纳米人-顶刊日报丨胡喜乐、刘生忠、杨树斌、纪秀磊等成果速递20230919

顶刊日报丨胡喜乐、刘生忠、杨树斌、纪秀磊等成果速递20230919

纳米人纳米人 2023-09-20

1. Joule：用于CO电还原的膜电极组件电解槽准两相界面上的定制水和氢氧化物传输

电化学CO还原可以作为使用可再生电力将CO₂有效转化为化学燃料的中间步骤。尽管膜电极组件（MEA）CO电解槽在工业上是相关的，但由于电池电压高（通常在1000 mA cm⁻²时>3 V），它们目前的能效较低。近日，洛桑联邦理工学院胡喜乐报道了用于CO电还原的膜电极组件电解槽准两相界面上的定制水和氢氧化物传输在

本文要点：

1) 作者揭示了阴极准两相界面处的水和氢氧化物传输限制了MEA电解槽在高电流密度下的性能。通过开发一种允许足够快速的界面质量传输系统，作者获得了一种在1000 mA cm⁻²下电池电压仅为2.4 V的电解槽。

2) 此外，作者发现该电解槽对于C₂₊产物具有超过90%的法拉第产率，并且表现出超过100 h的稳定性。

Wenhao Ren, et al. Tailored water and hydroxide transport at a quasi-two-phase interface of membrane electrode assembly electrolyzer for CO electroreduction. Joule 2023

DOI: 10.1016/j.joule.2023.08.008

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.08.008

2. Angew：活细胞中的希夫碱反应: 原位合成空心共价有机聚合物调节生物功能

在活体生物系统中人工进行化学反应以达到各种生理目的仍然是一项有趣但极具挑战性的任务。华东理工大学李大伟使用Sc（OTf）₃作为催化剂在细胞中进行希夫碱反应，在此基础上，在没有外部刺激的情况下，可以很容易地原位合成中空共价有机聚合物（HCOP）。

本文要点：

1）可逆的席夫碱反应介导的细胞内奥斯瓦尔德成熟赋予HCOP羊毛状、球形、中空多孔结构和巨大的比表面积。细胞内产生的HCOP通过抑制肌动蛋白聚合来降低细胞运动，从而诱导线粒体失活、细胞凋亡和坏死。

2）所提出的希夫碱反应激发的细胞内合成系统在调节细胞命运和生物功能方面具有强大的潜力，为干预细胞行为开辟了新的可能性。

Han-Bin Xu, et al. Schiff Base Reaction in a Living Cell: In Situ Synthesis of a Hollow Covalent Organic Polymer To Regulate Biological Functions. Angew. 2023

DOI：10.1002/anie.202311002

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202311002

3. AM：基于自适应协同组装策略的超亮七甲基菁染料簇用于NIR-IIb生物医学成像

尽管明亮的NIR-II聚甲基硅烷支架在生物医学成像中有广泛的应用，但它们在水溶液中的溶剂化变色和聚集引起的淬灭（ACQ）效应限制了它们使用传统封装方法，而有效的亲水化策略也仍然稀缺。吉林大学朱守俊、Yuewei Zhang和周鼎成并聚乙二醇化了一套新的Flav染料，然后制造DSPE@FlavP2000纳米颗粒使用自适应共组装策略来克服上述限制。

本文要点：

1）当与DSPE-PEG2000共组装时，FlavP2000可以自主调节其构象，从而产生高效发光（Flav在DMSO中的荧光约为44.9%）。因此，DSPE@FlavP2000在NIR-IIb（>1500nm）血管造影术中具有高信噪比。

2）这种共组装可以在FlavP2000与活体蛋白质之间原位发生，由解组装诱导亮度活化（BAD）的新机制指导，可实现持续的亮度。通过加入与白蛋白动态结合的IPA部分，还可以延长染料的血液循环时间，从而增强自适应共组装策略。

3）因此，“增强型”BAD成功地应用于长期血管成像和坐骨神经成像。自适应共组装策略和BAD现象都提高了亲水化方法的选择性和可用性，为聚甲基菁染料的高效生物应用铺平了道路。

Zetao Dang, et al. Ultra-bright Heptamethine Dye Clusters Based on a Self-adaptive Co-assembly Strategy for NIR-IIb Biomedical Imaging. Advanced Materials. 2023

