顶刊日报丨燕山大学Nature Nano.,清华大学Nature Mater. 20200108
纳米人 纳米人 2020-01-12
1. Nature Nanotechnology:原位表征锂枝晶生长和应力产生机制

金属锂被认为是未来可充电电池的最终负极材料,但是由于不可控的锂枝晶生长,基于锂金属的可充电电池的开发仅取得了有限的成功。在广泛的全固态锂电池中,一种抑制锂枝晶生长的方法是使用机械上坚硬的固体电解质。但是,锂枝晶仍然能通过它们生长。解决这个问题需要对锂枝晶的生长及其相关的电化学机械行为有一个基本的了解。

 

有鉴于此,燕山大学黄建宇教授等人通过在新的实验装置中将原子力显微镜与环境透射电子显微镜结合在一起,报告了单个Li晶须(主要的Li枝晶形态)的原位生长观察和应力测量。在室温下,亚微米晶须在施加于原子力显微镜尖端的电压(超电势)下生长,产生高达130 MPa的生长应力。该值显著高于先前报道的大体积和微米级Li的应力。在纯机械载荷下测得的锂晶须的屈服强度高达244 MPa。这一结果为全固态电池中锂枝晶生长抑制策略的设计提供了定量基准。


1-.png


Liqiang Zhang et al. Lithium whisker growth and stress generation in an in situ atomic force microscope–environmental transmission electron microscope set-up. Nature Nanotechnology 2020.

DOI:10.1038/s41565-019-0604-x

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x

 

2. Nature Materials二维反铁磁拓扑绝缘体中的强鲁棒性轴子绝缘相和Chern绝缘相

在二维材料中,非平凡拓扑与磁性存在复杂的相互作用,这种作用可能导致一些有趣的现象,比如量子反常霍尔效应。最近,清华大学物理系王亚愚、张金松、徐勇等人基于场效应晶体管研究了MnBi2Te4块体和剥离薄片的量子输运。在被调制成绝缘态的由6个MnBi2Te4七元层搭建的器件中,作者观测到了较大的纵向电阻和零霍尔平台——轴子绝缘态的特征。该轴子绝缘态鲁棒性强,在零磁场、较宽磁场范围以及相对高温的条件下都能存在。此外,中等强度磁场能导致量子相变——从轴子绝缘体到陈绝缘体(Chern insulator),后者轴向电阻为零,量子化霍尔电阻为h/e2。作者认为,该研究为利用具有偶数个七元层的MnBi2Te4薄片从而实现量子化拓扑电磁效应和轴子电动力学开辟了道路。

 

                           

1-2.png


Liu,C., Wang, Y., Li, H. et al. Robust axion insulator and Chern insulator phasesin a two-dimensional antiferromagnetic topological insulator. Nat. Mater. 2020.

DOI:10.1038/s41563-019-0573-3

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0573-3


3. Nature Nanotechnology:维生素脂质纳米颗粒通过巨噬细胞转移来治疗多药耐药细菌脓毒症

脓毒症,是一种由严重感染引起的疾病,每年影响全世界3000多万人,并且仍然导致医院里病人死亡的主要原因。此外,抗菌素耐药性已成为脓毒症治疗的一个挑战,因此,迫切需要替代的治疗方法。基于此,俄亥俄州立大学董一洲等人证明了溶酶体(MACs)中包含与组织蛋白酶B连接的抗菌肽的巨噬细胞的过继转移可用于治疗免疫抑制小鼠中多药物耐药细菌诱导的脓毒症。MACs是通过转染传递抗菌肽和组织蛋白酶B (AMP-CatB) mRNA的维生素C脂质纳米颗粒构建的。

 

维生素C脂质纳米颗粒允许巨噬细胞溶酶体中AMP-CatB的特异性积累,而巨噬细胞溶酶体是杀菌活性的关键部位。作者通过实验结果表明,采用MAC过继转移可消除包括金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在内的多药耐多药细菌,使免疫功能受损的脓毒症小鼠完全康复。该项工作为克服多药耐药细菌诱导的脓毒症提供了一种替代策略,并为开发纳米粒子激活的感染性疾病细胞疗法开辟了可能性。


