G. Ceder最新Nature Mater.、二维材料Nature Mater.丨顶刊日报20200520
纳米人 2020-05-20
1. Nature Mater.:层状氧化物固相合成中热力学和动力学的相互作用

在合成无机材料时,反应通常会产生非平衡动力学副产物,而不是热力学平衡相。了解热力学和动力学之间的竞争对于合理合成目标材料至关重要。有鉴于此,劳伦斯伯克利国家实验室Wenhao Sun,Gerbrand Ceder报道了利用原位同步辐射X射线衍射研究了两层(P2)钠氧化物Na0.67MO2(M=Co,Mn)的多级晶化途径。

 

实验结果表明,在形成平衡的两层P2多晶型物之前,通过亚稳的三层O3,O3'和P3相进行了一系列快速的非平衡相变。同时,提出了一个理论框架来合理化实验观察到的相变,即使P2是平衡相,粉末前体之间的成分不受限制的反应也有利于非平衡三层中间体的形成。

 

本文要点:

1)为了了解P2-NaxCoO2的形成,研究人员利用原位同步加速器XRD和差示扫描量热仪(DSC)观察到P2层状金属氧化物固相陶瓷合成过程中的一系列非平衡三层相。

2)研究人员使用基于粉末前体界面反应模型的从头算热力学框架对实验结果进行了合理的解释,并提出了控制固相合成中初始相形成的统一原则。

 

该研究工作阐明了热力学和动力学之间的微妙竞争关系,为更合理地合成固态陶瓷材料提供了基本的见解。

 

1589944222696819.png

Bianchini, M., Wang, J., Clément, R.J. et al. The interplay between thermodynamics and kinetics in the solid-state synthesis of layered oxides. Nat. Mater. (2020).

DOI:10.1038/s41563-020-0688-6

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0688-6

 

2. Nature Mater.: 具有半导体性能的中尺度有序二维π共轭聚合物的合成

具有高载流子迁移率和可调带隙的二维材料因其在纳米电子学中的潜在用途而吸引了广泛的研究。二维π共轭聚合物构成了一个有前途的子类,可以通过改变分子构件来控制能带结构,同时保留诸如狄拉克锥和高电荷迁移率等关键特征。迄今为止,在探索的合成中,二维π-共轭聚合物(2DCPs)应用的主要障碍是小尺寸和高缺陷密度。

 

近日,加拿大湖首大学M. C. Gallagher加拿大国家科学研究所F. Rosei麦吉尔大学D. F. Perepichka意大利CNR的G. Contini等人展示了在Au(111)上制备出具有半导体性能,狄拉克锥结构和平坦带的中尺度有序π-共轭二维聚合物kagome晶格。

 

本文要点:

1)通过预热Au(111)表面上沉积的刚性氮杂三氮烯前体的Ullmann偶联,制备了中尺度有序的2D CP,域尺寸大于100×100nm2。该方法有利于分子扩散并消除网络中的空隙。

2)氮杂三氮烯前体在kagome晶格中聚合,这固有地导致狄拉克锥和平坦带的存在。通过选择中心原子和桥接基团,可以将2DCP能带结构调整为Dirac半金属或半导体,而不会影响网络形态。

3)研究者使用了D3h对称的三溴三氧杂氮杂三氮烯(TBTANG)和三溴三氧杂氮杂三氮杂烯(TBTANGO),根据DFT计算,它们预计将分别形成带隙为1.8和2.4 eV的半导体2DCPs。两种前体都是三苯胺的衍生物,三苯胺是光电子器件中使用的一种众所周知的空穴传输材料。氧桥(用于TBTANG)或羰基(用于TBTANGO)确保平面几何形状,从而改善π共轭,并分别通过给电子或吸电子效应调节电子性质。

 

这些结果为二维π共轭聚合物狄拉克锥材料的合成及其将其集成到器件中提供了机会。


1589944241861335.png

Synthesis of mesoscale ordered two-dimensional π-conjugated polymers with semiconducting properties, Nature Materials, 2020.

