生物物理所Nature Nano.、黄维、冯新亮、周豪慎、王双印等成果速递丨顶刊日报20200304
纳米人 纳米人 2020-03-06
1. Nature Nanotech.: 双靶向铁蛋白纳米粒用于引发治疗性免疫反应

慢性乙型肝炎是由长时间感染乙型肝炎病毒(HBV)引起的,HBV可能会大大增加患肝病的风险。尽管开发了针对HBV的预防性疫苗,但是诱导有效抗体应答的治疗性疫苗仍然难以捉摸。大HBV表面蛋白的preS1结构域是肝细胞上主要的病毒附着位点,因此提供了治疗靶点;但是,其免疫原性差限制了临床转化。

 

有鉴于此,中科院生物物理研究所朱明昭等人设计了一种铁蛋白纳米粒子疫苗,为慢性乙型肝炎的疫苗接种提供新策略。

 

本文要点:

1该疫苗可以将preS1递送至特定的髓样细胞,包括SIGNR1+ 树突状细胞(能激活滤泡性辅助T细胞)和淋巴窦相关的SIGNR1巨噬细胞(可以激活B细胞)。

 

2这种纳米颗粒疫苗可诱导高水平且持续的抗preS1反应,从而在慢性HBV小鼠模型中实现有效的病毒清除和部分血清学转换(即乙肝血清学中的HBsAg转阴且抗-HBs转阳,标志着长期预后的改善),为慢性乙型肝炎的功能治疗提供了一种有希望的可临床转化的疫苗接种策略。


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Wang,W., etal. Dual-targeting nanoparticle vaccine elicits a therapeuticantibody response against chronic hepatitis B. Nat. Nanotechnol. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41565-020-0648-y

 

2. Nature Materials:无序六角钙钛矿中的高氧离子和质子电导率

由于氧化物离子和质子导电材料在固体氧化物燃料电池(SOFCs)和质子陶瓷燃料电池(PCFCs)中的应用,近年来人们对它们的研究日益增加。燃料电池为利用可持续资源生产清洁能源提供了一种可行的选择,污染物排放量低,能源转化率高。大多数商用的SOFC使用最先进的钇稳定氧化锆(YSZ)电解质。然而,YSZ仅在高温(>700°C)下表现出足够的导电性,这在材料选择和长期耐久性方面提出了技术挑战,从而限制了SOFC技术的广泛应用。

 

众所周知,氧化物离子导体和质子导体是提高陶瓷燃料电池性能的关键。晶体结构在离子导电性能的确定中起着关键作用,新材料的发现是一个具有挑战性的研究热点。在这里,英国亚伯丁大学的Sacha Fop & Abbie C. Mclaughlin等人合成了未掺杂六角钙钛矿Ba7Nb4MoO20

 

本文要点:

1该钙钛矿在510°C时支持纯高的离子传导,具有高的质子和氧化物离子电导率。(体积电导率为4.0 mS cm-1),因此它可作为双离子固体电解质在陶瓷燃料电池中的应用的一个重要的候选者,它综合了氧化物离子和质子导电电解质的优点。

2Ba7Nb4MoO20还展示了优异的化学和电学稳定性。六角形钙钛矿是获得新型离子导体的重要新材料,在能源相关技术领域具有潜在的应用前景。


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Fop,S., McCombie, K.S., Wildman, E.J. et al. High oxide ion and proton conductivityin a disordered hexagonal perovskite. Nat. Mater. (2020).

DOI:10.1038/s41563-020-0629-4

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0629-4

 

3. Chem. Soc. Rev.:可打印的气体传感器

物联网(IoT)的应用和互联自动化的快速发展使得传感技术成为未来智能系统的核心之一,在包括工业制造、化学过程控制、农业和自然保护,个人健康监测和智能城市建设以及国防等领域有着广泛的应用前景。能够检测和分析微量气体的设备则是其中的一类重要的传感平台。近年来,纳米有机和无机材料的出现极大地促进了这一领域的发展。

 

由于这类传感材料具有大的比表面积、良好的传输性能和可调的表面化学性质,使得其非常适用于开发高灵敏度、高选择性和便携的传感装置。剑桥大学Tawfique Hasan、南京工业大学黄晓教授和黄维院士合作综述了近年来对可打印的气体传感器的研究进展。

 

本文要点:

1首先综述了目前最先进的打印技术,并介绍了各种气体传感材料,包括金属氧化物、导电聚合物、碳纳米管和二维(2D)材料。

2随后也强调了打印技术的工作原理和不同材料系统的传感机制,对通过设计材料和器件制造来提高传感器性能的策略进行了介绍;最后总结了目前这一领域面临的相关重大挑战,并就对未来发展进行了展望。


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JieDai. et al. Printed gas sensors. Chemical Society Reviews. 2020

DOI:10.1039/c9cs00459a

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/c9cs00459a#!divAbstract

 

4. Angew: 蛋白质结构导向的类沸石金属有机骨架作为生物大分子载体

用于新应用例如酶固定的类沸石金属有机骨架(ZMOFs)的合成备受关注,但同时也面临着巨大的挑战。因此,南开大学的陈瑶课题组开发出了一种新的策略,使用蛋白质作为结构导向剂来指导新的ZMOF的合成,这种新的ZMOF可以在环境条件下作为蛋白质原位封装的通用材料。

 

 本文要点:

1用嘧啶-2-醇做为配体,Zn(NO3)2作为金属源,以BSA为模板在水溶液中进行反应。在相同的反应条件下,蛋白质的掺入得到了具有方钠石(sod)拓扑结构的ZMOF而无模板的反应得到了无孔类金刚石(dia)拓扑结构的ZMOF。

2筛选了所有20种天然氨基酸,发现组氨酸对sod结构形成起着关键作用。调节组氨酸含量从而可以影响所得的MOF产物(组氨酸含量从低到高,MOF从dia到dia + sod,最终到sod结构MOF)。同时直接比较了无组氨酸的rGST蛋白和含组氨酸的GST蛋白对MOF产物的影响,发现组氨酸确实在控制形成的MOF结构中起着关键作用。

3将蛋白质掺入ZPF-1中赋予了蛋白质@ ZPF-1具有适合用于生物催化或生物药物制剂的特性。所得的CAT@ZPF-1具有高活性((Kobs =3.54×10-3.s-1,)所得的CAT@ZPF-1和G-IgG@ZPF-1即使暴露于高温和有机溶剂环境中仍能保持其活性,证明了其在生物催化和生物制药应用中的潜力。


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HuanrongWang et al. Protein-Structure-Directed Metal-Organic Zeolite-like Networks asBiomacromolecule Carriers. Angew. Chem. Int. Ed., (2020).

DOI: 10.1002/anie.202000299  

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202000299

 

5. Angew: 水系锌离子电池无枝晶锌负极的界面设计策略

水系锌离子电池由于其低成本和高安全性,在大型储能系统领域中发展迅速,成为最有前景的储能设备。同时,抑制锌枝晶生长有关的研究已经广泛开展,从而可以大大提高电池的寿命和可逆性。温故才能知新,中南大学王海燕和唐有根等人从优化基体-锌界面和锌-电解质界面的角度出发,总结了无枝晶的锌负极设计方法及其内部机理。此外,还提出了一种通过调节锌成核和生长过程中的界面电场和离子分布来使锌均匀沉积设计策略。这份综述可以为合理设计水性锌离子电池中使用的无枝晶锌负极提供指导。

 

本文要点:

1) 考虑到水系电解质中锌负极上的界面反应不同于有机电解质中碱金属负极,锌沉积不均匀的薄片结构也不同于碱金属负极的枝晶形态,模拟和理论计算来可以更好地研究初始锌成核和进一步生长。

2 通过使用的电沉积,可以轻松地制造出具有宏观均匀表面的锌负极。然而,电沉积的锌是以弱的结合力粘附至主体材料上,并且生产工艺复杂且效率低下。如果能开发出可以与高温熔融锌表面反应的稳定基体材料,则热浸镀锌将能够大规模生产。

3) 锌枝晶无法在水系电解质中完全消除,同时水分解产生的氢气可能导致电池爆裂。具有较低活性的固体/凝胶电解质可以最大程度地减少与水相关的副反应。


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QiZhang, et al. Interfacial design of dendrite‐free zinc anodes for aqueous zinc‐ion batteries, Angew. Chem. 2020

DOI:10.1002/ange.202000162

https://doi.org/10.1002/ange.202000162

 

6. AM:无掺杂有机空穴传输层用于高效稳定钙钛矿太阳能电池

设计具有所需化学,电气和电子特性的新型空穴传输材料(HTM)对于实现具有p–i–n结构的高效,稳定的倒置钙钛矿太阳能电池(PVSC)至关重要。华南理工大学Hin‐Lap YipQifan Xue西南大学Linna Zhu团队报道了一种新型小分子TPE-S的合成及其作为HTM在PVSC中的应用。

