1. Nature Commun.：可视化基于界面层的有机核壳结构外延生长过程
在纳米科学和纳米技术领域，具有微米/纳米尺度所需几何结构的有机异质结构（OHTs）经历了快速发展。然而，阐明由晶格失配率> 3%的有机单元组成的各种OHTs的外延生长过程是一个重大挑战，这对于无机异质结构来说是不可想象的。苏州大学廖良生、Xue-Dong Wang和中国科学院理化技术研究所Yuchen Wu等展示了基于掺杂界面层的外延生长形貌演变的生动可视化，这有助于全面理解具有精确空间构型的核壳OHT的分级自组装。1）值得注意的是，具有周期性壳层的条形码OHT清楚地说明了壳层沿着籽晶棒从尖端向中心部分外延生长以形成核-壳OHT。此外，通过分别微调化学计量比、结晶时间和温度来调节周期性壳的直径、长度和数量。2）这种外延生长工艺可以推广到具有容易的化学/结构兼容性的有机系统，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.：通过等离子体辅助非溶剂诱导相分离开发多功能膜
由于具有克服全球清洁水和能源短缺的潜力，对超疏水、自清洁和压电膜的需求大幅增加。在这项研究中，台湾科技大学Tai-Shung Chung发现了一种新型等离子体辅助非溶剂诱导相分离（PANIPS）方法，无需额外的化学修饰或后处理即可制备超疏水、自清洁和压电聚偏二氟乙烯（PVDF）膜。1）PANIPS 膜的水接触角范围为 151.2 ° 至 166.4 °，滑动角范围为 6.7 ° 至 29.7 °。它们还具有 10.5 pC N−1 的高压电系数 (d33)，并且可以产生 10 Vpp 的高输出电压。2） PANIPS膜可以通过直接接触膜蒸馏（DCMD）从含有玫瑰红染料、腐殖酸或十二烷基硫酸钠的各种废液中有效地回收纯水。这项研究可能为制造 PANIPS 膜提供有价值的见解，并为在清洁水生产、运动传感器和压电纳米发电机领域分子设计先进的超疏水、自清洁和压电膜开辟新途径。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.：通过捕获离子进行快速交换冷却
俘获离子量子电荷耦合器件 (QCCD) 架构是先进量子信息处理的领先候选者。在当前的 QCCD 实现中，不完美的离子传输和异常加热可能会在计算过程中激发离子运动。为了解决这个问题，需要中间冷却来维持高保真门性能。与其他物种的离子同频冷却计算离子是一种常用的策略，但会造成严重的运行时瓶颈。在这里，佐治亚理工学院Spencer D. Fallek演示了一种称为交换冷却的不同方法。 1）与交感冷却不同，交换冷却不需要捕获两种不同的原子种类。该协议引入了一组反复激光冷却的“冷却剂”离子。然后可以通过将冷却剂离子传输到其附近来冷却计算离子。2）研究人员用两个 40Ca+ 离子实验测试了这个概念，在 107 μs 内执行必要的传输，比典型的交感冷却持续时间快一个数量级。此外，从计算离子中去除了超过 96% 和多达 102(5) 量子的轴向运动能量。3）研究人员验证了重新冷却冷却剂离子不会使计算离子退相干。该方法验证了单物质 QCCD 处理器的可行性，该处理器能够进行快速量子模拟和计算。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.：电催化尿素合成中的电势和双电层效应电化学合成是一种很有前途的可持续尿素生产方法，但其确切机理尚未完全揭示。新加坡南洋理工大学徐梽川等基于恒电位法结合隐式溶剂模型探索了亚硝酸根和二氧化碳在铜表面电化学耦合合成尿素的机理。1）通常被忽略的工作电极电位对反应机理和活性都有影响。对反应路径的进一步计算研究表明*CO-NH和*NH-CO-NH为关键中间体。此外，通过在微观动力学模型中分析不同电位、压力和温度下的转换频率，作者证明活性随温度升高而增加，并且Cu（100）在所有三个Cu表面中显示出最高的尿素合成效率。双电层电容在尿素合成中也起着关键作用。2）基于这些发现，作者提出了两个提高尿素在铜电极上合成效率的基本策略:增加Cu（100）表面比和提高反应温度。 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 纳米线中植入亲氧金属用于氢氧化催化双金属PtRu是一种很有前景的阴离子交换膜燃料电池氢氧化反应电催化剂，但其活性和稳定性仍不令人满意。