顶刊日报丨郑耿锋、陈小元、杨黄浩、杨朝勇、夏宝玉、支春义等成果速递20210110
纳米人 2021-01-13
1. Acc. Chem. Res.: 燃料电池用高级铂基氧还原电催化剂

燃料电池是最先进的能源技术之一。用于阴极氧还原反应(ORR)的贵金属铂(Pt)催化剂不仅决定了燃料电池的能量转换效率和使用寿命,而且与燃料电池的成本和广泛应用密切相关。鉴于燃料电池广阔的发展前景,理想的ORR催化剂应具有高效的催化活性,并同时满足大规模应用所需的Pt成本。为了获得低成本、高活性的铂基催化剂,科研人员一直致力于开发更优化的铂基纳米结构和功能载体。通过提高铂利用率和易接近活性表面,降低铂消耗及催化剂成本,加速传质和电子转移,减轻载体腐蚀及铂团聚,并辅以稳定而有效的功能载体,铂基电催化剂的使用水平和寿命将得到显著提高,同时燃料电池也将进入更广泛的商业应用市场。

有鉴于此,华中科技大学夏宝玉教授等人,综述了用于燃料电池的铂基氧还原电催化剂的最新进展,以解决燃料电池中与ORR催化剂相关的问题。

本文要点:
1)从不同角度讨论了铂基催化剂的最新进展:(1)铂基纳米结构的多尺度发展;(2)铂基合金组成的多元调控;(3)碳和非碳载体结构的升级;(4)集成铂基催化剂用于燃料电池的研发。
2)铂基催化剂未来面临的挑战(如反应机理、动力学演化、构效关系等),以及主要的研究方向包括:1)铂集成催化剂的制备策略(铂纳米结构与纳米碳的结合);2)性能评估(标准测量方案、实验室级旋转圆盘电极(RDE)测试、应用级膜电极组装(MEA)测试)3)先进的机理解释技术(光谱学、电子显微镜和原位监测),以及尖端的模拟/计算及人工智能(模拟、计算、机器学习、大数据筛选)等。

电池学术QQ群:924176072
1610506657963260.png
Lei Huang et al. Advanced Platinum-Based Oxygen Reduction Electrocatalysts for Fuel Cells. Acc. Chem. Res., 2021.
DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00488
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00488

2. Joule: 在富含缺陷部点的铜表面上高效电催化CO2还原为C2+

电化学还原二氧化碳(CO2)是解决可再生能源存储和碳中性能源循环的一种有前途的方法。为了提高在应用中的经济可行性,应实现对多碳产物具有高活性、高选择性和高稳定性的电催化CO2还原。当考虑用于CO2电解的高选择性电催化剂时,Cu催化剂已显示出在催化体系中产生多种C2+产物的潜力,而不同C2+产物之间的选择性尚未优化。精细控制催化剂的原子结构以获得高C2+醇选择性仍然具有挑战性,因为在铜表面存在固有的乙烯途径。

有鉴于此,复旦大学郑耿锋教授和徐昕教授等人,展示了一种合理的策略,可以在富含CO的环境下合成Cu催化剂,以诱导富含缺陷的位点的生长,这些位点最适合于CO的吸附。在电化学CO2还原过程中,这些富含缺陷的位点可以实现吸附的*CO中间体具有很高的表面密度,可以调节CO2的电还原途径,以形成C2+醇。

本文要点:
1)利用一个富含Co的环境来构建具有阶梯状位点的Cu催化剂,这种阶梯式位点使*CO中间体具有很高的表面覆盖率,并通过桥式结合的*CO吸附,从而触发了向形成醇的CO2还原途径。
2)使用这种富含缺陷点的Cu催化剂,在流通池电解槽和膜电极组件(MEA)电解槽中均获得了部分电流密度> 100 mA·cm-2的C2+醇。
3)在连续30小时的操作过程中,催化剂产生约500 mg/cm2的C2+醇,还获得了约60%的稳定的法拉第效率。

电催化学术QQ群:740997841
2.png
Zhengxiang Gu et al. Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction to C2+ Alcohols at Defect-Site-Rich Cu Surface. Joule, 2021.
DOI: 10.1016/j.joule.2020.12.011
https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.12.011

3. Nature Commun.: 基于功能导向的金属/二氧化钛复合材料光催化析氢金属助催化剂的设计

尽管催化剂的精确设计是催化学的终极目标之一,但实际的策略往往不尽人意,特别是对于复杂的光催化过程而言。有鉴于此,华东理工大学王栋副研究员等人,以析氢反应(HER)为例,介绍了一种采用现场库仑校正和/或杂化泛函的密度泛函理论计算设计负载在TiO2上的稳定金属助催化剂的理论方法。

