/j.chempr.2021.06.002https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929421003065
7. Materials Horizons：一種多酚介導的甲殼素自組裝構建的高強度、高韌性的全天然水凝膠
天然高分子水凝膠有望成為潛在的結構生物材料。然而，它們中的大多數通常都具有柔軟易碎的缺點。近日，武漢大學段博報道了開發了一種多酚介導的自組裝（PMS）策略，以獲得高強度和高韌性的甲殼素水凝膠，為新型水凝膠的設計鋪平了道路。1）大量的多種非共價相互作用（氫鍵、離子和疏水相互作用）和結晶水合物使得開發的水凝膠具有優異的力學性能，同時可以通過TA的加入量和乙醇水溶液的凝聚濃度來進行調節。2）研究發現，TA和乙醇的凝聚主要促進了CHTA水凝膠中的疏水和親水相互作用。而較高的非共價交聯密度使復合材料具有較高的強度（8.18 Mpa）和楊氏模量（0.36 Mpa），而相對較弱的甲殼素-多酚交聯結構提供了有效的能量耗散，使其具有較高的韌性（0.97 MJ m-3）。3）實驗結果顯示，甲殼素-TA水凝膠在模擬胃液和土壤中均表現出優異的力學性能、良好的生物相容性和良好的降解性。因此，這種從海洋食品和植物中提取的全天然甲殼素-多酚水凝膠在食品、藥物輸送、組織工程和部分合成塑料制品的可持續替代等方面具有廣闊的應用前景。X. Lin, L. Zhang and B. Duan, Polyphenol mediating chitin self-assembly for constructing the full natural resourced hydrogel with high strength and toughness, Mater. Horiz., 2021https://doi.org/10.1039/D1MH00878A
8. Materials Horizons：一種仿海草，基于水凝膠集成的多功能納米六角形自支撐二維納米組裝的柔性光催化劑
自然界中的樹葉實際上是二維柔性光催化材料。特別是，海草可以高效地獲取低強度的太陽光，以驅動水溶液中持續的光化學反應。為了模擬這一過程，近日，澳大利亞莫納什大學程文龍教授報道開發了一種基于多功能納米六邊形（mNHs）的自支撐納米組裝的新型二維水凝膠集成的柔性光催化材料。這種柔性2D薄膜可以在低強度可見光下連續地光催化水環境中的化學反應。1）研究人員首先制備了單分散的Au-Pd-CdS mNHs，然后經過氯仿和水的順序蒸發，在鋁箔上形成了一個納米組件。然后，用空氣等離子體處理納米組件2 min，接著滴鑄加熱的1%瓊脂糖水溶液。冷卻和凝膠化后，得到了自支撐水凝膠集成的2D納米組裝片。2）組成mNHs構筑塊由等離激元Au納米六邊形(NHs)組成，其角位置修飾著Pd納米顆粒，暴露的表面上是CdS納米顆粒。通過自組裝成獨立的2D納米組件，并與薄的水凝膠薄膜集成在一起，可以在可見光照射下進行光催化反應。同時，水凝膠具有半透明，多孔和柔軟等特性，因此可以在水環境中進行連續的光化學轉化。3）將以亞甲基藍(MB)為模型光催化體系，研究人員展示了一種柔性仿海草的光催化降解設計，結果顯示，其具有高效、連續運行而不需要再生，以及在低強度太陽光照射下的全方位捕光能力等優點，同時還克服了剛性基質負載導致的隨機聚集體和基于溶液的離散聚集體。Z. Yong, L. W. Yap, R. Fu, Q. Shi, Z. Guo and W. Cheng, Mater. Horiz., 2021https://doi.org/10.1039/D1MH00753J
9. Materials Horizons：一種可伸縮的柔性準固態熱電化學池作為自供能應變傳感器
設計高效的能源系統對于柔性和可穿戴電子產品的發展至關重要。在直接將熱轉化為電能方面，熱電化學電池（TECs）特別適合于低級集熱，以實現靈活和可穿戴的應用。這其中，傳統液基TEC的電解質泄漏和復雜的封裝問題仍有待進一步解決。近日，澳門大學孫國星教授，深圳大學陳光明教授，劉卓鑫助理教授，南昆士蘭大學陳志剛教授報道了在酸化單壁碳納米管（a-SWCNTs）存在下，聚丙烯酰胺（PAAM）進行原位自由基聚合，然后通過離子交換摻入Sn4+/Sn2+氧化還原對，制備了一種基于復合水凝膠的準固態TEC。1）研究發現，α-SWCNTs對復合水凝膠的力學性能和熱電化學性能都有一定的改善作用。當Sn4+/Sn2+濃度為0.2 M，α-SWCNTs含量為0.6 wt%時，制得的TEC具有良好的柔韌性和伸縮性，其Se為1.59±0.07 mV K-1。在100%應變范圍內拉伸時，具有相對恒定的離子電導率和塞貝克系數，以及表現出良好的抗大機械拉伸和變形的熱電化學穩定性。此外，由于PAAm水凝膠基質的高延伸性和α-SWCNTs填料帶來的中等導電性，這種準固態TEC對人體運動引起的應變具有極高的敏感性。2）通過將具有良好熱電效應的熱電轉換與所設計的應變傳感相結合，研究人員展示了一種基于柔性準固態TEC的自供電應變傳感系統。這項工作首次將利用復合水凝膠用于自供電可穿戴的柔性可伸縮準固態TEC，為具有低能耗，可靠的可穿戴電子產品的能源供應系統開發提供了一種可行的策略。Lirong Liang, et al, A flexible quasi-solid-state thermoelectrochemical cell with high stretchability as an energy-autonomous strain sensor, Mater. Horiz., 2021https://doi.org/10.1039/D1MH00775K
