1. Joule: 使用鹵化物鈣鈦礦平臺克服Shockley-Queisser限制？
單結光伏的理論效率極限為33.7%，熱化和帶內(nèi)透明度的能量損失超過50%。已經(jīng)開發(fā)了系統(tǒng)級的先前工程以減少這些損失并打破 Shockley-Queisser (SQ) 限制；許多需要高標準的制造，但提供緩慢的效率提升。從材料的角度可以找到突破口。具有各種物理優(yōu)點的鹵化物鈣鈦礦可以提供克服熱化和帶內(nèi)透明度損失的平臺，從而通過兩個因素提高效率。例如，鈣鈦礦中的長壽命熱載流子可以提高光電壓以超過其帶隙或執(zhí)行多激子產(chǎn)生過程以使光電流加倍。精心設計的量子結構可以通過中帶、多量子阱級聯(lián)和光鐵效應等機制克服帶內(nèi)損耗。賓夕法尼亞州立大學Kai Wang，Bed Poudel以及Shashank Priya等人討論了通過在鈣鈦礦平臺上進行設計來克服SQ限制的機會、可行性和挑戰(zhàn)。1）鹵化物鈣鈦礦顯示出很高的塞貝克系數(shù)，但相對較低的電導率限制了其在熱電中的應用(TE) 太陽熱轉換。有趣的是，鈣鈦礦在光照下可以使電荷載流子濃度增加四個數(shù)量級，因此，在這種情況下，可以預期更高的ZT值。TE/PV串聯(lián)太陽能收集器有望實現(xiàn)超高PCE。2）研究人員討論了通過關注鹵化物鈣鈦礦材料的工程，克服SQ限制的潛在途徑。特有的緩慢冷卻鈣鈦礦中熱載流子的數(shù)量為制造熱載流子提供了很好的機會。此外，具有量子化電子能帶結構的MQW和QD鈣鈦礦可以進一步提高熱載流子壽命、MEG效率，并可能成為具有標志性33.7%效率的下一代太陽能電池平臺。Overcoming Shockley-Queisser limit using halide perovskite platform? Joule, 2022DOI：10.1016/j.joule.2022.01.009https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435122000411#!
2. Angew：通過助催化劑改善腫瘤診療性能
人們成功的將芬頓反應用于腫瘤催化診療，但是療效中由于Fe3+向Fe2+的轉化過程動力學非常緩慢，導致治療的療效難以令人滿意。有鑒于此，上海硅酸鹽研究所施劍林院士、楊博文等報道發(fā)展了一種助催化劑概念，設計了二維MoS2納米片上擔載原子分散度的Fe催化劑。1）催化劑中的單原子Fe物種作為催化活性位點，MoS2納米片中豐富的硫缺陷能夠在H2O-2分解生成·OH的過程中捕獲電子，改善雙氧水的分解。而且，二維MoS2納米片通過Mo4+氧化為Mo6+，促進Fe3+還原為Fe2+的反應速率，因此能夠提高整體催化反應的速率。2）這種二維納米片展示了優(yōu)異的催化活性，顯著的改善了體內(nèi)和體外抗癌功效，說明這種助催化劑概念對于腫瘤診療具有廣泛的應用前景。Jiacai Yang, et al, Enhancing Tumor Catalytic Therapy by Co-Catalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202200480https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202200480
3. Angew: 從結構設計到功能構建：高性能FA基鈣鈦礦太陽能電池中的胺分子
與傳統(tǒng)的甲基銨基鈣鈦礦相比，甲脒（FA）基鈣鈦礦被認為是最有前途的光吸收鈣鈦礦材料之一，因為它們具有更窄的帶隙和更好的熱穩(wěn)定性。通過使用各種添加劑的不斷改進刺激了這些鈣鈦礦的潛在應用。作為典型的添加劑，具有不同結構的胺分子已廣泛應用于基于FA的鈣鈦礦太陽能電池中，并取得了不錯的性能。因此，對基于 FA 的鈣鈦礦中胺的結構調控和功能構建進行系統(tǒng)評價具有重要意義。鄭州大學張懿強，Shasha Zhang和中科院化學所宋延林等人分析了不同結構胺在功能鈣鈦礦晶體上的構建機制。1）研究人員首先評估了胺分子對特定鈣鈦礦性能的影響，包括缺陷條件、電荷轉移和耐濕性。2）最后，研究人員總結了胺分子在高性能FA基鈣鈦礦中應用的設計規(guī)則，并為添加劑分子的未來發(fā)展提出了方向。Fu, C., Gu, Z., Tang, Y., Xiao, Q., Zhang, S., Zhang, Y. and Song, Y. (2022), From Structural Design to Functional Construction: Amine Molecules in High-Performance FA-Based Perovskite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed..DOI：10.1002/anie.202117067https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202117067