本文要点:
1)报告了用于光催化HER的高效金属/TiO2催化剂的功能导向设计。与精确控制Pt纳米粒子的尺寸以达到电子转移和表面催化之间的平衡不同,通过将强电子转移和表面反应成分以正确的组合顺序合金化,在理论上实现了两方面的优异性能(而不是妥协)。此外,一旦确定了最佳合金化模式,则可能通过原子层沉积(ALD)或欠电势沉积技术在实验中制造它们,这在技术上是可行的。
2)该方法首先明确金属/TiO2复合材料中各金属层在光催化HER中的各自功能,涵盖电子转移和表面催化两个方面,然后通过探索合适的候选材料进行功能化优化。通过这一方法,成功地测定和验证了双金属Pt/Rh/TiO2和Pt/Cu/TiO2催化剂是常规Pt/TiO2催化剂的可靠替代品。正确的金属类型和正确的堆垛顺序被证明是提高性能的关键。
3)此外,初步确定隧穿势垒高度可以作为金属/氧化物催化剂上光催化过程中重要电子转移过程的有效描述。

总之,该工作为光催化剂的设计提供了指导。

光催化学术QQ群:927909706
1610506681479371.png
Wang, D., Gong, XQ. Function-oriented design of robust metal cocatalyst for photocatalytic hydrogen evolution on metal/titania composites. Nat Commun 12, 158 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-020-20464-x
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20464-x

4. Nature Commun.: 通过创建疏水性催化剂微环境来增强二氧化碳气体扩散电解

在铜基催化剂上电还原二氧化碳(CO2)为可持续的燃料生产提供了一种有吸引力的方法。在开发催化材料的同时,了解和控制催化位点周围的微环境也很关键,因为微环境可以介导反应物种的运输并影响反应路径。有鉴于此,中佛罗里达大学 Xiaofeng Feng和济南大学胡勋教授等人,表明疏水微环境可以显着增强CO2气体扩散电解。

本文要点:
1)为了进行概念验证,使用市售的铜纳米颗粒并将疏水性聚四氟乙烯(PTFE)纳米颗粒分散在催化剂层内,使结论不依赖任何特别设计的催化剂,具有普遍适用性。
2)因此,添加了PTFE的电极大大提高了二氧化碳还原的活性和法拉第效率,在中等电位下的偏电流密度为>250 mA cm−2,单程转换率为14%,这大约是不添加PTFE的普通电极的两倍。
3)这种改进归功于平衡的气/液微环境,该环境减少了扩散层厚度,加速了CO2的质量传输,并增加了用于电解的CO2局部浓度。

电催化学术QQ群:740997841
1610506694953560.png
Xing, Z., Hu, L., Ripatti, D.S. et al. Enhancing carbon dioxide gas-diffusion electrolysis by creating a hydrophobic catalyst microenvironment. Nat Commun 12, 136 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-020-20397-5
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20397-5

5. Nature Commun.: 质子穿透控制石墨烯覆盖的非贵金属在电化学制氢反应中的催化活性

覆盖石墨烯是一种很有前途的方法来实现酸稳定,非贵金属催化的析氢反应(HER)。优化石墨烯覆盖层的数量和由化学掺杂产生的缺陷的密度对于实现耐腐蚀性和催化活性之间的平衡至关重要。有鉴于此,筑波大学Yoshikazu Ito和大阪大学Tatsuhiko Ohto等人,研究了石墨烯覆盖层中质子穿透/电荷转移的HER机制及其对石墨烯覆盖非贵金属催化剂催化活性的影响。

本文要点:
1)研究了电荷转移和质子穿透石墨烯层对酸性电解质中非贵金属Ni和Cu的HER机制的影响。研究发现,增加石墨烯覆盖层的数量会显着改变Ni和Cu的HER性能。
2)通过电化学实验和模拟实验研究了石墨烯覆盖催化剂的质子穿透能力,结果表明,石墨烯覆盖的催化剂的HER活性受质子渗透的程度控制,质子渗透的程度由覆盖石墨烯的层数决定。
3)发现质子以及分子氢(H2)通过绕过N掺杂剂诱导的缺陷位点而渗透,这使得被N掺杂石墨烯覆盖的催化剂在电化学上比未被掺杂的石墨烯覆盖的催化剂更具活性。结果表明,电荷转移效应不是主要因素,而质子穿透石墨烯的能力决定了石墨烯覆盖的非贵金属催化剂的HER活性,而与形态和组成无关。

总之,该工作通过平衡在酸性介质中的耐腐蚀性和催化活性的对比特性,为开发通过石墨烯覆盖生产电化学氢的非贵金属催化剂提供了新的见识。

电催化学术QQ群:740997841v
1610506708368035.png
Hu, K., Ohto, T., Nagata, Y. et al. Catalytic activity of graphene-covered non-noble metals governed by proton penetration in electrochemical hydrogen evolution reaction. Nat Commun 12, 203 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-020-20503-7
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20503-7

