上海交大Nature Materials;诺奖得主Feringa、樊春海、孙学良、李巨等成果速递丨顶刊日报20191224
纳米人 纳米人 2019-12-26

1. Nat. Rev. Chem.:通过动力学途径控制和活性链生长的聚合超分子

超分子化学领域源于对某些具有高缔合常数和选择性金属阳离子的主-客体络合物的研究。随着1987年诺贝尔化学奖授予Pedersen、Lehn和Cram,以表彰他们在这一领域的开创性工作,该领域逐渐发展成为一个更广泛的学科。特别是Lehn,在接下来的几年里拓宽了他的视野,他的“化学超越分子”的视野,朝向各种结构的自组装,如零维笼,螺旋和网格,直到三维坐标

 

超分子聚合物显示出迷人的结构,它们的性质和应用取决于非共价键的强度和动力学以及单体的功能特性。在这篇综述中,德国维尔茨堡大学Frank Würthner重点介绍了基于对非共价相互作用热力学和动力学的物理化学理解而开发的控制超分子聚合方法的进展。对聚合物形成和稳定的先决条件,如互补受体单元之间的高结合强度(热力学)进行了简要的讨论。


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Wehner, M., Würthner, F. Supramolecular polymerizationthrough kinetic pathway control and living chain growth. NatRev Chem (2019) 

DOI:10.1038/s41570-019-0153-8

https://doi.org/10.1038/s41570-019-0153-8

 

3. Chem. Rev.:光激活的有机分子马达及其应用

分子马达是细胞机器的核心,它可以将输入的化学和光能转化为机械能。其中,可被光激活的分子马达比由生物化学因子激活的分子马达往往更有优势。因为人们可以在气相、溶液或真空中进行反应的同时,对分子马达进行精准的时空控制,同时也不会产生多余的化学副产物。

 

莱斯大学James M. Tour教授对光激活的有机分子马达的起源和功能模式进行了综述介绍,并对嵌入有分子马达的超分子结构和光导材料在催化、生物环境和生物医学领域中的作用和发展前景进行了介绍。


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Víctor García-Lopez, Dongdong Liu, James M. Tour. et al. Light-Activated OrganicMolecular Motors and Their Applications. Chemical Reviews. 2019

DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00221

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00221

 

4. JACS:铂-稀土金属纳米合金的合成

铂-稀土(Pt-RE)纳米合金是催化氧还原反应最活跃的催化剂之一,但其化学合成一直是一个艰巨的挑战,这主要是由于两种金属的标准还原电位相差很大,且后者具有高的亲氧性。近日,丹麦技术大学Qingfeng LiYang Hu等报告了一种通用的化学方法,以制备具有可调组成和粒径的Pt-RE纳米合金。

 

作者首先将最常见的水合金属盐中的Pt和RE金属离子原子嵌入到原位形成的C-N网络中,得到对O2和H2O不敏感的稳定化合物;随后通过在温和的还原气氛(例如3.3%H2/Ar)下加热化合物来获得Pt-RE纳米合金。该过程的关键中间步骤是与Pt颗粒一起形成RE carbodiimides(RE2(CN23)。该工作报道了一种制备具有高反应性金属纳米合金的有效策略,具有重要的参考意义。


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YangHu,* Qingfeng Li*, et al. Synthesis of Pt-Rare Earth Metal Nanoalloys. J. Am.Chem. Soc., 2019

DOI:10.1021/jacs.9b10813

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b10813

 

5. Angew:锆(IV)配位笼结构与AIE分子转子进行自组装用于活细胞成像

尽管超分子配位复合物在溶液或固体状态时具有优异的主-客体化学性质,但其在水溶液中的低结构稳定性以及弱荧光发射等缺点都限制了其在真实细胞环境中的应用。新加坡国立大学赵丹教授刘斌教授合作报道了一种将高度稳定的锆(IV)基配位笼结构与AIE分子转子进行自组装的策略,并将其用于体外生物成像。

 

实验所利用的两个配位笼结构(NUS-100和 NUS-101)是由高度稳定的三核锆顶点和两个羧基修饰的四苯乙烯(TPE)组装而成。实验和理论结果表明,通过限制AIE分子转子的动力学行为可以有效地控制该配合物笼结构的荧光发射强度。由于这两种配位笼在水溶液中都具有优异的化学稳定性,并且该分子转子也很好的AIE性能,因此它们在自组装后可以作为一种新型的生物荧光探针来对体外的活细胞进行成像。