4. AM：CeO3催化劑上Pd單原子顯著的晶面依賴以提高穩(wěn)定化與催化性能
具有高性能、原子完全分散的單原子催化劑（SACs）是下一代工業(yè)催化劑的候選催化劑。然而，在SACs的制備和應用過程中，如何避免孤立原子聚集成納米粒子仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，清華大學李亞棟院士，Chen Chen，Qing Peng報道了研究了Pd物種在CeO2不同晶面上的演化，驚奇發(fā)現(xiàn)了表面Pd原子單原子分散截然不同的行為。1）原位X射線光電子能譜（XPS）、原位近常壓X射線光電子能譜（NAP-XPS）、原位漫反射紅外傅立葉變換光譜（DRIFTS）和X射線吸收光譜（XAS）表明，在還原氣氛下，CeO2（100）面上產(chǎn)生了較多的氧空位，Pd原子被捕獲，實現(xiàn)了原子分散；而在CeO2（111）面上，Pd原子容易聚集成團簇（Pdn）。2）實驗結果顯示，Pd1/CeO2（100）催化劑對N-烷基化反應的選擇性高達90.3%，是Pdn/CeO2（111）催化劑的2.8倍。這些直接證據(jù)表明，晶面效應在金屬原子對金屬氧化物SACs的制備過程中起著至關重要的作用。這項工作為超穩(wěn)定耐燒結SACs的合理設計和定向合成開辟了道路。Distinct Crystal-Facet-Dependent Behaviors for Single-Atom Palladium-on-Ceria Catalysts: Enhanced Stabilization and Catalytic Properties, Adv. Mater. 2022DOI: 10.1002/adma.202107721https://doi.org/10.1002/adma.202107721
5. AM：具有階梯親鈉梯度結構的Mxene基金屬負極用于可充電Na-O2電池可實現(xiàn)大電流密度
金屬負極是Na-O2電池等先進鈉金屬電池的關鍵部件。設計三維約束支架是構建無枝晶鈉金屬負極的一種很有前途的策略，但在大電流密度（>10 mA cm-2）下實現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定性仍極具挑戰(zhàn)性。近日，南開大學陳軍院士，Zhenhua Yan設計了一系列新型輕質纖維狀羥基Ti3C2（h-Ti3C2）MXene支架，具有階梯式親鈉梯度結構（h-M-SSG），厚度可控（80~250 μm）。1）研究發(fā)現(xiàn)，支架的親鈉性能隨h-Ti3C2含量的增加而變化，h-Ti3C2含量從上(電解質膜側)到下依次遞增。這種親鈉梯度結構可以有效地誘導鈉離子優(yōu)先沉積在底部，從而抑制枝晶的生長。2）h-M-SSG/Na對稱電池在高電流密度（40 mA cm-2）和高截止容量（40 mAh cm-2）下表現(xiàn)出較低的極化電壓和較長的循環(huán)壽命。采用h-M-SSG/Na負極的Na-O2電池在1000 mA g-1（相當于0.14 mA cm-2）和1000 mAh g-1（0.14 mAh cm-2）下循環(huán)45次后，電池的低電位間隙僅為0.137 V。這種沉積調控策略對高性能鈉金屬負極電池三維支架的設計有一定的啟發(fā)作用。Xin He, et al, MXene–based metal anode with stepped sodiophilic gradient structure enables a large current density for rechargeable Na–O2 batteries, Adv. Mater. 2022DOI: 10.1002/adma.202106565https://doi.org/10.1002/adma.202106565
