​顶刊日报丨陈小元、黄云辉、李剑锋、曾海波、郭少军、张晗等成果速递20210210
纳米人 2021-02-23
1. Chem. Soc. Rev.:超分子癌症纳米诊疗

浙江大学黄飞鹤教授、纽约州立大学Timothy R. Cook、清华大学喻国灿研究员和新加坡国立大学陈小元教授对超分子癌症纳米诊疗相关研究进行了综述介绍。
 
本文要点:
1)由于癌症的复杂性和多样性,如何有效治疗癌症仍然是一个严峻的难题。纳米诊疗学是将治疗和诊断试剂融合在纳米配方中而产生新一代个性化医学领域,旨在实现癌症的精准诊断和有效治疗,进而显著提高癌症患者的生存率和生活质量。与大多数常规平台的治疗能力不尽人意不同,超分子癌症纳米诊疗平台在早期诊断和治疗方面具有许多突出的优势,其在临床转化和应用方面也表现出了巨大的应用潜力。
2)作者在文中对超分子肿瘤纳米诊疗学的研究进展进行了综述,旨在为设计新的靶向型超分子诊疗药物提供理论指导,并在此基础上进一步推进超分子癌症纳米诊疗学的发展和促进其转化临床应用。

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Jiong Zhou. et al. Supramolecular cancer nanotheranostics. Chemical Society Reviews. 2021
DOI: 10.1039/d0cs00011f
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d0cs00011f#!divAbstract

2. Chem:金属纳米晶压印合成块体金属晶界材料

晶界工程对多种多样的材料中的力学、电子学、热传输性质等非常关键,但是对于目前的晶界工程方法学中,基本上只能通过自上向下方法,导致精确晶界工程化(尤其是纳米尺度)难以实现。有鉴于此,布朗大学陈鸥等报道了一种新型基于压印(coining)的晶界工程处理方法,通过在高压中对纳米晶加固形成块体晶界结构。得到的块体晶界材料具有金属特征、较好的导电性,其中组成纳米晶的本身晶界保持了本来的纳米晶特征

本文要点:
1)本文方法通过表面工程化金属纳米晶作为构建纳米晶界的构建单元,能够形成自支撑金属材料,其中含有设计的纳米尺度轴区域。
2)此类纳米晶体压印形成的块体晶界结构材料展示了金属特性、导电性、更高的机械强度本文方法帮助作者从无定形Pd纳米晶构建首例单一组分块体金属玻璃,本文方法为发展新型材料,其中性质主要由纳米尺度区域配置决定,比如超硬材料、热电材料、功能化电极材料。

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Yasutaka Nagaoka et al. Bulk Grain-Boundary Materials from Nanocrystals, Chem 2021
DOI: 10.1016/j.chempr.2020.12.026
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929420306586

3. AM:聚阳离子、疏水聚合物层改善Li金属阳极相关电池性能

在Li电池中难以控制的枝晶生长是导致电池循环寿命较低和安全问题的主要原因,有鉴于此,华中科技大学李真、黄云辉等报道了一种聚阳离子和疏水聚合物保护层策略,通过可大规模化的流延法,从而发展了空气中稳定的、无枝晶的高性能Li金属阳极其中聚二烯丙基二甲基铵PDDA聚合物阳离子通过静电屏蔽效应改善了Li阳极界面中Li+的运动,促进均一的Li沉积,同时双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(TFSI)阴离子提供疏水环境作用,改善电池的抗潮湿稳定性

本文要点:
1)累积的TFSI阴离子有效的改善形成稳定固体电解质界面SEI,碳酸电解液中的Li沉积/脱除得以改善,从而能够在10 mAh cm-2的高容量中,在700 h工作后Li的利用效率高达51.6 %。
2)通过这种改善阳极结构的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2和LiFePO4电池的Li金属相关电化学性能显著改善,此外通过超声成像方法表征发现改善阳极结构的电池Li/ LiFePO4袋装电池中未出现气体。相关机理研究结果阐释了这种聚阳离子层实现了稳定结构SEI、均相Li沉积。

