1. Nature Catal.：CeO2負載Pt-Co-In納米合金用于高效丙烷氧化脫氫
丙烯是多個行業生產各種石油化工產品的重要原料；近年來，蒸汽裂解裝置的原料從油基石腦油轉向頁巖基乙烷，從而導致丙烯的供應變得有限，這與全球日益增長的需求之間存在著巨大差距。因此，開發高效的技術以滿足不斷增長的全球丙烯需求非常迫切。近日，北海道大學Shinya Furukawa報道了設計出一種由三種不同金屬組成的三元合金催化劑，以實現上述催化功能。1）Pt被選為C–H斷裂的主要活性金屬，其對C–H斷裂具有高度活性，而且與其它過渡金屬相比，Pt對C–C斷裂的活性最低。此外，研究人員選擇Co、Ni和Cu等3d過渡金屬作為CO2還原的有效催化劑，以加速CO2的捕獲與活化。2）得益于Ga、In和Sn等惰性元素在合金化時的整體效應，使其能夠提高脫氫選擇性。此外，由于CeO2的堿性和氧釋放能力，其被用作催化劑載體以促進CO2捕獲和焦炭燃燒。特別是，Pt、Co、In和CeO2的組合可以提供實現高效CO2-ODP所需的多種功能，即，使用Pt–Co–In/CeO2納米合金可以實現高活性、選擇性和穩定的催化體系。該研究結果不僅為烷烴脫氫和CO2還原提供了一個高效的催化體系，而且為基于多金屬合金的材料設計提供重要的啟示。Xing, F., Nakaya, Y., Yasumura, S. et al. Ternary platinum–cobalt–indium nanoalloy on ceria as a highly efficient catalyst for the oxidative dehydrogenation of propane using CO2. Nat Catal 5, 55–65 (2022)DOI：10.1038/s41929-021-00730-xhttps://doi.org/10.1038/s41929-021-00730-x
2. Matter：一種仿生超強水性合成組織粘合劑
現有的組織粘合劑和密封劑在濕潤和動態的組織上應用時遠遠不能令人滿意。近日，昆明醫科大學Di Lu，美國Aleo BME的Chao Liu，賓夕法尼亞州立大學Elias B. Rizk報道了開發了一種設計可生物降解的超強水性膠水（B-Seal）的策略，該策略的靈感來自于英國常春藤粘附策略和水泥顆粒堆積理論。1）B-Seal是一種快速凝膠、超強和彈性的粘合密封膠，由可注射水性生物降解聚氨酯(WPU)納米分散體組成，其A-B配方中的顆粒尺寸和反離子不匹配。2）B-Seal的破裂壓力是DuraSeal的24倍，T-Pull粘合強度是纖維蛋白膠的138倍，搭接剪切強度是纖維蛋白膠的16倍。3）研究人員在大鼠腦脊液(CSF)鼻漏模型和豬開顱模型上的活體評估驗證了B-Seal在有效預防腦脊液漏和硬腦膜修復方面的安全性和有效性。這種以植物為靈感的粘接策略與顆粒堆積理論相結合，為設計下一代手術用濕組織粘合劑提供了新的方向。Li et al., Bioinspired super-strong aqueous synthetic tissue adhesives, Matter (2021),DOI：10.1016/j.matt.2021.12.018https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.12.018
3. Angew：面向快充鋅電池化學的超快金屬電沉積的原位光學成像及理論計算
鋅（Zn）金屬是用于智能電網和可再生能源儲存的可充電水系電池的首選負極材料。要實現鋅電池化學的完全可逆性，特別是在快速充電條件下，揭示水系Zn負極上的金屬形核和生長至關重要，同時極具挑戰性。近日，華中科技大學孫永明教授，阿貢國家實驗室Khalil Amine，陸俊研究員報道了通過原位光學可視化和理論計算研究了Zn金屬超快電沉積反應，發現Zn電極的可逆性與不同電流密度下的沉積形態有很強的相關性。1）在1 M的ZnSO4電解液中，在1 mA cm-2的低電流密度下，可以觀察到不規則堆疊的鋅納米片的不均勻沉積。而當電流密度增加到10 mA cm-2時，沉積的鋅層變得均勻，結構致密。在100 mA cm-2的超高電流密度下，嚴重的濃度極化導致具有樹狀尖角的金屬柱沉積。2）此外，提高電解液中Zn2+離子的濃度可以有效地拓寬電流密度窗口，實現金屬Zn的均勻電化學鍍。在3 M ZnSO4電解液中，在10-100 mA cm-2范圍內可獲得穩定的鍍鋅/剝離行為，平均庫侖效率(CE)超過99%。