DOI：10.1002/adma.202306773

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306773

4. AEM：高效稳定钙钛矿太阳能电池用氨基磺酸铵界面改性

钙钛矿薄膜中的缺陷仍然是钙钛矿太阳能电池（PSC）中功率转换效率（PCE）和长期稳定性的主要阻碍。作为电子传输层（ETL），TiO₂膜被用于许多PSC中以实现高PCE。然而，由于晶格失配、能级间隙的不良对准以及PSC的滞后，使TiO₂不足以作为ETL。而氨基磺酸铵（AS）具有所需的NH₄⁺和S═O官能团，陕西师范大学刘生忠、Feng Jiangshan和中国科学院Zhu Xuejie将其用于修饰TiO₂表面和界面，以改善PSCs的PCE。

本文要点：

1) 研究发现，AS的作用就像钙钛矿沉积的种子层，它能有效地在TiO₂表面和钙钛矿之间形成桥梁。因此，作者成功制备了具有24.78%的功率转换效率和较小滞后的PSC。

2) 此外，使用AS改性TiO₂制备的PSCs也具有优异的稳定性，并且在25°C和25%相对湿度的环境下暴露1056小时后，没有任何封装的裸露器件仍保留了96%的初始PCE。

Yang Cao, et al. Interface Modification by Ammonium Sulfamate for High-Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202302103

https://doi.org/10.1002/aenm.202302103

5. AEM：金属阳极应力消除的机理与应用

金属阳极（锂/钠/锌）由于其高理论容量和低电化学氧化还原电位而被认为是可充电电池的有效选择。然而金属阳极面临着严重的金属枝晶问题，从而阻碍了其实际应用。近日，北京航空航天大学杨树斌、杜志国、华北电力大学李美成综述研究了金属阳极应力消除的机理与应用。

本文要点：

1) 最近的研究表明，金属枝晶是由金属沉积过程中产生的高应力引起的。为了解决这个问题，作者提出了一种基于应力消除的替代策略来抑制金属枝晶生长。本文旨在研究金属阳极内部应力的产生和演化机制。此外，作者还探索了利用应力诱导金属成核的方法。

2) 作者进一步讨论了用于研究金属枝晶应力释放的各种实验技术，并回顾了最近关于金属阳极内金属枝晶应力释放的研究进展。作者对微观结构和加工条件如何影响应力释放进行了概括，并讨论了提高金属枝晶中应力释放的潜在策略。

Jianan Gu, et al. Stress Relief in Metal Anodes: Mechanisms and Applications. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202302091

https://doi.org/10.1002/aenm.202302091

6. AEM：香兰素：提高30mZnCl₂电解液中锌金属阳极寿命的有效添加剂

设计水性电解质以确保锌金属阳极的完全可逆性仍然是一个挑战。盐电解质中的浓水（例如30mZnCl₂）有望解决锌金属阳极的挑战。然而，纯30mZnCl₂电解质不能提供光滑的表面形态和实际相关的库仑效率。在此， 俄勒冈州立大学纪秀磊、加利福尼亚大学P. Alex Greaney将香兰素作为提高30mZnCl₂电解液中锌金属阳极寿命的有效添加剂。

本文要点：

1) 作者向30 m ZnCl₂中加入小浓度（5 mg mL_water⁻¹）的香草醛，其通过消除枝晶、降低Hammett酸度和形成有效的固体电解质界面，改变了锌金属阳极的可逆性。

2) 电解液中香草醛的存在使锌金属阳极在0.2 mA cm⁻²的低电流密度下具有99.34%的高库仑效率。此外，作者发现使用这种新的电解质，阳极/阴极容量（N/P）比为2:1的全电池锌金属电池在800次循环中没有表现出容量衰减。

David Hoang, et al. Vanillin: An Effective Additive to Improve the Longevity of Zn Metal Anode in a 30 m ZnCl₂ Electrolyte. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202301712

https://doi.org/10.1002/aenm.202301712

7. AEM：具有更好能量收集和无线通信性能的不对称添加剂辅助有机太阳能电池

在室内照明下，有机太阳能电池（OSCs）对不同光强度表现出更好的灵敏度和更高的功率转换效率，使其具有同时用于太阳能收集和光通信的巨大潜力。然而，活性层中较差的本征分子堆叠和相分离阻碍了OSC中的电荷传输和提取。在此，暨南大学侯林涛、方俊彬提出了一种有效的杂卤素取代不对称添加策略来微调与非富勒烯分子的非共价相互作用并优化活性层的形态，进而大大提高了OSC的光伏性能。

本文要点：

1) 在AM 1.5G和室内光照下，PCE分别高达18.30%和29.52%，以及在红色、绿色和蓝色（RGB）波长下具有4.11、3.14和3.04 MHz的-3dB通信带宽。