 

本文要点:

1与基于常用HTM的PEDOT:PSS对照组相比,基于TPE-S的电池显示出更高的光电性能,并且由于陷阱钝化效果的提高而降低了复合。

 

2基于TPE-S的全无机CsPbI2Br PVSCs表现出了15.4%效率以及出色的稳定性。同时,TPE-S层也通常可用于提高有机/无机混合钙钛矿PVSC的性能,其表现出21.0%的效率。这项工作凸显了TPE‐S作为简单且通用的无掺杂HTM的巨大潜力,适用于不同类型的高性能PVSC。


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KuiJiang et al. Dopant‐Free Organic Hole‐Transporting Material forEfficient and Stable Inverted All‐Inorganic and HybridPerovskite Solar Cells, AM, 2020.

DOI: 10.1002/adma.201908011

https://doi.org/10.1002/adma.201908011

 

7. EES:太阳能驱动的全固态锂空电池可在超低温下工作!

在军事、医疗和航空航天等很多领域应用的电池都能够实现低温下的正常工作,但是目前还没有能够同时实现高低温应用的商用电池的报道。使用无机固态电解质的全固态锂-空气电池在构建安全、高比能、宽温程储能器件方面具有很多优势。不过在低温下全固态锂空电池受限于电荷存储与转移的限制而并没有被开发出全部的潜力。近日,南京大学周豪慎教授与何平教授以及Jun Xu等运用太阳能光热电池技术成功地研制出了一款能够在-70℃低温条件下工作的全固态锂-空电池。

 

本文要点:

1)这种新型全固态锂空电池之所以能够在超低温条件下正常工作是因为采用了等离子体增强的太阳能光热技术作为高效直接太阳能向热能的转化方式,这种方法有助于电池在低温环境下的稳定状态保持。该全固态锂空电池由等离子态空气正极、Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12(LAGP)全固态电解质、金属锂负极以及集流体构成。为了保证高效的光吸收和光热转换,研究人员还使用气相团束沉积技术将紧密堆积的单层等离子态Ru纳米结构组装在多孔电极中。

2) 这种等离子态多孔空气正极能够通过以下几种机制确保低温条件下的电池正常工作:一是包含碳纳米管和Ru纳米结构的典型光热材料能够高效广谱吸收阳光和光生热能;二是空气正极紧密锚定在固态电解质上固态电解质和锂金属提供直接快速地热量供给,从而在热力学上确保电解质和电极材料内的电荷存储与输送;三是单层Ru纳米结构沿着多孔空气电极表面紧密排列而产生强烈的等离子杂化效应,从而增强可见光的吸收与光热转换。

3) 在太阳光的辐照下,即便在-73℃的低温下这种全固态锂空电池的阻抗从105Ω cm2降至103Ω cm2,这比室温下固态电池内部的界面和电荷转移阻抗还要低。因此,这种太阳能光热全固态锂空电池能够在-73℃低温下在锂化容量1000mAh/g和400mA/g的电流密度下稳定循环15周,其室温下的循环寿命也超过了50周。


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HuchengSong et al, Solar-driven all-solid-sate lithium-air batteries operating atextreme low temperatures, Energy & Environmental Science, 2020

DOI: 10.1039/C9EE04039K

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/EE/C9EE04039K#!divAbstract

 

8. Nano Energy: WO3原位相变增强Pt的HER催化性能

氢能作为一种重要的清洁能源,具有高能量密度、可再生和清洁无污染的优点,在未来绿色新能源开发中占据着极其重要的地位。随着电能的普及和成本的下降,电解水制氢成为未来最有效的制氢方法。因此,开发高效的HER电催化剂是电解水制氢大规模工业化应用的关键。据报道,Pt/WO3催化剂具有接近商业Pt/C的优异HER活性,但是,尚不清楚WO3促进HER活性的机理。

 

有鉴于此,湖南大学王双印教授新加坡南洋理工大学刘斌教授澳大利亚卧龙岗大学陈俊教授等人合作,成功地合成了Pt-WO3催化剂,该催化剂具有优异的HER催化活性,并证实了金属Pt0团簇是真正的催化活性中心。

 

本文要点:

1他们已经通过一种简单的方法成功地制备了一系列具有优异的HER性能和低Pt含量的Pt-WO3催化剂。

2通过原位拉曼光谱和电化学阻抗谱表征,分析研究了从WO3到HxWO3的电化学驱动原位相变,并且HxWO3在HER过程中具有通过促进电子转移和提供从HxWO3到Pt的氢转移途径来加速HER动力学的重要作用。

 

该工作强调了跟踪催化剂结构动态演变的重要性,并为电催化HER的电子/氢转移过程提供了新的见解。


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ChaoXie et al. In-situ Phase Transition of WO3 Boosting Electronand Hydrogen Transfer for Enhancing Hydrogen Evolution on Pt. Nano Energy,2020.

