王中林院士Science Advances,殷亚东、翟天佑、张晗等成果速递丨顶刊日报20200629
纳米人 2020-06-29
1Science Advances:一种基于全纳米纤维摩擦电纳米发电机的透气、可生物降解、抗菌、自供电的电子皮肤

通过电子皮肤模仿人类感知的综合功能,对于人机交互和人工智能的发展具有重要意义。一些具有高灵敏度、高稳定性的电子皮肤已被开发出来,但其舒适性、环境友好性和抗菌活性却鲜有人关注。近日,中科院北京纳米能源与系统研究所王杰研究员,王中林院士报道了在全纳米纤维TENGs的基础上设计了一种灵活,可拉伸,透气,可生物降解和抗菌的电子皮肤,以有效地收集机械能并监测全身生理信号。通过将银纳米线(Ag NW)夹在聚乳酸-乙醇酸(PLGA)和聚乙烯醇(PVA)之间制成而成。
 
本文要点:
1)基于TENG的全纳米纤维电子皮肤,具有多层交织的纳米纤维网络和无数个三维三维纳米孔隙,为接触带电和压力传感提供了高比表面积,并为热湿转移提供了多个纤维间毛细管通道。
2)该电子皮肤对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显着的抗菌活性,可以有效抑制细菌生长并预防细菌感染。此外,通过选择和搭配可降解的PLGA和PVA,电子皮肤可以调节其使用寿命,从数小时到数周不等。
3)该电子皮肤可以实现对全身生理信号和关节运动的实时自监测。
 
该研究工作通过整合透气性、生物降解性和抗菌活性,开发了一种舒适、安全、无污染的电子皮肤,具有能量收集和高度敏感的能力,有助于推动电子皮肤在人机界面和人工智能中更实用、更环保的应用。

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Xiao Peng, et al, A breathable, biodegradable, antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectric nanogenerators, Sci. Adv. 2020
DOI:10.1126 / sciadv.aba9624
http://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaba9624
 

2. Chem. Soc. Rev.:基于光学治疗的联合策略以用于癌症纳米医学

深圳大学张晗教授和高丽大学Jong Seung Kim教授对基于光学治疗的联合治疗策略及其在癌症纳米医学领域中的应用进行了综述介绍。
 
本文要点:
1)基于先进的激光和光学器件的光学技术对现代医学也产生了深远的影响。在癌症纳米医学领域,光热治疗和光动力治疗等也已成为重要的癌症治疗策略。然而,单模态的光学治疗往往不能完全地治疗肿瘤,这也会导致肿瘤的复发和转移,因此,迫切需要开发联合治疗的策略以实现更为高效的癌症治疗。
2)作者在文章中对光在癌症治疗中的作用以及光学治疗所面临的挑战进行了讨论,并对其与其他治疗方法的结合,例如化疗,免疫治疗,基因治疗和放射治疗等相关研究和未来的发展方向进行了讨论,旨在强调光在癌症治疗中的重要性,并就联合策略的发展进行了展望。

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Zhongjian Xie. et al. Emerging combination strategies with phototherapy in cancer nanomedicine. Chemical Society Reviews. 2020
DOI: 10.1039/d0cs00215a
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00215a#!divAbstract
 

3Chem. Rev.综述:包覆金属纳米粒子在催化中的应用

金属纳米颗粒在非均相催化中引起了极大的关注。然而由于其高表面能,在催化过程中很容易因迁移-聚结而失活。随着纳米科学技术的飞速发展,将金属纳米颗粒包裹在纳米壳或纳米孔中成为克服金属纳米颗粒稳定性问题的最有前途的策略之一。此外,利用金属纳米粒子与包埋材料之间的协同作用以及包埋材料的分子筛分性能,可以同时提高催化活性和选择性。近日,加州大学河滨分校殷亚东教授综述了近年来包覆金属纳米粒子的合成及其催化性能的最新进展。
 