DOI: 10.1038/s41563-020-0682-z

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0682-z

 

3. Nature Energy:化学计量甲烷在常温下光化学循环转化为乙烷

甲烷的活化和利用是现代科学研究面临的主要挑战之一。甲烷是一种制造增值燃料和化学品的重要原料。然而,目前大多数工艺都需要过高的反应温度,并且表现出不足的选择性。

 

有鉴于此,法国里尔大学Vitaly V. Ordomsky,Andrei Y . Khodakov报道了使用银-杂多酸-二氧化钛纳米复合材料,在室温下甲烷转化为乙烷的光化学循环策略,该化合物具有高选择性(超过90%),显著的C2H6产率(超过9%),高量子效率(QE 在362 nm处为3.5%)和出色的稳定性。

 

本文要点:

1)研究人员在间歇式光反应器中研究了TiO2、磷钨酸(HPW)和含不同金属的HPW/TiO2复合材料上甲烷的光化学转化。由于反应器内的气相只含甲烷,不含氧气或其他气体,因此,甲烷氧化成CO2的氧气来源是由光反应器中存在的固体(TiO2HPW等)。研究发现,含HPW/TiO2复合材料的甲烷转化可制得C2H6CO2。同时,Pt和Ag基HPW/TiO2纳米复合材料具有较高的产率和乙烷选择性。此外,与Pt和Au基催化剂相比,Ag-HPW/TiO2具有更高的乙烷选择性和甲烷转化率。在Ag-HPW/TiO2纳米复合材料上,甲烷偶联合成乙烷和丙烷的总选择性大于90%。

2)研究人员通过TEM、STEM-HAADF、STEM-EDX表征了Ag-HPW/TiO2样品。结果表明,样品具有平均尺寸为30-40 nm的不规则形貌的TiO2微晶。STEM-EDX图表明,在TiO2晶体上形成了一层薄薄的HPW(1-2 nm)。同时,极小的银纳米颗粒(可能以氧化银的形式存在)平均直径为1.9 nm,均匀分散在HPW/TiO2表面。

3)研究表明,乙烷合成涉及化学计量甲烷与高度分散的银阳离子物种的反应。在反应过程中,光敏的阳离子银物种被还原为银金属。同时,分散在覆盖TiO2HPW层中的银离子是甲烷偶联为乙烷所必需的。此外,该纳米复合材料可以通过在室温下暴露于空气中,并通过辐照进行可逆再生。

 

该研究提出了一种可行的光化学循环策略,用于甲烷在常温照射下选择性准定量合成乙烷和高级烃。

 

1589944260265406.png

Yu, X., Zholobenko, V.L., Moldovan, S. et al. Stoichiometric methane conversion to ethane using photochemical looping at ambient temperature. Nat. Energy (2020)

DOI:10.1038/s41560-020-0616-7

https://doi.org/10.1038/s41560-020-0616-7

 

4. Nature Commun.:硼酸催化的二醇糖基化反应

内消旋-二醇(meso-diol)的化学消旋化反应对精确和高效合成手性分子有非常高的活性,但是虽然酶催化的糖基化反应在自然界中广泛存在,目前内消旋-二醇的糖基化反应仍没有较好的方法,因此庆应大学Daisuke Takahashi, Kazunobu Toshima等报道了一种高效的通过1,2-顺式-二醇糖基化反应,反应中通过硼酸催化生成内消旋肌醇(myo-inositol)1,3,5-orthoesters方法,并通过DFT计算对该反应进行了预测。结果显示该内消旋-二醇在糖基的C2位点显示了较高的立体选择反应性。此外,这种方法能够应用于磷脂酰肌醇甘露糖苷核心结构、糖基磷脂酰肌醇核心结构的合成,抗生素中LLBM-782组分中的β-甘露糖苷的合成。

 

本文要点:

实现了对二醇的对映选择性消旋的1,2-顺式-糖基化反应,通过硼酸催化剂和1,2-anhydro donors配合实现了有效的反应。这种合成策略在将来的应用可能涵盖多种糖苷的合成过程。

 

