1. Chem. Soc. Rev.：活性氧納米生物催化劑的活性機(jī)理揭示、催化中心演變和變化狀態(tài)
與天然酶相比，活性氧納米生物催化劑具有低成本、結(jié)構(gòu)多樣性、可調(diào)催化活性、可行的修飾和高穩(wěn)定性，已成為催化和介導(dǎo)活性氧（ROS）的主要材料，并用于各種生物醫(yī)學(xué)和生物應(yīng)用。解碼RONBCs的催化機(jī)制和結(jié)構(gòu)-反應(yīng)性關(guān)系對(duì)于指導(dǎo)其未來的發(fā)展至關(guān)重要。在這里，四川大學(xué)Changsheng Zhao、Chong Cheng、Li Qiu全面總結(jié)了在創(chuàng)建和解碼RONBC方面的最新突破和未來趨勢(shì)。1) 作者系統(tǒng)概括了生物催化ROS產(chǎn)生和消除的基本分類、活性、檢測(cè)方法和反應(yīng)機(jī)理。然后，作者簡(jiǎn)要概述了設(shè)計(jì)RONBC的優(yōu)點(diǎn)、調(diào)制策略、結(jié)構(gòu)演變和最新表征技術(shù)。之后，作者根據(jù)報(bào)道的主要材料種類，包括金屬化合物、碳納米結(jié)構(gòu)和有機(jī)網(wǎng)絡(luò)，深入討論了不同的RONBC。2) 此外，作者對(duì)配位微環(huán)境、鍵相互作用、反應(yīng)途徑和性能比較進(jìn)行了分析，以揭示結(jié)構(gòu)-反應(yīng)性關(guān)系。最后，作者總結(jié)了RONBC未來面臨的挑戰(zhàn)和前景。該綜述將為設(shè)計(jì)ROS催化材料提供全面的理解和指導(dǎo)，并促進(jìn)RONBC在各種生物醫(yī)學(xué)和生物應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用。
Sujiao Cao, et al. Reactive oxygen nanobiocatalysts: activity-mechanism disclosures, catalytic center evolutions, and changing states. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D3CS00087G
2. Nature Commun.：識(shí)別不等鐵氮單原子催化劑的活性位點(diǎn)
單原子催化劑（SAC）已成為催化和能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域最具吸引力的前沿研究領(lǐng)域之一。然而，由于 SAC 的原子異質(zhì)性和整體平均測(cè)量的局限性，負(fù)責(zé)控制特定催化性能和機(jī)制的基本活性位點(diǎn)在很大程度上仍然被隱藏。在本研究中，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所董紹俊院士，中國科學(xué)院大學(xué)溫州研究院Jin Wang利用原子結(jié)構(gòu)依賴的催化動(dòng)力學(xué)和單分子熒光顯微鏡的單周轉(zhuǎn)分辨率，開發(fā)了一種單原子催化熒光相關(guān)光譜（SAC-FCS）的定量方法。1）該方法使研究人員能夠研究不同鐵氮（Fe-N）配位 SAC 上的類氧化酶單分子催化作用，量化活性位點(diǎn)及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。2）研究結(jié)果揭示了單個(gè)位點(diǎn)與平均行為的顯著差異，并證實(shí)了 Fe-N 活性位點(diǎn)的類氧化酶催化機(jī)制。因此，預(yù)計(jì)該方法將為 SAC 的合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要的見解。
Huang, L., Liu, Q., Wu, W. et al. Identifying the active sites in unequal iron-nitrogen single-atom catalysts. Nat Commun 14, 5594 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41311-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-41311-9
3. Nature Commun.：金屬單點(diǎn)非氧化甲烷活化中的甲基自由基化學(xué)
