1. Science：外電場引發Bernal雙層石墨烯自旋極化超導
在經典超導體中，在自旋方向相反的電子對中能夠形成Cooper對。有鑒于此，加州大學圣塔芭芭拉分校Andrea F. Young等報道在Bernal雙層石墨烯中觀測發現自旋極化超導現象，這種現象產生的原因是通過在較高的垂直電場作用條件中產生對應于馬鞍點的范霍夫奇點實現的。1）觀測發現靜電門控作用能夠導致在一連串不同電子相之間轉變，能夠通過自旋和動量空間結合的谷自由度確定的同位旋空間內觀測。2）這些觀測發現的相在零磁場條件中都表現為金屬態，但是當施加平行于2D納米片的磁場B||≈150 mT，觀測到轉變為超導態；這種超導態在對稱破缺轉變點產生，而且只能在順磁性超導體材料在轉變溫度Tc≈30 mK而且超過B||限制值的條件發生，這種觀測結果與自旋三重態的排布規律一致。Andrea F. Young et al. Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene, Science 2022,DOI: 10.1126/science.abm8386https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8386
2. Nature Sustain.：界面光熱催化用于更環保和更高轉化的酯化
可逆化學反應，如酯的工業生產，受平衡定律支配。為了提高酯化反應的產率，通常使用多余的反應物和脫水劑來推動反應。然而，這些方法不僅耗能大，而且對最終產品的分離造成額外的困難。近日，南京大學朱嘉教授，Bin Zhu報道了展示了一種基于氧化石墨烯氣凝膠（SGA）的界面光熱催化酯化體系，該體系突破了酯化反應的化學平衡限制。1）這種界面光熱催化設計充分利用了光熱效應，使酯化反應界面上的產物及時脫除，并自發地促進了反應點周圍較高的反應物濃度和較低的產物濃度，從而將酯化反應推向正向反應。2）實驗結果顯示，在不增加化學反應進料比的情況下，實現了乙酸轉化率(77%)，比工業上常用的濃硫酸催化體系提高了近10%。更重要的是，在不添加額外試劑的情況下，可以最大限度地減少后續分離過程中的能耗，這有利于酯化反應的各種反應。這種界面光熱催化設計不僅為化工生產中酯的合成提供了一條新的途徑，而且有利于各種可逆化學反應朝著可持續發展的方向發展。Yao, P., Gong, H., Wu, ZY. et al. Greener and higher conversion of esterification via interfacial photothermal catalysis. Nat Sustain (2022).DOI：10.1038/s41893-021-00841-0https://doi.org/10.1038/s41893-021-00841-0
3. Science Advances：通過一種無序-有序過渡轉變合成多元素金屬間化合物納米顆粒
納米尺度的多主元素金屬間化合物(MPEI)可以提供廣闊的、可調節的活性、高比表面積材料的組成空間，具有潛在的催化和磁學應用。然而，由于MPEI納米粒子在退火過程中容易長大/團聚或相分離，因此制備MPEI納米粒子具有挑戰性。基于此，馬里蘭大學胡良兵教授，莫一非教授，特拉華大學Feng Jiao報道了通過一種獨特的無序-有序相變，首次合成了含有多達八種組成元素的MPEI納米顆粒。1）這種轉變始于無序的固溶態HEA納米粒子開始，這些納米粒子在短時間(~5 min)內被焦耳加熱，然后快速冷卻(~104 K/s)，從而實現了這一轉變。通過快速熱沖擊(數十毫秒加熱)合成的HEA起始材料能夠混合不同的元素，而不管它們在熱力學上的相容性如何。隨后的~5 min的加熱是實現無序到有序轉變的關鍵，該轉變將HEA納米粒子轉化為MPEI納米粒子，這是由熱力學穩定性驅動的。此外，有限的加熱時間和隨之而來的快速溫度淬滅防止了MPEI納米顆粒的過度生長和團聚。2）這種獨特的方法不僅可以在納米尺度上產生穩定的MPEI，而且還可以實現以前未識別的MPEI組合物(例如，PtPdAuFeCoNiCuSn)，這些組合物由于元素的固有不混溶性而通過傳統方法從未實現。這項工作開辟了可能的金屬間化合物納米材料的材料空間，具有催化、磁學、超導等方面的潛力。Mingjin Cui, et al, Multi-principal elemental intermetallic nanoparticles synthesized via a disorder-to-order transition, Sci. Adv., 2022DOI: 10.1126/sciadv.abm4322https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm4322
