纳米人-顶刊日报丨郭再萍、楼雄文、武培怡、胡良兵等成果速递20231109

顶刊日报丨郭再萍、楼雄文、武培怡、胡良兵等成果速递20231109

纳米人纳米人 2023-11-10

1. Nature Commun.：用于软电子产品的印刷可持续弹性体导体

可再生和可持续弹性体在可伸缩电子产品中的广泛采用受到制造方面的挑战和性能低迷的阻碍。在这里，南洋理工大学Pooi See Lee通过合成可持续和可回收的植物油聚氨酯(VegPU)弹性体粘合剂，并开发出一种将其与银片复合的溶液烧结方法，实现了具有优异电性能的印刷可持续可伸缩导体。

本文要点：

1）粘结剂阻止裂纹通过其多孔网络扩展，而溶液烧结反应降低了拉伸时的电阻增量，导致100%循环拉伸后的高延伸率(350%)、高电导率(12833 S cm⁻¹)和低滞后(0.333)。

2）在食品传感技术中，可持续导体用于打印耐用和可伸缩的阻抗传感器，以实现水果成熟度的非阻挡检测。可持续材料和实现高性能可伸缩导体的策略的结合为可持续可伸缩电子产品的发展提供了路线图。

Lv, J., Thangavel, G., Xin, Y. et al. Printed sustainable elastomeric conductor for soft electronics. Nat Commun 14, 7132 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-42838-7

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42838-7

2. Nature Commun.：用于可重写2D/3D编码信息载体的具有光致可逆荧光的仿生热适应形状记忆聚合物

荧光材料由于其对刺激响应的色移，在信息加密方面引起了广泛的关注。然而，荧光图像的2D编码带来了信息泄漏的风险。受章鱼变色伪装的启发，西南交通大学Shaobing Zhou，Hui Xie研制了一种集2D/3D编码于一体的热适应形状记忆荧光膜(TSFF)。

本文要点：

1）TSFF是基于具有可逆光交联性的蒽基团和具有热适应形状记忆性能的聚(乙烯-乙酸乙烯酯)网络。TSFF的可逆光交联伴随着可重复的荧光位移，并使可重写的2D编码成为可能。同时，热适配形状记忆特性不仅能够重新配置用于创建和擦除3D图案的永久形状，即可重写的3D信息，而且还便于用于3D编码的可恢复形状编程。

2）这种可重写的2D/3D编码策略可以增强信息安全性，因为只有指定的检查员才能通过为形状恢复和紫外线曝光提供顺序加热来解码信息。总体而言，能够重写2D/3D编码的TSFF将启发用于高安全性信息载体的智能材料的设计。

Huang, J., Jiang, Y., Chen, Q. et al. Bioinspired thermadapt shape-memory polymer with light-induced reversible fluorescence for rewritable 2D/3D-encoding information carriers. Nat Commun 14, 7131 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42795-1

3. Nature Commun.：一种钌单位点催化剂用于不含铂或钯的烟尘氧化

寻求高效的非铂/钯催化剂已被证明是汽车尾气净化的一个巨大挑战。在此，中国石油大学Zhen Zhao，Yuechang Wei，中科院化学所Xiaolin Yu，上海交通大学Xi Liu提出了一种通过气泡辅助膜沉积方法将单原子Ru位点嵌入CeO₂表面来构建鲁棒催化剂的方法。

本文要点：

1）形成的Ru单原子位占据了CeO₂的表面点阵位，提高了NO和O₂的活化效率。

2）值得注意的是，Ru₁/CeO₂催化剂在汽车尾气碳颗粒氧化(烟尘)过程中表现出优异的催化性能和稳定性，可与商用pt基催化剂相媲美。转换频率(0.218 h⁻¹)是Ru纳米颗粒催化剂的9倍。

3）进一步研究表明，原子分散的Ru活性位点内的强界面电荷转移极大地增强了NO氧化的速率决定步骤，导致烟灰氧化过程中的表观活化能大幅降低。单原子Ru催化剂代表了减少对Pt/ pd基催化剂依赖的一步。

Li, Y., Qin, T., Wei, Y. et al. A single site ruthenium catalyst for robust soot oxidation without platinum or palladium. Nat Commun 14, 7149 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-42935-7