沸石負(fù)載的鉬作為甲烷脫氫芳構(gòu)化的催化劑已被廣泛研究。盡管取得了重大進(jìn)展，但實(shí)際的中間體，特別是第一個(gè) C-C 鍵的形成尚未得到闡明。在此，中科院大連化物所包信和院士，潘秀蓮研究員，卡爾斯魯厄理工學(xué)院Jan-Dierk Grunwaldt報(bào)道了鉬單位點(diǎn)上非氧化甲烷活化過程中甲基自由基的演化，這選擇性地產(chǎn)生了增值化學(xué)品。1）Operando X射線吸收光譜和在線同步加速器真空紫外光電離質(zhì)譜結(jié)合電子顯微鏡和密度泛函理論計(jì)算揭示了鉬單中心在甲基自由基生成中的重要作用，并且甲基自由基的生成速率與鉬單位點(diǎn)的數(shù)量。2）甲基自由基在氣相中轉(zhuǎn)化為乙烷，在沒有沸石的情況下很容易脫氫為乙烯。這基本上類似于先前報(bào)道的 SiO2 晶格限制單中心鐵催化劑的反應(yīng)途徑。然而，沸石的可用性，無論是物理混合物還是作為載體，都會(huì)引導(dǎo)隨后的反應(yīng)途徑在沸石限制的孔內(nèi)進(jìn)行芳構(gòu)化，從而導(dǎo)致苯作為主要的烴產(chǎn)物。3）研究結(jié)果表明，無論載體如何（沸石 MCM-22 和 ZSM-5 或 SiO2），甲基自由基化學(xué)可能是金屬單中心催化的一般特征，而聚集的碳化鉬納米粒子上的反應(yīng)可能通過表面 C-C 耦合促進(jìn)碳沉積。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步加深了對(duì)非氧化甲烷轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品的基本認(rèn)識(shí)。
Huang, X., Eggart, D., Qin, G. et al. Methyl radical chemistry in non-oxidative methane activation over metal single sites. Nat Commun 14, 5716 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41192-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-41192-y
4. Nature Commun.：揭示極性聚合物納米復(fù)合材料中的雙層界面特征及其影響
納米顆粒分散在聚合物基體中的聚合物納米復(fù)合材料因其顯著改善的整體性能而受到廣泛關(guān)注，其中納米顆粒-聚合物界面起著關(guān)鍵作用。然而，了解界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)和性能仍然是聚合物納米復(fù)合材料的主要挑戰(zhàn)。近日，武漢大學(xué)Xin Zhang，清華大學(xué)南策文院士，伍倫貢大學(xué)Shujun Zhang直接觀察到極性聚合物中納米粒子周圍存在兩個(gè)界面聚合物層，即具有對(duì)齊偶極子的內(nèi)束縛極性層（約10 nm厚）和具有隨機(jī)取向偶極子的外極性層（超過100 nm厚）。1）研究結(jié)果表明，局部納米顆粒表面電勢(shì)和顆粒間距離對(duì)分子偶極子的影響會(huì)導(dǎo)致界面聚合物層具有與本體聚合物不同的極性分子構(gòu)象。2）雙層界面特征使得聚合物納米復(fù)合材料在超低納米顆粒負(fù)載量下的極性相關(guān)性能得到顯著增強(qiáng)。3）通過納米層壓設(shè)計(jì)最大化內(nèi)結(jié)合極性層的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了 86 J/cm3 的超高介電儲(chǔ)能密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于最先進(jìn)的聚合物和納米復(fù)合材料。
Li, X., He, S., Jiang, Y. et al. Unraveling bilayer interfacial features and their effects in polar polymer nanocomposites. Nat Commun 14, 5707 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41479-0https://doi.org/10.1038/s41467-023-41479-0
5. Nature Commun.：用于 Ni-N-C/Cucatalyzed 反應(yīng)級(jí)聯(lián)中 CO2-CO 共進(jìn)料增值的 CO2 電解槽串聯(lián)電池系統(tǒng)