3）理論計算進一步表明，不同電流密度下金屬Zn的沉積模式取決于結晶熱力學、動力學和Zn2+離子擴散之間的競爭，導致沉積形態分別為堆疊的六角形板、水平致密顆粒和垂直金屬柱。4）在此基礎上，在Zn||Zn對稱電池和MnO2||Zn全電池中均獲得了在50 mA cm-2超大電流密度下放電深度為66.7%的高可逆Zn金屬電極。這項工作中的超快Zn電沉積化學為設計高功率、長壽命水系電池的先進Zn負極提供了新的機會。Zhao Cai, et al, Ultrafast Metal Electrodeposition Revealed by in-situ Optical Imaging and Theoretical Modeling towards Fast-charging Zn Battery Chemistry, Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202116560https://doi.org/10.1002/anie.202116560
4. AM: 19.05%效率的聚合物太陽能電池
改善電荷提取和抑制電荷復合對于最大限度地減少吸收光子的損失和提高聚合物太陽能電池 (PSC) 的器件性能至關重要。四川大學Qiang Peng, Xiaopeng Xu和西安交通大學馬偉等人通過結合新型非富勒烯受體（NFA）的側鏈工程、采用三元共混物和引入可揮發的固體添加劑，逐步改善電荷提取和抑制電荷復合，證明了高效的PSC。1）BTP-Th上的二維 (2D) 側鏈對分子堆積和相分離產生一定的空間位阻，這可以通過BTP-FTh上的側鏈氟化來減輕。2）此外，通過將兩種高結晶分子IDIC和DTT分別作為第二受體和可揮發性固體添加劑引入PTQ10:BTP-FTh主體共混物中，分子結晶度顯著提高，共混物形態得到了精細優化。3）正如預期的那樣，逐步實現了增強的電荷提取和抑制的電荷復合，從而大大提高了所得器件的填充因子（FF）。伴隨著增強的開路電壓 (Voc) 和短路電流密度 (Jsc)，通過在PTQ10:BTP-FTh主體混合物中添加IDIC受體和DTT添加劑，實現了創紀錄的19.05%的高功率轉換效率 (PCE)。Chong, K., Xu, X., Meng, H., Xue, J., Yu, L., Ma, W. and Peng, Q. (2022), Realizing 19.05% Efficiency Polymer Solar Cells by Progressively Improving Charge Extraction and Suppressing Charge Recombination. Adv. Mater..DOI：10.1002/adma.202109516https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202109516
5. AEM：TiO2作為Na3Zr2Si2PO12中的第二相抑制鈉金屬固態電池中的枝晶生長
如果沒有可解決枝晶(絲狀)問題的電解質，固態鈉金屬電池就無法達到合理的功率密度。在陶瓷/金屬界面電鍍過程中形成的金屬絲可能會因內部短路而導致電氣故障，或因電解質斷裂而導致機械故障。近日，華中科技大學黃云輝教授報道了提出了一種以TiO2為添加劑的Na3Zr2Si2PO12（NZSP）鈉離子導電NASICON電解質，得到了密度、楊氏模量、硬度、晶粒結構和體介電常數均有改善的兩相復合NZSP(TiO2)。NZSP(TiO2)的這些特性抑制了枝晶沿晶界、微裂紋和微孔的生長。1）研究人員在用電化學方法顯示超低的陶瓷/Na動力學電阻的同時，還用X射線光電子能譜(XPS)對界面反應機理進行了探討。TiO2相在晶界內和沿NZSP表面形成。這改變了兩相材料的微觀結構，改善了其電化學性能，同時也提高了形成枝晶的臨界電流密度。NZSP中的TiO2添加劑不僅將界面電阻降低了一半，改善了晶粒結構內的附著力5倍以上，而且使Na枝晶形成的臨界電流密度提高了一個數量級。這些改進有望促使一系列高能量密度的鈉離子電池成為現實。Zhonghui Gao, et al, TiO2 as Second Phase in Na3Zr2Si2PO12 to Suppress Dendrite Growth in Sodium Metal Solid-State Batteries, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202103607https://doi.org/10.1002/aenm.202103607