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42935-7

4. EES：从废水中获得的高负载As单原子催化剂用于高效和可持续的氧气还原

砷（As）是地下水污染中的一种常见元素，其化学性质与氮相似，对氧还原反应（ORR）表现出潜在的活性。然而，ORR回收含砷污染物的实际应用面临着在高活性和稳定性之间权衡的巨大挑战。在此，重庆大学Wang Yu、阿德莱德大学郭再萍报道了在碳上合成高负载量（高达13.78wt%）非金属单原子催化剂的通用策略。

本文要点：

1) α-D-葡萄糖螯合的分散锌离子显著增加了As单原子的负载量，并且锌蒸发形成的拓扑缺陷增强了相邻As的本征活性。催化剂表现出比20%Pt/C（0.852V）更高的半波电势（0.902V）。

2)通过再煅烧处理的催化剂具有优异的稳定性，在燃料电池中运行590小时后，电流密度仅下降9.86%，优于最先进的碳基催化剂。该发现促进了高负载量、高活性和高稳定性的污染物非金属催化剂的实际应用。

Yu Wang, et al. High-loading As single-atom catalysts harvested from wastewater towards efficient and sustainable oxygen reduction. EES 2023

DOI: 10.1039/D3EE03274D

https://doi.org/10.1039/D3EE03274D

5. Angew：层状 δ-MnO₂ 纳米片中铵离子的预嵌入用于高性能水系锌离子电池

层状二氧化锰是水系锌离子电池的一种有前途的阴极候选材料。然而，狭窄的层间距、较差的本征电子电导率和较差的结构稳定性仍然限制了其实际应用。在此，香港城市大学楼雄文教授，北京化工大学Le Yu报道了一种两步策略，将铵离子纳入二氧化锰（称为AMO）纳米片中，作为增强锌离子存储的阴极。

本文要点：

1）选择在碳布上生长的K⁺插层δ-MnO₂纳米片（KMO）作为自参与前驱体。值得注意的是，铵离子可以通过简单的水热反应取代K⁺离子，以扩大晶格空间并形成氢键网络。

2）与KMO相比，层状AMO的结构稳定性和离子转移动力学得到增强。正如预期的那样，所获得的AMO正极表现出卓越的电化学性能，包括高可逆容量、良好的倍率性能和超过10000次循环的优异循环稳定性。

Haixin Yao, et al, Pre-intercalation of Ammonium Ions in Layered δ-MnO₂ Nanosheets for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202315257

DOI: 10.1002/anie.202315257

https://doi.org/10.1002/anie.202315257

6. Angew：使用聚合物添加剂引导锌均匀沉积以获得持久且高利用率的锌金属阳极

锌阳极上的寄生副反应是阻碍水基锌基储能系统在电网应用中发展的关键问题。在这里，东华大学武培怡教授采用2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱（MPC）和N-丙烯酰甘氨酰胺（NAGA）共聚设计的聚合物添加剂（PMCNA）来调节锌沉积环境，以满足高锌利用率的长期循环过程中的副反应抑制性能。

本文要点：

1）PMCNA可以优先吸附在Zn金属表面，形成均匀的保护层，有效排斥水分子和抵抗副反应。

2）此外，PMCNA可以引导Zn沿002平面成核和沉积，以进一步抑制副反应和枝晶。因此，PMCNA添加剂可以使Zn//Zn电池在超过420小时内具有90.0%的超高放电深度（DOD）、具有长循环寿命的Zn//活性炭（AC）电容器以及Zn// PANI 电池在 N/P 比为 2.6 的情况下，锌利用率为 51.3%。

Doudou Feng, et al, Guiding Zn Uniform Deposition with Polymer Additives for Longlasting and Highly Utilized Zn Metal Anodes, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202314456

DOI: 10.1002/anie.202314456

https://doi.org/10.1002/anie.202314456

7. Angew：环境氧压下负载 Fe 团簇电场增强醛的氨氧化

多相催化氨氧化为腈化合物的无氰合成提供了一条生态友好的途径，腈化合物是合成化学和制药应用的重要前体。然而，通常这样的过程需要在高温下高压分子氧来加速氧还原和亚胺脱氢步骤，这在实际应用中风险很高。在这里，苏州大学Ren Su报道了一种使用负载型铁簇催化剂（Fe/NC）的电场增强氨氧化系统，该系统能够在室温（RT）的环境气压下从相应的醛高效合成腈。