本文要点:
1)作者首先介绍了目前发展起来的具有不同结构的金属纳米粒子的合成策略,包括无机氧化物和碳的纳米壳层、多孔材料(沸石、金属−有机骨架和共价有机骨架)和有机胶囊(树枝状大分子和有机笼子)。
2)作者总结了包覆金属纳米颗粒的优点,如增强稳定性和可回收性、改善选择性、强金属−载体相互作用以及串联催化等,并总结了包覆金属纳米颗粒在热催化、光催化和电催化中的一些典型应用。
3)作者最后指出了包覆金属纳米颗粒仍面临的挑战,并对该领域的未来发展提出了个人观点。

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Chuanbo Gao, et al, Encapsulated Metal Nanoparticles for Catalysis, Chem. Rev., 2020
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00237
https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00237
 

4. Nano Letters:二维石墨氮化碳光充电锌离子电容器

离网储能设备对于物联网和智能城市无处不在的传感器系统等分布式应用正变得越来越重要。迄今为止,通过将能量存储设备(例如电池或电容器)与能量收集器(例如太阳能电池)相结合已经实现这一目标。然而,这种方法难免固有地增加了设备占地面积,并且能量收集器的输出电压通常与能量存储设备所要求的电压不匹配。
 
有鉴于此,剑桥大学Buddha Deka Boruah,Michael De Volder首次报道了一种可光充电的锌离子电容器,即使用二维石墨氮化碳(g-C3N4)光电阴极的可光充电ZIC(Photo-ZIC),其中将石墨碳氮化物同时用作电容器电极和集光材料,用于同时收集太阳能和储存电荷,而无需使用任何外部光伏器件。
 
本文要点:
1)研究发现,Photo-ZIC允许光直接为其充电,并且可以在连续的光供电模式下工作。
2)实验结果表明,ZIC的光充电比电容高达11377 mFg-1,光充电电压响应为~850 mV,并在1000次循环中保持约90%的容量。
3)由于与使用光伏和储能系统相结合的替代解决方案相比,该设备架构简单,因此有望用于为超低功耗紧凑型离网设备供电,例如在物联网应用中。
 
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Buddha Deka Boruah, et al, Photo-Rechargeable Zinc-Ion Capacitor using 2D Graphitic Carbon Nitride, Nano Lett., 2020
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01958 
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01958
 

5. Angew:反水煤气变换反应中Pd在TiO2上的原位分散:原子分散Pd的形成

将单原子催化剂(SACs)的应用范围扩展到高温加氢要求材料在热力学上优先形成孤立的金属原子而不是团簇。近日,美国西北太平洋国家实验室Janos Szanyi等研究发现,在400°C的反水煤气变换(rWGS)反应过程中,Pd可以形成孤立原子分散到TiO2上。
 
本文要点:
1)为了形成原子级分散Pd,在进行400°C的反水煤气变换(rWGS)反应过程前需将预催化剂(0.1 wt% Pd/TiO2)与十倍量的TiO2物理混合。
2)92小时内rWGS活性的持续增加,这表明了Pd的原位分散,同时作者也进行了动力学分析,红外光谱,扫描透射电子显微镜和X射线吸收光谱的表征。
3)Pd在高温rWGS条件下的热力学稳定性与Pd-Ti配位(焓稳定)有关。除此之外,稳态同位素瞬态动力学分析表明,催化WGS反应所需的氧化物负载的原子数上限为2。
 
该工作报道的贵金属SACs合成方法可以普遍应用,并为研究异质活化氢对不饱和官能团的反应性提供了平台。

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Nicholas C. Nelson, et al. In Situ Dispersion of Pd on TiO2 During Reverse Water‐Gas Shift Reaction: Formation of Atomically Dispersed Pd. Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI: 10.1002/anie.202007576
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202007576
 

6. AM:具有强的面内各向异性的二维无机双分子晶体用于二阶非线性光学

由两个不同的无机分子组成的二维(2D)无机双分子晶体由于各个组分的协同作用,有望形成新颖的物理和化学性质。然而,由于非典型的层状结构和复杂的分子间相互作用导致制备上的困难,二维无机双分子晶体仍未开发。近日,华中科技大学Tianyou ZhaiHuiqiao Li等报道了通过一种简便的垂直微间距升华策略,合成了2D无机双分子晶体SbI3·3S8纳米带。
 
