纳米人-顶刊日报丨宋延林、麦立强、郭再萍等成果速递20221220

顶刊日报丨宋延林、麦立强、郭再萍等成果速递20221220

纳米人纳米人 2022-12-21

1. Chem. Rev.：可持续发展的工程生命材料

将合成生物学和材料科学结合发展，从而催生了一种新形式的材料，即工程生物材料（ELM），其由嵌入自再生基质中的生物物质或细胞群落组成。今日，中科院深圳先进技术研究院钟超、易啸、戴卓君、哈佛大学Tang Tzu-Chieh综述研究了可持续发展的工程生命材料。

本文要点：

1) 与骨骼、木材和皮肤等天然材料一样，ELM具有活生物体的功能能力，可以在需要时生长、自我组织和自我修复。它们也会在感知外部刺激时自发地执行编生物编程功能。目前，ELM在绿色能源生产、生物修复、疾病治疗和制造先进智能材料方面显示出了前景。

2)作者首先介绍了自然生物系统的动态特征及其开发新材料的潜力。然后，从合成生物学和材料科学的角度总结了生物材料和新兴设计策略的最新研究进展。最后，还讨论了生物材料对促进可持续性的积极影响以及未来的关键研究方向。

An Bolin, et al. Engineered Living Materials For Sustainability. Chem. Rev. 2022

DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00512

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00512

2. Chem. Rev.：钕（Nd）时代来临：重新定义其在稀土掺杂纳米颗粒中的作用

在过去几十年被活跃研究的发光纳米结构中，稀土（RE³⁺）掺杂的纳米颗粒（RENPs）是一些报道最多的材料家族。稀土纳米颗粒在生物医学框架中的发展正迅速过渡到800 nm的激发路径，有利于体外和体内的应用，以消除发热并促进组织中更高的渗透。因此，随着对吸收800 nm辐射的Nd³⁺离子的关注，关于含有钕离子（Nd³⁺）的RENPs的报告和调查数量大大增加。鉴于此，加拿大魁北克大学Fiorenzo Vetrone，阿威罗大学Antonio Benayas等综述了RE³⁺发光背后的基础知识，最成功的Nd³⁺-RENP架构，并强调了其应用领域。

本文要点：

1）Nd³⁺-RENPs，特别是Nd³⁺-敏化RENPs，已经通过考虑其上转换和下转换发射之间的划分进行了仔细研究。除了它们独特的光学特性外，人们对Nd³⁺-RENPs的各种应用也给予了极大的关注，尽管仍有一些隐患有待解决。

2）提供一个关于Nd³⁺-RENPs的全面概述，讨论它们在开发和应用上的成功以及挑战。还评估了未来的研究途径和可预见的障碍，相信这个领域在未来几年将继续见证一个充满活力的进展。

Marija Matulionyte, et al. The Coming of Age of Neodymium: Redefining Its Role in Rare Earth Doped Nanoparticles. Chemical Reviews Article 2022

DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00419

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00419

3. Sci. Adv.：热激子荧光纳米聚集体实现的敏化高效蓝光晶体有机电致发光二极管

对荧光材料进行敏化是最大限度地利用激子，获得高效蓝色有机发光二极管(OLED)的有效途径。然而，如何提高低驱动电压下的光子发射是目前非晶薄膜OLED一直面临的挑战，严重阻碍了OLED技术的发展。近日，中科院长春应化所Feng Zhu提出了一种新型的OLED结构，它由晶体基质(CHM)和嵌入的热激子纳米聚集体(HENAs)组成，有效地敏化了蓝色掺杂(D)发射。

本文要点：

1）由于晶体薄膜工艺的优势，该器件表现出极大的蓝光子输出[国际电子委员会为(0.15，0.17)]，具有25 V(在1 cd/m²时)/33 V(在1000 cd/m²时)的低开启/工作电压，极低的焦耳热损失比(在1000 cd/m²时为7.8%)，以及高达9.14%的最大外部量子效率(EQE)。