6. Nano Letters：可抑制多硫化鋰穿梭的自支撐和夾心Mxene基正極用于柔性鋰硫電池
柔性鋰?硫（Li?S）電池具有極高的機械柔性和能量密度。近日，清華深圳國際研究生院周光敏報道了設計了一種將大尺寸Ti3C2Tx薄膜與TiO2/H?Ti3C2Tx相結合的獨特的三明治電極。1）采用高電導率的Ti3C2Tx薄膜作為集電體，為鋰離子電池提供了連續的電子轉移路徑和吸附位置，提高了鋰離子電池的穩定性和靈活性，取代了較重的鋁箔集電體，提高了Li?S電池的質量能量密度。2）S/BP2000混合物與Ti3C2Tx薄膜之間的粘附性強，降低了界面接觸電阻，防止了電池彎曲時活性物質層從Ti3C2Tx薄膜上剝落。同時，TiO2/H?Ti3C2Tx起到阻擋LiPSs穿梭的作用，對LiPSs有很強的吸附作用，并提供了豐富的鋰離子傳輸路徑，提高了比容量和穩定性。此外，頂部和底部的MXene基層不僅作為集電體提高了電極的導電性，而且還作為溶解的LiPSs的有效儲存庫，抑制了它們的擴散，緩沖了體積變化。3）集成正極提供了柔性Li?S電池所需的靈活性和高強度。基于HT/S/TF的Li?S電池在500次彎曲循環后容量保持在95%以上，3500次循環后沒有觀察到電壓變化。Xiongwei Zhong, et al, Freestanding and Sandwich MXene-Based Cathode with Suppressed Lithium Polysulfides Shuttle for Flexible Lithium?Sulfur Batteries, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04377https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04377
7. Nano Letters：一種受竹編啟發設計的具有極高容量的碳質電極
需要一種高度致密的電極材料來獲得較大的體積容量。然而，作為離子傳輸通道的孔隙對于活性物質的高利用率至關重要。實現高體積密度和孔隙利用率之間的平衡仍然是一個挑戰，特別是對于中空材料。近日，南洋理工大學范紅金教授，中科院寧波材料所Haiyong He報道了展示了一種在不影響活性材料利用率的情況下制備高密度竹編柔性碳電極（BWFE）的新方法。1）在毛細管力的作用下，石墨管被大量原位壓縮成空心納米帶，形成竹編狀結構，體積縮小率達96%。除了體積收縮和保護氣孔外，轉變還改變了BWFE的電子傳遞途徑，使電極的電導率提高了100倍，比常用的碳布提高了40倍(1249 S/m)。2）機械強度的提高歸功于獨特的交織結構。在負載SnO2納米顆粒后，BWFE/ SnO2復合電極具有2000 mAh/cm3的超高容量，而SnO2的負載量增加到1 mg/cm2不會影響比容量。3）BWFE還可以負載包括GeO2納米粒子在內的，不同活性物質。因此，這樣一種具有高耐用性和導電性的交織石墨納米帶薄膜可以作為柔性和大功率電極得到廣泛的應用。Zehua Zhao, et al, Bamboo Weaving Inspired Design of a Carbonaceous Electrode with Exceptionally High Volumetric Capacity, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03765https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03765
8. ACS Nano：自適應型單原子催化劑用于增強腫瘤細胞選擇性鐵死亡
