1. Nature Commun.：可視化基于界面層的有機核殼結構外延生長過程
在納米科學和納米技術領域，具有微米/納米尺度所需幾何結構的有機異質結構（OHTs）經歷了快速發(fā)展。然而，闡明由晶格失配率> 3%的有機單元組成的各種OHTs的外延生長過程是一個重大挑戰(zhàn)，這對于無機異質結構來說是不可想象的。蘇州大學廖良生、Xue-Dong Wang和中國科學院理化技術研究所Yuchen Wu等展示了基于摻雜界面層的外延生長形貌演變的生動可視化，這有助于全面理解具有精確空間構型的核殼OHT的分級自組裝。1）值得注意的是，具有周期性殼層的條形碼OHT清楚地說明了殼層沿著籽晶棒從尖端向中心部分外延生長以形成核-殼OHT。此外，通過分別微調化學計量比、結晶時間和溫度來調節(jié)周期性殼的直徑、長度和數(shù)量。2）這種外延生長工藝可以推廣到具有容易的化學/結構兼容性的有機系統(tǒng)，以形成所需的OHTs。 Zhuo, MP., Wei, X., Li, YY. et al. Visualizing the interfacial-layer-based epitaxial growth process toward organic core-shell architectures. Nat Commun 15, 1130 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-45262-7https://doi.org/10.1038/s41467-024-45262-7
2. Nature Commun.：通過等離子體輔助非溶劑誘導相分離開發(fā)多功能膜
由于具有克服全球清潔水和能源短缺的潛力，對超疏水、自清潔和壓電膜的需求大幅增加。在這項研究中，臺灣科技大學Tai-Shung Chung發(fā)現(xiàn)了一種新型等離子體輔助非溶劑誘導相分離（PANIPS）方法，無需額外的化學修飾或后處理即可制備超疏水、自清潔和壓電聚偏二氟乙烯（PVDF）膜。1）PANIPS 膜的水接觸角范圍為 151.2 ° 至 166.4 °，滑動角范圍為 6.7 ° 至 29.7 °。它們還具有 10.5 pC N?1 的高壓電系數(shù) (d33)，并且可以產生 10 Vpp 的高輸出電壓。2） PANIPS膜可以通過直接接觸膜蒸餾（DCMD）從含有玫瑰紅染料、腐殖酸或十二烷基硫酸鈉的各種廢液中有效地回收純水。這項研究可能為制造 PANIPS 膜提供有價值的見解，并為在清潔水生產、運動傳感器和壓電納米發(fā)電機領域分子設計先進的超疏水、自清潔和壓電膜開辟新途徑。Huang, YH., Wang, MJ. & Chung, TS. Development of multifunctional membranes via plasma-assisted nonsolvent induced phase separation. Nat Commun 15, 1092 (2024).DOI：10.1038/s41467-024-45414-9https://doi.org/10.1038/s41467-024-45414-9
3. Nature Commun.：通過捕獲離子進行快速交換冷卻
俘獲離子量子電荷耦合器件 (QCCD) 架構是先進量子信息處理的領先候選者。在當前的 QCCD 實現(xiàn)中，不完美的離子傳輸和異常加熱可能會在計算過程中激發(fā)離子運動。為了解決這個問題，需要中間冷卻來維持高保真門性能。與其他物種的離子同頻冷卻計算離子是一種常用的策略，但會造成嚴重的運行時瓶頸。在這里，佐治亞理工學院Spencer D. Fallek演示了一種稱為交換冷卻的不同方法。 1）與交感冷卻不同，交換冷卻不需要捕獲兩種不同的原子種類。該協(xié)議引入了一組反復激光冷卻的“冷卻劑”離子。然后可以通過將冷卻劑離子傳輸?shù)狡涓浇鼇砝鋮s計算離子。2）研究人員用兩個 40Ca+ 離子實驗測試了這個概念，在 107 μs 內執(zhí)行必要的傳輸，比典型的交感冷卻持續(xù)時間快一個數(shù)量級。此外，從計算離子中去除了超過 96% 和多達 102(5) 量子的軸向運動能量。3）研究人員驗證了重新冷卻冷卻劑離子不會使計算離子退相干。該方法驗證了單物質 QCCD 處理器的可行性，該處理器能夠進行快速量子模擬和計算。Fallek, S.D., Sandhu, V.S., McGill, R.A. et al. Rapid exchange cooling with trapped ions. Nat Commun 15, 1089 (2024).DOI：10.1038/s41467-024-45232-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-024-45232-z4. Nature Commun.：電催化尿素合成中的電勢和雙電層效應電化學合成是一種很有前途的可持續(xù)尿素生產方法，但其確切機理尚未完全揭示。