10. Nano Energy：具有聚多巴胺界面層的壓電纖維復合材料用于自供電可穿戴生物監測
在聚合物中摻雜陶瓷納米顆粒是人們開發高性能納米復合材料的一種廣泛采用的方法。然而，改善納米填料與聚合物基體之間的相互作用以提高其綜合性能仍然具有一定的挑戰性。近日，電子科技大學Yuanjie Su，美國加州大學洛杉磯分校陳俊教授報道了通過全面的相場模擬和詳細的實驗表征，系統地研究了纖維狀鈦酸鋇摻雜的聚偏氟乙烯（BTO/PVDF）壓電納米復合材料。1）實驗和理論結果都表明，在BTO納米顆粒表面引入2.15 vol%的聚多巴胺（PDA）涂層可以顯著促進納米薄膜-聚合物界面的局部全反式構象和模數匹配，從而獲得最大的壓電電荷系數、壓電電壓系數和機械剛度。2）為了驗證PDA改性的效果，研究人員在復合纖維的基礎上構建了一種PDA修飾的非織造壓電（PMNP）紡織品，該纖維在肢體運動檢測、面部表情識別、呼吸監測和人機界面等可穿戴生物監測中表現出優異的靈敏度和長期穩定性。這項工作為高性能可穿戴紡織品生物電子學的發展深入研究了聚合物復合材料界面耦合效應的基本機理。Yuanjie Su, et al, Piezoelectric Fiber Composites with Polydopamine Interfacial Layer for Self-powered Wearable Biomonitoring, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106321https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106321
11. Nano Energy：一種具有EGaIn合金電極的可拉伸自供電摩擦電觸覺傳感器用于超低壓檢測
自供電觸覺和壓力傳感器是新型智能電子器件的關鍵部件之一，無需外接電源即可感知各種外界物理刺激。自供電觸覺傳感器在檢測人體健康狀況和運動成績方面具有潛在的應用前景，引起了人們的廣泛關注。然而，制造具有可伸縮性、靈活性和低檢測下限的自供電觸覺傳感器仍然是一個挑戰。近日，河南大學杜祖亮教授，程綱教授報道了研制了一種以多層結構PDMS薄膜為摩擦層，以EGaIn/PDMS復合材料為伸展電極的自供電摩擦電觸覺傳感器，其具有超低的檢測下限、高的靈敏度和良好的穩健性。1）基于摩擦電傳感機理，該裝置的最低檢測下限為0.23 Pa（實驗）和7 MPa（計算），這是此類摩擦電觸覺傳感器的最低檢測水平。此外，由于EGaIn的液體特性，即使在嚴重損壞的情況下，也能很好的保持穩定摩擦電觸覺傳感器的靈敏度，而損壞的觸覺傳感器（K1‘）在低壓范圍內的靈敏度與原始器件的靈敏度（K1）相同。這項工作為制造可伸縮的自供電摩擦電觸覺傳感器提供了一種經濟有效的解決方案，可以滿足傳感市場的需求，為可穿戴電子器件和電子皮膚等下一代電子產品的發展提供了新的可能性。Jingjing Wang, et al, A stretchable self-powered triboelectric tactile sensor with EGaIn alloy electrode for ultra-low-pressure detection, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106320https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106320
12. Nano Energy：Ag/BiFeO3纖維異質結的壓電和等離激元協同調節用于提高光電化學能量轉換
結合壓電效應和等離激元效應來調節光生載流子的分離和遷移仍然是提高可見光驅動光電化學能量轉換性能的關鍵。近日，深圳大學李亞運副教授報道了利用壓電場和局域表面等離激元共振（LSPR）調節合理設計了一種Ag/BiFeO3纖維異質結（Ag/BFO）。1）壓電響應力顯微鏡檢測表明Ag2/BFO（AgNO3用量：2mL）異質結具有最佳的壓電性能（在?7.53 V時為29.3 pm）。2）研究人員以甲基橙和亞甲基藍的降解為例，研究了所制備樣品的光電轉化性能。結果表明，超聲驅動和可見光驅動的Ag2/BFO樣品表現出明顯增強的活性，其中BFO內部的壓電場進一步促進了Ag納米顆粒的LSPR效應引起的光生載流子的定向遷移和分離。這項工作為將用于太陽能直接轉化為化學能的先進材料的合理設計提供了一個耐人尋味的解決方案。Jing Xu, et al, Synergizing piezoelectric and plasmonic modulation of Ag/BiFeO3fibrous heterostructure toward boosted photoelectrochemical energy conversion, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106317https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106317