由脂質活性氧(ROS)的過量積累和谷胱甘肽(GSH)依賴性過氧化物酶4(GPX4)的失活所引起的鐵死亡已成為癌癥治療領域中調節細胞死亡的一種重要形式。盡管研究者在開發鐵死亡誘導劑方面取得了許多重要進展，但如何構建有效的、可系統觸發鐵死亡的誘導劑仍然具有很大的挑戰性，其主要原因是誘導劑的活性較低，行為不可控，甚至會發生非選擇性相互作用。有鑒于此，中科院長春應化所曲曉剛研究員、任勁松研究員和吉林大學劉超英教授通過在單原子納米酶(SAzymes)表面工程化連接DNA調制器，開發了一種自適應型鐵死亡平臺。1）該調節劑不僅能特異性地增強活性氧生成，并且使得SAzymes具有在腫瘤細胞中按需消耗GSH的能力，進而可以實現選擇性、安全的鐵死亡。2）實驗在結腸癌和乳腺癌等模型中對于該自適應型鐵死亡平臺的抗腫瘤性能進行了驗證，證明其能夠實現有效的選擇性腫瘤治療。Fangfang Cao. et al. Self-Adaptive Single-Atom Catalyst Boosting Selective Ferroptosis in Tumor Cells. ACS Nano. 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c08464https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08464
9. ACS Nano：金納米粒子簇中的聚集等離激元耦合以用于實現高效光熱治療
等離激元納米材料具有較強的近紅外吸收能力，是一種重要的光熱治療試劑。在該領域中，研究者一直致力于實現更高的光熱轉換效率。加州大學河濱分校殷亞東教授和香港城市大學雷黨愿教授報告了一種將等離激元納米粒子簇(PNCs)作為高效PTAs的策略，并結合有效介質近似(EMA)理論和全波電動力學模擬，提供了一種半定量的方法來計算其共振頻率和吸收效率。1）在理論預測的指導下，研究者進一步開發了一種空間受限型種子生長的通用策略以制備多種PNCs。在優化的生長條件下，實驗制備了光熱轉換效率高達84%的金基PNCs，這一創紀錄的光熱轉換效率可歸功于聚集等離激元耦合所誘導的超高吸收效率。2）隨后，實驗也進一步證明了優化后的PNCs可在體內實現高效的光熱治療。綜上所述，這一研究工作證明了PNCs具有作為納米級PTAs的可行性和有效性。Jinxing Chen. et al. Collective Plasmon Coupling in Gold Nanoparticle Clusters for Highly Efficient Photothermal Therapy. ACS Nano. 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c08485https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08485
10. ACS Nano：用于自供電光電探測的垂直一維/二維異質結結構：過渡金屬二硫屬化物襯底上生長的GaN納米棒
基于二維過渡金屬二硫屬化物(TMDs)材料的范德華(vdW)異質結引起了研究人員的關注，以期對新興的物理現象和多樣化的納米光電子器件進行基礎研究。近日，華南理工大學Wenliang Wang，Guoqiang Li報道了成功地在二維TMD(MoS2、WS2和MoSe2片)及其vdW異質結上生長了一維GaN納米棒陣列(NRAs)，用于自供電光電探測器。二維MoS2、WS2和MoSe2材料是具有代表性的TMD材料，在光電子學中的應用得到了廣泛的研究。TMDs具有六方面內晶格排列和較弱的層間鍵，可以緩解GaN與異質外延襯底之間嚴格的晶格失配。1）研究人員在TMDs-on-Si襯底上外延生長了垂直排列的GaN NRAs，并用各種技術系統地揭示了這一點。此外，計算了GaN NRAs在TMDs區和Si區的QvdWE的一般分布，以弄清TMDs上GaN NRAs的形成機制。而原子銳化GaN/TMDs/Si異質界面的結構特性揭示了其一維/二維vdW異質界面相互作用。2）所制備的垂直GaN NRAs/TMDs vdW異質結光電探測器在零偏壓自供電檢測模式下表現出優異的光伏響應性能，這是基于實驗和理論分析得到的能夠有效分離光生載流子的II類能帶排列的結果。3）基于GaN NRAs/MoS2的光電探測器在所有TMDs中表現出最好的性能，其競爭光響應率為10.1 A W?1，光探測率為2.3×1013 Jones，同時響應速度快，上升/衰減時間為0.5/4.2 ms。這項工作突出了1D/2D集成vdW異質結系統在發展自供電光電子器件方面的科學價值和應用優勢。Yulin Zheng, et al, Vertical 1D/2D Heterojunction Architectures for Self-Powered Photodetection Application: GaN Nanorods Grown on Transition Metal Dichalcogenides, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c09791https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09791