新加坡南洋理工大學徐梽川等基于恒電位法結合隱式溶劑模型探索了亞硝酸根和二氧化碳在銅表面電化學耦合合成尿素的機理。1）通常被忽略的工作電極電位對反應機理和活性都有影響。對反應路徑的進一步計算研究表明*CO-NH和*NH-CO-NH為關鍵中間體。此外，通過在微觀動力學模型中分析不同電位、壓力和溫度下的轉換頻率，作者證明活性隨溫度升高而增加，并且Cu（100）在所有三個Cu表面中顯示出最高的尿素合成效率。雙電層電容在尿素合成中也起著關鍵作用。2）基于這些發(fā)現(xiàn)，作者提出了兩個提高尿素在銅電極上合成效率的基本策略:增加Cu（100）表面比和提高反應溫度。 Wu, Q., Dai, C., Meng, F. et al. Potential and electric double-layer effect in electrocatalytic urea synthesis. Nat Commun 15, 1095 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-45522-6https://doi.org/10.1038/s41467-024-45522-65. Nature Commun.：在 PtRu 納米線中植入親氧金屬用于氫氧化催化雙金屬PtRu是一種很有前景的陰離子交換膜燃料電池氫氧化反應電催化劑，但其活性和穩(wěn)定性仍不令人滿意。在這里，廈門大學黃小青教授，Lingzheng Bu，香港理工大學Bolong Huang ，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所Yong Xu報道了PtRu納米線被植入了一系列親氧金屬原子（稱為i-M-PR），顯著增強了堿性氫氧化反應（HOR）的活性和穩(wěn)定性。1）通過In和Zn原子的雙重摻雜，i-ZnIn-PR/C在50 mV下表現(xiàn)出10.2 A mgPt+Ru?1的質量活性，大大超過商業(yè)Pt/C（0.27 A mgPt?1）和PtRu /C（1.24A mgPt+Ru?1）。更重要的是，低負載（0.1 mg cm?2）陰離子交換膜燃料電池的峰值功率密度和比功率密度高達1.84 W cm?2和18.4 W mgPt+Ru?1。 2）先進的實驗表征和理論計算共同表明，In 和 Zn 原子的雙重摻雜可以優(yōu)化中間體的結合強度，促進 CO 氧化，從而增強 HOR 性能。這項工作加深了對開發(fā)新型合金催化劑的理解，這將立即引起人們對材料、化學、能源等領域的興趣。Huang, Z., Hu, S., Sun, M. et al. Implanting oxophilic metal in PtRu nanowires for hydrogen oxidation catalysis. Nat Commun 15, 1097 (2024). DOI：10.1038/s41467-024-45369-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-024-45369-x
6. Nature Commun.：垂直排列碳納米管膜納米孔中類固醇激素微污染物吸附控制力的相互作用
垂直排列碳納米管（VaCNT）膜允許水在低壓下快速傳導，并為水凈化和海水淡化提供了可能性，盡管疏水性和低扭曲度納米孔中的超低粘性應力阻止了表面與污染物的相互作用。在這項實驗研究中，卡爾斯魯厄理工學院Andrea I. Sch?fer報道了VaCNT膜對類固醇激素微污染物的吸附通過作用在激素上的流體動力阻力和摩擦力以及激素與碳納米管內壁之間的粘附力和排斥力之間的相互作用進行了量化和解釋。1）高于2.2×10?3 pN的阻力克服了摩擦力，導致吸附不顯著，而將阻力從2.2×10?3 pN降低到4.3×10?4 pN則將激素的吸附質量從零增加到0.4 ng cm?2。2）在1.6×10?3 pN的低阻力下，四種激素的吸附質量與激素壁粘附力（范德華力）相關。這些發(fā)現(xiàn)解釋了納米孔中微污染物的吸附是通過沿著和垂直于流動方向作用在微污染物上的力來實現(xiàn)的，這可以用于選擇性。 Nguyen, M.N., Jue, M.L., Buchsbaum, S.F. et al. Interplay of the forces governing steroid hormone micropollutant adsorption in vertically-aligned carbon nanotube membrane nanopores. Nat Commun 15, 1114 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-024-44883-27. Joule：高效鈣鈦礦光伏的可控空間應變均勻性使能量不足最小化盡管X射線衍射（XRD）技術在研究鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的晶格應變方面發(fā)揮了重要作用，但由于其局限性，準確構建應變與PSC性能之間的關系仍極具挑戰(zhàn)性。