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104653

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104653

 

9. Nano Energy: 一种简单温和且通用的制备木材基光热材料的策略

近年来,用于产生太阳能蒸汽的木质基光热材料引起了极大的关注。迄今为止,已经开发了表面涂层和表面碳化技术,以将木材转变为光热材料。尽管已经取得了巨大进展,但仍然存在一些挑战。首先,碳化需要高温,并且会剥夺木材的超亲水性,这对于木材防止溢油污垢是不利的。其次,由于涂层与基体之间的相互作用有限,大多数黑色涂层(如炭黑)将从基体上掉落。而且,表面碳化和大多数表面涂层仍然难以适用于具有任意形状的木材,这将限制结构设计和性能的提高。

 

有鉴于此,南昌大学李越湘教授和王振兴讲师等人合作提出了一种不使用高温或任何贵金属的简单、温和且通用的方法,可以将具有任意形状的各种木材转变成用于太阳光蒸发水的黑色光热材料。

 

本文要点:

1TA和Fe3+可以有效地将木材转化为光热材料(木材-TA-Fe3+),此转化过程可在室温下在水溶液中实现,无需高温或任何贵金属(方案1a。而且,该方法适用于各种形状的各种木材(例如山毛榉,雪松,松木,水曲柳,橡木,白杨),有利于结构设计,以进一步改善性能。

2所得木质基光热材料表现出高的太阳能蒸发效率(约90%),出色的稳定性(良好的耐酸碱性能,以3000r/min的速度超过100h的抗漂洗性,可经受100次的冻融循环,能够承受2h的超声波处理),并具有令人满意的抗原油污垢性能,这对于在海洋中的应用非常有吸引力。

3最重要的是,通过这种方法可以轻松实现结构设计,从而使木材光热材料的水蒸发率从1.34 kgm-2h-1显着提高到创纪录的1.85kgm-2h-1

总之,该研究为木质基光热材料的制造和设计提供了一种新途径,有望为解决全球水和能源问题的解决做出贡献。


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FangHe et al. A simple, mild and versatile method for preparation of photothermalwoods toward highly efficient solar steam generation. Nano Energy, 2020.

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104650

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104650

 

10. EnSM综述:平面柔性微型超级电容器的制备与应用及挑战

便携式,可穿戴和可植入智能电子产品的广泛普及极大地推动了柔性小型电源的发展。由于快速的充电/放电能力,高功率输出,循环寿命高,易于制造和集成等优势,将柔性平面微型超级电容器(FPMSCs)作为下一代柔性片上电子器件的微功率源具有重要意义。近日,德累斯顿大学冯新亮等人对FPMSCs进行了全面概述,并讨论了其制造和应用方面的最新进展。

 

特别强调FPMSCs的新兴器件制造技术,包括沉积技术,涂覆策略,蚀刻方法和印刷技术等。此外,综述重点介绍了FPMSCs在多功能操作模式下构建智能响应和自供电集成系统方面的独特应用。最后,讨论了有关FPMSCs的灵活性,性能改进,智能响应和微设备集成等方面面临的挑战,这些挑战将激发这一蓬勃发展的领域的进一步研究。

文章要点:

1总结了FPMSCs的设计原理与性能评价标准。

2从简单性,成本,效率,可扩展性,安全性和环境友好性等方面,对FPMSCs的微细加工技术的最新进展进行了全面概括,包括沉积技术,涂层策略,蚀刻方法和印刷技术等。

3详细分析了基于不同电极材料的FPMSCs的电化学性能,同时,对FPMSCs在电致变色,热响应,自我修复和可拉伸性等智能功能上的最新进展进行了概括。特别强调了FPMSCs用于制造即用型产品/演示器的智能自供电集成系统

4总结了FPMSCs在灵活性,性能改进,智能响应和微设备集成等方面面对的挑战。这些挑战将激发这一蓬勃发展的领域的进一步研究。


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PanpanZhang, et al,. Flexible in-plane micro-supercapacitors: progresses andchallenges in fabrication and applications, Energy Storage Materials,2020

DOI: 10.1016/j.ensm.2020.02.029

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.02.029

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