1589944277441193.png

Masamichi Tanaka, et al. Diastereoselective desymmetric 1,2-cis-glycosylation of meso-diols via chirality transfer from a glycosyl donor, Nature Commun 2020, 11, 2431

DOI:10.1038/s41467-020-16365-8

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16365-8

 

5. Nature Commun.~80 nm宽激光的纳米力学探测器

光学方法对运动变化过程检测在检测领域中大量应用,最近微型/纳米级的光动力系统得到开发,并成功应用于芯片力学检测平台,对紧凑集成的光学运动传感器的发展起到重要引领作用。但是目前这些系统中通常应用较窄的和噪声较低的激光,因此对运动过程监测受到较大约束。

 

目前埃因霍温科技大学Tianran Liu等成功制备了一个纳米力学检测器件,通过较宽的光(~80 nm)就能够很好的工作,这种器件平台集成了三维定向耦合器、双通道波导光电二极管,展现了较小的位移不精确(45 fm/Hz1/2),同时动态变化范围达到>30 nm。这种宽光学带宽避免了对激光的精细调节,并且为纳米力学探测器件的发展展现了发展前景。

 

本文要点:

1)制备的器件在>50 dB动态位移变化过程中的精确度达到30 fm Hz-1/2,并且激光的带宽可以宽达>80 nm,避免了对高质量激光的需求,并且该器件不会受到激光频率的作用产生噪声。

2 器件的结构:在SiO2基底上制备InP膜,随后在InP膜上集成激光检测器等组分,波导通过220 nm后的InGaAsP牺牲层将InP电极分开,在器件上部修饰330 nm厚的p掺杂InP膜和20 nm厚的p-InGaAs,InP膜的下面是220 nm厚的非掺杂InP和50 nm厚n-InP层双层材料。


1589944297306464.png

Tianran Liu, et al. Integrated nano-optomechanical displacement sensor with ultrawide optical bandwidth,Nature Commun. 2020, 11, 2407

DOI:10.1038/s41467-020-16269-7

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16269-7

 

6. Nature Commun.SnS材料面内铁电性能研究

二维范德瓦尔斯铁电材料目前在纳米电子学领域展现出具有较好的应用潜力,虽然目前在低至单层二维材料的面外(out-of-plane)铁电转换材料中取得了一些进步,但是目前还没有开发出单层二维面内(in-plane)铁电材料。目前东京大学Kosuke Nagashio等在毫米大小的单层SnS材料中发现了面内铁电性能,SnS是一种具有奇/偶相关特性的二维材料,只有当SnS材料的奇数(odd-number)层中心对称效应被破坏,SnS才会表现出铁电性能。但是当SnS的层数低于15层,奇数和偶数层的SnS都能体现较强的室温铁电性能。这个结果说明,通过控制多层SnS的堆叠顺序,能很好的调控铁电性质。本工作为开发纳米尺度界面内铁电平台提供了经验。

 

本文要点:

材料合成。通过分子束外延生长方法生长SnS材料,但是简单的气相沉积方法无法控制材料的层数,因此作者通过在PVD生长过程中控制SnS脱附过程,在控制生长过程中的压力和温度,实现了精确控制SnS的层数/厚度。通过极性Raman、SHG光谱测试,结果显示SnS和Ag电极之间的强Schottky接触抑制了SnS材料中电流的流通,进而低于15层的SnS在室温中产生铁电性能。本工作说明,通过调节多层SnS的堆叠顺序,有效的控制二维材料的铁电性能。通过调控SnS中产生铁电性能,SnS将来可能应用于热电和压电器件中。作者发现9层SnS材料的矫顽电场达到~25 kV cm-1,这个数值和块体SnS材料的栅极引发的非中心对称数值可比拟(~10.7 kV cm-1)。这个数值比单层SnS材料的理论计算值(1.8×103 kV cm-1)更低。这种区别通常可能是由于SnS和基底之间热扩散系数不同导致SnS中存在移动畴壁或晶格应变导致。


1589944317817094.png

Naoki Higashitarumizu, et al. Purely in-plane ferroelectricity in monolayer SnS at room temperature. Nature Commun. 2020, 11, 2428