6. Nano Lett.：全方位解讀混合鹵化物鈣鈦礦中外離子鈍化離子遷移
對鈣鈦礦內(nèi)部離子遷移的基本了解對于光伏的商業(yè)發(fā)展至關重要。然而，外部離子摻入的機制及其對離子遷移的影響仍然難以捉摸。北京科技大學張躍院士和康卓教授等人以K+和Cs+共摻入的混合鹵化物鈣鈦礦為模型，通過多維表征方面解釋了外部離子對離子遷移行為的影響。1）光致發(fā)光演化和原位動態(tài)陰極發(fā)光行為揭示了對相偏析抑制的空間效應。通過可視化的表面電流映射、局部電流滯后和時間分辨電流衰減證明了平面效應對沿晶界的電流抑制。2）研究人員通過低溫電子定量研究了單個離子對活化能增量的點效應。所有這些結果充分證明了鈍化的離子遷移導致鈣鈦礦的相穩(wěn)定性最終得到改善，其根源在于各種離子遷移能壘。Hualin Wu, et al. Omnibearing Interpretation of External Ions Passivated Ion Migration in Mixed Halide Perovskites, Nano Lett. 2022DO：10.1021/acs.nanolett.1c03336https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c03336
7. AEM: 對稱離子液體自組裝保護層助力長壽命鋰金屬電池
金屬鋰負極憑借其超高的理論比容量、最低的氧化還原電勢和地低體積密度等優(yōu)勢而被視為新一代高比能二次電池體系的關鍵材料。然而，金屬鋰負極存在著枝晶生長導致SEI膜重復破裂生長、無限體積膨脹以及低庫倫效率等問題。近日，韓國忠南大學Woo-jin Song, 韓國先進科學技術研究所Chan Beum Park以及Jiheong Kang等利用對稱離子液體自組裝形成的保護層實現(xiàn)了可逆程度高、庫倫效率高的金屬鋰負極。
1） 研究人員在吡咯烷陽離子（Pyr+）上引入了對稱的親鋰烷基鏈，借助吡咯烷在電場作用下的優(yōu)先組裝和低于金屬鋰負極的氧化還原電勢來實現(xiàn)其在金屬鋰表面凸起處的保護。與具有不對稱烷基鏈的傳統(tǒng)陽離子相比，具有對稱烷基鏈的陽離子能夠產(chǎn)生最密集的組裝屏蔽層，由此形成的保護層具備較高的憎鋰性，從而能夠實現(xiàn)金屬鋰的穩(wěn)定均勻沉積。2） 研究人員將這種離子液體自組裝形成的保護層應用在鋰金屬全電池中并對其電化學性能進行了考察。Li-LiFePO4和Li-NCM622全電池能夠穩(wěn)定循環(huán)600周，其容量保持率高達80%且?guī)靷愋矢哌_99.8%。3） 為了對該策略的實際應用性進行研究，研究人員將厚度為40um的薄鋰片與高載量的NCM622（12mg/cm2）正極相匹配組裝了全電池。該全電池的能量密度高達658Wh/kg(基于扣式電池正極質量計算)。Jinha Jang, et al，Self-Assembled Protective Layer by Symmetric Ionic Liquid for Long-Cycling Lithium–Metal Batteries，Advanced Energy Materials, 2022DOI: 10.1002/aenm.202103955https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202103955
8. AEM: 親鈉富缺陷的木質素衍生碳納米纖維助力高性能鈉金屬電池
具備高親鈉性、低成核勢壘的三維載體框架有助于解決金屬鈉負極存在的枝晶生長、體積膨脹和庫倫效率低等問題。近日，香港科技大學的Jang-Kyo Kim等借助木質素衍生的碳納米纖維骨架制備了兼具高親鈉性和高缺陷率的三維碳集流體并對其在鈉金屬電池中的應用進行了研究。
