CO2还原Nat. Chem.,分子运动Nat. Chem. ​,钙钛矿Nature Energy丨顶刊日报20211021
纳米人 2021-10-24
1. Nature Energy: 钙钛矿太阳能电池在真空和氮气气氛下的降解机制

广泛的研究集中在提高钙钛矿太阳能电池的运行稳定性上,但很少有人调查基本的降解机制。早期工作中忽视的一个方面是工作期间大气对器件性能的影响。德国慕尼黑工业大学Peter Müller-Buschbaum等人使用基于同步辐射的操作掠入射 X 射线散射方法研究了在真空和氮气氛下运行的钙钛矿太阳能电池的降解机制。


本文要点:

1)与之前报告中描述的观察结果不同,研究人员发现光致相分离、晶格收缩和形态变形在真空下发生。

2)在氮气下,太阳能电池在运行过程中仅出现晶格收缩,从而使器件稳定性更好。氮气下的不同行为归因于更大的晶格畸变和相分离的能垒。

3)最后,研究人员发现过量的 PbI2迁移到钙钛矿和空穴传输层之间的界面会降低真空或氮气下器件的性能。

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Guo, R., Han, D., Chen, W. et al. Degradation mechanisms of perovskite solar cells under vacuum and one atmosphere of nitrogen. Nat. Energy 6, 977–986 (2021). 

DOI:10.1038/s41560-021-00912-8

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00912-8


2. Nature Chemistry:光控微米尺度分子运动

生物分子自然具有的沿超分子途径的微米级运动是一个了不起的系统,需要在适当的刺激作用下组分之间进行强大而可逆的相互作用。使用各种刺激的响应性显微镜系统已经显示出令人印象深刻的相对分子运动。然而,在不可抗拒的力作用下沿自组装纤维移动的可移动物体的位置尚未确定。有鉴于此,英国诺丁汉大学的David B. Amabilino等研究人员,报道了光控微米尺度分子运动。

 

本文要点:

1)研究人员描述了一个纯超分子系统,其中分子“旅行者”在可见光照射下沿着几微米的“路径”移动。

2)使用全内反射荧光显微镜对溶剂化状态下的运动进行实时成像显示,阴离子卟啉分子在辐照下沿着双咪唑凝胶的纤维移动。

3)轻微的溶剂变化意味着纤维的运动和重组产生微环,表明通过溶剂成分的纤维力学控制运动。

本文研究可能会导致人工旅行者的发展,这种旅行者可以执行催化和其他功能。

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Mario Samperi, et al. Light-controlled micron-scale molecular motion. Nature Chemistry, 2021.

DOI:10.1038/s41557-021-00791-2

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00791-2


3. Nature Chemistry:二氧化碳和亚硫酸盐的光氧化还原合成益生元

二氧化碳(CO2)是许多行星大气的主要含碳成分,包括地球的整个历史。碳固定化学利用氢作为化学计量还原剂将二氧化碳还原为有机物,通常需要高压和高温,并且潜在用于新生生物的产品产量较低。有鉴于此,英国剑桥大学的John D. Sutherland等研究人员,报道了二氧化碳和亚硫酸盐的光氧化还原合成益生元。

 

本文要点:

1)研究人员展示了二氧化碳和亚硫酸盐之间高效的紫外光解化学,产生有机物和硫酸盐。

2)该化学反应是由亚硫酸盐的电子光剥离引发的,产生亚硫酸盐自由基和水合电子,从而将二氧化碳还原为自由基阴离子。

3)还揭示了在亚硫酸盐存在下通过乙醇酸盐的辐照生成柠檬酸盐、苹果酸盐、琥珀酸盐和酒石酸盐的反应过程。

4)该羧基亚硫酸盐化学的简单性及其原料的广泛存在和丰富性表明,其可能很容易发生在岩石行星的表面。


本文研究表明,在生物固碳技术出现之前,早期地球上羧酸盐产品的可用性可能已经推动了中心碳代谢的发展。

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Ziwei Liu, et al. Prebiotic photoredox synthesis from carbon dioxide and sulfite. Nature Chemistry, 2021.