由于每個(gè)電池中反應(yīng)環(huán)境的靈活性，耦合串聯(lián)電解槽概念預(yù)計(jì)將為緩慢的催化反應(yīng)提供動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。近日，柏林工業(yè)大學(xué)Peter Strasser設(shè)計(jì)、組裝、測(cè)試和分析第一個(gè)完整的低溫、中性pH值、陰極無貴金屬串聯(lián)CO2電解槽電池鏈。1）該串聯(lián)系統(tǒng)將無銀CO2-to-CO2/CO電解槽（cell-1）與CO2/CO-to-C2+產(chǎn)品電解槽（cell-2）耦合。Cell-1和Cell-2分別采用選擇性Ni-N-C基和Cu基氣體擴(kuò)散陰極，并在可持續(xù)的中性pH條件下運(yùn)行。2）與單一CO2至C2+電解池系統(tǒng)方法的比較，使用該串聯(lián)電池系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在高達(dá)700 mA cm?1的電流密度下，乙烯（提高50%）和醇（提高100%）的生產(chǎn)率大幅提高，C2+能源效率大幅提高（100%）。這項(xiàng)研究表明，與單電池設(shè)計(jì)相比，耦合串聯(lián)電解槽系統(tǒng)可以提供動(dòng)力學(xué)和實(shí)際能量?jī)?yōu)勢(shì)，直接從CO2原料生產(chǎn)增值C2+化學(xué)品和燃料，無需中間分離或純化。
M?ller, T., Filippi, M., Brückner, S. et al. A CO2 electrolyzer tandem cell system for CO2-CO co-feed valorization in a Ni-N-C/Cu-catalyzed reaction cascade. Nat Commun 14, 5680 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41278-7https://doi.org/10.1038/s41467-023-41278-7
6. Nature Commun.：通過亞穩(wěn)態(tài)原位顆粒增強(qiáng)韌性的超硬塊狀高熵碳化物
盡管最近提出的高熵碳化物（HEC）具有極高的硬度，但其低斷裂韌性限制了它們?cè)趷毫訖C(jī)械環(huán)境中的應(yīng)用。在這里，中南大學(xué)Zhiming Li介紹了一種亞穩(wěn)態(tài)工程策略，通過原位亞穩(wěn)態(tài)粒子實(shí)現(xiàn)具有增強(qiáng)韌性的超硬 HEC。1）HEC通過開發(fā) (WTaNbZrTi)C HEC 來實(shí)現(xiàn)的，該 HEC 顯示出具有均勻分散的原位四方和單斜 ZrO2 顆粒的固溶體基體。2)除了21.0 GPa的高硬度外，HEC還可以獲得5.89 MPa·m1/2的增強(qiáng)斷裂韌性，顯著超過混合物規(guī)則和其他報(bào)道的HEC的預(yù)測(cè)值。3)增韌效應(yīng)主要?dú)w因于機(jī)械載荷下亞穩(wěn)態(tài)四方ZrO2顆粒的轉(zhuǎn)變，這促進(jìn)了裂紋尖端屏蔽機(jī)制，包括裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋接和裂紋分支。這項(xiàng)工作展示了利用原位亞穩(wěn)顆粒的成分靈活性來增韌大塊高熵陶瓷的概念。
Hu, J., Yang, Q., Zhu, S. et al. Superhard bulk high-entropy carbides with enhanced toughness via metastable in-situ particles. Nat Commun 14, 5717 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41481-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-41481-6
7. Nature Commun.：富氮氮化碳偶極場(chǎng)外力促進(jìn)過氧化氫人工光合作用
人工光合作用是有效生產(chǎn)過氧化氫的一種有前景的策略，但從本體到活性位點(diǎn)的不良定向電荷轉(zhuǎn)移限制了整體光催化效率。為了解決這個(gè)問題，暨南大學(xué)Mingshan Zhu，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心Wentao Jiao構(gòu)建了一種在富氮三唑基氮化碳（C3N5）中偶極場(chǎng)驅(qū)動(dòng)自發(fā)極化的新過程，以利用光生電荷動(dòng)力學(xué)生產(chǎn)過氧化氫。1）在這里，C3N5在模擬陽光和超聲波力下實(shí)現(xiàn)了3809.5μmol g?1h?1的過氧化氫光合作用速率和92%的2e?轉(zhuǎn)移選擇性。2）這種高性能歸功于C3N5中三唑環(huán)引入了豐富的氮活性位點(diǎn)，從而帶來了偶極場(chǎng)。該偶極場(chǎng)誘導(dǎo)自發(fā)極化場(chǎng)，加速向氮活性位點(diǎn)的快速定向電子轉(zhuǎn)移過程，從而通過間接2e?轉(zhuǎn)移途徑誘導(dǎo)氧的鮑林型吸附，形成過氧化氫。這一創(chuàng)新概念利用偶極場(chǎng)來利用光生載流子的遷移和傳輸，為通過結(jié)構(gòu)工程提高光合作用效率提供了一條新途徑。