1） 研究人員利用環(huán)境友好的靜電紡絲方法制備了缺陷豐富、具有豐富多孔結構的木質素納米纖維骨架并將其用作金屬鈉負極的三維集流體。在集流體載體的高親鈉特性使得熔融態(tài)的鈉可以容易地進入載體骨架和孔道，從而形成Na-SCNF復合負極。得益于富含缺陷的骨架結構和豐富的開孔結構，金屬鈉可以在電化學循環(huán)中均勻地沉積在整個載體上并具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。2） 研究人員利用X射線光電子能譜和飛行時間二次離子質譜等手段對該復合負極表面形成的SEI膜進行了研究確認，這一富缺陷多孔道設計有助于形成穩(wěn)定且富含F(xiàn)的SEI膜。3） 使用Na-SCNF復合負極所組裝的對稱電池和不對稱電池均表現(xiàn)出較高的庫倫效率、較低的電壓極化和更長的循環(huán)穩(wěn)定性。與Na3V2(PO4)2F3匹配組裝的全電池也能夠實現(xiàn)較好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能。Nauman Mubarak, et al, Highly Sodiophilic, Defect-Rich, Lignin-Derived Skeletal Carbon Nanofiber Host for Sodium Metal Batteries, Advanced Energy Materials, 2022DOI: 10.1002/aenm.202103904https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202103904
9. AEM: 磷空位作為高比能鋰硫電池的多硫化物促進劑
鋰硫電池憑借其超高的能量密度、低成本等優(yōu)勢而被視為未來高比能鋰電池的首選。不過，多硫化物的穿梭效應和遲緩的動力學特征使其發(fā)展嚴重受限。缺陷工程由于能夠調控電催化劑的電子結構因而能夠解決上述問題。最近，北京理工大學的白羽和孫克寧團隊等借助含有磷空位的CoP催化劑(CoP-Vp)對磷空位對Li-S電池的影響進行了研究。
1） 研究人員以CoP-vP為模型材料研究了磷空位對Li-S電池的作用和磷空位濃度對Li-S電池電化學性能的影響。磷空位工程使得CoP催化劑的電子結構和催化活性得到了調控。研究人員制備的的CoP-Vp具有較低的Co-P配位數(shù)，電子易于在Co原子和P原子上進行累積且引入的磷空位主要以團簇的形式存在。CoP-Vp獨特的電子構型可以增強其對多硫化物的化學親和力，加速多硫化物轉化過程中的氧化還原動力學。2） 隨著磷空位濃度的增加，CoP-vP的化學吸附性和電催化能力也得到了顯著增強。理論計算結果表明在CoP-vP表面發(fā)生的多硫化物轉化反應能壘顯著降低，鋰離子的擴散也得到了促進。原位拉曼光譜證明CoP-vP的存在能夠促進多硫化物的電化學轉化。3） 得益于CoP-vP的上述優(yōu)勢， S/CNT-CoP-Vp-1M 電極能夠在高硫載量（7.7 mg/cm2）和低電解液含量（E/S=5 uL/mg）的條件下在2C的電流密度下實現(xiàn)8.03 mAh/cm2的高容量。Rui Sun, et al, Phosphorus Vacancies as Effective Polysulfide Promoter for High-Energy-Density Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials, 2022DOI: 10.1002/aenm.202102739https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202102739
10. AFM: 噴墨可食用生物打印，可用于打擊假藥！
假藥是一個基本的醫(yī)療保健問題，威脅著患者的安全和公共健康，并造成經(jīng)濟損失。網(wǎng)上藥店和持續(xù)的大流行促進了藥品假冒。然而，現(xiàn)有的防偽方法由于材料毒性、安全性低和制作復雜而受到限制。鑒于此，普渡大學Young L. Kim等人介紹了一種劑量級別的安全方法，在材料級別結合了數(shù)字水印和物理打印。研究人員設計了一系列要求，以確保網(wǎng)絡物理水印的可食性、可打印性、不可感知性和魯棒性。使用安全食用色素的噴墨打印機適用于在重組發(fā)光絲蛋白標簽劑上打印水印圖像，以增強抗攻擊性。顏色準確性的機器學習可恢復打印和采集過程中不可避免的顏色失真，從而實現(xiàn)強大的智能手機可讀性。貼在每種藥物上的可食用水印標簽劑可以在劑量水平上提供防偽和認證功能，使每位患者都能夠幫助減少非法藥物。Jeon, H.-J., et al., Cyber-Physical Watermarking with Inkjet Edible Bioprinting. Adv. Funct. Mater. 2022, 2112479.https://doi.org/10.1002/adfm.202112479
