顶刊日报丨王中林、田永君、段镶锋、胡良兵、梁兴杰等成果速递20200317
纳米人 纳米人 2020-03-17
1. Nature Commun.:另辟蹊径,压电材料用于安全、无损、方便的牙齿美白!

随着审美水平的提高,越来越多的人渴望用更白的微笑来改善自己的外表,导致牙齿美白越来越受欢迎。最经典的过氧化氢美白剂是有效的,但会导致牙釉质脱矿、牙龈刺激或细胞毒性。此外,这些技术过于耗时。在此,南京理工大学汪尧进等人报告了一种基于压电材料的无损、无害和方便的牙齿美白策略。

 

本文要点:

1将压电材料与口腔护理相结合,利用压电颗粒取代传统牙膏中使用的研磨剂所实现的压电催化效应,选用纳米BaTiO3(BTO)压电催化降解有机染料,模拟日常刷牙,在超声振动作用下对有机染料进行降解。

2用极化BTO混浊液振动3h后,染有红茶、蓝莓汁、葡萄酒或其组合染色的牙齿可显著增白,而用未极化或立方BTO处理的牙齿美白效果可忽略不计。此外,基于BTO纳米颗粒的压电催化牙齿美白程序对牙釉质和生物细胞的损害都明显较小。


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YangWang, et al. Piezo-catalysis for nondestructive tooth whitening, Nat. Commun.,2020.

DOI:10.1038/s41467-020-15015-3

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15015-3

 

2. Science Advance: 计算辅助,熵驱动合成高效耐用的多元素合金催化剂

化学工业和新兴的电化学能量转换技术通常是热能或电能密集型的,因此需要高效的催化剂来降低反应温度、压力或电化学过电位。清洁能源氢气(H2)尽管是很有前途的化石燃料替代能源,但其制备在很大程度上是依赖于先进的催化剂,有望大大提高能量转换效率和降低材料成本。其中,多元素合金纳米粒子(MEA-NPs)被证明是一种非常具有潜力的催化剂。实验结果表明,与现有的一元或二元催化剂相比,MEA-NPs具有更好的催化性能。然而,由于多元素合成的内在复杂性和多元素间易于相分离/元素分离,使得MEA-NPs在文献中报道较少,合成MEA-NPs也是一项较大的挑战。近年来,计算辅助材料的发现在预测晶体结构及其催化性能方面取得了显著进展。然而,针对日益复杂的结构(如MEA-NP)的仿真模型的开发尚不可用,这对计算构成了挑战。因此,尽管MEA-NPs的研究前景十分广阔,但其研究仍处于起步阶段,需要在理论和实验手段上进一步发展,为MEA-NP催化剂的合理设计和可控合成提供理论和实验手段。

 

有鉴于此,马里兰大学的胡良兵教授、匹兹堡大学的Guofeng Wang、约翰霍普金斯大学的王超教授和伊利诺伊大学芝加哥分校的RezaShahbazian-Yassar等人合作,报道了一种计算辅助,熵驱动合成的MEA-NPs。

 

本文要点:

1该MEA-NPs具有统一的合金结构,由传统的非混相元素组成。多元素体系有一个增加的熵,促进均匀混合的合金形成。

2利用密度泛函理论(DFT)计算方法对MEA-NPs的形成能进行了预测,并采用蒙特卡罗与分子动力学(MC-MD)相结合的方法对其结构进行了模拟。实验中,、使用了一种快速高温的策略(0.5秒内1500k),使MEA-NPs与合金结构的合成成为可能,这种合金结构包含破碎的域和丰富的界面。

3合成的MEA-NPs无论在粒径还是结构上都表现出良好的热稳定性。此外,MEA-NPs在催化NH3分解中表现出优异的性能。

总之,这种计算辅助的合理设计和可控合成方法可以普遍用于MEA-NPs的合成。


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YonggangYao et al. Computationally aided, entropy-driven synthesis of highly efficientand durable multi-elemental alloy catalysts. Science Advance, 2020.