DOI:10.1038/s41467-020-16291-9

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16291-9

 

7. Nature Commun.: CO2催化加氢制甲醇过程中铜和锌之间的独特相互作用

尽管在将CO2化学转化为甲醇的化学领域中进行了大量工作,但是Cu / ZnO催化剂的高活性性质,包括反应机理和催化剂活性位点的结构,仍然是激烈争论的主题。瑞士保罗谢勒研究所Maxim Zabilskiy和Jeroen A. van Bokhoven等人通过使用高压操作技术、结构分析和电镜观察以及理论建模,揭示了CO2催化加氢制甲醇过程中铜和锌之间的独特相互作用。

 

本文要点:

1)提供了直接的证据甲酸锌是可观察到的主要反应中间体,在氢存在下可转化为甲醇。

2)-锌合金在反应条件下会氧化成甲酸锌,氧化锌和金属铜。锌和铜相之间的紧密接触促进了甲酸锌的形成以及其被氢氢化成甲醇的能力。

 

1589944403607110.png

Maxim Zabilskiy, et al. The unique interplay between copper and zinc during catalytic carbon dioxide hydrogenation to methanol, Nat. Commun., 2020.

DOI: 10.1038/s41467-020-16342-1

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16342-1

 

8. AM: 无金属氢键聚合物模拟贵金属电催化剂

用于电化学制氢反应(HER)的最活跃,最有效的催化剂是铂基材料,但其增加了制氢的成本,从而限制了广泛采用。林茨约翰·开普勒大学Philipp Stadler等人介绍了一种非金属的有机电催化剂,展示出比拟铂的优异的HER性能。

 

本文要点:

1)该催化剂通过高功函数并结合氢键来模拟铂的表面,从酶学启发而来的这些基序在这里被用作选择性反应中心。

2)酮胺氢键基序加快了质子还原成分子氢的速率确定步骤。酮胺官能化聚合物与铂具有某些关键特性:相似的功函数以及出色的电化学稳定性和化学稳定性。这些特性可证明该材料连续HER运行一周,而没有明显的降解或与载体电极的分层。

3)研究者也进行了大规模的连续电解,使用2.3 mg的聚合物电催化剂在不到9小时的时间内产生了1 L的净分子氢。

 

1589944427644448.png

Halime Coskun, et al. Metal‐Free Hydrogen‐Bonded Polymers Mimic Noble Metal Electrocatalysts, Adv. Mater,. 2020.

DOI: 10.1002/adma.201902177

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902177

 

9. AM: 多室管状微马达,以增强局部主动传递

具有空间分辨隔室的管状微电机被提供用于有效的特定地点货物输送,其具有后端锌(Zn)推进剂发动机段和预先装载货物的明胶段,其进一步由pH响应帽保护。多室微电机显示出强大的胃动力推进力,其寿命可调,具体取决于Zn段长度。这种推进通过推动和撞击前端货物段到胃壁上来显著增强马达在胃组织中的分布和保留。一旦微马达穿透胃粘膜(pH≥6),其pH响应帽溶解,促进了自主局部货物的释放。加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang和张良方等人系统地测试和讨论了制造过程,物理化学性质和推进行为。

 

本文要点:

1)增强保留。使用老鼠模型,装载有模型货物的多室马达与单室马达相比,显示出均匀的货物分布以及在胃衬里中大约四倍增强的保留,同时没有显示明显的毒性。

2)组合治疗。除了基于明胶的隔室之外,治疗有效载荷还可以加载到pH响应性帽中,导致同时递送和顺序释放双重货物以进行组合治疗。总体而言,这种多室微马达系统提供了独特的功能和优势,将进一步推动合成微马达的开发,用于生物医学货物的主动运输和局部递送。


1589944452976006.png

Esteban‐Fernández de Ávila, et al. Multicompartment Tubular Micromotors Toward Enhanced Localized Active Delivery. Adv. Mater. 2020, 2000091.