2-.png


XuchengHou, Xinfu Zhang , Weiyu Zhao,Chunxi Zeng, Binbin Deng, David W. McComb, Shi Du, Chengxiang Zhang, Wenqing Liand Yizhou Dong. Vitamin lipid nanoparticles enable adoptive macrophagetransfer for the treatment of multidrug-resistant bacterial sepsis. NatureNanotechnology. 2020

DOI: 10.1038/s41565-019-0600-1

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0600-1

 

4. Nature Catalysis:调节OH结合能实现乙烯选择性电化学氧化为乙二醇

开发直接由可再生电力提供动力的高效的电化学方法用于制备化学商品具有重大意义。其中一种至关重要的化学品是乙二醇,它可用作防冻剂和聚合物前体,每年的消费量约为2000万吨。在由乙烯氧化制乙二醇的过程中,需要将两个OH基团连续转移至乙烯,这其中可能涉及*C2H4OH中间体。因此,OH的结合能将是该过程中的关键因素。此外,一旦形成乙二醇,它很可能会通过其氧原子吸附到催化剂表面,因此,调节OH结合能可以使其易于解吸,从而避免不必要的进一步氧化。近日,多伦多大学Edward H. Sargent团队报告了一种在环境温度和压力下,在水性介质中将乙烯选择性部分氧化为乙二醇的一步式电化学路线。

 

作者认为,催化剂与OH结合能的调控对促进OH转移至*C2H4OH形成乙二醇至关重要。计算研究表明,金掺杂的钯催化剂(3.2 at.% Au)可以有效地执行此步骤,并且,作者通过实验发现它对乙二醇具有80%的高法拉第效率,并在连续运行100个小时后仍能保持其性能。该工作为在温和条件下设计水性介质中的其它阳极部分氧化反应提供了有用的参考,并指明了化学工业中实现电气化的一种途径。


3-.png


YanweiLum, Jianan Erick Huang, Edward H. Sargent*, et al. Tuning OH binding energyenables selective electrochemical oxidation of ethylene to ethylene glycol. Nat.Catal., 2020

DOI: 10.1038/s41929-019-0386-4

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0386-4

 

5. Nature Catalysis:一种实用的N-异芳烃加氢非贵金属催化剂的研制

由于过渡金属催化剂的可用性、价格和生物相关性,基于3d过渡金属的催化剂的使用对工业化学品的合成以及一般的有机合成具有重要意义。因此,近年来,特别是在均相催化领域,利用这种地球资源丰富、具有生物相容性的金属已成为人们感兴趣的主要领域。然而,为了达到与贵金属催化剂相当的反应活性,通常需要使用复杂的配体——通常是昂贵的磷衍生物。

 

在这里,莱布尼兹学院Matthias Beller研究者报道了使用简单的基于Mn(I)的复合物[Mn(CO)5Br],通过分子氢还原喹诺林和相关的N-杂环。在非常温和的反应条件下,这个催化系统能够减少大量的喹诺林,从而提供了相应的高产量的四氢喹诺林,这种骨架存在于许多生物活性化合物中,包括已上市的药物。力学研究揭示了活性催化剂的形成,并表明了同时形成的Mn(II)和HBr对杂环底物加氢的重要作用。


4-.png


Papa, V., Cao, Y., Spannenberg, A. et al. Developmentof a practical non-noble metal catalyst for hydrogenation of N-heteroarenes. Nat Catal (2020) 

DOI:10.1038/s41929-019-0404-6

https://doi.org/10.1038/s41929-019-0404-6

 

