纳米人-乔世璋Science Advances，孙学良Science Advances丨顶刊日报20231024

乔世璋Science Advances，孙学良Science Advances丨顶刊日报20231024

纳米人纳米人 2023-10-25

1. Science Advances：电催化海水分解的新兴材料和技术

可再生能源丰富地区淡水资源有限，导致人们探索海水电解以生产绿色氢气。然而，海水的复杂成分带来了电极腐蚀和电解槽故障等巨大挑战，使直接海水分解的技术和经济可行性受到质疑。尽管付出了很多努力，但仍然缺乏对海水电解的全面概述和分析，包括电化学基础知识、材料和最新突破的技术。

在这篇综述中，阿德莱德大学乔世璋教授，Yao Zheng系统地研究了电催化海水分解的最新进展，并批判性地评估了优化海水供应、材料和装置以稳定地从海水中生产氢气的障碍。

本文要点：

1）作者指出，坚固的材料和创新技术，特别是选择性催化剂和高性能设备，对于高效海水电解至关重要。

2）作者概述并讨论了可以推进这一新兴领域的技术经济可行性的未来方向，为能够实现高效、具有成本效益和可持续海水电解的材料的设计和商业化提供了路线图。

Huanyu Jin, et al, Emerging materials and technologies for electrocatalytic seawater splitting, Sci. Adv. 9 (42), eadi7755.

DOI: 10.1126/sciadv.adi7755

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi7755

2. Science Advances：用于高面积容量、长循环全固态锂金属电池的锂相容且空气稳定的富空位Li₉N₂Cl₃

要在全固态锂金属电池中获得大量的面积容量（>3 mAh/cm²）和延长的循环寿命，就需要采用能够承受较高临界电流密度和容量的固态电解质（SSE）。在这项研究中，西安大略大学孙学良院士，Tsun-Kong Sham，橡树岭国家实验室Jue Liu，马里兰大学Yifei Mo报道了一种高性能的富含空位的Li₉N₂Cl₃ SSE，它表现出优异的锂兼容性和大气稳定性，并可实现高面积容量、持久的全固态锂金属电池。

本文要点：

1）Li₉N₂Cl₃ 由于其无序的晶格结构和空位的存在而促进了有效的锂离子传输。值得注意的是，由于其固有的锂金属稳定性，它可以在 10 mA/cm² 和 10mAh/cm² 下抵抗枝晶形成。此外，它还表现出强大的干燥空气稳定性。

2）将该SSE结合到富镍LiNi_0.83Co_0.11Mn_0.06O₂阴极全固态电池中，实现了显着的循环稳定性（0.5 C下1500次循环后容量保持率为90.35%）和高面积容量（4.8 mAh/ cm2）在软包电池中）。

这些发现为锂金属电池满足电动汽车性能需求铺平了道路。

Weihan Li, et al, Lithium-compatible and air-stable vacancy-rich Li₉N₂Cl₃ for high–areal capacity, long-cycling all–solid-state lithium metal batteries, Sci. Adv. 9 (42), eadh4626.

DOI: 10.1126/sciadv.adh4626

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh4626

3. Science Advances：用于空气稳定分子连接的超长寿命自组装单分子层

基于金属表面自组装单层（SAM）的分子电子器件展示了器件最小化的新颖电子功能，但由于其对硫-金属键氧化的不稳定性而无法在实际应用中实现。近日，清华大学Yuan Li，Huaping Xu，Liang Zhang描述了硫醇盐锚定基团的替代方案，通过硒化物锚定基团在金上形成稳定的 SAM。

本文要点：

1）由于形成了牢固的硒-金键，这些稳定的 SAM 使研究人员能够将它们合并到分子隧道结中，从而产生 200 多天极其稳定的结。

2）由光谱学和第一原理模型支持的详细结构表征表明，硒-金键的氧化过程比硫-金键慢得多，并且硒-金键足够强，即使在最终被氧化。

3）这一概念证明表明，源自硒化物的极其稳定的 SAM 可用于长寿命的分子电子器件，并且可能在许多涉及 SAM 的空气稳定应用中变得重要。

Ningyue Chen, et al, Extreme long-lifetime self-assembled monolayer for air-stable molecular junctions, Sci. Adv. 9 (42), eadh3412.