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JinqiaoDong, Yutong Pan, Bin Liu, Dan Zhao. et al. Self-Assembly of Highly StableZirconium (IV) Coordination Cages with Aggregation Induced Emission (AIE)Molecular Rotors for Live-Cell Imaging. Angewandte Chemie International Edition.2019

DOI:10.1002/anie.201915199

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915199

 

6. Angew:具有高效光致发光和光热转换性能的VS2纳米片

由电子态的局域化和多次散射特性所引起的二维非晶纳米片的电子-声子耦合在光学领域表现出了优异的性能。但是由于制备方法的限制,开发具有可控电子结构和本征光学性质的单层纳米片的报道还很少。

 

郑州大学许群教授通过改变超临界CO2的压力和温度,制备了二维非晶化VS2和部分晶化的二维VO2(D)纳米片。研究结果表明,由于强的载流子局域化和量子约束等因素,这种独特的二维非晶VS2纳米片具有全波段吸收、强的光致发光和优异的光热转换效率等性能。


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YannanZhou, Qun Xu. et al. Accurate Control of VS2 Nanosheets forCoexisting High Photoluminescence and Photothermal Conversion Efficiency. Angewandte ChemieInternational Edition. 2019

DOI:10.1002/anie.201912756

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201912756

 

7. Angew: 交联剂的晶界缺陷钝化实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)具有出色的性能,具有作为光电转换器的潜力。但是,钙钛矿层中的缺陷,特别是在晶界(GBs)处的缺陷严重限制了PSC的性能和稳定性。近日,苏州大学李亮等人介绍了一种简单的后处理方法:将2‐aminoterephthalic acid加到钙钛矿上以制备有效且稳定的PSC。

 

通过优化后处理条件,该器件可实现21.09%的出色功率转换效率(PCE),并显示出更高的稳定性。这种改善归因于以下事实:2‐aminoterephthalic acid作为一种交联剂,可抑制离子迁移并钝化GBs处的陷阱态。这些发现为就缺陷钝化和晶体生长方面设计有效且稳定的PSC提供了潜在的策略。


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Li, L. et al. Observing the Defect Passivation ofGrain Boundary with 2- Aminoterephthalic Acid for Efficient and StablePerovskite Solar Cells. Angew. 2019.

DOI:10.1002/ange.201915422

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ange.201915422

 

8. Angew:硼诱导CoP电子结构重分布显著提高宽pH析氢性能

尽管过渡金属磷化物(TMPs)是最有可能替代析氢反应(HER)Pt催化剂的催化材料之一,但是要进一步提高其催化性能,则需在局域原子层面对TMP位点进行精细调控,并深入了解与其特定电子结构相关的催化机制。近日,来自黑龙江大学陈志敏、任志宇等人首次报道了纳米碳管锚定经B调变电催化特性的CoP(B-CoP/CNT)并在较宽的pH范围内获得了较高的HER性能。

 

B-CoP/CNT在较高的电流密度下(>100A cm-2)在中性和碱性介质中均显示了优异的HER性能。研究人员结合实验和理论研究明确了低电负性的B掺杂剂能够重构与其成键的Co原子及其邻近的P原子的局域电子构型和原子排列,从而增强Co原子的电子离域能力,提高导电性能,优化活性位点上H吸附和H2脱附的自由能,加快HER动力学。这些发现为非金属掺杂剂调变电子结构,开发高性能电催化剂提供了可行的研究策略。


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ZhiminChen*, Erping Cao, Hao Wu, Peng Yu, Ying Wang, Fei Xiao, Shuo Chen, Shichao Du,Ying Xie, Yiqun Wu, Zhiyu Ren*, Boron‐induced CoP electronic structure reformation drives remarkablyenhanced pH‐universal hydrogen evolution, AngewandteChemie, 2019.