本文要点:
1)微间距使升华的分子限制在狭窄的空间内,并确保稳定的生长条件,这在减小SbI3·3S8的厚度和增强最终产品的可控制性方面起着关键作用。此外,SbI3四面体与冠状S8之间的电荷转移相互作用有效地改善了SbI3·3S8纳米带的热稳定性。
2)研究发现,合成的SbI3·3S8纳米带在声子振动和分子内振动方面表现出很强的面内各向异性,显示出各向异性的光吸收,并具有3.9的高二向色比。
3)此外,作者还发现SbI3·3S8纳米带的二次谐波产生强度高度依赖于激发波长和晶体学取向。
 
该工作的报道对二维无机双分子晶体的生长具有重要的借鉴意义,并激发了双分子光电器件潜在应用的研究。
 
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Xin Feng, et al. 2D Inorganic Bimolecular Crystals with Strong In‐Plane Anisotropy for Second‐Order Nonlinear Optics. Adv. Mater., 2020
DOI: 10.1002/adma.202003146
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003146
 

7. AM:机械强度高、弹性好、可修复的离子凝胶,适用于高度敏感、超耐用的离子皮肤

由于传感器在实际应用中会遭受不可避免的疲劳和物理损伤,制造高耐久性的仿皮肤传感器仍然具有挑战性。有鉴于此,吉林大学的Junqi Sun等研究人员,通过将离子液体(ILs)浸渍到机械坚固的聚(脲-氨基甲酸乙酯)(PU)网络中,制造出具有优异的可愈合性和高灵敏度的超耐久离子皮肤(I‐skins)。
 
本文要点:
1)聚氨酯网络由结晶聚(ε-己内酯)和柔性聚(乙二醇)组成,它们通过受阻脲键和氢键动态交联。
2)这种设计赋予所得离子凝胶高的机械强度、良好的弹性、类似于天然皮肤的杨氏模量和优异的可愈合性。
3)基于离子凝胶的皮肤对各种应变(0.1-300%)和压力(0.1-20 kPa)表现出高灵敏度。重要的是,在10 000次不间断的应变循环中,I-skins显示出高度可再现的电响应。
4)露天存放200天的I-skin的传感性能与新制备的I-skin几乎相同。
5)破裂的I-skin可以通过在65℃下加热而轻松愈合,从而恢复其原始的超耐用传感性能。
 
I-skin的长期耐用性归功于ILs的非挥发性、优异的可修复性和精心设计的机械性能。

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Tianqi Li, et al. Mechanically Robust, Elastic, and Healable Ionogels for Highly Sensitive Ultra‐Durable Ionic Skins. Advanced Materials, 2020.
DOI:10.1002/adma.202002706
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202002706
 

8. ACS Nano:用于大规模二维材料表征的外延铝表面增强拉曼光谱基底

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种超灵敏的技术,可识别痕量分析物的振动指纹。然而,当前的SERS技术缺乏均一,可再生和稳定的基底用于在宽的光谱范围内控制等离激元热点。近日,国立清华大学Shangjr Gwo等研究发现外延铝膜有望作为SERS应用的大规模等离激元平台。
 
本文要点:
1)原子薄的过渡金属二硫属化物(TMDC)单层具有固有的二维均匀性,作者将其用作基准分析物来评估铝基底的均匀性。
2)研究发现,铝基底除了在紫外光(325 nm)下具有独特的光谱能力外,在可见光范围(532 nm)下与使用相同的SERS基底设计的单晶胶态银晶体制成的银对应物具有相当的光谱能力。
3)在可见光范围内出乎意料的出色性能归因于外延铝膜具有的诸多优势,包括结构优势(超光滑,单晶),形成用于自保护的超薄天然氧化物层(稳定性),原子光滑的形态(无背景),以及简便的表面功能化设计等。
 
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Soniya S. Raja, et al. Epitaxial Aluminum Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Substrates for Large-Scale 2D Material Characterization. ACS Nano2020
DOI: 10.1021/jacs.0c03462
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03462
 

