H指数199 ! 戴宏杰教授课题组2020年代表性研究成果集锦
奇物论 2021-05-08

纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是美国科学院院士,美国医学院院士,美国科学与艺术学院院士,斯坦福大学戴宏杰教授课题组


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戴宏杰教授长期从事碳纳米材料的生长合成,物理性质研究,纳米电子器件研发,以及纳米生物医学等方面的研究,在上述领域都取得了卓越的成就,并获得了广泛的影响,是国际纳米材料研究领域的领军人物之一。


戴宏杰教授课题组部分代表性研究成果包括但不限于:

由于戴宏杰教授成果颇丰,在诸多领域均有重要成果,此处仅列举其中几种,欢迎大家留言补充。

(1)开拓和发展了化学气相沉积合成碳纳米管和通过溶液相剪切获取石墨烯纳米带等纳米碳材料可控制备方法,有力推动了碳纳米材料的物性研究和应用探索。(2)基于纳米碳材料发展新型光电子器件,研发出纳米管与金属实现欧姆接触的工艺方法并首创了高介电材料在纳米管表面均匀成核和生长方法,构筑了高性能场效应晶体管。

(3)开拓纳米材料在生物医学领域的应用,实现药物、蛋白、抗体的定向输运和肿瘤的光热治疗,提高医学成像的分辨率和穿透深度,可实时观察单根血管和其中的血液流动。

(4)发展多种碳纳米材料和无机材料的复合体系,用于提升电催化、水相电池、铝离子电池等的性能。(来源:中国科学院官网)


有鉴于此,纳米人编辑部联合简要总结了戴宏杰教授课题组2020年部分重要研究成果,供大家交流学习。

1)由于相关论文数量较多,本文仅限于通讯作者文章,以online时间为准。

2)由于学术有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。

3)由于篇幅限制,部分成果未列入编号,仅以发表截图展示。


2020年,戴宏杰教授团队极致专注于金属钾/锂电池,电催化和生物医药领域的研究,取得的重要成果包括但不限于:

1)报道了一种KCl缓冲的AlCl3/1-乙基-3-甲基咪唑氯([EMIM]Cl)离子液体电解质,并添加了乙基二氯化铝(EtAlCl2)和KFSI两种重要添加剂,成功制备出高性能钾金属电池。

2)报道了以二(三氟甲磺酰亚胺)钠(NaTFSI)为关键添加剂,由1-乙基-3-甲基咪唑(EMIm)阳离子和高浓度二(氟磺酰基)酰亚胺(FSI)阴离子组成的新型不可燃离子液体(IL)电解质的锂金属电池。

3)精确检测血清和唾液中的SARS-CoV-2抗体

4)设计了一种超纯铜箔的方波电化学氧化还原循环处理方法,用于高压下电还原CO2高效制甲酸。



以下分为四个方面展开:

PartⅠ 代表性成果

PartⅡ 金属钾/锂电池

PartⅢ 电催化

PartⅣ 生物医药


PartⅠ 代表性成果

2020年代表性成果1

一种采用安全离子液体电解液的高性能钾金属电池

由于钾(K)的丰度比锂高得多,钾二次电池被认为是下一代储能技术的有利竞争者,然而,钾金属电池的安全问题和循环寿命较差一直是制约其发展的关键瓶颈。近日,斯坦福大学戴宏杰院士报道了一种KCl缓冲的AlCl3/1-乙基-3-甲基咪唑氯([EMIM]Cl)离子液体电解质,并添加了乙基二氯化铝(EtAlCl2)和KFSI两种重要添加剂(称为“缓冲K-Cl-IL”)。(技术详情参见本文正文)


2020年代表性成果2

发展了具有新型离子液体电解质的高安全和高能量密度锂金属电池

具有高能量密度的金属锂电池可作为下一代储能设备,但其在高能量密度、高安全性和长循环寿命等面临巨大的挑战。有鉴于此,斯坦福大学戴宏杰院士报道了以二(三氟甲磺酰亚胺)钠(NaTFSI)为关键添加剂,由1-乙基-3-甲基咪唑(EMIm)阳离子和高浓度二(氟磺酰基)酰亚胺(FSI)阴离子组成的新型不可燃离子液体(IL)电解质的锂金属电池。(技术详情参见本文正文)