11. ACS Nano：基于可重復溫度監測性能的導電氣凝膠纖維超輕自供電火災報警電子紡織品應用于消防服
消防防護服是保護消防員在滅火過程中免受燒傷的必備裝備。然而，當消防員暴露在過高的火災環境中時，如何在早期階段發現消防防護服的損壞仍然是一個挑戰。近日，武漢紡織大學Zhicai Yu，Jinfeng Wang報道了將新興的摩擦電納米發電機（TENG）技術與傳統的濕法紡絲技術相結合，開發了一種基于熱誘導超輕導電氣凝膠纖維的自供電火災報警電子紡織品（SFA e-textile）。1）研究人員將Fe3O4納米粒子(Fe3O4 NPs)和銀納米線(Ag NWs)引入到海藻酸鈣(CA)基氣凝膠纖維中，實現了SFA電子紡織品的可重復溫度監測和發電。所獲得的超輕超細纖維電子紡織品可以集成到消防防護服中，實現100?400 °C的寬范圍溫度傳感，并具有可重復的火災報警能力。2）SFA電子紡織品火災報警系統還可以在極端火災環境下消防防護服發生故障前及時向穿著者發送報警信號。此外，研究人員還在SFA織物的基礎上進一步建立了自給式火災自救定位系統，可以輔助救援人員在火災情況下搜救被困消防員。3）自給火災定位系統的電源由SFA電子紡織品TENG提供，在3 Hz的加載頻率和5 N的外力下產生3.5 V的開路電壓。因此，這項工作為超輕SFA電子紡織品的研制提供了一種有用的策略，該電子紡織品具有能量收集和可重復溫度監測功能，可用于救生可穿戴防護服。Hualing He, et al, An Ultralight Self-Powered Fire Alarm e?Textile Based on Conductive Aerogel Fiber with Repeatable Temperature Monitoring Performance Used in Firefighting Clothing, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c10144https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10144
12. ACS Nano：一種具有定制結構的三維打印模板輔助組裝的Ti3C2Tx Mxene微晶格用于高區域電容
Ti3C2Tx Mxene是一種很有前途的微型超級電容器電極材料。最近，人們致力于利用3D打印來制備具有定制結構的MXene電極，以促進電解質滲透和離子擴散。然而，由于現有的基于擠壓的3D打印對墨水流變性的嚴格要求和有限的結構選擇，結構設計的多樣性仍然存在挑戰。近日，清華深圳國際研究生院丘陵，周光敏報道了展示了一種3D打印模板輔助組裝的方法來制備無添加劑的3D構筑的MXene氣凝膠，并且具有高度的結構設計自由度。1）得益于Mxene油墨在3D打印樹脂模板中陽離子誘導的自凝膠性，研究人員使用不含添加劑的MXene水性油墨制備了3D結構的MXene，其濃度范圍寬(5~150 mg mL?1)，粘度低(>2.5mPa S?1)。2）利用數字光處理(DLP)三維打印技術提供的高結構設計自由度，可以制造出設計精細、彎曲度低、裝載量大的3D MXene結構。3）制備的3D結構Mxene具有高面電容(7.5 F cm?2)、超高面能量密度(0.375 mWh cm?2)和高電荷保持率(87%)，質量負載量高達54.1mgcm?2。這種方法為Mxene基電極的制造提供了一種潛在的通用解決方案，該電極具有定制的精細結構，易于電解質滲透和快速離子擴散。Chuang Yang, et al, 3D Printed Template-Assisted Assembly of Additive-Free Ti3C2Tx MXene Microlattices with Customized Structures toward High Areal Capacitance, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c09622https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09622