近日，中國科學院Gao Peng通過共聚焦顯微拉曼光譜（CMRS）圖譜和XRD技術研究了不同表面自由能（γsS）的電子傳輸層（ETL）上鈣鈦礦薄膜的空間應變分布。 1) 結果表明，CMRS映射能夠更有效地反映空間應變的分布和大小。在具有優(yōu)化γs的襯底上，可以實現(xiàn)具有更大晶粒和優(yōu)選取向的均勻空間應變，對應于復合抑制和界面載流子提取增強，并顯著降低開路電壓（VOC）缺陷。2) 優(yōu)化的PSCs實現(xiàn)了24.64%的功率轉換效率（PCE），并表現(xiàn)出對大面積或柔性應用的優(yōu)異兼容性。此外，基于鈣鈦礦的微型模塊和柔性PSCs分別有20.66%和22.13%的PCE。Qiu Xiong, et al. Managed spatial strain uniformity for efficient perovskite photovoltaics enables minimized energy deficit. Joule 2024DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.016https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.0168. Joule：通過正負電極匹配設計高效、可靠和寬帶濾波電化學電容器向綠色能源的轉變需要超快的充電設備，如毫秒充電濾波電容器。濾波電容器將交流電轉換為直流電，用于電網級能量存儲和數(shù)字通信。近日，加利福尼亞大學Richard B. Kaner利用電化學電容器（EC）取代電解電容器，以提供緊湊的濾波解決方案。1) EC的1000倍高電容使微型濾波設備能夠滿足升級綠色電網和縮小電子元件的迫切需求。作者揭示了正負電極之間的耦合效應，以及與單個電極的電化學穩(wěn)定性和電荷交換動力學相關的EC可逆性。2) 正電極和負電極的正確匹配產生了1.8V濾波電化學電容器（FEC），由于其同步的超快充電/放電特性，在經過1.2 M循環(huán)后仍保持91.4%的電容和96.0%的相位角。 Chenxiang Wang, et al. Design of efficient, reliable, and wide-band filter electrochemical capacitors via matching positive with negative electrodes. Joule 2024DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.014https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.0149. JACS：具有保護性封裝溶劑化結構的超輕電解質可實現(xiàn)超過 660 Wh/kg 的混合硫基一次電池鋰和硫的電化學電偶在材料水平上具有最高的理論能量密度（>2600 Wh/kg）。然而，令人失望的是，由于其電池層面的能量密度較低（≤500 Wh/kg）且存儲性能較差，因此在原電池中顯得格格不入。在此，中科院物理所Liumin Suo，北京科技大學Huican Mao針對超輕電解質（0.837 g/mL）定制了低密度甲基叔丁基醚，具有保護性封裝溶劑化結構，減少了電解質重量（23.1%），提高了容量利用率（38.1%），同時保護了自身-釋放。 1）活性氟化石墨部分替代惰性碳，構建混合硫基陰極，充分發(fā)揮勢能密度。2）基于上述創(chuàng)新，所展示的軟包電池實現(xiàn)了令人難以置信的 661 Wh/kg 能量密度，并且自放電率可以忽略不計。研究工作預計將為實現(xiàn)鋰硫原電池的實用性提供新的方向。Jingnan Feng, et al, Ultralight Electrolyte with Protective Encapsulation Solvation Structure Enables Hybrid Sulfur-Based Primary Batteries Exceeding 660 Wh/kg, J. Am. Chem. Soc., 2024DOI: 10.1021/jacs.3c10260https://doi.org/10.1021/jacs.3c10260
10. JACS：膠體鈣鈦礦量子點中的快速有機陽離子交換用于功能光電應用