DOI: 10.1002/ange.201915254

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201915254?af=R

 

9. AM: 创纪录的19.2% EQE! 来自量子阱发光二极管的新突破!

胶体量子阱(CQW)由于其高消光系数和超窄发射带宽的独特激子特性,被认为是一种很有前途的光电材料。但CQW-LED的性能远远落后于其他类型光电软材料LED(例如,有机LED,胶体量子点LED和钙钛矿LED)。近日,阿卜杜拉·居尔大学Evren Mutlugun、南洋理工大学 HilmiVolkan Demir等人报道了接近理论极限的高效CQW-LED。实现这种高性能的关键因素是利用了CQW的热注入壳(HIS)生长,它可以实现近乎完美的光致发光量子产率(PLQY),减少了非辐射通道,确保了光滑的薄膜并增强了稳定性。

 

值得注意的是,尽管进行了多次的清洗,溶液的PLQY仍保持95%,薄膜的为87%。基于CdSe / Cd0.25Zn0.75S核/ HIS CQW的CQW-LED的最大外部量子效率为19.2%,最高亮度为23 490 cd m-2,CIE坐标为(0.715,0.283)。研究结果表明,基于HIS的CQW可以实现高性能的溶液处理LED,这可能为未来基于CQW的显示和照明技术铺平道路。


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Mutlugun,E. Demir, H. V. et al. Record High External Quantum Efficiency of 19.2%Achieved in Light-Emitting Diodes of Colloidal Quantum Wells Enabled byHot-Injection Shell Growth.  AM 2019.

DOI: 10.1002/adma.201905824

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905824

 

10. Nano letters:纳米晶Li-Al-Mn-Si薄膜作为可逆Li基体:电子渗透和电化学循环稳定性

当将具有初始Li存量(LiInv)的金属箔(Li金属或LixAl)用作锂离子电池的负极时,在存在有机液体电解质和循环电化学势的情况下,其冶金破坏状态非常重要。尽管LixAl片在消除LiBCC枝晶的电压下运行,但LixAl合金负极的健康状态(SOH)仍然在全电池循环中迅速恶化。因此为了分析原因,麻省理工学院李巨团队提出了将SOH分解为SOHe×SOHi×LiInv,其中SOHe是负极内电子渗滤的SOH,SOHi是Li从正极到负极内部渗滤的SOH,而LiInv是全电池整个循环中可循环锂的量,所有量均归一化,因此1表示完全健康,0表示死亡。

 

这三个(SOHe,SOHi,LiInv)中的任何一个降至零都将意味着整个电池的失效。考虑到由于LiInv的快速下降而导致纯铝箔的性能较差,作者采用机械预锂化(MP)的方法使LiInv初始值大于1。机械预锂化产生的化学机械冲击会在未反应的Al顶部形成晶粒尺寸为10-30 nm的超纳米晶LiAl层。除此之外,作者通过实时测量平面电子电导率来监测阳极的SOHe演变,并发现,向Al中添加少量Mn或Si会引起纳米沉淀物的钉扎,并且在机械预锂化之前产生的致密晶界(GB)网络显着降低了预锂化之后的铝箔孔隙率,减缓了铝箔断裂,并改善了后续循环中的SOHe。通过保持良好的电子渗透,无粘结剂的LixAlMnSi阳极比LixAl阳极表现出数量级更稳定的SOHe和更好的电化学循环性能。


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HuiminFan, Bo Chen, Sa Li, Yue Yu, Hui Xu, Mengwen Jiang, Yunhui Huang, and Ju Li. Nanocrystalline Li−Al−Mn-Si Foil as Reversible Li Host:Electronic Percolation and Electrochemical Cycling Stability

NanoLetters, 2019.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03626

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03626

 

11. Nano Letters: 冷响应纳米胶囊用于细胞内海藻糖递送和低温保存

传统的细胞低温冷冻保存方法通常需要使用渗透性的、有毒的有机溶剂(例如二甲基亚砜、甘油等)作为低温保护剂,复温后的细胞必须经过繁琐的洗涤过程去除细胞内外的有机溶剂才能实际应用。而海藻糖是一种天然的二糖,广泛存在自然界多种微生物中,相对于传统的低温保护剂而言,具有无毒高效的低温保护效果。已有研究表明,海藻糖必须同时存在于细胞膜内外两侧时,其保护效果才最佳。然而,哺乳动物细胞自身不能合成海藻糖,且其细胞膜上没有海藻糖转运蛋白,这就导致海藻糖无法高效、无损地进入细胞内部,严重限制了海藻糖在细胞低温冷冻保存中的应用。

 