DOI:10.1126/sciadv.aaz0510

http://doi.org/10.1126/sciadv.aaz0510

 

3. JACS: NiO上超高负载Ir单原子实现高效OER

高负载量的单原子电催化剂在能源转换和存储应用中具有广阔的前景。近日,南方科技大学Meng Gu,Hu Xu,俄勒冈州立大学Zhenxing Feng等合作,报道了一种简便的方法合成了在氧化镍(NiO)基质上具有空前的高Ir单原子负载量的(约18wt%)电催化剂,并用于氧析出反应(OER)。

 

本文要点:

1实验表明,该催化剂达到10 mA cm-2的电流密度过电势为215 mV,并且在碱性电解液中具有高的OER电流密度,在1.49 V(相对于RHE)时分别超过NiO和市售IrO催化剂的57倍和24倍。

2系统的表征表明Ir原子分散在NiO的最外表面,并通过共价Ir-O键稳定,从而诱导了孤立的Ir原子在4+的氧化态。

3DFT计算表明,取代的单原子Ir不仅充当OER的活性位点,而且激活NiO的表面反应性,从而导致OER性能的大大提高。

 

该工作开发的高负载量单原子催化剂合成方法可以扩展到其它氧化物载体,并为单原子催化剂的工业应用铺平道路。


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QiWang, et al. Ultrahigh-loading of Ir single atoms on NiO matrix to dramaticallyenhance oxygen evolution reaction. J. Am. Chem. Soc. 2020,

DOI: 10.1021/jacs.9b12642

https://doi.org/10.1021/jacs.9b12642

 

4. Matter:金刚石室温位错塑性的直接观察

尽管金刚石具有极高的强度和硬度,但在室温下却非常脆。但截止目前很少在实验中观察到室温塑性,一般认为是不可能发生的,因为金刚石中主要以突变脆性断裂为主。在此,燕山大学的田永君院士与浙江大学Hongtao Wang、Wei Yang等人通过透射电镜下的原位力学测试,证明了金刚石纳米颗粒在室温下的位错塑性,并清晰地展现了位错产生和传播的时空特征。研究者的直接观测为金刚石的力学性能提供了明确的实验证据和新的认识,解决了长期以来关于金刚石室温塑性的争议。

 

本文要点:

1直接观察了钻石单晶在无限制压缩变形条件下的室温塑性,得到了明确的位错类型、结构和运动信息。

2在单轴压缩<111>和<110>方向下,金刚石的塑性识别主要是位错在非紧密{100}平面上滑动。

3对于室温下的FCC晶体,这样的滑移系统很少被认识或考虑。此外,<100>定向位错在单轴压缩时产生典型的{111}位错,表明金刚石中存在依赖于定向的位错行为。


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Nie etal., Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond,Matter (2020).

DOI:10.1016/j.matt.2020.02.011

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.011

 

5. Angew:无溶剂自组装法用于大规模制备高度结晶的介孔金属氧化物

介孔金属氧化物(MMOs)已被证明在各种应用中具有巨大潜力。到目前为止,MMOs的直接合成仍仅限于溶剂诱导的无机-有机自组装过程。近日,吉林大学Zhen-An Qiao等报道了一种简单,通用,无溶剂的自组装法大规模合成MMOs。

 

本文要点:

1作者开发了一种简便,通用且无溶剂的自组装策略,通过研磨和加热原料合成了一系列具有高结晶度和出色的多孔性的MMOs,包括单组分MMOs和多组分MMOs(例如,掺杂MMOs,复合MMOs和多金属氧化物)。

2与传统的溶液自组装工艺相比,该方法避免了溶剂,不仅大大提高了目标产物的收率和合成效率,而且还减少了环境污染,降低了成本和能源消耗。

该工作提出的方法将为大规模生产各种应用的高级介孔材料铺平新的道路。


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HailongXiong, et al,. Solvent‐Free Self‐Assembly for Scalable Preparationof Highly Crystalline Mesoporous Metal Oxides. Angew. Chem. Int. Ed., 2020

DOI:10.1002/anie.202002051

https://doi.org/10.1002/anie.202002051

 

6. Nano Lett.: 有机硫化合物助力长效金属锂电池

金属锂负极由于具有超高的比容量和最低的氧化还原电势因而被视为高比能二次电池的负极首选。然而,其高反应活性会引发电解液分解以及枝晶生长并进一步造成循环稳定性不佳甚至电池短路。近日,电子科技大学的Jie Xiong、美国UCLA的段镶锋以及哈工大的Weidong He等从大蒜中提取出有机硫化合物与无机盐并将其涂覆在电池隔膜上成功为金属锂负极构建了一层弹性固态电解质界面。

 

本文要点:

1) 研究人员通过简单而经济的方法向电解质隔膜中掺入了大蒜原料。这种方法使得电解液中含有有机硫化合物以及能够对SEI形成进行调控的金属离子。这些有机硫物种对于SEI膜中的无机盐具有很强的吸附能力因而能够覆盖无机盐的表面从而赋予SEI膜一定的弹性来缓冲金属锂沉积剥离过程中的体积膨胀并降低负极-电解质界面的阻抗。