2020年代表性成果3

铜基催化剂高压电还原CO2高效制甲酸

电催化CO2还原(CO2RR)是一种很有前途的缓解能源和环境问题的方法,但控制反应途径和产物仍然具有挑战性。Cu基催化剂可以产生碳氢化合物和乙醇,但是伴随着析氢反应(HER),甲酸的法拉第电流效率较低并且分布在含有较多液相产物的液相电解质中,需要特殊的分离处理。斯坦福大学戴宏杰教授设计了一种超纯铜箔的方波电化学氧化还原循环处理方法,制备了富含(111)取向Cu2O纳米粒子的亚微米厚膜,用于CO2RR, CO2压力为1-60 atm。(技术详情参见本文正文)


2020年代表性成果4

精确检测血清和唾液中的SARS-CoV-2抗体

戴宏杰等人报告了通过抗体和抗体亲和力分析,依靠纳米结构等离子体金基质的近红外荧光放大,同时检测人血清和唾液中针对刺突蛋白S1亚单位和SARS-CoV-2受体结合域的抗体,对SARS-CoV-2、SARS-CoV-1及常见感冒病毒OC43、HKU1、NL63、229E的冠状病毒抗原进行免疫球蛋白亲和性测定。


PartⅡ 金属钾/锂电池


1.安全离子液体电解质用于高性能金属钾电池PNAS

由于钾(K)的丰度比锂高得多,钾二次电池被认为是下一代储能技术的有利竞争者,然而,钾金属电池的安全问题和循环寿命较差一直是制约其发展的关键瓶颈。近日,斯坦福大学戴宏杰院士报道了一种KCl缓冲的AlCl3/1-乙基-3-甲基咪唑氯([EMIM]Cl)离子液体电解质,并添加了乙基二氯化铝(EtAlCl2)和KFSI两种重要添加剂(称为“缓冲K-Cl-IL”)。

文章要点

1)与以往的有机和IL电解液相比,K-Cl-IL电解质具有不可燃性,同时在室温下表现出13.1 ms cm−1的高离子电导率,可以在Ni上进行200次的可逆镀K/剥离循环。

2)研究人员在还原氧化石墨烯(rGO)片上制备了掺杂钴的普鲁士蓝,作为高性能钾金属电池正极材料(K1.90Mn0.92Co0.08[Fe(CN)6]0.96@rGO),同时采用K-Cl-IL电解质,以及钾负极用于组装成钾金属电池。结果显示,在25 mA g-1下,电池的比容量达到107 mAh g-1,最大能量密度和功率密度分别达到381 Wh kg−1和1350 W kg−1。

3)研究发现钴掺杂显著提高了正极稳定性和K离子扩散,rGO的加入则提高了电池的倍率和循环性能。其在820次循环后容量保持率达89%,平均库仑效率(CE)高达99.9%。在60°C的高温下,电池表现出良好的循环性能和优异的倍率性能。此外,正极和负极上坚固的钝化层由K、Al、F和Cl-物种组成,这些物种是K金属电池具有优异循环性能的关键。

K-Cl-IL电解质为具有高安全性、高能量/功率密度、长寿命的K金属电池走向实用化开辟了新的机遇。

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Hao Sun, et al, A high-performance potassium metal battery using safe ionic liquid electrolyte, PNAS, 2020
DOI: 10.1073/pnas.2012716117
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2012716117


2.具有新型离子液体电解质的高安全和高能量密度金属锂电池AM

具有高能量密度的金属锂电池可作为下一代储能设备,但其在高能量密度、高安全性和长循环寿命等面临巨大的挑战。有鉴于此,斯坦福大学戴宏杰院士报道了以二(三氟甲磺酰亚胺)钠(NaTFSI)为关键添加剂,由1-乙基-3-甲基咪唑(EMIm)阳离子和高浓度二(氟磺酰基)酰亚胺(FSI)阴离子组成的新型不可燃离子液体(IL)电解质的锂金属电池。

文章要点:

1)Na离子参与复合钝化中间相的形成,有助于无枝晶锂沉积和可逆正极电化学。

2)研究表明,低粘度的电解质具有高达16 mg cm−2的实际正极质量负荷。与锂钴氧化物(LiCoO2)和锂镍钴锰氧化物(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,NCM811)组成的正极具有99.6%-99.9%的库仑效率,高达4.4 V的放电电压,比容量和能量密度分别高达199 mAh g−1和765 Wh kg−1和令人印象深刻的1200次循环性能。

3)新型离子液体电解质在两个电极上形成的高度稳定的钝化中间相是制备高度可逆的金属锂电池,特别是Li-NMC 811全电池的关键。

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Hao Sun, et al, High-Safety and High-Energy-Density Lithium Metal