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Wu, J., et al, Polycationic Polymer Layer for Air‐Stable and Dendrite‐Free Li Metal Anodes in Carbonate Electrolytes. Adv. Mater. 2021, 2007428.
DOI: 10.1002/adma.202007428
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007428

4. AM: 富勒烯掺杂助力稳定钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池在光照下稳定运行使其商业化进程的必经之路。浙江大学Xuegong Yu 和Jiangsheng Xie等人将少量的小分子邻菲咯啉(Bphen)引入[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)中,发现Bphen可以通过形成热力学更稳定的化合物来很好地稳定C60笼电荷转移复合物。

本文要点:
1)这种增强的复合物存在于钙钛矿/ SnO2界面层,以实现效率为23.09%(经认证的22.85%)的最高效率。最重要的是,在模拟的紫外光光照和自然光照测试下,所得器件的稳定性可以接近国际电工委员会61215标准的要求。在1100 h的紫外线照射和60°C的最大功率点跟踪的1000 h连续照射后,它们可以分别保持超过95%和92%的初始效率。

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Pengjie Hang et al. Stabilizing Fullerene for Burn‐in‐Free and Stable Perovskite Solar Cells under Ultraviolet Preconditioning and Light Soaking,Advanced Materials,2021
DOI: 10.1002/adma.202006910
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202006910

5. AM:在机械约束的纳米颗粒中的纳米孪晶处稳定γ-MgH2

可逆吸氢和金属/介电转变使Mg/MgH2体系成为固态储氢和动态等离激元的首选候选材料。然而,MgH2较高的脱氢温度和缓慢的脱氢速率阻碍了其广泛应用。改善MgH2脱氢性能的一种有效策略是形成亚稳态的γ-MgH2

近日,德国海德堡大学Martin Pfannmöller,德国马克斯·普朗克固体研究所Xiaoyang Duan报道了一种在氢化过程中固有生成γ-MgH2的纳米颗粒(NP)的设计,利用TEM从电子束光刻(EBL)解析具有可再现的尺寸,形状和缺陷结构的Mg NPs中的结构机理,从而实现了对其初始状态,氢化状态和脱氢状态的结构进行比较。通过电子光谱成像(ESI)对MgH2进行了原位脱氢研究,并确定了相关的结构特征。此外,通过纳米束电子衍射(NBD)和电子断层扫描证实了这些发现。

本文要点:
1)研究发现:i)通过Mg扩散形成空隙是机械约束NPs脱氢过程中结构降解的主要机理;ii)过多的孪晶导致了氢化NPs的纳米结构;iii)亚稳态的γ-MgH2纳米晶层稳定在孪晶区域内。孪晶和γ-MgH2均可改善脱氢性能
2)在氢化过程中由于体积膨胀、MgO带的机械约束和NPs的各向异性而共同形成,产生高压应力,从而通过(301)β孪晶导致β-MgH2塑性变形。这对孪晶被认为是高压γ相的形核。这种机理是实现循环稳定的镁基动态等离激元和储氢材料并改善脱氢性能的关键一步。可以设想,在每次再氢化过程中,更受限的NP均可利用固有的体积膨胀来重整γ-MgH2

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Jochen A. Kammerer, et al, Stabilizing γ-MgH2 at Nanotwins in Mechanically Constrained Nanoparticles, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202008259
https://doi.org/10.1002/adma.202008259

6. AM:三维ZnF2基体负极生长对Zn2+离子通量和去溶剂化效应的协同控制用于长寿命和无枝晶的锌金属负极

水性可充电锌金属电池由于其固有的高容量,低成本和高安全性等优点,引起了广泛的关注。然而,不可控的锌枝晶生长导致的低库仑效率和有限的锌金属负极寿命严重限制了它们的实际应用。近日,广东工业大学李成超教授报道了通过简单快速的负极生长方法,在锌箔的表面上设计了一个3D互连的ZnF2基质(Zn@ZnF2),用作多功能保护层。