4. Science Advances：無金屬碳催化劑用于N-雜環室溫無受體脫氫
催化脫氫技術是實現碳中性的關鍵技術之一，可在液體有機物中實現可逆儲氫。然而，在溫和的溫度下，無氧化劑或無堿的催化脫氫仍然是一個挑戰。近日，鄭州大學聶仁峰，美國能源部Ames實驗室Long Qi報道了展示了一種無金屬碳催化劑，氮-組裝碳（NCs），即使在常溫下也能用于N-雜環的無受體脫氫，表現出比過渡金屬催化劑更高的活性。1）機理研究表明，NCs的催化活性是由于碳化過程中前驅體組裝形成的獨特的緊密排列的石墨氮(CGNs)所致。CGN中心催化N-雜環上C-─H鍵的活化，在催化劑表面形成不穩定的C-─H鍵。隨后，這種表面氫的簡單重組以解吸H2，使得NCs可以在沒有任何H受體的情況下工作。2）通過各種N-雜環的反向轉移加氫反應，這些不含貴金屬的NC催化劑在完成儲氫循環方面顯示出巨大的潛力。Haitao Hu, et al, Metal-free carbocatalyst for room temperature acceptorless dehydrogenation of N-heterocycles, Sci. Adv., 2022DOI: 10.1126/sciadv.abl9478https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl9478
5. Science Advances：磁性SrRuO3-SrTiO3異質結界面手性聲子和界面耦合
聲子的手征對稱破缺是產生量子現象的重要原因，因為其與自旋自由度產生非常強的耦合，但是目前直接通過實驗觀測發現手性聲子-自旋耦合還沒有實現。有鑒于此，成均館大學Woo Seok Choi等報道構建了原子精度的鐵磁性SrRuO3-非磁性絕緣體SrTiO3異質結，觀測發現手性生子介導層間交換現象。1）在SrRuO3-SrTiO3異質結上發現一種新穎的層間交換相互作用，觀測發現隨著非磁性絕緣間隔厚度變化的自旋旋轉現象，導致形成自旋螺旋狀態。進一步通過聲子Zeeman效應驗證了手性聲子-自旋耦合效應。2）手性聲子與自旋之間在界面上的相互作用現象說明，手性聲子在磁性材料中起到非常關鍵的功能。SEUNG GYO JEONG et al. Unconventional interlayer exchange coupling via chiral phonons in synthetic magnetic oxide heterostructures, Sci. Adv. 2022,DOI: 10.1126/sciadv.abm4005https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm4005
6. Nature Commun.：核殼結構納米晶體調控耗盡層用于控制光電性能
摻雜型金屬氧化物納米晶中的Fermi能級釘扎效應導致形成耗盡層，影響光學和電學性能，因此影響其在智能光電子學、光催化、能量存儲等領域的應用。為了精確的控制這種納米晶的功能性，在納米尺度理解電子能帶和調控電子能帶至關重要。有鑒于此，意大利理工學院Ilka Kriegel、Nicola Curreli等報道研究了耗盡層策略能夠調控金屬氧化物納米晶的能帶結構，并且設計控制其光電性能。1）通過調控Sn:In2O3-In2O3納米晶的核殼厚度，實現了多重能帶彎折和多模plasmonic響應。發現通過光激發導致電子累積是光摻雜（photodop）實現調控能帶結構的主要原因，通過耗盡層策略能夠增強電荷存儲性能，實現在單個納米晶體中儲存數百個電子。2）通過理論模型驗證本文實驗研究結果，而且能夠進一步應用于其他核-多層殼納米材料體系。Ghini, M., Curreli, N., Lodi, M.B. et al. Control of electronic band profiles through depletion layer engineering in core–shell nanocrystals. Nat Commun 13, 537 (2022).DOI: 10.1038/s41467-022-28140-yhttps://www.nature.com/articles/s41467-022-28140-y
7. JACS：手性N-雜環卡賓配體誘導C中心八面體金(I)團簇的不對稱扭曲