Batteries in a Novel Ionic-Liquid Electrolyte, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202001741

https://doi.org/10.1002/adma.202001741


PartⅢ 电催化

3.层状3D银纳米线包覆NiMn层状双氢氧化物可用于高效的双功能氧电催化剂ACS Nano

近日,台湾科技大学Bing-Joe Hwang,Wei-Nien Su,Meng-Che Tsai和斯坦福大学戴宏杰等人报告将生长在导电银纳米线(Ag NWs)芯上的分层3D NiMn层状双氢氧化物(NiMn-LDHs)壳层作为双功能的高效,低成本且持久的析氧反应(ORR)/析氧反应(OER)金属-空气电池的电催化剂。

本文要点:

(1)分级3D结构的Ag NW@NiMn-LDH催化剂在碱性条件下表现出极好的OER/ORR活性。Ag NW@NiMn-LDHs的杰出的双功能活性基本上归因于增加的位点活性和位点种群。

(2)LDH壳的分层3D开孔结构,高的电导率和LDH壳的纤薄的协同作用与更易于获得的站点种群有关。而且,Ag核与LDH壳金属之间的电荷转移以及缺陷位点和变形位点(Ni和Mn位点的配位较少)的形成极大地增强了位点活性。

(3)Ag NW@NiMn-LDH杂化物在ORR和OER之间表现出0.75 V的过电压差,并具有30小时的出色耐久性,也是迄今为止报道的最杰出的双功能电催化剂。

(4)有趣的是,使用混合的Ag NW@NiMn-LDHs(1:2)催化剂作为空气电极的可充电锌空气电池在10 mA cm-2下的充放电电压间隙为0.77 V,并且具有出色的循环稳定性。因此,Ag NWNiMn-LDHs的分层3D体系结构的概念极大地推动了LDHs向金属-空气电池和氧气电催化剂的应用。

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Soressa Abera Chala, et al, Hierarchical 3D Architectured Ag Nanowires Shelled with NiMn-Layered Double Hydroxide as an Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst, ACS Nano 2020

DOI: 10.1021/acsnano.9b07487

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07487


4.铜基催化剂高压电还原CO2高效制甲酸JACS

电催化CO2还原(CO2RR)是一种很有前途的缓解能源和环境问题的方法,但控制反应途径和产物仍然具有挑战性。甲酸是电催化CO2还原有价值的燃料产物,可用于直接发电的燃料电池。Sn、Pb、和In是常见的电催化CO2制甲酸的催化剂。Cu基催化剂可以产生碳氢化合物和乙醇,但是伴随着析氢反应(HER),甲酸的法拉第电流效率较低并且分布在含有较多液相产物的液相电解质中,需要特殊的分离处理。

提高电催化性能的有效途径是增加阴极的CO2供给量。根据亨利定律,活性溶剂化/水合CO2(aq)和H2CO3物种在CO2分压增加的情况下,电解质中的浓度响应增加。因此,在较高的CO2压力下进行CO2RR反应有利于提高电解液中活性炭的溶解度,提高电解液的效率。然而,铜基电催化剂在高压下通常产生不同的CO2RR产物而没有高选择性。此外,在高压下一个未解决的挑战是缺乏有效的氧气释放(OER),使用非贵金属电催化剂与CO2RR配对以获得高的整体能量转换效率。斯坦福大学的戴宏杰设计了一种超纯铜箔的方波电化学氧化还原循环处理方法,制备了富含(111)取向Cu2O纳米粒子的亚微米厚膜,用于CO2RR, CO2压力为1-60 atm。

本文要点

(1)在KHCO3溶液中,45 atm以上,SW-Cu2O/Cu电极抑制了析氢反应(HER),甲酸的法拉第电流效率高达98%,连续运行20h,高效选择性生成甲酸具有良好的稳定性。

(2)全电解槽与碳酸氢镍配合使用,可获得高达55.8%的能量效率,在新设计的KOH/硼酸盐催化剂中,能够在高CO2压力下维持碱性pH环境。

(3)全电解槽在不需要产品分离的情况下,生成的甲酸有效量约为~0.4g/cm2

    研究结果对将电催化CO2还原为一种具有高能量转换效率的液体产品具有一定的指导意义。

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Jiachen Li, et al.,Electroreduction of CO2 to formate on copper based electrocatalyst at high pressures with high energy conversion efficiency,JACS,2020

DOI: 10.1021/jacs.0c00122

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00122


Part Ⅳ 生物医药


5. 等离子体基底上血清和唾液中SARS-CoV-2抗体的精确检测和定量分析Nature Biomed. Eng.