面对这一挑战,美国马里兰大学何晓明课题组和中国科学技术大学赵刚课题组合作,创造性地设计了一种冷响应的纳米胶囊,用于海藻糖的纳米尺度封装、细胞内递送和温度控制释放。且使用该方法成功实现了两种典型细胞的低温冷冻保存,其保存效果与传统的二甲基亚砜相当,却完全避免了伴随传统低温保护剂的复温后的繁琐的、损伤性的细胞洗涤过程。该方法为细胞、组织乃至器官的深低温冷冻保存提供了新思路。


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Zhang Y, Wang H, Stewart S, etal. Cold-Responsive Nanoparticle Enables Intracellular Delivery and RapidRelease of Trehalose for Organic Solvent-Free Cryopreservation. Nano letters,2019.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b04109

 

12. Nano Energy:通过可控的Cl掺杂实现LPS固态电解质的超高离子电导率

全固态锂电池由于具有比常规液体锂离子电池更高的能量和功率密度而备受关注。为了获得具有良好电化学性能的全固态电池,需要具有高离子电导率的固体电解质。据报道,通过各种合成路线制备的锂银辉石LPS,其室温锂离子电导率约为10-3S/cm,是目前最具有前景的固态电解质材料之一。近日,加拿大西安大略大学孙学良教授通过引入Cl可以使结构中的S/Cl无序化来改善锂锰矿的锂离子传导性。Li5.7PS4.7Cl1.3的超快室温锂离子电导率达到6.4 mS/cm。

 

作者系统地研究了Li7-xPS6-xClx(x=1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9)的合成参数,以获得具有高离子电导率的纯的锂银辉石相,并利用交流阻抗谱和7Li自旋晶格弛豫NMR来证明是由于掺入Cl引起的锂离子电导率的提高。分子动力学(AIMD)模拟证明,Cl的引入可以有效减小锂离子迁移在短扩散尺度和长扩散尺度上的能垒。使用包覆有LiNbO3的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2阴极和Li5.7PS4.7Cl1.3固体电解质的全固态锂电池在较高的电流密度下显示出更高的放电容量和出色的循环性能。EIS和恒电流间歇滴定技术(GITT)进一步证实,提升的电化学性能可以来自于减小的电压极化和正极与固体电解质之间的界面电阻的降低。


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C.Yu, Y. Li, M.J. Willans, Y. Zhao, K.R. Adair, F. Zhao, W. Li, S. Deng, J.Liang, M.N. Banis, R. Li, H. Huang, L. Zhang, R. Yang, S. Lu, Y. Huang, X. Sun,Superionic Conductivity in Lithium Argyrodite Solid-State Electrolyte byControlled Cl-doping. Nano Energy, 2019, S2211-2855(19)31110-3

DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104396

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104396

 

13. EnSM:硫化硒正极与铜泡沫夹层助力于有前途的镁电化学

镁(Mg)金属负极与硫(S)正极的结合具有使用安全、低成本、高能量密度等特点,是新一代电池技术的有力竞争者。然而,Mg-S电化学反应的缓慢动力学和较差的可逆性是阻碍实际Mg-S电池发展的两个主要挑战。基于此,青岛能源所的崔光磊团队基于S(高比容量)和Se(高电导率)的互补特性,提出了SeS2作为Mg电池的优良正极。在这种设计的Mg-SeS2电池中,正极和隔膜之间具有Cu泡沫中间层,SeS2与有序介孔碳(SeS2/CMK3)组成的复合材料表现出令人印象深刻的电化学性能。

 

正极侧电化学演化的各种特征表明,Cu泡沫中间层不仅可以通过快速化学固定Cu泡沫上的多硫化物(多硒化物)来充当捕集层,同时还通过硫化铜(硒化铜)与Mg2+之间的可逆置换反应,起到“促进剂”的作用,推动整体充放电动力学。得益于SeS2/CMK3的独特优势和合理设计的Cu中间层,这种新型的镁-SeS2系统为开发低成本、高容量、大电流的可充电镁电池提供了一种可行的策略。


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AobingDu, Yimin Zhao, Zhonghua Zhang, Shanmu Dong, Zili Cui, Kun Tang, Chenglong Lu,Pengxian Han, Xinhong Zhou, Guanglei Cui. Selenium Sulfide cathode with CopperFoam Interlayer for Promising Magnesium Electrochemistry. Energy StorageMaterials, 2019.

DOI:10.1016/j.ensm.2019.12.030

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719311080

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