通過手性配體的配位不對稱誘導金屬團簇在手性轉移機制和所得手性結構的穩定性方面具有重要意義。近日，東京大學Mitsuhiko Shionoya等報道了通過單齒、手性benzimidazolylidene基N-雜環卡賓(NHC)配體將C中心六金(I)CAuI6團簇不對稱誘導成不對稱扭曲結構。1）X射線衍射分析表明，NHC保護的CAuI6團簇通過Au···Au接觸的定向選擇性、鍵長擴展和收縮進行非對映選擇性扭曲，原始的高對稱性團簇轉變為具有C1對稱性的光學純非對稱CAuI6團簇。2）此外，圓二色光譜和時間依賴密度泛函理論計算證實，該團簇即使在溶液中也能保持不對稱扭曲的CAuI6結構。該工作首次報道了通過手性NHC配體的不對稱誘導獲得構型穩定的手性金屬團簇，將極大地擴展不對稱催化劑和手性材料的分子設計可能性。Xiao-Li Pei, et al. Asymmetric Twisting of C-Centered Octahedral Gold(I) Clusters by Chiral N-Heterocyclic Carbene Ligation. J. Am. Chem. Soc., 2022DOI: 10.1021/jacs.1c10450https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c10450
8. JACS：具有扁長形狀的對映純手性bisNHC穩定的Au10納米團簇的合成和表征
配體保護的手性金屬納米團簇引起了相當多的關注，因為結構明確的手性納米團簇能夠實現手性和團簇性質之間的關聯。近日，名古屋大學Cathleen M. Crudden，Masakazu Nambo，于韋斯屈萊大學Hannu H?kkinen，東京大學Tatsuya Tsukuda等報道了第一個由手性bis N-雜環卡賓(bisNHC)配體穩定的手性Au10納米團簇。1）ESI-MS和單晶X射線晶體學表征表明，該團簇分子式為[Au10(bisNHC)4Br2](O2CCF3)2。該手性Au10納米團簇具有線性邊共享四面體幾何形狀，呈扁長形。2）作者通過DFT計算深入了解了這種獨特的Au10納米團簇的電子結構、光吸收和圓二色(CD)特性。3）作者通過CD光譜證明了從手性bisNHC配體到內部Au10納米團簇內核的手性轉移。4）ESI-MS和UV-vis光譜研究表明，團簇合成過程中最初形成[Au9(bisNHC)4Br]Br2，然后在溶液中轉化為Au10納米團簇。Renee W. Y. Man, et al. Synthesis and Characterization of Enantiopure Chiral Bis NHC-Stabilized Edge-Shared Au10Nanocluster with Unique Prolate Shape. J. Am. Chem. Soc., 2022DOI: 10.1021/jacs.1c11857https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11857
9. Angew：基于柱芳烴插層Mxene納米片的無機-有機雜化膜用于高效凈水
抗生素廢水的排放造成環境污染，威脅生物和人類健康。因此，迫切需要一種有效的廢水處理方法。近日，天津工業大學劉義教授，Yue Sun報道了用柱芳烴(CP5)對Ti3C2Tx Mxene納米片進行了改性，采用了一種簡單的濕化學反應方法，即Ti3C2Tx納米片表面的羥基與CP5表面的羧基發生反應。1）研究人員通過控制柱芳烴的用量制備了一系列Ti3C2Tx-柱芳烴雜化納米片(MP10、MP20和MP30)。與單層Ti3C2Tx納米片相比，這些納米片具有更大的橫向尺寸(5-8 μm)和相鄰Ti3C2Tx納米片之間的d間距。2）值得注意的是，在真空輔助過濾條件下，通過在聚醚砜(PES)載體上組裝MP30納米片，成功地制備了具有規則平行縫隙間距的雜化層狀膜。MP30膜具有可控的多層結構，具有較高的透水率，與其他傳統的聚合物納濾膜和2D層狀膜相比，透水率提高了100倍，但表現出相似的抗生素排斥反應。這些研究結果將指導膜的設計和功能以及相關技術，并可用于開發智能材料和解決凈水問題。Yue Sun, et al, Inorganic-Organic Hybrid Membrane based on Pillararene-intercalated MXene Nanosheets for Efficient Water Purification, Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202200482https://doi.org/10.1002/anie.202200482
10. Angew：化學發光型1,2-二氧環丁烷銥配合物用于近紅外氧氣傳感