本文要点:
1)Zn@ZnF2电极不仅可以重新分配Zn2+离子通量,而且还可以显著降低去溶剂化活性能量,从而实现了稳定方便的锌沉积动力学。
2)实验结果表明,Zn@ZnF2电极可有效抑制Zn枝晶的生长,抑制析氢副反应,并具有优异的镀锌/剥离可逆性。在对称电池测试中,Zn@ZnF2电极在1 mA cm-2时表现出超过800 h的长循环寿命,容量达到了1.0 mAh cm-2,所开发的Zn@ZnF2//MnO2和Zn@ZnF2//V2O5全电池也具有令人信服的性能。重要的是,Zn@ZnF2//AC混合锌离子电容器可以在约60 mA cm−2的超高电流密度下工作5000次,容量保持率高达92.8%。

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Yang Yang, et al, Synergistic Manipulation of Zn2+ Ion Flux and Desolvation Effect Enabled by Anodic Growth of a 3D ZnF2 Matrix for Long-Lifespan and Dendrite-Free Zn Metal Anodes, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202007388
https://doi.org/10.1002/adma.202007388

7. AM: 钙钛矿对宽带300-1050 nm偏振光子的灵敏宽带检测和成像

对偏振有选择性的光电探测器可实现目标识别技术的突破。但是,基于本征各向异性晶体结构或本征各向异性器件图案的偏振敏感光电探测器的实现需要复杂的外延和蚀刻工艺,这限制了可扩展的生产和应用。南京理工大学曾海波Xiaobao Xu等人采用溶液法制备的PEA2MA4(Sn0.5Pb0.5)5I16(PEA=苯乙铵,MA=甲铵)多晶膜为光敏层,可以感测300至1050 nm的偏振光子。

本文要点:
1) 在NH4SCN和NH4Cl的辅助下,PEA2MA4(Sn0.5Pb0.5)5I16晶体的生长沿(202)晶面的有限晶体学取向发生,从而增强了各向异性光电性能。因此,该光电检测器在900 nm处实现0.41的偏振比和2.4的二色性比(Imax/Imin)。在520 nm处,Imax/Imin甚至超过钙钛矿晶体膜的1.8和1.2。
2)值得注意的是,优异的品质因数具有900 kHz的响应宽度,约3×108的I/Ioff比,0.15 nW至12 mW的线性动态范围,8.28×10-13 A×Hz-0.5的噪声电流,比探测率为1.53×1012 Jones。这项研究证明了用于弱信号感测和成像的高分辨率和高速度。偏振成像的概念证明证实了偏振敏感光电探测器满足目标识别中实际应用的要求。

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Zeyao Han et al, Oriented Perovskite Growth Regulation Enables Sensitive Broadband Detection and Imaging of Polarized Photons Covering 300–1050 nm,Advanced Materials,2021
DOI: 10.1002/adma.202003852
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202003852

8. AM:导电焦绿石氧化物外延生长铁电Hf0.5Zr0.5O2 外延薄膜

加州大学伯克利分校Ramamoorthy Ramesh等报道了通过焦绿石氧化物(pyrochlore oxide)导电电极作为结构上和化学模板,合成了铁电Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)外延薄膜。此类焦绿石氧化物,比如PbIr2O7 (PIO)、Bi2Ru2O7 (BRO),在室温中表现为金属态(电阻<1 mΩ cm),进一步的作者发现其晶格结构和Y2O3稳定的ZrO2基底、HZO层的晶格都能够匹配。

本文要点:
1)通过X射线、STEM表征方法验证了外延生长和形成畴结构,HZO薄膜的c轴很好的结合在底物上。进一步的,作者发现当HZO薄膜的厚度≥30 nm,从极性正交晶相中发现了出现非极性单斜晶相,通过热力学分析发现外延应力、界面能量是稳定极性晶相的主要作用