在这里，厦门大学黄小青教授，Lingzheng Bu，香港理工大学Bolong Huang ，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所Yong Xu报道了PtRu纳米线被植入了一系列亲氧金属原子（称为i-M-PR），显着增强了碱性氢氧化反应（HOR）的活性和稳定性。1）通过In和Zn原子的双重掺杂，i-ZnIn-PR/C在50 mV下表现出10.2 A mgPt+Ru−1的质量活性，大大超过商业Pt/C（0.27 A mgPt−1）和PtRu /C（1.24A mgPt+Ru−1）。更重要的是，低负载（0.1 mg cm−2）阴离子交换膜燃料电池的峰值功率密度和比功率密度高达1.84 W cm−2和18.4 W mgPt+Ru−1。 2）先进的实验表征和理论计算共同表明，In 和 Zn 原子的双重掺杂可以优化中间体的结合强度，促进 CO 氧化，从而增强 HOR 性能。这项工作加深了对开发新型合金催化剂的理解，这将立即引起人们对材料、化学、能源等领域的兴趣。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.：垂直排列碳纳米管膜纳米孔中类固醇激素微污染物吸附控制力的相互作用
垂直排列碳纳米管（VaCNT）膜允许水在低压下快速传导，并为水净化和海水淡化提供了可能性，尽管疏水性和低扭曲度纳米孔中的超低粘性应力阻止了表面与污染物的相互作用。在这项实验研究中，卡尔斯鲁厄理工学院Andrea I. Schäfer报道了VaCNT膜对类固醇激素微污染物的吸附通过作用在激素上的流体动力阻力和摩擦力以及激素与碳纳米管内壁之间的粘附力和排斥力之间的相互作用进行了量化和解释。1）高于2.2×10−3 pN的阻力克服了摩擦力，导致吸附不显着，而将阻力从2.2×10−3 pN降低到4.3×10−4 pN则将激素的吸附质量从零增加到0.4 ng cm−2。2）在1.6×10−3 pN的低阻力下，四种激素的吸附质量与激素壁粘附力（范德华力）相关。这些发现解释了纳米孔中微污染物的吸附是通过沿着和垂直于流动方向作用在微污染物上的力来实现的，这可以用于选择性。 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：高效钙钛矿光伏的可控空间应变均匀性使能量不足最小化尽管X射线衍射（XRD）技术在研究钙钛矿太阳能电池（PSC）的晶格应变方面发挥了重要作用，但由于其局限性，准确构建应变与PSC性能之间的关系仍极具挑战性。近日，中国科学院Gao Peng通过共聚焦显微拉曼光谱（CMRS）图谱和XRD技术研究了不同表面自由能（γsS）的电子传输层（ETL）上钙钛矿薄膜的空间应变分布。 1) 结果表明，CMRS映射能够更有效地反映空间应变的分布和大小。在具有优化γs的衬底上，可以实现具有更大晶粒和优选取向的均匀空间应变，对应于复合抑制和界面载流子提取增强，并显著降低开路电压（VOC）缺陷。2) 优化的PSCs实现了24.64%的功率转换效率（PCE），并表现出对大面积或柔性应用的优异兼容性。此外，基于钙钛矿的微型模块和柔性PSCs分别有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：通过正负电极匹配设计高效、可靠和宽带滤波电化学电容器向绿色能源的转变需要超快的充电设备，如毫秒充电滤波电容器。滤波电容器将交流电转换为直流电，用于电网级能量存储和数字通信。近日，加利福尼亚大学Richard B. Kaner利用电化学电容器（EC）取代电解电容器，以提供紧凑的滤波解决方案。1) EC的1000倍高电容使微型滤波设备能够满足升级绿色电网和缩小电子元件的迫切需求。作者揭示了正负电极之间的耦合效应，以及与单个电极的电化学稳定性和电荷交换动力学相关的EC可逆性。2) 正电极和负电极的正确匹配产生了1.8V滤波电化学电容器（FEC），由于其同步的超快充电/放电特性，在经过1.2 M循环后仍保持91.4%的电容和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：具有保护性封装溶剂化结构的超轻电解质可实现超过 660 Wh/kg 的混合硫基一次电池锂和硫的电化学电偶在材料水平上具有最高的理论能量密度（>2600 Wh/kg）。