南衛理工會大學Alexander R. Lippert開發了一種具有化學發光性能、能夠對氧氣響應的銥基傳感器。1）實驗將該分子探針名為IrCL-1、IrCL-2和IrCL-3，其由對氧氣敏感的銥配合物和螺旋金剛烷1,2-二氧乙烷環丁烷所組成，并能夠通過從化學激發的苯甲酸鹽到相應的銥(III)配合物之間的能量轉移來進行反應。2）研究發現，銥(III)中心與π-離域配體的絡合會使得該探針在生物相關的近紅外(NIR)區域產生熒光發射。實驗結果表明，這些探針具有不同的氧耐受性，其中IrCL-1對氧最為敏感。實驗也進一步將這些探針用于在體外進行氧比率成像以及在活小鼠的腹膜內、肌肉內和腫瘤內進行成像。而這也是首次有研究將銥基化學發光探針用于體外氧氣比率傳感和體內腫瘤成像。Husain N. Kagalwala. et al. Chemiluminescent 1,2-Dioxetane Iridium Complexes for NearInfrared Oxygen Sensing. Angewandte Chemie International Edition. 2022DOI: 10.1002/anie.202115704https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115704
11. AEM：一種用于固態鋰金屬電池的合理配位聚合物電解質的單離子導電網絡
固態單離子導電聚合物電解質（SSPE）是最有前途的用于長壽命鋰金屬電池候選材料之一。然而，傳統的聚陰離子型固相聚合物結構不可避免地會導致導電性不足和機械穩定性差，限制了其在實際應用中的應用。近日，北京科技大學Fang Lian，河南大學Yong Zhao，Hao Li報道了采用四(4(氯甲基)-2,3,5,6-四氟苯基)硼酸鋰鹽與四乙二醇交聯制備了一種互穿單離子網絡聚合物（PTF-4EO）。1）獨特的結構使得PtF-4EO具有弱相互作用的陰離子和配位的醚氧鏈段，可以作為高性能的固相萃取電極，提供3.53×10?4 S cm?1的高室溫電導率，0.92%的高鋰離子遷移數，>4.8V的寬電化學窗口，以及良好的機械性能。此外，生成的SSPE可以直接參與構建良好的Janus固體電解質界面，進一步提高了鋰金屬負極的界面穩定性。2）組裝后的LiFePO4||Li固體電池在2.50~4.25 V范圍內具有優異的循環穩定性、庫侖效率和超過200次的容量保持率。此外，LiNi0.7Mn0.2Co0.1O2||Li固體電池在惡劣的條件下也表現出顯著的安全性。本研究為SSPE的設計提供了一種很有前途的策略，可以同時獲得高離子導電性和良好的界面相容性，從而實現實用化的高能量密度固態鋰金屬電池。Hao Li, et al, A Single-Ion Conducting Network as Rationally Coordinating Polymer Electrolyte for Solid-State Li Metal Batteries, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202103530https://doi.org/10.1002/aenm.202103530
12. Nano Energy：通用低溫無模板合成海綿狀多孔微米級元素材料用于用于高性能儲鋰/鉀
互聯的微米級多孔材料可有效增強離子傳遞動力學和結構穩定性，從而提高其倍率性能和長期壽命，并保持較高的體積性能。然而，開發一種通用的、低溫大規模合成多孔材料的方法仍然極具挑戰性。近日，廣東工業大學李運勇教授報道了開發了一種通用的低溫無模板策略，通過H2O2輔助水浴制備一系列海綿狀、相互連接的多孔微米級元素(如Se、Te、Sb)。1）研究發現，多孔結構的形成機理是由于多晶顆粒優先沿晶間腐蝕和不使腐蝕界面鈍化的可溶性反應產物引起的非均勻連續腐蝕。2）所獲得的海綿狀多孔材料具有較大的可逆重量和體積容量以及較長的穩定壽命。具體而言，多孔Te電極在Li-Te電池中具有392.7 mAh g-1（體積容量：1531.5 mAh cm-3）的高可逆容量，0.1 A g-1下活性物質利用率為93.5%，500次循環具有穩定的長壽命。3）透射電子顯微鏡和掃描電鏡的原位觀察表明，多孔Te在循環過程中體積膨脹小，結構穩定性強，這是由于其內膨脹機制和三維穩定的互聯多孔結構所致。這項工作展示了一種簡單而通用的設計海綿狀多孔材料用于儲能和催化等方面的策略。Junlu Zhu, et al, Universal Low-Temperature and Template-Free Synthesis of Sponge-Like Porous Micron-Sized Elemental Materials for High-Performance Lithium/Potassium Storage, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2022.106981https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.106981