Li, Z., Zhou, Y., Zhou, Y. et al. Dipole field in nitrogen-enriched carbon nitride with external forces to boost the artificial photosynthesis of hydrogen peroxide. Nat Commun 14, 5742 (2023).DOI10.1038/s41467-023-41522-0https://doi.org/10.1038/s41467-023-41522-0
8. Nature Commun.: 通過陽離子聚合物粘合劑調(diào)節(jié)靜電現(xiàn)象，用于可擴(kuò)展的高面積容量鋰電池電極
盡管人們對(duì)高面積容量鋰電池電極產(chǎn)生了巨大的興趣，但它們的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和不均勻的電荷轉(zhuǎn)移一直困擾著實(shí)際應(yīng)用。在此，延世大學(xué)Sang-Young Lee，仁川大學(xué)Taeeun Yim，高麗大學(xué)Sang Kyu Kwak提出了一種陽離子半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（c-IPN）粘合劑策略，重點(diǎn)關(guān)注電極中靜電現(xiàn)象的調(diào)節(jié)。1）與傳統(tǒng)的中性線性粘合劑相比，c-IPN 由于其表面電荷驅(qū)動(dòng)的靜電斥力和機(jī)械韌性，抑制了溶劑干燥引起的電極裂紋演化，并改善了電極組分的分散狀態(tài)。2）c-IPN通過靜電引力將液體電解質(zhì)的陰離子固定在電極內(nèi)，從而促進(jìn)Li+傳導(dǎo)并形成穩(wěn)定的陰極-電解質(zhì)界面。因此，c-IPN 使用商業(yè)漿料鑄造電極制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高面積容量（高達(dá) 20 mAh cm–2 ）正極，并具有良好的循環(huán)性能（100 次循環(huán)后的容量保持率 = 82%），同時(shí)充分利用 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的理論比容量。3）此外，c-IPN陰極與鋰金屬陽極的耦合產(chǎn)生了在25 °C下具有高能量含量的雙層袋型電池（376 Wh kgcell?1 / 1043 Wh Lcell–1，估計(jì)包括包裝物質(zhì)），證明了實(shí)際可行性用于可擴(kuò)展的高面積容量電極的 c-IPN 粘合劑。
Kim, JH., Lee, K.M., Kim, J.W. et al. Regulating electrostatic phenomena by cationic polymer binder for scalable high-areal-capacity Li battery electrodes. Nat Commun 14, 5721 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41513-1https://doi.org/10.1038/s41467-023-41513-1
9. Nature Commun.：納米尖端細(xì)菌的水動(dòng)力撕裂用于可持續(xù)水消毒
水消毒通常通過氧化或輻射來實(shí)現(xiàn)，這通常會(huì)產(chǎn)生高碳足跡和有毒副產(chǎn)品的形成。在這里，清華大學(xué)Hong-Ying Hu，Qianyuan Wu，Cheng Yang描述了一種納米結(jié)構(gòu)材料，它可以通過流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制高效殺死水中的細(xì)菌。1）該材料由生長(zhǎng)在泡沫銅基板上的碳涂層鋒利 Cu(OH)2 納米線組成。2）研究表明，溫和的水流（例如從儲(chǔ)罐驅(qū)動(dòng)）可以通過納米尖端表面和細(xì)胞包膜之間的高分散力有效地撕裂細(xì)菌。細(xì)菌細(xì)胞破裂是由于細(xì)胞包膜的撕裂而不是碰撞造成的。這種機(jī)制對(duì)水中的細(xì)菌產(chǎn)生快速滅活，并在30天的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了徹底消毒。3）該方法利用流體能量，不需要額外的能源供應(yīng)，從而提供了一種高效且低成本的系統(tǒng)，有可能被納入廢水處理設(shè)施和農(nóng)村社區(qū)的水處理過程中。