9. AEM:具有超高储能性能的无疲劳Aurivillius相铁电薄膜

介质电容器已成为电子电气系统的关键使能技术。尽管基于铁电陶瓷和铁电薄膜的电容器的发展已经取得了长足的进步,但在提高铁电材料能量密度的同时防止极化疲劳的研究却少之又少。近日,同济大学翟继卫教授,华中科技大学张光祖副教授,宾夕法尼亚州立大学Qing Wang教授报道了在107个充/放电循环和-60至200 °C的宽温度范围内,具有铁电Aurivillius相的Bi3.25La0.75Ti3O12-BiFeO3BLT-BFO)表现出最佳的电容性能和出色的稳定性,这是有报道记录的具有最佳电容性能的铁电材料之一。
 
本文要点:
1)研究发现,BLT中掺入BFO会改变BLT晶格的化学压强,从而显著提高自发极化和能量存储性能。同时,引入的BFO产生了纳米级的畴和更多的晶界以及引入Fe2+Fe3+作为电荷陷阱,从而降低了铁电磁滞和传导损耗,显著提高了能量效率和放电能量密度。
2)由于降低了BFO改性BLT膜的泄漏电流密度,其击穿强度也得到了有效提高。因此完全解决了高能密度电容器Aurivillius相铁电体的关键局限性。高应用和广泛的温度和频率范围内应用结果显示,BLT-BFO具有出色的疲劳耐久性,极好的极化稳定性和电容性能。例如,当在2600 kV cm-1的电场下进行107次充放电循环后,其能量密度和充放电效率仅变化1.5%和1%。
 
这项工作为Aurivillius相铁电体的合理设计提供了新的范例,并为设计用于储能和转换应用的完全不同类别的铁电体提供了新的途径。

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Zhongbin Pan, et al, Fatigue-Free Aurivillius Phase Ferroelectric Thin Films with Ultrahigh Energy Storage Performance, Adv. Energy Mater. 2020
DOI: 10.1002/aenm.202001536
https://doi.org/10.1002/aenm.202001536
 

10AFM: 通过合理的界面层设计以及活性层形貌调控并采用刮涂印刷工艺制备高性能柔性钙钛矿太阳电池

有机-无机杂化钙钛矿材料具有较好的光电性能以及可低温加工的优势,使其非常适合应用于柔性光伏器件。然而,目前绝大多数高效率(PCE>19%)柔性钙钛矿太阳电池(Perovskite Solar Cell,PSC)都是采用旋涂的加工工艺来制备光活性层,而采用其他薄膜沉积方法制备的柔性PSC的能量转换效率都较低。但是,旋涂法对原材料的浪费极大,并且由于旋涂时不同半径处的薄膜所受到的剪切力不一样,因此很难用于制备大面积厚度均匀的薄膜。
 
鉴于此,暨南大学新能源技术研究院麦耀华团队报道了一种基于刮涂印刷工艺制备的高效柔性PSC。
 
本文要点:
1) 采用一种叫做硫脲(TU)的添加剂来调节钙钛矿活性层的结晶形貌;之后又通过使用PEDOT:PSS/PTAA双界面层与钙钛矿材料之间形成“Cascade Level”的能级结构,从而大大减少了载流子在界面处的复合,极大提升了器件的FF。最终,制备的小面积(0.09 cm2)的柔性PSC的PCE达到19.41%,FF达到81%,这是目前报道的柔性PSC器件中最高的FF之一。更大面积(1 cm2)的柔性器件的PCE达到16.61%,FF达到72%,显示出刮涂工艺在制备大面积器件时的巨大优势。
2) 进一步的研究发现,基于PEDOT:PSS/PTAA双空穴传输层的器件,在受到弯曲应力作用时,能更好的保护柔性透明导电电极PEN/ITO,从而提升柔性PSC在弯曲引力作用下的机械稳定性,其在3 mm的弯曲半径下,经过2000次弯折之后,PCE依然能够保持初始值的90%。该研究为制备出同时实现高PCE和高机械稳定性的柔性PSC提供了一种简单有效的方法,促进了柔性PSC技术的商业化应用。
 
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Zhen Wang, et al. Rational interface design and morphology control for blade-coating efficient flexible perovskite solar cells with a record FF of 81%. Advanced Functional Materials. 2020
DOI: 10.1002/adfm.202001240
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202001240

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