6. Nature Catalysis:局部受限的氧气促进电化学水氧化为过氧化氢

电化学双电子水氧化是一种很有前途的再生和现场生成H2O2的方法,可以替代蒽醌法。但由于传统的四电子析氧反应竞争激烈,且过电位大,产率低,目前选择性较低。有鉴于此,莱斯大学汪淏田课题组和University of Calgary的Samira Siahrostami以及Technical University of Denmark的Karen Chan等人报告了一种界面工程的方法,通过涂覆疏水性聚合物的催化剂,限制在现场产生的氧气,以调整水氧化反应的途径。

 

以碳催化剂为模型体系,研究发现与原始催化剂相比,其内在的H2O-to-H2O2选择性和活性显著提高。在66%的超电势640 mV作用下,最大过氧化氢感应电流的效率提高了5倍,过氧化氢产量达到23.4µmol每分钟每平方厘米(相当于75.2毫安每平方厘米的分电流)。这一方法成功地推广到镍金属,证明了局部气体约束概念的广泛适用性。


5-.png


Xia, C., Back, S., Ringe,S. et al. Confined local oxygen gas promotes electrochemical wateroxidation to hydrogen peroxide. Nat Catal(2020) doi:10.1038/s41929-019-0402-8

DOI:10.1038/s41929-019-0402-8

https://doi.org/10.1038/s41929-019-0402-8

 

7. Nature Catalysis:构建一种混合离子和电子转移反应的途径,将O2引入Pr0.1Ce0.9O2−x

在界面电荷转移反应中,反应路径的复杂性随着电荷转移的数量增加而增加,当反应同时涉及到电子(电荷)和离子(质量)时,其复杂性变得更大。这些所谓的混合离子和电子转移(MIET)反应在嵌入/插入电化学中至关重要,例如氧还原/演化的电催化剂和锂离子电池电极。了解MIET反应途径,特别是确定决速步(RDS),对于分子、电子和点缺陷水平的工程接口至关重要。

 

在此,斯坦福大学William C. Chueh等人建立了一个可推广的实验和分析框架,用于构建反应途径,将O2(g)与Pr0.1Ce0.9O2−x结合。实验者们通过测量电流密度过电位曲线在控制固体氧活动和氧气分压,利用操作环境压力x射线光电子能谱对化学驱动力和静电驱动力进行定量分析,最后从100多种可能性中选出了4种RDS(中性氧气吸附物的分离)。


6-.png


Chen,D., Guan, Z., Zhang, D. et al. Constructing a pathway for mixed ionand electron transfer reactions for Oincorporationin Pr0.1Ce0.9O2−x. NatCatal (2020)

DOI:10.1038/s41929-019-0401-9

https://doi.org/10.1038/s41929-019-0401-9

 

8. Nature Materials:范德华异质结构中可调的室温自旋电流和自旋霍尔效应

自旋-轨道耦合是一种强大的工具,可以相互转换电荷和自旋电流,并通过自旋-扭矩现象控制磁性材料的磁化。然而,尽管现有的体相材料具有多样性,且最近出现了界面和低维效应,但在室温下控制这种相互转化仍然难以实现。近日,CSIC巴塞罗那科学技术学院(BIST) Sergio O.ValenzuelaL.L. Antonio BenítezWilliams Savero Torres等报道了WS2的接近驱动了石墨烯中室温自旋-电荷互变。

 

通过合理设计在霍尔bars中进行的自旋进动实验,作者将自旋霍尔和自旋电流效应的贡献分开。值得注意的是,该材料的相应转换效率可以通过静电门控来调控,并在电荷中性点附近达到峰值,等效幅值可与迄今为止报道的最大效率相媲美。这种电场可调性为无磁性材料的自旋产生和超紧凑型磁性存储技术提供了基础。


7-.png


L.Antonio Benítez*,Williams Savero Torres*, Sergio O. Valenzuela*, et al. Tunable room-temperaturespin galvanic and spin Hall effects in van der Waals heterostructures. Nat.Mater., 2020

DOI: 10.1038/s41563-019-0575-1

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0575-1

 