本文要点：

1）外部电场和 Fe/NC 催化剂之间的协同效应促进了氨的活化和生成的亚胺中间体的脱氢，并避免了不需要的醛的逆向反应。

2）该电场增强氨氧化系统在温和条件下对一系列醛的转化具有高效率和选择性，并且具有高耐久性，使其成为具有脆弱官能团的腈的绿色合成的有吸引力的方法。

Chao Wang, et al, Electric Field Enhanced Ammoxidation of Aldehydes Using Supported Fe Clusters Under Ambient Oxygen Pressure, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202313313

DOI: 10.1002/anie.202313313

https://doi.org/10.1002/anie.202313313

8. Angew：金属有机骨架中氮结合位点的空间分布用于选择性乙烷吸附和一步乙烯纯化

从含有乙烷(C₂H₆)和乙炔(C₂H₂)的混合物中一步提纯乙烯(C₂H₄)是一项具有重要工业意义但具有挑战性的工艺。在这项工作中，浙江大学Zongbi Bao，Fang Zheng提出了一种现场工程策略，旨在控制受限孔隙空间内结合位点的空间分布。

本文要点：

1）研究人员成功地将吲哚-5-羧酸(IND)、苯并咪唑-5-羧酸(BZZ)和吲唑-5-羧酸(ISO)等含氮杂环化合物通过后合成修饰引入到MOF-808平台中。

2）由此得到的功能化材料，即MOF-808-IND、MOF-808-BZZ和MOF-808-ISO，显示出比C₂H₄显著提高了对C₂H₂和C₂H₆的选择性。

3）具有两个均匀分布的氮结合位的MOF-808-BZZ通过多个强的C-H···N氢键提供了选择性捕获乙烷的最佳几何构型，导致了已知MOF中最高的C₂H₂/C₂H₄和C₂H₆/C₂H₄组合选择性。柱突破实验验证了其一步提纯C₂H₂/C₂H₄/C₂H₆三元混合物中C₂H₄的能力。

Changhua Song, et al, Spatial Distribution of Nitrogen Binding Sites in Metal-Organic Frameworks for Selective Ethane Adsorption and One-Step Ethylene Purification, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202313855

DOI: 10.1002/anie.202313855

https://doi.org/10.1002/anie.202313855

9. Angew：解锁无定形二氧化硅上单中心锆上二氧化碳加氢制甲醇的双通道途径

大规模将CO₂转化为甲醇对于可持续甲醇经济具有重要意义。由于其优异的CO₂吸附和活化性能，氧化锆被认为是铜基催化剂的重要载体。然而，反应过程中Zr物种的演化及其结构对反应途径的影响仍不清楚。在此，中科院大连化物所Jian Sun，Jiafeng Yu通过增强 Cu/ZrO₂-SiO₂ 催化剂中的 Zr-Si 相互作用来产生无定形 SiO₂ 基体中的单点 Zr 物种。

本文要点：

1）原位X射线吸收光谱（XAS）表明单中心Zr的配位环境对气氛和反应条件敏感。研究人员证明了CO₂吸附更倾向于Cu和单点Zr的界面，而不是ZrO₂纳米粒子。

2）逆水煤气变换（RWGS）+CO-氢途径中的甲醇合成仅在单分散的Zr位点上得到验证，而普通的甲酸盐途径发生在ZrO₂纳米粒子上。因此，它扩展了一条非竞争性平行途径作为主要甲酸盐途径的补充，导致基于Cu/SiO₂和Cu/ZrO₂催化剂的Cu活性分别提高六倍和两倍。

这项工作中单位点Zr物质建立的双通道途径为理解催化科学中原子分散的氧化物开辟了新的视野。

Meng Yang, et al, Unlocking a Dual-channel Pathway in CO₂ Hydrogenation to Methanol over Single-site Zirconium on Amorphous Silica, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202312292