2) 研究人员发现这些有机硫物种对于电解液中的溶剂具有很高的亲和性因而能够在SEI膜表面实现对于电解液的高浸润性,进而确保穿过SEI膜的锂离子流分布十分均匀。此外,当阳离子在电解液中发生溶剂化后隔膜基质中有了更多束缚阴离子因而其离子迁移数提高到了0.9。

3) 在Li/LiFePO4全电池中该方法能够使电池在3000周的长期循环过程中保持零容量衰减,在10C的高倍率下可逆容量也有100mAh/g,库伦效率高达99.9%。此外,面载量高达20mg/cm2的LiFePO4厚电极在1mA/cm2的电流密度下也能够实现3.4mAh/cm2的高容量。


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BismarkBoateng, Organosulfur Compounds Enable Uniform LithiumPlating and Long-Term Battery Cycling Stability, NanoLetters, 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00074

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00074

 

7. Nano Lett.:一种模块化地塞米松纳米前药用于低毒、高效治疗类风湿性关节炎

考虑到物理封装的有效载荷具有药物突释和/或低载药量,启动创新的前药策略以优化模块化纳米药物的设计是至关重要的。在此,国家纳米科学中心梁兴杰、南开大学郭术涛等人设计了模块化的pH敏感型地塞米松丙酮基缩酮连接前药(AKP-dexs),并将其制成纳米粒子。

 

本文要点:

1报道了模块化地塞米松AKPs(AKP-dexs)的合理设计和简便合成,以及用于治疗类风湿性关节炎(RA)的pH敏感、高负载的AKP-dexs纳米粒子的制备。

2综合研究了AKP-dex结构与性质的关系,并根据其大小、载药量和胶体稳定性选择了两种类型的AKP-dex纳米粒子进行体内研究。在胶原诱导的关节炎大鼠模型中,这些AKP-dex纳米粒子在炎症关节中的积聚更高,治疗效果比游离的地塞米松磷酸盐更好,副作用更轻。

3负载AKP-dex的纳米粒子可能用于治疗其他炎症性疾病,因此具有很大的转化潜力。该发现代表了开发丙酮基缩酮连接前药实际应用的重要一步,对模块化纳米药物的设计具有重要意义。


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Yang Xu, et al. ModularAcid-Activatable Acetone-Based Ketal-Linked Nanomedicine by DexamethasoneProdrugs for Enhanced Anti-Rheumatoid Arthritis with Low Side Effects, NanoLett., 2020.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b05340

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05340

 

8. Advanced Science:基于不透明到透明过渡的高透明柔性电子压力传感器

人机界面、智能眼镜、触摸屏和一些电子皮肤需要高度透明和灵活的压力传感元件。柔性压力传感器通常采用微结构或多孔活性材料来提高其灵敏度和响应速度。然而,微结构或小孔将导致器件的高雾度和低透明度,因此在柔性压力传感器或电子皮肤中同时平衡灵敏度和透明度是具有挑战性的。有鉴于此,南方科技大学Chuan Fei Guo、Quan Wang、Jin Zhang等研究人员,对于由夹在两个透明电极之间的多孔聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜组成的电容型传感器,通过在孔隙中填充与PVDF具有相同折射率的离子液体来解决挑战。

 

本文要点:

1薄膜在可见光范围内的透过率从0大幅提高到94.8%。

2除了光学匹配外,离子液体还由于在介质-电极界面形成双电层而显著提高了信号强度和灵敏度,并从塑化效应中改善了活性材料的韧性和延伸性。

这种透明和灵活的传感器将在智能窗口、隐形带等方面发挥作用。


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QingxianLiu, et al. Highly Transparent and Flexible Iontronic Pressure Sensors Based onan Opaque to Transparent Transition. Advanced Science, 2020.

DOI:10.1002/advs.202000348

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000348

 

9. Nano Energy: 非接触式和液-液界面摩擦纳米发电机,用于自供电水/液位传感

基于液固或固固接触的摩擦电纳米发电机(TENG)最近在传感应用中引起了很多关注。然而,由外部环境引起的污点和摩擦电界面上的高摩擦是两个有待解决的重要问题。近日,美国佐治亚理工学院的王中林教授课题组通过在没有直接接触的外部磁场下驱动密封管中的铁磁流体的运动,设计了一种新型的磁场辅助非接触式TENG。

 

本文要点:

1设计了一种新型的非接触式TENG,以解决接触界面上的污渍问题。

2构造了液-液摩擦电界面以减少界面摩擦。

3通过仿真和实验验证,提出了其工作原理。

4 展示了其作为自供电水位传感器的先进性能。


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Peng Wang et al.Non-contact and liquid–liquid interfacingtriboelectric nanogenerator for self-powered water/liquid level sensing. NanoEnergy, 2020.

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104703

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520302603

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