戴宏杰等人报告了通过抗体和抗体亲和力分析,依靠纳米结构等离子体金基质的近红外荧光放大,同时检测人血清和唾液中针对刺突蛋白S1亚单位和SARS-CoV-2受体结合域的抗体,对SARS-CoV-2、SARS-CoV-1及常见感冒病毒OC43、HKU1、NL63、229E的冠状病毒抗原进行免疫球蛋白亲和性测定。

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Liu, T., Hsiung, J., Zhao, S. et al. Quantification of antibody avidities and accurate detection of SARS-CoV-2 antibodies in serum and saliva on plasmonic substrates. Nat Biomed Eng 4, 1188–1196 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41551-020-00642-4


6.利用交联的功能化包覆层以促进纳米颗粒的快速代谢清除Angew

可作为诊疗试剂的纳米颗粒在目前已被广泛研究。然而,目前被批准可用于人体的纳米材料数量仍非常有限。体内近红外IIb区荧光成像 (NIRIIb,1500 - 1700 nm)具有低的光散射和接近于零的自发荧光等优势,因此其也有着更深的组织穿透和更高的成像清晰度。然而,目前大多数的NIRIIb荧光团都是基于纳米颗粒的探针,其在体内滞留时间往往很长。斯坦福大学戴宏杰教授构建了一种新型交联包覆层来对核/壳硫化铅/硫化镉量子点(PbS/CdS量子点)进行功能化,其发射波长约为1600 nm。

本文要点:

(1)该包覆层由三层交联的两亲性聚合物层(支化PEG-线型PAA-支化PEG, P3包覆层)组成,其具有高的生物相容性。静脉给药2周后,90%的QDs会从体内被代谢清除。实验将P3-QDs和抗CD8双抗 (Cysdiabody)进行偶联,证明了其可以对抗PD-L1治疗后的CD8+细胞毒性T淋巴细胞(CTLs)进行体内分子成像。

(2)实验通过将其与下转换Er纳米颗粒(ErNPs)进行结合,证明了该双路分子成像策略可以通过非侵入性的NIR-IIb光学显微镜(LSM)对PD-L1阳性肿瘤细胞和CD8阳性细胞毒性T淋巴细胞(CTLs)进行体内实时监测。与此同时,实验也证明了与TRC105(一种抗CD105的嵌合单克隆抗体)结合的P3-QDs可以对肿瘤微环境中的血管生成进行成像,并且P3-QDs也能够成像体内的深部淋巴结,其信号背景比可高达170。最后,实现发现在磁性纳米颗粒上修饰P3也能使其在2周内被快速代谢,从而充分证明了这一方法的普适性。

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Zhuoran Ma. et al.  Cross‐Link‐Functionalized Nanoparticles for Rapid Excretion in Nanotheranostic Applications. Angewandte Chemie International Edition.

DOI: 10.1002/anie.202008083

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008083


除此之外,戴宏杰教授课题组2020年在生物医药、荧光成像等领域还发表了一系列重要成果,由于内容较多,在此不一一列出。感兴趣的读者可前往戴宏杰教授课题组网站学习。


1. 大型非均匀荧光等离子体银芯片:起源和机制丨Chem

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929420305350

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2. 稀土下转换纳米粒子用于生物系统的NIR-II成像Nano Research

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-020-2721-0

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(课题组主页:http://dailab.stanford.edu/


重要理念


有同学问戴老师科研当中什么最重要。戴老师不假思索地回答“reliable”。戴老师提起他们实验室对实验数据要求非常严格,一定要能让别人按照你的文章重复出你的工作,这样的文章才是有意义的。


戴宏杰教授简介
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戴宏杰教授本科毕业于清华大学,获哈佛大学博士学位。1997年起加入斯坦福大学化学系,现任J.G. Jackson & C.J.Wood 终身荣誉教授。戴宏杰教授2002年获得美国化学会纯粹化学奖;2006年获得美国物理学会James McGroddy(新材料)奖;2009年获得哥伦比亚大学Ramabrahmam和Balamani Guthikonda奖;戴宏杰教授在物理、化学、材料和生物医学类的国际著名期刊发表论文300余篇,其论文的总引用次数超过12万次,H-index: 199。戴教授在多个国际学术刊物上担任编辑和编委工作,是《Nano Research》的发起人和主编。




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