DOI: 10.1002/anie.202312292

https://doi.org/10.1002/anie.202312292

10. Angew：电合成与组装共轭金属聚合物的纳米体系结构

与边向和面向取向不同，端向单轴共轭聚合物具有提供宏观结晶薄膜的理论可能性。然而，由于热力学平衡态的迟缓，它们的制造是无法克服的。在这里，吉林大学Mao Li报道了通过表面引发的同时电合成和组装来在端到端的单轴共轭金属聚合物上制备纳米结构的程序化途径。

本文要点：

1）以自下而上取向的电活性分子为模板的自组装单分子膜(SAM)允许通过切换交替氧化还原反应引发单体的取向、堆积和反应性加成，以及小分子的结晶。

2）重复相同的反应可以修复SAM上的无反应部位，并动态地和统计地确保最大迭代覆盖率，在光学或电学响应和迭代时间之间具有理想的线性系数。

3）由此得到的纳米结构在直径为厘米的单轴组装的端接聚合物上具有亚纳米均匀的形貌，表现出超高的弹性系数，以及无机铟锡氧化物和最高的共轭分子单分子膜的电导。

4）它们的记忆器件提供定量的电学和光学响应，作为分子长度、偏置和迭代连接的函数。纳米结构的精密加工作为一种电子辅助组装或印刷技术，可以为微米级有机材料和电子产品提供复杂的光电功能和尺寸批次之间的一致性。

Yongfang Li, et al, Nanoarchitectonics on Electrosynthesis and Assembly of Conjugated Metallopolymers, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311778

DOI: 10.1002/anie.202311778

https://doi.org/10.1002/anie.202311778

11. Angew：金纳米团簇金属内核和表面结构的协同作用高效光催化交叉脱氢偶联

硫醇保护的金纳米团簇作为纳米催化剂引起了广泛关注。近日，京都大学 Masaharu Nakamura，Katsuhiro Isozaki等报道了硫醇保护的[Au₂₅(SR)₁₈]⁻纳米团簇的双重催化活性，其中团簇的Au₁₃超原子内核引发光敏¹O₂的产生，而表面Au₂(SR)₃结构单元促进催化碳-碳键的形成。

本文要点：

1）实验表明，这种两种不同催化单元的协同作用使末端炔烃和三级脂肪胺的高效交叉脱氢偶联成为可能，产生的丙炔胺收率高达93%。

2）作者获得了同时携带硫醇和炔基配体的混配体金纳米团簇，它是炔基交换的金纳米团簇在光敏化和碳-碳键形成催化循环中的中间体。密度泛函理论计算也支持炔基交换的金纳米团簇为反应中间体。

该工作表明配体保护的金属纳米团簇可以作为出色的多功能催化剂，纳米团簇中不同组分的协同作用促进高效光催化和化学催化。

Katsuhiro Isozaki, et al. Dual Catalysis of Gold Nanoclusters: Photocatalytic Cross-Dehydrogenative Coupling by Cooperation of Superatomic Core and Molecularly Modified Staples. Angew. Chem., Int. Ed. 2023

DOI: 10.1002/anie.202312135

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202312135

12. ACS Nano综述：水在纳米纤维素的加工、结构和性能中的关键作用

由于纤维素原纤维的亲水性及其可持续和创新生产方法的潜力，纤维素工业严重依赖水。纳米纤维素的出现及其优异的性能以及纳米材料的结合引起了人们的广泛关注。在纳米级水平上，纳米纤维素具有更高的羟基暴露量，使其比微米级和宏观级纤维素纤维与水更紧密。更深入地了解纳米纤维素和水之间的相互作用有可能降低生产成本，并为设计功能性纳米纤维素材料提供有价值的见解。

在这篇综述中，马里兰大学胡良兵教授，Chaoji Chen，Teng Li根据与纳米纤维素相互作用的水分子与表面羟基的相互作用力及其在不同状态下的迁移率，将其分为自由水（FW）和结合水（BW）。此外，还讨论了纤维素材料的持水能力和各种水分检测方法。

本文要点：

1）该综述研究了纳米纤维素的制造、分散和运输中的水利用和除水方法，旨在阐明这些过程中的挑战和权衡，同时最大限度地减少能源和时间成本。

2）此外，还讨论了水对纳米纤维素性能的影响，包括机械性能、离子电导率和生物降解性。

3）最后，对开发纳米纤维素及其与水的相互作用的挑战和机遇提出了看法。