Peng, L., Zhu, H., Wang, H. et al. Hydrodynamic tearing of bacteria on nanotips for sustainable water disinfection. Nat Commun14, 5734 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41490-5https://doi.org/10.1038/s41467-023-41490-5
10. Nature Commun.：無鉛鐵電體具有寬廣的高工作溫度范圍和增強(qiáng)的儲(chǔ)能性能
無鉛介電電容器在先進(jìn)電子元件和尖端脈沖電源系統(tǒng)中的巨大潛力迄今為止已經(jīng)推動(dòng)了巨大的研究和發(fā)展。用于儲(chǔ)能應(yīng)用的無鉛介電陶瓷面臨的重大挑戰(zhàn)之一是協(xié)同優(yōu)化其綜合特性。在此，西安交通大學(xué)Di Zhou，Diming Xu，Dong Wang以相場(chǎng)模擬和合理的成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，構(gòu)思并制造了無鉛Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3-Sr(Sc0.5Nb0.5)O3三元固溶體陶瓷，建立了考慮儲(chǔ)能性能、工作溫度性能和結(jié)構(gòu)演變的系統(tǒng)。1）通過采用反復(fù)滾壓加工方法，BNKT-20SSN陶瓷實(shí)現(xiàn)了9.22 J cm?3的巨大Wrec和超高?~96.3%。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最先進(jìn)的溫度（Wrec≈8.46±0.35Jcm?3，?≈96.4±1.4%，25–160 °C）和500 kV cm?1下的頻率穩(wěn)定性能。這項(xiàng)工作展示了無鉛塊狀陶瓷整體儲(chǔ)能性能的顯著進(jìn)步，并激發(fā)了人們進(jìn)一步嘗試實(shí)現(xiàn)高溫儲(chǔ)能性能。
Zhao, W., Xu, D., Li, D. et al. Broad-high operating temperature range and enhanced energy storage performances in lead-free ferroelectrics. Nat Commun 14, 5725 (2023).https://doi.org/10.1038/s41467-023-41494-1
11. Angew：通過簡(jiǎn)單陰離子定向策略控制碳納米顆粒的形狀以實(shí)現(xiàn)精確的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)靶向成像
大連民族大學(xué)Shubiao Zhang和東北大學(xué)陳旭偉本文首次使用簡(jiǎn)單的陰離子導(dǎo)向策略制備了具有從球形到各種棒的可調(diào)形狀的小尺寸熒光碳納米顆粒（CNs），縱橫比（ARs）分別為1.00、1.51、1.89和2.85。1）基于CNs的綜合形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合密度泛函理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬的理論計(jì)算，將其形狀控制機(jī)制歸因于離子間相互作用誘導(dǎo)的自組裝以及碳化。2）有趣的是，CNs的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)靶向準(zhǔn)確性隨著其形狀從球形變?yōu)楦叩腁R棒而逐漸增強(qiáng)，并伴有高達(dá)0.90的Pearson相關(guān)系數(shù)。3）這項(xiàng)工作提供了一種控制CNs形狀的簡(jiǎn)單方法，并揭示了CNs的形狀與細(xì)胞器靶向能力之間的關(guān)系，從而提供了合成作為精確細(xì)胞器靶向熒光探針的CNs的新思路。
Shuang E, et al. Shape Control of Carbon Nanoparticles via Simple Anion-Directed Strategy for Precise Endoplasmic Reticulum-Targeted Imaging. Angew. 2023DOI：10.1002/anie.202311008https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202311008