2）这些面光子输出特征已经超过了目前具有高EQE的非晶薄膜蓝色OLED展示了CHM-HENA-D有机发光二极管在未来OLED中的巨大应用潜力。

Jingjie Yang, et al, High-efficiency blue-emission crystalline organic light-emitting diodes sensitized by “hot exciton” fluorescent nanoaggregates, Sci. Adv., 8 (50), eadd1757

DOI: 10.1126/sciadv.add1757

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1757

4. Joule: 用于可持续相分离冷凝的微通道升高的微膜

对于利用蒸汽冷凝的水和能源系统来说，可持续的高换热系数至关重要。现有技术不能在高热流密度下实现高的换热性能，需要分离汽液流动以提供较大的冷凝表面积。近日，德克萨斯大学达拉斯分校Xianming Dai设计了微通道提升微膜(MEM)，它可以实现可持续的相分离冷凝直到高过冷度。

本文要点：

1）MEM结构由疏水网状膜作为冷凝面和用于可持续快速去除液体的疏水微通道组成。由于液滴的成核、生长和聚结，液柱在微通道中形成。随着每个液柱的生长并与疏水网状物接触，网状膜上的凝聚液滴被清除，从而分离汽液两相流动。此外，微通道的小流动阻力导致液柱的快速去除，而不会出现明显的泛滥。MEM上的相分离冷凝可以迅速去除凝聚的液滴，刷新表面成核，导致较高的HTC。

2）研究发现，在10 K过冷度下，MEM可以在1000 kW/m²的热流密度下保持相分离，而疏水平板表面只能达到400 kW/m²。得到的最大HTC为170 kW/m²K，比43kW/m²K的疏水平板上的滴状冷凝提高了300%。

3）与为强化冷凝而开发的最先进的表面相比，MEM不需要粘性亲水区域来去除液滴，因此它可以显著延迟过冷度升高时的溢流。此外，MEM使用市面上可买到的铜编织网，实现了简单和经济高效的制造。

Shan et al., Microchannel-elevated micromembrane for sustainable phase-separation condensation, Joule(2022)

DOI：10.1016/j.joule.2022.11.010

https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.11.010

5. Matter：MXene量子点/钙钛矿异质结构能够实现用于皮肤预防的高特异性紫外线检测

二维钙钛矿型光电子器件在特定的波长范围内具有超快、超灵敏的探测能力，具有广阔的应用前景。然而，原子薄的钙钛矿型纳米片层(NS)对光的低吸收限制了其实际应用。近日，中国科学院半导体研究所Lili Wang，吉林大学Wei Han，北京理工大学Guozhen Shen利用Ti₃C₂T_x量子点(TQD)增强二维钙钛矿型Ca₂Nb₃O₁₀(CNO)纳米晶的载流子，以改善TQD修饰的二维钙钛矿型CNO纳米光探测器的性能，其光谱响应度比没有TQD的参照光探测器提高了1100%。

本文要点：

1）研究人员将柔性TQD/CNO光电探测器与数据采集器集成在一起，模拟了可穿戴式可视盲紫外线皮肤和植物保护监测系统。

2）系统通过人工神经网络对各种天气下的环境紫外线辐射信息进行训练和识别，供报警用户使用。

这项工作展示了TQD/CNO在紫外线相关可穿戴医疗保健和控制系统中的潜在应用。

Zheng et al., MXene quantum dots/perovskite heterostructure enabling highly specific ultraviolet detection for skin prevention, Matter (2022)

DOI：10.1016/j.matt.2022.11.020

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.020

6. Matter：基于多元无铅钙钛矿棒的高性能微锥阵列柔性压电声学传感器

压电材料可以作为未来人工耳蜗术的良好候选材料。然而，到目前为止，大多数压电式听力装置都不能同时提供高灵敏度、所需的灵活性、广泛的频率选择性和生物兼容性。哺乳动物的外毛细胞具有耳蜗放大器的功能，机械地放大进入耳蜗处的微弱声音信号，并通过向行波提供反馈来实现信号的放大。近日，受人类耳蜗外耳毛细胞放大器的启发，中科院化学所宋延林研究员，Lihong Li报道了一种新型的高效、灵活的压电声传感器(FPAs)，该传感器基于带有MPB的多元无铅钙钛矿棒Nb压电体微锥阵列。