DOI: 10.1126/sciadv.adh3412

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh3412

4. Science Advances：超疏水表面商业化和广泛实际应用的挑战和策略

在过去的20年里，超疏水表面在基础研究方面取得了很大进展，但其实际应用却远远落后。从这个角度，中科院兰州化物所张俊平研究员介绍了一项关于SH表面现状的调查结果，包括基础研究、专利申请和商业化。

本文要点：

1）在调查和经验的基础上，作者探讨了SH表面商业化和广泛实际应用的挑战和策略。

2）SH表面的综合性能、制备方法和应用场景是制约其应用的主要因素。应同时应对这些挑战，并提供可行的战略。

3）作者重点介绍了包括机械稳定性、抗冲击性和耐候性在内的综合性能的标准测试方法。

4）最后，作者展望了SH曲面的发展前景。作者预计，通过结合所建议的策略以及学术界和工业界的投入，SH表面可能在2035年左右广泛商业化并在实际应用中使用。

Lingxiao Li, et al, Challenges and strategies for commercialization and widespread practical applications of superhydrophobic surfaces, Sci. Adv. 9 (42), eadj1554.

DOI: 10.1126/sciadv.adj1554

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj1554

5. Science Advances：石墨烯的远程外延相互作用

远程外延的概念包括覆盖在衬底表面的二维范德瓦尔斯层，它仍然使吸附原子能够跟随底层衬底的原子基序。生长模式必须仔细确定为二维材料中的缺陷，例如针孔，可以允许从衬底直接外延，与横向外延过度生长相结合，也可以形成外延层。在这里，麻省理工学院Jeehwan Kim，世宗大学Young Joon Hong，成均馆大学Dong-Hwan Kim，康奈尔大学Darrell G. Schlom展示了几种独特的情况，这些情况只有在远程外延中才能观察到，与其他基于材料的二维外延机制不同。

本文要点：

1）研究人员首先在图案化的石墨烯上生长BaTiO₃，以建立最小化外延横向过度生长的条件。

2）通过观察高分辨率扫描电子显微镜证实的无针孔石墨烯衬底上生长的整个纳米尺度的核，研究人员从视觉上证实了远程外延在原子尺度上是可行的。此外，宏观上，还显示了GaN微晶阵列的密度随衬底的离子性和石墨烯层数的不同而变化。

Celesta S. Chang, et al, Remote epitaxial interaction through graphene, Sci. Adv. 9 (42), eadj5379.

DOI: 10.1126/sciadv.adj5379

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5379

6. Science Advances：超灵敏且坚固的机械发光活性复合材料

机械传感是将细胞外的机械刺激转化为细胞内的生化信号，是活细胞的一种基本特性。然而，赋予合成材料与生物水平相当的机械传感能力是具有挑战性的。在这里，加州大学圣地亚哥分校Shengqiang Cai开发了超灵敏和坚固的机械发光生物复合材料，使用嵌入甲藻的水凝胶，单细胞微藻对机械应力具有近瞬时和超灵敏的生物发光响应。

本文要点：

1）嵌入的甲藻不仅保持了其固有的机械发光，而且有了疏水涂层，活的复合材料在恶劣的条件下只需最少的维护就能保持5个月的寿命。

2）研究人员将活体复合材料三维打印成具有高空间分辨率的大规模机械发光结构，并利用双网络水凝胶提高了其力学性能。

3）研究人员提出了一个对应的数学模型，该模型捕获了实验的机械发光观测，以基于变形和外加应力来预测机械发光。

4）此外，还展示了机械传感复合材料在仿生软执行器中的使用，该软执行器在磁致动时发出彩色光。这些机械传感复合材料在生物混合传感器和机器人领域具有巨大的潜力。

Chenghai Li, et al, Ultrasensitive and robust mechanoluminescent living composites, Sci. Adv. 9 (42), eadi8643.