需要具有較低表面配體密度的膠體量子點來制備用于光伏、照明和其他潛在光電應用的活性層。在新興的鈣鈦礦量子點（PQD）中，相對于鹵化物陰離子，陽離子的擴散被認為具有高能壘。在此，蘇州大學Jianyu Yuan研究了含有甲基銨(MA+)和甲脒(FA+)有機陽離子的膠體三碘化鉛PQD中的快速交叉陽離子交換方法，其交換勢壘明顯低于無機銫(Cs+)-FA+和Cs+-MA+系統(tǒng)。1）第一性原理計算進一步表明，在混合MA+-FA+ PQD中存在有機陽離子空位的情況下，由于結構畸變的降低以及隨之而來的吸引性陽離子-陽離子和陽離子-陰離子相互作用的下降，出現(xiàn)了快速的內部陽離子擴散。2）結合實驗和理論證據(jù)，研究人員提出了一種空位輔助交換模型，以了解具有較少表面配體的PQD結構特征和分子間相互作用的影響。最后，為了獲得現(xiàn)實的結果，所制備的混合陽離子PQD顯示出更好的光穩(wěn)定性，可以直接應用于一步涂覆光伏和光電探測器器件，使用MA0.5FA0.5PbI PQD等實現(xiàn)了15.05%的高光伏效率從可見光到近紅外區(qū)域的精確可調的探測光譜響應。Chenyu Zhao, et al, Fast Organic Cation Exchange in Colloidal Perovskite Quantum Dots toward Functional Optoelectronic Applications, J. Am. Chem. Soc., 2024DOI: 10.1021/jacs.3c14000https://doi.org/10.1021/jacs.3c14000
11. Angew：通過協(xié)調環(huán)境調節(jié)調節(jié)分子催化劑中鈷的電子結構以實現(xiàn)高效多相硝酸鹽還原
氨(NH3)在現(xiàn)代工業(yè)中至關重要，是一種有前途的下一代無碳能源載體。電催化硝酸鹽還原反應(eNO3RR)為NH3生產和去除環(huán)境硝酸鹽污染物提供了可行的解決方案。然而，由于缺乏高效的電催化劑，eNO3RR的發(fā)展受到阻礙。為了應對這一挑戰(zhàn)，香港城市大學Xin Wang合成了一系列用于多相eNO3RR的大環(huán)分子催化劑。1）這些材料通過周圍的亞基在金屬中心周圍具有不同的配位環(huán)境。因此，活性中心的電子結構可以改變，從而實現(xiàn)eNO3RR的可調活性。2）研究表明，具有N2(吡咯)-N2(吡啶)構型的金屬中心表現(xiàn)出優(yōu)于其他金屬中心的活性，并在測試范圍內實現(xiàn)了超過90%的高NH3法拉第效率(FE)，其中最高FE約為94獲得％。3）此外，它的產率為11.28 mg mgcat-1 h-1，周轉頻率高達3.28s-1。進一步的測試表明，這些具有不同配位環(huán)境的分子催化劑表現(xiàn)出不同的磁矩。理論計算結果表明，不同的配位環(huán)境會導致d帶中心變化，最終影響速率確定的階躍能量和計算的磁矩，從而建立電子結構、實驗活性和計算參數(shù)之間的相關性。 Libo Sun, et al, Modulating the Electronic Structure of Cobalt in Molecular Catalysts via Coordination Environment Regulation for Highly Efficient Heterogeneous Nitrate Reduction, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202320027DOI: 10.1002/anie.202320027https://doi.org/10.1002/anie.202320027
12. Nano Lett：利用MOFs調節(jié)腫瘤細胞中的銅轉運以實現(xiàn)生物正交治療
利用銅催化的疊氮-炔烴環(huán)加成(CuAAC)反應原位合成藥物的策略具有良好的療效和較低的不良反應，因此在腫瘤治療領域中引起了研究者的普遍關注。然而，添加的外源性銅催化劑往往會引起細胞毒性，從而嚴重阻礙了該策略的體內生物醫(yī)學應用。有鑒于此，中國科學院長春應化所曲曉剛研究員設計并合成了一種模擬銅分子伴侶的金屬有機框架(MOF)，該框架可以選擇性地調節(jié)銅轉運，從而實現(xiàn)無需外源性銅催化劑的生物正交合成，。 1）與銅分子伴侶類似的是，實驗制備的ZIF-8銅分子伴侶模擬物可以通過形成配位鍵以特異性地結合銅離子。研究發(fā)現(xiàn)，金屬離子與配體之間的配位作用的消耗會導致銅在酸性環(huán)境下被卸載。2）實驗結果表明，該靶向腫瘤細胞的銅伴侶模擬物可以選擇性地將銅離子轉運到細胞內。綜上所述，這種調控細胞內銅離子轉運的策略能夠為構建在活細胞中具有降低的金屬細胞毒性的生物正交催化體系提供新的啟發(fā)和借鑒。Yue Wei. et al. MOFs Modulate Copper Trafficking in Tumor Cells for Bioorthogonal Therapy. Nano Letters. 2024DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04369https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04369