本文要点：

1）通过取向工程和在两个不同的正交相(Amm2和Pmmm)之间形成MPB，可以显著增强应力效应和促进应变膨胀，从而改善压电响应。此外，图案化的微锥阵列将增加与声波的接触面积，以增强对声能的吸收。因此，采用微锥阵列的FPA具有较高的灵敏度，分别为150.63 mV/pA和39.22 mV/pA^-1∙cm²。

2）FPA具有0.1-3 kHz的宽频率响应范围，覆盖常用的语音频率，具有角度敏感性，可记录声音信号，并可实现语音识别和人机交互。此外，FPA在严重潮湿的环境中表现出极好的稳定性。

这项工作展示了FPAS在顺式和自给式声学传感中的应用，如声音定位和角度传感、可穿戴声学设备以及基于声学的人机交互。

Xiang et al., High-performance microcone-array flexible piezoelectric acoustic sensor based on multicomponent lead-free perovskite rods, Matter (2022)

DOI：10.1016/j.matt.2022.11.023

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.023

7. Angew：氢键网络稳定的锂离子电池高容量有机正极

高容量小有机材料受到其高溶解度的困扰。基于此，南开大学陶占良教授提出了通过分子间氢键构建氢键网络(HBN)来抑制活性物质的溶解性。

本文要点：

1）2，7-二氨基-4，5，9，10四酮(PTO-NH₂)分子中O in -C=O和H in -NH₂之间存在分子间氢键，使得PTO-NH₂呈现横向二维延伸和纵向π-π堆积结构。

2）原位傅里叶变换红外光谱跟踪了氢键的可逆演化，进一步证实了HBN结构的存在可以稳定中间2-电子反应状态。

3）因此，HBN结构的PTO-NH₂具有更高的活性位利用率(95%)，更出色的循环稳定性和倍率性能。

这项研究揭示了电化学过程中的氢键效应和演化，为材料设计提供了策略。

Shibing Zheng, et al, Hydrogen Bond Networks Stabilized High-Capacity Organic Cathode for Lithium-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202217710

DOI: 10.1002/anie.202217710

https://doi.org/10.1002/anie.202217710

8. AEM：不同MoS₂-ZnIn₂S₄异质界面驱动的增强离子/电子迁移和储钠

构建异质界面的分级结构是开发钠离子电池高效储能负极的有效途径。近日，阿德莱德大学郭再萍教授，郑州大学Dan Li设计并制备了一种MoS₂@ZnIn₂S₄纳米棒用于结构改进。

本文要点：

1）理论计算表明，MoS₂与ZnIn₂S₄的Zn和In面形成了两种不同的MoS₂-ZnIn₂S₄异质界面，它们产生了定向的内建电场，为促进电子转移提供了额外的驱动力。

2）这两个异质结界面，尤其是MoS₂-In面，表现出增强的Na⁺吸附能和降低的Na+扩散能垒。MoS₂和ZnIn₂S₄的多步反应揭示了促进整个电化学过程的协同效应。此外，由纳米片组成的合成分级纳米棒提供了丰富的Na+储存位点和多向迁移路径，更重要的是，适应了过度的体积变化。

3）得益于异质界面和分级结构，复合电极表现出优异的电化学性能，具有高反应活性和快速的电子/离子扩散动力学。

Jingyun Cheng, et al, Enhanced Ion/Electron Migration and Sodium Storage Driven by Different MoS₂-ZnIn₂S₄ Heterointerfaces, Adv. Energy Mater. 2022

DOI: 10.1002/aenm.202203248

https://doi.org/10.1002/aenm.202203248

9. Nano Letters：温和条件下电荷不对称双位点上聚乙烯直接光重整为专用液体燃料

温和条件下，实现聚乙烯直接光重整制备高能量密度C₂燃料具有重要意义，但仍面临巨大挑战，这部分归因于传统单催化中心催化剂上吸附的*CH₂CH₂的极端不稳定性。近日，中科大孙永福教授设计了通过掺杂低电负性原子诱导电荷不对称双位的光催化剂，旨在实现在常温常压下将PE直接光重整制C2燃料。