DOI: 10.1126/sciadv.adi8643

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi8643

7. Nature Commun.：利用空气中产生的微囊大量生产管腔人胚样小体和功能心球

类有机物是一种由类器官结构定义的工程3D微型组织，这些结构推动了对人类发育的基本理解。然而，目前的有机合成方法产量低，对大小和功能的控制不佳，包括由于有机化合物的合并，这限制了它们的临床和工业转化。在这里，特温特大学Jeroen Leijten提出了一个微流控平台，用于大量生产腔胚体和功能性心球。

本文要点：

1）具体地说，研究人员应用三喷流空气中微流体技术来超高通量生产中空、薄壳、水凝胶微胶囊，这些微胶囊可以作为球体形成的生物反应器，具有细胞兼容、无油、无表面活性剂和尺寸可控的特点。

2）独一无二的是，研究人员展示了由空气中的微流体产生的微胶囊提供了一个近100%有效的球体空化的腔内微环境。研究人员证明，在化学刺激下，人类多能干细胞衍生的球体经历了心肌分化，有效地导致了对外部电刺激有反应的同质和功能性心球的大量产生。

这些发现推动了干细胞技术在组织工程和药物测试中的临床和工业应用。

van Loo, B., ten Den, S.A., Araújo-Gomes, N. et al. Mass production of lumenogenic human embryoid bodies and functional cardiospheres using in-air-generated microcapsules. Nat Commun 14, 6685 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-42297-0

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42297-0

8. Nature Commun.：气凝胶超晶格(NaOH)_0.5NbSe₂的高各向异性电导和热导

在原子薄材料中实现前所未有的性能方面，层间去耦合起着至关重要的作用，但它在整体上仍然相对未被探索。目前尚不清楚如何通过人工操作实现大晶体的单层行为。在这里，中国地质大学Ruijin Sun，Xiaolong Chen，中科院物理所Shifeng Jin构造了一个由NbSe₂和高孔氢氧化物交替层组成的超晶格，作为在块体材料中实现层间去耦合的原理证明。

本文要点：

1）在(NaOH)_0.5NbSe₂中，电脱耦表现为沿层间方向的理想一维绝缘态。

2）拉曼光谱中没有层间模型，热容的局域模式占优势，层间耦合能低，面外热导率(Rt时为0.28 W/mK)降至NbSe₂‘S的几个百分点，从而表现出振动去耦合现象，CdW转变温度(>110 K)和泡林破裂2D超导电性显著提高，这表明大块晶体的行为类似于剥离的NbSe₂单层。

研究发现提供了一条在不剥落的情况下实现大规模本征2D性质的途径。

Sun, R., Deng, J., Wu, X. et al. High anisotropy in electrical and thermal conductivity through the design of aerogel-like superlattice (NaOH)_0.5NbSe₂. Nat Commun 14, 6689 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-42510-0

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42510-0

9. PNAS：极端条件下锂金属电池溶剂化反应的定量界面描述

锂金属电池（LMB）的未来大规模应用需要在快速充电和低温操作条件下能够提供高性能的电解质，而Li⁺的去溶剂动力学在实现这种行为中起着至关重要的作用。近日，加州大学圣地亚哥分校John Holoubek、Ping Liu、Zheng Chen发现对离子配对进行定量的控制有利于最大限度地减少带电界面处的去溶剂化损失，从而最大限度地降低锂金属阳极在动态应变下的可逆性。

本文要点：

1)作者发现，在每个系统的最佳离子配对程度下，弱结合溶剂仍然会产生优异的行为。然后，通过实验和计算分析，作者解决了这些结构和化学效应对电荷转移的影响。

2) 最后，作者证明了基于乙醚的局部高浓度电解质支持动力学应变操作条件，包括循环至−60°C和在LMB全电池中快速充电20分钟。该工作表明，明确、定量地优化Li⁺溶剂化状态对于开发能够低温和高速率操作的LMB电解质至关重要。

John Holoubek, et al. Toward a quantitative interfacial description of solvation for Li metal battery operation under extreme conditions. PNAS 2023