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Zhang, Z., et al, Epitaxial Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 with Metallic Pyrochlore Oxide Electrodes. Adv. Mater. 2021, 2006089.
DOI: 10.1002/adma.202006089
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006089

9. AM:一体化柔性溶液相锌离子电池

溶液相锌离子电池ZIBs(Aqueous zinc‐ion batteries)由于安全性较高、价格低廉,具有可靠的柔性电池器件前景,但是大规模柔性溶液相锌离子电池的发展仍具有非常大的挑战,有鉴于此,南开大学牛志强等报道了一种可规模化的组装策略用于制备柔性ZIBs电池,实现了通过滚动装配过程和刮涂法结合,构建了超薄结构一体化ZIBs电池。将PANI/SWCNT阴极、PVA-Zn(CF3SO3)2凝胶电解液、Zn/SWCNTs-RGO阳极通过连续和无缝的界面连接集成到一个整体

本文要点:
1)这种独特结构的一体化结构能够有效的避免相邻组分的移位或脱离,从而保证连续性和在变形过程中能够有效的离子/荷载保持,因此实现了结构和电化学性能的稳定。此外,通过将这种超薄结构ZIBs与钙钛矿太阳能电池组装,构建了太阳能收集和能量存储系统。
2)该电池展示了ZIBs在柔性、可穿戴电子学器件中的广泛应用前景,这种一体化组装展示了作为一种可伸展、可编辑的超薄结构的一体化储能装置。

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Yao, M., Yuan, Z., Li, S., He, T., Wang, R., Yuan, M., Niu, Z., Scalable Assembly of Flexible Ultrathin All‐in‐One Zinc‐Ion Batteries with Highly Stretchable, Editable, and Customizable Functions. Adv. Mater. 2021, 2008140.
DOI: 10.1002/adma.202008140
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008140

10. AM综述:钙钛矿在非线性光学领域的应用和发展

低维金属卤化物钙钛矿比传统半导体材料相比具有更高的非线性光学性质,因为低维金属卤化物钙钛矿材料具有独特的物理、电子结构,这种独特物理、电子结构使得卤化物钙钛矿材料展示了可能彻底改变广泛的光电领域相关传统。但是低维金属卤化物钙钛矿的非线性光子学相关研究仍处于开始阶段,而且该领域相关深入理解和总结非常缺乏。有鉴于此,华南师范大学陈伟强、深圳大学张晗等综述报道了低维卤化物钙钛矿(三维~零维)相关的三阶或者更高阶非线性光子学领域中较为重要的相关进展,同时对其应用等进行系统性总结

本文要点:
1)从物理学理论角度对低维钙钛矿材料的非线性光学性能进行总结和讨论,对其本征特点和性质中各部分的贡献(组成、能带、粒径、形貌、结构等)外部参数调控(发展核壳结构、过渡金属离子掺杂、和介电微球形成复合结构)能够调控响应进行分别讨论。
2)此外,对低维钙钛矿材料在非线性光子学、非线性光电、生物光子学等领域进行系统性的总结和分类。最终,对目前的相关技术发展和将来低维卤化物钙钛矿在非线性光子学领域中的发展和机会进行展望。

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Chen, W., Zhang, F., Wang, C., Jia, M., Zhao, X., Liu, Z., Ge, Y., Zhang, Y., Zhang, H., Nonlinear Photonics Using Low‐Dimensional Metal‐Halide Perovskites: Recent Advances and Future Challenges. Adv. Mater. 2021, 2004446
DOI: 10.1002/adma.202004446
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004446

11. ACS Energy Lett.: 多孔碳有哪些结构特征可用于氧化还原增强型电化学电容器?

在电化学电容器电解液中加入氧化还原活性分子可以增加比能量密度。有鉴于此,美国俄勒冈大学的Shannon W. Boettcher教授、光州科学技术院Seung Joon Yoo和厦门大学李剑锋教授等人,阐述了微孔(0.6-2 nm)到介孔(2-3 nm, 5-30 nm)范围内分级孔径碳作为氧化还原增强型电化学电容器电极材料的工作机理和设计原则。