DOI: 10.1002/adma.202000091

https://doi.org/10.1002/adma.202000091

 

10. ACS Nano:Cu@BN复合材料合成和其在智能玻璃上的应用

Cu纳米线材料网络具有取代ITO作为先进光电子学器件透明电极的潜力,但是Cu电极在大气环境中容易发生降解,这阻碍了其实际应用,目前厦门大学蔡端俊、李森森等通过低压气相沉积外延生长方法在Cu纳米线网络上生长少量原子层结构的h-BN材料,得到的材料在高湿度(RH 95 %)、真空条件的900 ℃高温、NaOH/H2O2溶液中保持了较好的稳定性。得到的Cu纳米线材料显示了高通光性能(~93 %)、高导电性(60.9 Ω/sq)。通过将Cu@h-BN纳米线和液晶材料结合制备了一种智能隐私玻璃,实现了在0.26 s内实现快速透明到不透明的转变。此外,该玻璃具有阻挡中红外光线的作用,实现了节能作用。以上发现说明这种Cu@h-BN材料在高性能的电子器件和光电器件中有广泛的应用前景。

 

本文要点:

1)制备反应。CuCl2·2H2O和Ni(acac)2在油胺中混合,在180 ℃中加热4 h,降至室温后加入己烷溶剂得到Cu纳米线材料。将纳米线通过硝酸纤维素膜过滤,随后将含有Cu纳米线网络的硝酸纤维素放置于各种基底上,随后加压处理15 s,将硝酸纤维素膜从基底上剥离,实现了将Cu纳米线网络转移到SiO2,石英,PET薄膜上。

2)Cu上负载原子层厚度的h-BN。在900 ℃中通过H2/Ar载气携带borazane作为反应气。在900 ℃ 10-4 Torr中反应1 min实现了负载原子层厚度的BN。随后从加热区快速脱离实现快速冷却。通过循环多次反应,控制BN厚度。

3)智能转变玻璃。将8 μm厚的间隔物放置在两个Cu@h-BN导电玻璃之间,随后在真空气氛中紧密放置3 min,随后通过UV光照射2 min;随后将PDLC聚合物在85 ℃中注射到两块导电玻璃之间;最后将Ag负载到边缘作为电极。

 

1589944470970891.png

Guozhen Liu, et al. Cu Nanowires Passivated with Hexagonal Boron Nitride - An Ultra-Stable, Selectively Transparent Conductor,ACS Nano 2020

DOI:10.1021/acsnano.0c00109

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00109

 

11. Small:高效NIR钙钛矿光电探测器

三阳离子混合金属卤化物钙钛矿是重要的光电材料,因为它们具有高的光子至电子转换效率,低激子结合能和良好的热稳定性。然而,由于钙钛矿在较长的波长(尤其是在带边附近和在带隙波长附近)在较长波长处的固有吸收较弱,因此在近红外(NIR)中光子至电子的转换效率较低。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所于伟利郭春雷(罗彻斯特大学)Subhash C. Singh(罗彻斯特大学)等人设计并制造了等离子体功能化的钙钛矿光电探测器(PD)。


本文要点:

1)其中将钙钛矿((Cs0.06FA0.79MA0.15Pb(I0.85Br0.153)活性材料旋涂在金属表面上。领结结纳米天线(BNA)阵列基板。在785 nm激光照射下,在钙钛矿的带状边缘附近,与基于Si/SiO2的正常PD相比,基于BNA的等离子PD的光响应增强了约2962%。

2)此外,等离子PD的检测值为1.5×1012,外部量子效率高达188.8%,是正常PD的30倍以上。等离子体PD性能的强劲提升归因于通过局部表面等离子体共振的耦合,BNA阵列周围的电场增强。演示的BNA-钙钛矿设计还可以用于增强其他光电器件的性能,并且该概念可以扩展到具有不同活性材料的其他光谱区域。

 

1589944485178479.png

Bin Wang et al. Boosting Perovskite Photodetector Performance in NIR Using Plasmonic Bowtie Nanoantenna Arrays,Small, 2020.

DOI:10.1002/smll.202001417.

https://doi.org/10.1002/smll.202001417

加载更多
318

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