本文要点：

1）以Zr原子掺杂的CoFe₂O₄量子点为例，XANES谱表明，掺杂后的Zr-CoFe₂O₄量子点中邻近的Fe原子上的电子浓度增加，计算的Bader电荷和微分电荷密度图进一步证实了这一点。同时，原位FTIR光谱和CO2光还原实验表明，生成的CH₃COOH不是CO₂还原，而是PE的顺序键断裂和逐步氧化直接降解生成的。

2）密度泛函理论（DFT）计算证明，由于掺杂导致的电荷离域，导致了以电荷不对称为主的Zr-Fe双位点，从而增强了CH₂CH₂中间体的吸附。

3）结果表明，在常温常压下制备的Zr-CoFe₂O₄量子点的CH₃COOH生成速率为1.10 mmol g⁻¹ h⁻¹，约为CoFe₂O₄量子点的2.5倍，液体产物的选择性接近100%。

简而言之，这项工作为设计高效催化剂开辟了新的途径，以实现在常温常压下将PE光重整为C₂燃料。

Xingchen Jiao, et al, Direct Polyethylene Photoreforming into Exclusive Liquid Fuel over Charge-Asymmetrical Dual Sites under Mild Conditions, Nano Lett., 2022

DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03813

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03813

10. Nano Letters：芯片上的微器件揭示了反应物富集化效应在分子连接催化剂中主导的电催化活性

目前人们已经深入研究并实现了分子功能化，以推进各种电催化过程。虽然存在广泛认可的电荷掺杂效应，但是反应物分布/传输的潜在作用仍然长期被忽略。基于此，华中科技大学Youwen Liu通过使用背栅电/电化学微器件，揭示了反应物富集效应而不是长期以来假设的电荷掺杂效应主导了分子连接催化剂的析氢活性。

本文要点：

1）在选择的原型MB/MoS₂异质结中，背栅电子微器件量化了从MB到MoS₂的强电荷注入使MoS₂的载流子密度倍增，尽管∆G_H*值仅降低了0.06 eV。与此同时，片内电化学MoS₂微器件的背栅操作模拟电荷掺杂并对其他协同效应进行去耦，结果发现，这些多余的载流子不符合MB/ MoS₂的实际HER活性（206 mV@10mA cm^-2）。

2）此外，结合AIMD和片上EIS，MB分子的含N-/S-基团中孤对电子对质子的静电吸附将推动氢离子通过内部亥姆霍兹平面到达MoS₂的表面，参与HER并控制其活性。

深刻地说，这项工作中扩展的电化学策略无疑将揭示更多的电化学过程与以前无法获得的信息。此外，对作用机理的更清楚理解也将有助于设计更有效的基于分子的电催化剂。

Jianqiang Chen, et al, On-Chip Microdevice Unveils Reactant Enrichment Effect Dominated Electrocatalysis Activity in Molecular-Linked Catalysts, Nano Lett., 2022

DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04087

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04087

11. ACS Nano：两性甘氨酸对高可逆锌阳极界面化学的调节

锌金属在水性电解液中是热力学不稳定的，这在电镀过程中甚至在储存期间会引起枝晶生长和界面上正在进行的副反应，导致电池快速失效并阻碍了水性锌离子电池的实际应用。武汉理工大学麦立强教授和Qinyou An等将一种常见的多功能添加剂甘氨酸用来调节溶剂化壳层结构和提高界面稳定性，以保护锌阳极的可逆性和稳定性。

本文要点：

1）除了部分取代Zn²⁺[H₂O]₅·OSO₃^2–络合物的接触离子对中的SO₄^2–以抑制界面处Zn₄(OH)₆SO₄·xH₂O副产物的形成，甘氨酸分子还可以在静止期间在锌金属表面形成贫水双电层，并在循环期间被进一步还原以原位构建富含ZnS的固体电解质界面(SEI)层，这进一步抑制了整个过程中的副反应和锌枝晶的随机生长。正如预期的那样，在含甘氨酸的电解液中，对称电池的循环寿命达到3200小时以上。此外，Zn//NVO全电池在5 A g^–1下循环3000次后表现出优异的循环稳定性。