然而，令人失望的是，由于其电池层面的能量密度较低（≤500 Wh/kg）且存储性能较差，因此在原电池中显得格格不入。在此，中科院物理所Liumin Suo，北京科技大学Huican Mao针对超轻电解质（0.837 g/mL）定制了低密度甲基叔丁基醚，具有保护性封装溶剂化结构，减少了电解质重量（23.1%），提高了容量利用率（38.1%），同时保护了自身-释放。 1）活性氟化石墨部分替代惰性碳，构建混合硫基阴极，充分发挥势能密度。2）基于上述创新，所展示的软包电池实现了令人难以置信的 661 Wh/kg 能量密度，并且自放电率可以忽略不计。研究工作预计将为实现锂硫原电池的实用性提供新的方向。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：胶体钙钛矿量子点中的快速有机阳离子交换用于功能光电应用
需要具有较低表面配体密度的胶体量子点来制备用于光伏、照明和其他潜在光电应用的活性层。在新兴的钙钛矿量子点（PQD）中，相对于卤化物阴离子，阳离子的扩散被认为具有高能垒。在此，苏州大学Jianyu Yuan研究了含有甲基铵(MA+)和甲脒(FA+)有机阳离子的胶体三碘化铅PQD中的快速交叉阳离子交换方法，其交换势垒明显低于无机铯(Cs+)-FA+和Cs+-MA+系统。1）第一性原理计算进一步表明，在混合MA+-FA+ PQD中存在有机阳离子空位的情况下，由于结构畸变的降低以及随之而来的吸引性阳离子-阳离子和阳离子-阴离子相互作用的下降，出现了快速的内部阳离子扩散。2）结合实验和理论证据，研究人员提出了一种空位辅助交换模型，以了解具有较少表面配体的PQD结构特征和分子间相互作用的影响。最后，为了获得现实的结果，所制备的混合阳离子PQD显示出更好的光稳定性，可以直接应用于一步涂覆光伏和光电探测器器件，使用MA0.5FA0.5PbI PQD等实现了15.05%的高光伏效率从可见光到近红外区域的精确可调的探测光谱响应。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：通过协调环境调节调节分子催化剂中钴的电子结构以实现高效多相硝酸盐还原
氨(NH3)在现代工业中至关重要，是一种有前途的下一代无碳能源载体。电催化硝酸盐还原反应(eNO3RR)为NH3生产和去除环境硝酸盐污染物提供了可行的解决方案。然而，由于缺乏高效的电催化剂，eNO3RR的发展受到阻碍。为了应对这一挑战，香港城市大学Xin Wang合成了一系列用于多相eNO3RR的大环分子催化剂。1）这些材料通过周围的亚基在金属中心周围具有不同的配位环境。因此，活性中心的电子结构可以改变，从而实现eNO3RR的可调活性。2）研究表明，具有N2(吡咯)-N2(吡啶)构型的金属中心表现出优于其他金属中心的活性，并在测试范围内实现了超过90%的高NH3法拉第效率(FE)，其中最高FE约为94获得％。3）此外，它的产率为11.28 mg mgcat-1 h-1，周转频率高达3.28s-1。进一步的测试表明，这些具有不同配位环境的分子催化剂表现出不同的磁矩。理论计算结果表明，不同的配位环境会导致d带中心变化，最终影响速率确定的阶跃能量和计算的磁矩，从而建立电子结构、实验活性和计算参数之间的相关性。 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调节肿瘤细胞中的铜转运以实现生物正交治疗
利用铜催化的叠氮-炔烃环加成(CuAAC)反应原位合成药物的策略具有良好的疗效和较低的不良反应，因此在肿瘤治疗领域中引起了研究者的普遍关注。然而，添加的外源性铜催化剂往往会引起细胞毒性，从而严重阻碍了该策略的体内生物医学应用。有鉴于此，中国科学院长春应化所曲晓刚研究员设计并合成了一种模拟铜分子伴侣的金属有机框架(MOF)，该框架可以选择性地调节铜转运，从而实现无需外源性铜催化剂的生物正交合成，。 1）与铜分子伴侣类似的是，实验制备的ZIF-8铜分子伴侣模拟物可以通过形成配位键以特异性地结合铜离子。研究发现，金属离子与配体之间的配位作用的消耗会导致铜在酸性环境下被卸载。2）实验结果表明，该靶向肿瘤细胞的铜伴侣模拟物可以选择性地将铜离子转运到细胞内。综上所述，这种调控细胞内铜离子转运的策略能够为构建在活细胞中具有降低的金属细胞毒性的生物正交催化体系提供新的启发和借鉴。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