2) 此外，通过将波分复用和自适应比特加载技术相结合，作者发现由RGB光源和添加处理的OSC组成的可见光通信系统同时具有302.7 Mb s⁻¹的数据吞吐量和7.38 mW的高采集功率，这为增强续航能力提供了优异的自供电能力。该工作表明，通过杂卤素取代不对称添加策略，可以实现具有优异能量收集和无线通信能力的高性能OSC。

Wen Lei, et al. Asymmetric Additive-Assisted Organic Solar Cells with Much Better Energy Harvesting and Wireless Communication Performance. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202301755

https://doi.org/10.1002/aenm.202301755

8. AEM：具有保形离子导电层的超稳定3D打印锌粉基阳极

锌粉由于其低成本和良好的可调谐性，在可再充电锌离子电池中极具应用潜力。然而，锌粉中的腐蚀和枝晶生长比传统的锌箔严重得多，这对其广泛应用构成了重大障碍。近日，西北工业大学官操报道了一种通过在3D打印的Zn支架上涂覆保形离子导电水凝胶层构建的超稳定Zn粉末基阳极。

本文要点：

1) 互连的水凝胶能有效调控锌离子通量并使表面电场均匀化，而3D结构减轻了在高电流密度/容量下体积变化产生的应力，从而实现其优异的稳定性。

2) 基于3D锌粉的对称电池在5 mA cm⁻²/5 mAh cm⁻²的高电流密度/容量下可稳定工作超过4700小时（>6个月），这优于基于锌粉的阳极和裸锌箔。该工作为低成本和大规模锌离子电池的实际应用提供了一条有效途径。

Jiayu Yang, et al. Ultra-Stable 3D-Printed Zn Powder-Based Anode Coated with a Conformal Ion-Conductive Layer. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202301997

https://doi.org/10.1002/aenm.202301997

9. AEM：调制Mxene衍生的Ni-Mom-Mo₂-mTiC₂T_x结构用于强化低温乙醇重整

生物乙醇的蒸汽重整技术已引起人们对绿色制氢的高度重视。然而，催化剂失活一直是其应用的一个重大障碍。在这里，中南大学孙志强、Sun Zhao将调制Mxene衍生的Ni-Mo_m-Mo_2-mTiC₂T_x结构用于强化低温乙醇重整。

本文要点：

1) 作者使用10Ni/MMT-72h催化剂在550°C下可以实现高达95.6%的氢气利用率和几乎全部的乙醇转化率。此外，该催化剂在生物乙醇重整100小时后具有显著的稳定性，并且没有明显的失活。FTIR-MS研究证明了10Ni/MMT-72h催化剂在增强低温生物乙醇活化方面的优越性，与Ni/Al2O3相比，乙酸盐物种的转化更快。

2) 通过密度泛函理论计算，作者比较了乙醇在Ni（−1.07eV）和Ni/MTC（−1.46eV）表面的吸附能，表明了Ni/MTC催化剂在水蒸气重整过程中活化乙醇的优越性。

Weizhi Shi, et al. Modulating Mxene-Derived Ni-Mo_m-Mo_2-mTiC₂T_x Structure for Intensified Low-Temperature Ethanol Reforming. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202301920

https://doi.org/10.1002/aenm.202301920

10. AFM：具有周向和轴向微孔结构的仿生血管移植物用于天然血管再生

多孔移植物有助于血管的建设性重塑。将多种仿生线索结合到多孔移植物中可以促进血管再生。然而，这种医疗设备的制造仍然具有挑战性。苏州大学吕强和上海交通大学医学院Weinan Cheng将富含β片的丝纳米纤维（BSN）添加到聚乙烯醇（PVA）溶液中，并在圆柱形电场下聚集，形成周向和轴向的管状结构，以模拟血管的内皮层和介质层。

本文要点：

1）通过调节BSN和PVA的比例，具有双重各向异性微观结构的复合管表现出比纯PVA血管移植物更好的力学性能，实现了显著改善的细胞粘附、扩散、增殖和排列。

2）由于排列结构的调节作用，内皮细胞和平滑肌细胞在移植物上都表现出改善的生物活性。体内研究显示，植入后四周内内皮层形成，确保长期通畅。

3）内皮和平滑肌双层在植入后8个月后再生，形成类似于天然血管的分级微观结构和组成。而具有多个排列结构的多孔复合移植物引导血管重塑以再生血管，显示出了临床转化的潜力。

Zhaozhao Ding, et al. Biomimetic Vascular Grafts with Circumferentially and Axially Oriented Microporous Structures for Native Blood Vessel Regeneration. AFM. 2023

DOI：10.1002/adfm.202308888

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202308888

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