DOI:10.1073/pnas.2310714120

https://doi.org/10.1073/pnas.2310714120

10. Angew：用于高能水系电池的六电子氧化还原碘电极

碘（I₂）由于其在海洋中丰度高且成本低廉的独特优点，作为水系电池的活性材料显示出巨大的应用前景。然而，在传统的水基I₂电池中，I/I₂转换的储能机制仅为双电子氧化还原反应，限制了其能量密度。在此，南开大学牛志强教授通过电解质中氧化还原离子电荷载体和卤化物离子的协同效应实现了I₂电极的六电子氧化还原化学。

本文要点：

1）电解质中的氧化还原活性Cu²⁺离子在低电势下诱导Cu²⁺离子和I₂之间转化为CuI。同时，电解质中的Cl离子在高电位下激活I₂/ICl氧化还原对。因此，研究人员开发了具有六电子氧化还原的基于I₂的电池系统。

2）这种六电子氧化还原的储能机制导致I₂电极具有高放电电位和容量、优异的倍率性能以及稳定的循环行为。令人印象深刻的是，六电子氧化还原I₂阴极可以与各种水性金属（例如Zn、Mn和Fe）阳极匹配来构建金属||I₂混合电池。

这些混合电池不仅具有增强的容量，而且具有更高的工作电压，这有助于实现卓越的能量密度。

因此，这项工作拓宽了高能水基电池设计的视野。

Songshan Bi, et al, Six-Electron-Redox Iodine Electrodes for High-Energy Aqueous Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202312982

DOI: 10.1002/anie.202312982

https://doi.org/10.1002/anie.202312982

11. ACS Nano：高效钒氧化还原液流电池的不对称化学势激活纳米界面电场

在有限的微环境中构建具有增强的内在活性和可及性的活性位点对于同时提升全钒氧化还原液流电池（VRFB）的往返效率和寿命至关重要，但仍处于探索之中。在这里，深圳大学周学龙教授提出了纳米界面电场（E-场），其特征在于二元Mo₂C−Mo₂N亚晶格体现了出色的本征活性。

本文要点：

1）重建异质界面两侧的不对称化学势在原子级N−Mo−C结合区域附近施加电荷移动和积累，引发从Mo₂N到Mo₂C亚晶格的类似加速器的电场配置。

2）在理论计算和本征活性测试的支持下，进一步证实了纳米界面位点改进的钒离子吸附行为和电荷转移过程，从而加快了电化学动力学。

3）因此，所得到的液流电池取得了显着的提升，能量效率达到了77.7%，在300 mA cm⁻²下的寿命延长了1000次，优于之前大多数报告中使用传统单催化剂的液流电池。

Xiangyang Zhang, et al, Asymmetric Chemical Potential Activated Nanointerfacial Electric Field for Efficient Vanadium Redox Flow Batteries, ACS Nano, 2023

DOI: 10.1021/acsnano.3c07732

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07732

12. ACS Nano：利用激光实现可伸缩多层电子电路的光热光刻

光刻是一种成熟的实现多层电子电路的制造方法。然而，由于厚的可伸展纳米复合导体的不透明性，采用光刻技术来制造完全由弹性基质组成的本质可伸展的多层电子电路是具有挑战性的。在这里，首尔大学Seung Hwan Ko，韩国科学技术学院Hojeong Jeon，Wonryung Lee提出了光热光刻，可以图案弹性导体和通孔使用脉冲激光。

本文要点：

1）基于激光空间加热形成的渗流网络，光热图案化可拉伸纳米复合导体在30%应变5000次拉伸下表现出比丝网印刷导体高3倍的电导率(5940 S cm⁻¹)和5个数量级的低电阻变化(R/R0=40)。

2）此外，50μm大小的可伸展通孔可以在钝化的基础上形成图案，而不会对底部导体进行材料烧蚀和电气退化。通过重复地对导体和通孔进行图案化，高导电性和耐用的多层电路可以与逐层材料集成堆叠在一起。

3）最后，研究人员展示了一种可扩展的无线压力传感器和无源矩阵LED阵列，从而展示了一种耐用、高密度和多功能的可扩展多层电子电路的潜力。