11. ACS Nano：具有二維雜化納米層的無支架球體用于協(xié)同遞送干細胞和成骨因子
無支架球體能夠通過直接供應細胞以實現(xiàn)為自下而上的骨組織工程。然而，如何構建具有細胞和生物活性信號的功能性球體仍然是一項極具挑戰(zhàn)性的難題。梅奧醫(yī)學中心Lichun Lu利用間充質干細胞(MSCs)和由黑磷(BP)和氧化石墨烯(GO)組成的二維雜化納米層(2DHNL)構建了一種功能化球體，其能夠創(chuàng)造一種3D細胞引導的微環(huán)境以用于修復骨缺損。1）實驗在體外三維球形微環(huán)境中評估了這些工程化二維材料對于干細胞增殖和成骨分化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，將這些工程化球體移植到臨界大小的大鼠顱骨缺損后能夠實現(xiàn)MSC的成骨、新血管生成和骨再生。2）實驗結果表明，在2DHNL上進一步負載成骨因子地塞米松(DEX)后能夠實現(xiàn)顯著的體內(nèi)成骨誘導和骨再生，而無需事先在體外成骨培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，進而縮短所需的培養(yǎng)時間，有利于實現(xiàn)臨床轉化。綜上所述，這些帶有工程化2DHNL的功能化球體能夠實現(xiàn)干細胞和成骨因子共遞送，其有望作為一種功能構建塊以在體內(nèi)進行有效的骨修復。Xifeng Liu. et al. Scaffold-Free Spheroids with Two-Dimensional Heteronano-Layers (2DHNL) Enabling Stem Cell and Osteogenic Factor Codelivery for Bone Repair. ACS Nano. 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c09688https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09688
12. ACS Nano：可由人體溫度觸發(fā)相變的W-VO2@PEG納米探針用于增強光聲成像
作為造影劑的溫度響應型納米材料進一步推動了光聲成像領域的發(fā)展，然而，目前所報道的溫度敏感型納米系統(tǒng)所需的轉變溫度過高，大大超過了人類可承受的范圍，并且可逆性低，嚴重影響了其在有效成像和長期監(jiān)測方面的實際應用。華南師范大學邢達教授和石玉嬌副教授制備了一種具有高性能、熱響應型聚乙二醇包覆的鎢摻雜二氧化釩(W-VO2@PEG)納米探針(NP)，其在接近人體溫度的近紅外II區(qū)(NIR-II，1000-1700 nm)中具有很好的可轉換型光學吸收性能，能夠實現(xiàn)深度和對比度增強的PA成像。1）研究表明,當溫度從35度增加到45度時，W-VO2@PEG NPs在1064 nm處的PA信號振幅會提高260%，并且在經(jīng)歷10次溫度循環(huán)化的信號波動也小于不到10%，因此其有望用于在深部組織中實現(xiàn)“off-to-on”動態(tài)對比增強成像。在模擬組織的假體和離體雞胸上的實驗結果表明，在利用外部近紅外光刺激以動態(tài)地調節(jié)溫度的條件下，W-VO2@PEG NPs可以實現(xiàn)成像深度達1.5 cm的對比度增強PA成像。2）此外，實驗也通過將該熱響應型納米探針與傳統(tǒng)的“always on” NPs進行直接對比而證明了其在體內(nèi)檢測和識別深部腫瘤等方面的應用潛力。綜上所述，該研究工作能夠為開發(fā)溫度激活的智能型PA NPs以提高成像深度和對比度的提供新的指導。Liantong Li. et al. Human-Body-Temperature Triggerable Phase Transition of W?VO2@PEG Nanoprobes with Strong and Switchable NIR-II Absorption for Deep and Contrast-Enhanced Photoacoustic Imaging. ACS Nano. 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c07511https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07511