9. Nat. Commun.: 无机纳米晶体/有机分子界面的三重态能量转移机理

无机纳米晶体/有机分子界面的三重态能量转移的机理仍然知之甚少。已经报道了许多看似矛盾的结果,这主要是由于无机半导体的复杂陷阱态特征以及这些研究中所用的半导体与分子之间不确定的相对能量学。大连化物所Kaifeng Wu团队通过对瞬态吸收和光致发光测量进行组合,以亚皮秒时间分辨率来阐明传输机制,二者都具有亚皮秒时间分辨率,该模型系统包含表面陷阱密度非常低的卤化钙钛矿铅纳米晶体作为三重态施主和有利于或禁止电荷转移的聚并苯作为三重态受体。

 

大力促进从纳米晶体到并四苯的空穴转移,因此通过电荷分离状态进行三重态转移。相比之下,向萘的电荷转移在能量上不利,并且光谱显示三重态从纳米晶体直接转移至萘。但是,这种“直接”过程也可以通过高能虚拟电荷转移状态来介导。


8-.png


Mechanismsof triplet energy transfer across the inorganic nanocrystal/organic moleculeinterface, Nature Communications, 2020

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13951-3

 

10. JACS: 水-空气界面上过量水合质子的特性

了解酸性水溶液界面上的分子结构对于大气化学、生物物理学和电化学等领域的基础研究具有重要意义。考虑到界面水的有效密度较低,界面质子的水化作用必然不同于体相的水化作用,但是这种水化作用的差异尚未得到重视和明确阐述。最近,德国马普研究所的Mischa Bonn等表面特定振动光谱探测了水-空气界面上质子的信号响应从而首次发现了水-空气界面上的质子连续体。

 

研究人员将这一发现与基于从头算分子动力学模拟的光谱计算相结合,发现水-空气界面上的质子尽管可用水分子较少但其水合作用良好,在界面上同时存在水合质子的Eigen结构和Zundel结构。尽管界面上的水合质子呈现出与体相类似的结构,但研究人员还是从实验上观察到了-1.3±0.2 kcal/mol的界面稳定能量,这与自由能计算结果吻合良好。这种质子的表面倾向性可归因于水合质子与其反离子之间的相互作用。


9-.png


SudiptaDas, Mischa Bonn et al, Nature of Excess Hydrated Proton at the Water–Air Interface, JACS, 2020

DOI:10.1021/jacs.9b10807

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b10807

 

11. Nano Letters: 富锂正极材料中晶界诱导的衰减机制

尽管富锂锰基层状氧化物正极材料xLi2MnO3·(1-X)LiTMO2(TM=Ni,Mn,Co)(LMR-NMC)具有很高的能量密度,但其商品化应用仍然面临着Mn的溶解、电压衰降以及阻抗增大等问题。在诸多正极材料改性方法中,最具应用前景的是将尖晶石型正极材料与LMR-NMC正极复合形成局部“层状-层状-尖晶石”的正极结构。不过,即便是这样,对于材料结构和组分的精准控制以及后续的相关表征仍然充满了挑战性。因此,对这些复合材料的原子结构进行详细的探究对于LMR-NMC正极材料的发展十分关键。

 

最近,美国阿贡国家实验室的Jason Croy以及伊利诺伊大学芝加哥分校的Reza Shahbazian-Yassar等利用球差矫正扫描透射电子显微镜技术(AC-STEM)技术对集成了尖晶石结构的LMR-NMC正极材料充放电前后的原子结构进行了研究。研究结果表明,具有不同的原子构型的应变晶界在LMR-NMC正极中是可能存在的。这些高能界面通过增加与电解液的接触表面积和Ni在循环过程中的迁移来诱导正极材料颗粒的开裂以及金属Mn的溶解,并因此加速了正极材料电化学性能的衰减。这些结果揭示了局部结构在正极结构宏观衰减中所起的重要作用。


10-.png


SorooshSharifi-Asl, Jason Croy, Reza Shahbazian-Yassar et al, RevealingGrain-Boundary-Induced Degradation Mechanisms in Li-Rich Cathode Materials,Nano Letters, 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04620

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04620

加载更多
1020

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 ICP备16031428号

关注公众号