DOI:10.1038/s41557-021-00789-w

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00789-w


4. Nature Commun.:Te半导体用于电阻转换器

发展电阻开关交叉点阵列作为下一代高密度存储、内存计算、神经系统计算等特别需要发展计算机中的两个组分,其表现与目前操作需求有所区别。目前各种不同器件的操作技术中需要进行反复的进行电流波动变化,是其中的主要难点。


有鉴于此,清华大学裴京、刘大猛、李黄龙,北京信息科技大学段文睿等报道发现通过具有电化学活性的低导热、低熔点的半导体Te丝能够解决这个问题,在作为选择器或存储器的过程中分别在各自工作电流区间内有效的进行工作。进一步的,作者制作了一连串的两个Te半导体器件,分别作为选择器和存储器进行工作,实现了选择器-存储器的工作模式,说明半导体Te能够作为普适性的阵列半导体结构单元


本文要点:

1)通过一些器件优化验证发现,Te基电阻转变器件具有比较广阔的设计空间和机会。比如作为对不同功焓进行作为保护电极、或者作为不同导热系数材料的介电材料时都显著影响相关器件的工作性能。

2)作者认为Te材料的独特电化学-热化学性质是导致这种新颖的现象产生的原因,这种独特电化学、热化学性质为Te用于下一代电阻转换器器件提供广泛的机会。

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Yang, Y., Xu, M., Jia, S. et al. A new opportunity for the emerging tellurium semiconductor: making resistive switching devices. Nat Commun 12, 6081 (2021).

DOI: 10.1038/s41467-021-26399-1

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26399-1


5. Nature Commun.:β-Zn4Sb3的快速合成和稳定性改善

由于具有的移动离子现象,导致β-Zn4Sb3材料成为具有前景的材料能够实现再进入相的过程中不稳定、混合电子离子传导能力、热电催化等。有鉴于此,武汉理工大学唐新峰、吴劲松,克莱姆森大学Jian He等报道通过锯齿波电场中β-Zn4Sb3材料中Zn2+离子快速移动和生成三维离子导电网络结构的现象进行超快速合成β-Zn4Sb3移动离子、电场、温度场导致形成晶化/无定形的核壳结构微结构得到自适应的稳定β-Zn4Sb3。这是因为当电流切断过程中离子通道快速冷却,导致生成无定型非化学计量比Zn4Sb3层修饰有内层的晶化β-Zn4Sb3晶粒。这种无定形能够限制Zn2+在晶粒之间转移,因此阻碍形成Zn沉淀。通过这种机制有效改善了再进入β-Zn4Sb3过程中的不稳定现象

 

本文要点:

1)通过电场、动态形成三维离子导电网络有效的提高传质速率,改善Zn、Sb化学反应生成β-Zn4Sb3的速率,比常用的温度驱动进行原子扩散/化学反应效率更高。

2)通过Cd、Ge在Zn位点掺杂修饰,能够起到立体位阻作用,因此能够实现限制Zn2+离子的长程移动,因此能够扩展热电性能操作区间。

本文研究结果为发展离子/电子混合导电热电材料、电池、功能性材料提供机会。

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Yang, D., Su, X., He, J. et al. Fast ion transport for synthesis and stabilization of β-Zn4Sb3Nat Commun 12, 6077 (2021).

DOI: 10.1038/s41467-021-26265-0

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26265-0


6. AM: 效率超过21%的稳定二维钙钛矿太阳能电池

由于光吸收和电荷传输不足,二维(2D)Ruddlesden-Popper(RP)钙钛矿表现出相对较低的效率。华中科技大学Xinliang ZhangMing Shao等人制造了甲基铵(MA)、甲脒(FA)和 FA/MA 混合二维 PSC。


本文要点:

1)加入FA阳离子可扩展吸收范围并增强光吸收。光谱表明,FA 阳离子显著增加了3D类相到2D相的部分,XRD 研究表明基于FA的2D钙钛矿具有倾斜的晶体取向。

2)然而,超快的相间电荷转移导致极长的载流子扩散长度(~1.98 μm)。此外,氯化物添加剂有效地抑制了纯FA基二维PSC的黄色δ相形成。

3)因此,基于FA/MA混合和纯FA的二维PSC都表现出超过20%的效率。具体而言,基于纯FA的2D PSC 实现了创纪录的 21.07%(认证为 20%)的PCE,这是迄今为止报告的低维PSC(n≤10)的最高效率。

4)重要的是,基于FA的2D PSC在 85°C 持续加热 1500 小时后仍保持其初始效率的97%。基于纯FA的2D PSC 有望实现与3D钙钛矿相当的效率,以及更好的设备稳定性。

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Shao, M., Bie, T., Yang, L., Gao, Y., Jin, X., He, F., Zheng, N., Yu, Y. and Zhang, X. (2021), Over 21% Efficiency Stable Two-dimensional Perovskite Solar Cells. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2107211. 

https://doi.org/10.1002/adma.202107211


7. AM综述:可作为癌症疫苗的仿生递送平台

华南理工大学王均教授和南洋理工大学浦侃裔教授对可作为癌症疫苗的仿生递送平台相关研究进行了综述。

 

本文要点:

1)使用癌症疫苗的目的是激发免疫系统的肿瘤特异性反应,以识别和根除恶性肿瘤细胞,同时不会伤害正常组织。此外,肿瘤疫苗需要能够诱发长期免疫记忆,进而防止肿瘤的转移和复发。研究表明,肿瘤疫苗为实现肿瘤免疫治疗提供了一个有效的选择。然而,由于长期存在免疫原性差、免疫抑制肿瘤微环境、肿瘤异质性、免疫耐受性和全身毒性等挑战,肿瘤疫苗的临床疗效一直较低。近年来,仿生材料和仿生技术在癌症纳米医学领域开始发挥重要的作用。通过模拟自然界理想的化学和生物学特性,仿生工程化癌症疫苗递送平台可以有效地将治疗物质递送到肿瘤部位,放大抗原和佐剂的生物活性,并实现时空可控的按需免疫激活。研究表明,将仿生设计集成到癌症疫苗递送平台可以在保持其良好安全性的同时提高疗效,进而有助于加快癌症疫苗的临床转化。

2)作者在文中对癌症疫苗仿生递送平台的最新研究进展进行了综述,并且讨论了该领域目前面临的障碍和挑战以及未来的发展方向。

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Jing Liu. et al. Bioinspired and Biomimetic Delivery Platforms for Cancer Vaccines. Advanced Materials. 2021

DOI: 10.1002/adma.202103790

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103790


8. AM:双层石墨烯受限二维空间中金属氯化物的多晶相

低维材料因其耐人寻味的特性以及在制备非传统异质结构时基于集成的灵活性而吸引了人们极大的研究兴趣。近日,日本产业技术综合研究所Kazu Suenaga,Yung-Chang Lin报道了通过金属和氯原子的插层,在双层石墨烯之间生长出前所未有的二维金属氯化物结构。


本文要点:

1)研究人员发现了大量不同于其典型体相的AlCl3和CuCl2的空间受限2D相,并用原位扫描透射电子显微镜(STEM)直接观察到了电子束作用下这些新相之间的转变。进一步的密度泛函理论(DFT)计算证实了STEM实验得到的原子结构的亚稳性,并提供了从绝缘体到半金属的相的电子性质的见解。

2)此外,不同金属氯化物的共插层形成了全新的杂化体系,得到了平面内准一维AlCl3/CuCl2异质结。


多晶相的存在暗示了在石墨烯薄片之间制造具有不同电子性质的新型2D材料的独特可能性。

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Yung-Chang Lin, et al, Polymorphic Phases of Metal Chlorides in the Confined 2D Space of Bilayer Graphene, Adv. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adma.202105898

https://doi.org/10.1002/adma.202105898


9. AEM:M13噬菌体提高钙钛矿太阳能电池的效率

钙钛矿太阳能电池(PSC)因其高功率转换效率(PCE)而被认为是最有前途的太阳能收集器之一。为了进一步提高PSC的PCE,添加剂工程是一条有效的策略。成均馆大学Il Jeon国立釜山大学Jin-Woo Oh以及京都大学Hyung Do Kim等人受到自然启发,采用经过基因改造的生态友好型M13噬菌体,作为钙钛矿晶体生长模板和PSC钝化剂,以提高器件的性能。


本文要点:

1)M13 噬菌体的基因操作通过放大指定的氨基酸组来增强钙钛矿材料和单链病毒之间的路易斯配位。在 20种氨基酸中,赖氨酸(Lys或K)、精氨酸(Arg或R)和蛋氨酸(Aug或M)与钙钛矿材料的相互作用最强。结果表明K扩增的基因工程M13噬菌体是最有效的。

2)在实验室中,接种 K 型M13病毒的PSC产生的PCE为 23.6%。该设备在国家实验室进行验证时,显示出经过认证的正向和反向偏压的高组合效率 (22.3%),据报道,这是基于生物材料的最高效率之一。 

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Han, J., et al, Genetic Manipulation of M13 Bacteriophage for Enhancing the Efficiency of Virus-Inoculated Perovskite Solar Cells with a Certified Efficiency of 22.3%. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101221. 

DOI:10.1002/aenm.202101221

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202101221


10. AEM:大容量Cu2O正极的可逆快速(脱)氟化助力实用化全固态氟离子电池

全固态氟离子电池(FIBs)被认为是一种极有前途的储能器件,然而目前开发的正极材料在高能量密度和高倍率性能方面还不能满足FIBs实用化的要求。近日,日本京都大学Kentaro Yamamoto报道了首次使用稳定、低成本的氧化亚铜(Cu2O)作为全固态FIBs的正极材料,具有可逆和快速(脱)氟化行为。


本文要点:

1)研究人员通过电化学方法和X射线吸收光谱相结合,确定了Cu+/Cu2+氧化还原电荷补偿的相变反应机理。

2)实验结果显示,首次放电容量约为220 mAh g−1,在前5个循环中观察到快速的容量衰减,这归因于部分结构的非晶化。此外,与简单的金属/金属氟化物体系相比,该材料表现出优异的倍率性能,在1 C下的首次放电容量为110 mAh g−1

3)研究人员进一步研究了速率决定步骤和可能的结构演化。


这项研究对于Cu2O作为阴极材料的综合研究有望提高人们对全固态FIBs的理解。

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Datong Zhang, et al, Reversible and Fast (De)fluorination of High-Capacity Cu2O Cathode: One Step Toward Practically Applicable All-Solid-State Fluoride-Ion Battery, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202102285

https://doi.org/10.1002/aenm.202102285


11. ACS Nano: 用于等离子体增强太阳能蒸发的铜@聚吡咯纳米线网络

能源和水是现代社会发展的两大稀缺必需品。太阳能驱动的汽化,从取之不尽的阳光中获取能量,并将其转化为热能以产生蒸汽,是一个可行的和潜在的战略来解决这两个问题。(1) 目前的技术在很大程度上依赖于使用辐射吸收剂来提高能量转换效率。(2) 这需要高光学捕获能力以捕获尽可能多的阳光和较低的热损失以减少无益的热传递。同样,合理管理水和蒸汽内的传质系统也很重要。


有鉴于此,西安交通大学赵宇鑫研究员等人,设计制备了一种由铜@聚吡咯同轴纳米线(Cu@PPy NWs)组成的气凝胶形式的新型吸收器,具有反向珍珠状 3D 互锁骨架微结构,能够在 1 个太阳光照射下实现 2.09 kg/m2h 的集水率,并且光热转换效率高达 97.6%。


本文要点:

1)设计的前提是铜纳米线 (Cu NW) 框架充当光学纳米天线和等离子体波导,用于将远场自由空间光子快速转换为受限声子。入射到金属铜上的光产生表面等离子体共振 (SPR),它通过朗道阻尼进一步衰减为热电子,导致热激发和纳米结构本身及其周围环境的显着加热。

2)在铜纳米管上原位封装聚吡咯不仅可以吸收宽带光,还可以保护内部的金属芯免受氧化和腐蚀,使其在实际使用中具有相当的稳定性。此外,PPy外壳还能带来强烈的热障效应,降低纳米线构建块对水和周围空气的热损失。

3)源自这些特性的协同作用,所制备的材料具有超级可回收的抗疲劳、弹性、在可见光波长强烈的光聚焦,以及隔热,同时保证了期望的高机械稳定性和高效的太阳能热转换。

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Wei Wang et al. Engineering a Copper@Polypyrrole Nanowire Network in the Near Field for Plasmon-Enhanced Solar Evaporation. ACS Nano, 2021.

DOI: 10.1021/acsnano.1c05789

http://doi.org/10.1021/acsnano.1c05789


12. ACS Nano:多机制定向自组装制备金属纳米网

嵌段共聚物薄膜(BCP)的自组装可成熟用于在特征尺寸为几纳米或以上的衬底上生成由光栅、弯曲、结、点、线段、方形对称和其他形貌组成的2D图案。将BCP自组装到制造3D结构的扩展也受到诸如晶体管互连、等离激元结构和薄膜的多层金属化等应用的推动。纳米级网格在诸如光电子学、表面增强拉曼光谱、疏水表面和交叉点器件以及用于制造包括位图案化介质在内的直线结构等一系列技术中极具应用前景。


近日,麻省理工学院Caroline A. Ross,Alfredo Alexander-Katz报道了发展了一种基于PS-b-P2VP di-BCP的多机制定向自组装(MMDSA)方法,可以在不需要逐层图形转移或高分辨率光刻模板的情况下制备导电纳米颗粒。


本文要点:

1)研究人员系统地研究了MMDSA涉及的三种机制:沟壁引导(TG)、边缘成核(EN)和底层引导(UG)。通过大量的实验和模拟,揭示了每种机制的触发机制及其相互作用。通过耗散粒子动力学模拟再现了TG和EN机制,并描绘了UG产生网格和平行排列的条件。

2)通过选择BCP对、特征比C(=沟槽深度/膜厚)和底部BCP层的刻蚀条件,依次应用这三种机制来演示MMDSA,并制备出具有网状(3D)-线状(2D)混合形貌和有序导电纳米颗粒的多元金属结构。

 

这项研究为通过简单的自组装工艺制备具有多种成分的不同几何形状和多层混合纳米结构提供了一条途径

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Runze Liu, et al, Metallic Nanomeshes Fabricated by Multimechanism Directed Self-Assembly, ACS Nano, 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c05315

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05315


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