本文要点:
1)重点研究了它们的孔径分布,从微孔(0.6-2 nm)到中孔(2-3 nm和5-30 nm),比表面积从约500到4000 m2/g,以及电极的自由体积,以了解其工作机制以及孔隙结构如何影响性能。然后,提供了电极工程的设计指南,以最大限度地提高氧化还原ECs的器件性能。
2)当使用碘化物作为模型氧化还原添加剂时,发现当包含空隙时,氧化还原容量与碳电极的孔体积相关。在孔径>为1 nm时,放电速率最快,而缓慢的自放电需要孔径<1 nm的孔。当不使用离子选择性膜分离器使用时,输送的容量与碳中所含氧化还原物质的数量相关。商业微孔碳MSC30的孔尺寸具有明显的层次结构,包括小于<0.8 nm的小孔和较大的1.1–3 nm的孔,显示出最佳的整体性能,阐明了关键的设计原理。
3)在此使用的代表性实例的卤离子,例如碘离子,在碳材料的表面进行快速氧化还原反应。碘离子的腐蚀性小于溴离子(氧化时),因此更适合于基础研究。碘离子半径为0.22 nm,聚碘离子的线状结构长度约为0.5 nm (I2)到0.9 nm (I3-)。电解质水溶液中的氧化反应可分为两个步骤:首先将I-转化为I2,然后与电解液中剩余的I-络合形成水溶性的I3-

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Yang Zhao et al. What Structural Features Make Porous Carbons Work for Redox-Enhanced Electrochemical Capacitors? A Fundamental Investigation. ACS Energy Lett., 2021.
DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02424
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02424

12. National Science Review:一种高效原子薄弯曲型PdIr双金属烯电催化剂

具有超高比表面积的多金属烯以其独特的表面电子结构,在利用表面应变效应精确调节表面非均相d电子方面具有很大的潜力,是一类极具应用前景的新型二维电催化剂。然而,实现原子薄的多金属烯仍然面临着巨大的挑战。

近日,北京大学郭少军教授报道了一种新的合成原子级钯-铱(PdIr)双金属烯的方法,其平均厚度仅为1.0 nm,对析氢反应(HER)和甲酸氧化反应(FAOR)具有良好的催化作用。

本文要点:
1)研究人员通过乙酰丙酮钯(Pd(acac)2)还原,十二羰基四铱(Ir4(CO)12)在油胺(OAM)中150 ℃连续分解合成了典型的PdIr双金属烯。低倍大角度环形暗场扫描透射显微镜(HAADF-STEM)和透射电子显微镜(TEM)图像表明,所得产物完全由水平或垂直站立的石墨烯状NSs组成。从竖立的PdIr双金属烯观察,其横向尺寸大多在20-30 nm之间,具有特殊的弯曲结构。高倍TEM和原子力显微镜(AFM)测试进一步证实了PdIr双金属烯的超薄特性。
2)弯曲的PdIr双金属烯在已报道的贵金属材料中具有127.5±10.8 m2 gPd+Ir-1的高电化学活性,对HER和FAOR表现出非常低的过电位、超高的活性和改善的稳定性。
3)密度泛函理论(DFT)计算证实,表面应变效应使PdIr双金属烯在具有凹凸特征的微活性区内具有优异的表面电子结构调节能力,具有较高的电活性。因此,优异的HER和FAOR性能来源于优化的表面结合,通过Ir-5d t2g的抑制作用,Pd的过度结合得到明显缓解。同时,Ir-5d的eg活性保证了超高的OH-解离效率和稳定的HCOO*-docking ,从而促进了FAOR过程。

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Fan Lv, et al, A highly efficient atomically-thin curved PdIr bimetallene electrocatalyst, National Science Review, 2021;, nwab019
DOI:10.1093/nsr/nwab019
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab019

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