6. Nature Commun.:通过低温刮涂实现大面积高效钙钛矿发光二极管
低成本平板照明需要通过批量生产技术制造的大面积发光二极管(LED)。然而,由于难以控制膜的均匀性,使用有机小分子(OLED),量子点(QLED),聚合物(PLED)和最近开发的混合钙钛矿(PeLED)来制造高效的大面积LED仍然具有挑战性。中国科学技术大学肖正国等人报道了低温刮涂法制备的甲基铵碘化铅(MAPbI3)钙钛矿薄膜的溶胶-凝胶技术,用于制备大面积钙钛矿发光薄膜。
 
本文要点:
1)添加的氟代苯基甲基碘化碘(FPMAI),可大大缩短MAPbI3的沉淀,胶凝,老化和相变阶段,通过使用稀释的MAPbI3溶液和过量的FPMAI,制备了超平坦的大面积薄膜(54 cm2),表面粗糙度仅为1 nm左右。
2)刮涂法制备的PeLED的外量子效率达到16.1%,高于性能最佳的刮涂法制备的OLED,QLED和PLED的量子效率。此外,得益于刮涂工艺的生产量和廉价的材料,预计发光层成本可低至每平方厘米0.02美分,极具应用潜力。

光电器件学术QQ群:474948391
1610506725464187.png
Chu, S., Chen, W., Fang, Z. et al. Large-area and efficient perovskite light-emitting diodes via low-temperature blade-coating. Nat. Commun. 12, 147 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20433-4
 

7. Angew:通过双适体激活的近距离诱导液滴数字PCR追踪肿瘤源性外体PD-L1的策略

源自肿瘤的循环外泌体是一种很有前途的肿瘤诊断生物标志物,但是大量的正常细胞来源的外泌体严重阻碍了定量的准确性。有鉴于此,厦门大学的杨朝勇等研究人员,开发了通过双适体激活的近距离诱导液滴数字PCR追踪肿瘤源性外体PD-L1的策略。
 
本文要点:
1)研究人员开发了一种双靶点特异性适体识别激活的外体膜原位连接系统结合液滴数字PCR(ddPCR)的TRACER策略对肿瘤来源的外体PD‐L1(Exo‐PD‐L1)进行精确定量分析。
2)利用适配子的高结合亲和力、双适配子识别的优良选择性和ddPCR的高灵敏度,该方法在以非水洗方式追踪肿瘤来源的Exo-PD-L1方面表现出显著的灵敏度和选择性。
3)由于具有良好的敏感性,TRACER策略检测的肿瘤源性Exo-PD-L1水平能够有效区分癌症患者和健康献血者,并首次被确定为比总Exo-PD-L1更可靠的肿瘤诊断标志物。

生物医药学术QQ群:1033214008
1610506739874762.png
Bingqian Lin, et al. Tracing Tumor‐derived Exosomal PD‐L1 by Dual‐aptamer Activated Proximity‐induced Droplet Digital PCR. Angewandte Chemie, 2020.
DOI:10.1002/anie.202015628
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202015628

8. Nano Letters:具有高伸缩性的碳纳米管/聚合物热电纤维

热电(TE)技术为直接采集和转换人体持续释放的热量提供了一种新的途径。目前,开发应用于可穿戴式TE发生器的TE材料面临的最大挑战是在提供持续稳定的功率输出的同时,与不断变化的人体形态相兼容。近日,南开大学马儒军教授报道了采用改进的湿法纺丝工艺成功制备出一种可伸缩的CNT基TE纤维。

本文要点:
1)CNTs粉末通过探针超声处理作为纺丝溶液很好地分散在去离子水中,同时加入十二烷基硫酸钠(SDS)用作表面活性剂以避免CNTs聚集。采用5 wt%水性聚氨酯(WPU)和5 wt%聚乙烯醇(PVA)的混合水溶液作为凝固浴。然后,通过直径为300 μm的注射针将CNTs纺丝溶液逐渐挤出到凝固浴中。同时,针头沿着纺丝溶液流出的相反方向缓慢移动,将纤维留在凝固浴中原位浸泡10分钟。在此期间,纺丝溶液中的水分被提取出来。之后,将纤维重复转移并浸泡在去离子水中数次,以去除多余的WPU、PVA和SDS。在空气中自然干燥后,将制成的CNT基TE纤维在真空中退火,以改善其机械性能和TE性能。
2)研究发现,即使在约30%的拉伸应变下,退火后的羧基SWNT基TE纤维的稳定塞贝克系数仍然达到44 μV/ K。实验结果表明,改变成各种形状后,纤维可以继续产生恒定的TE电位。与基于塞贝克效应的现有TE纤维相比,新型可伸缩TE纤维具有更大的塞贝克系数和更高的可伸缩性,从而为将该技术用于各种实际应用开辟了道路。

复合材料学术QQ群:519181225
1610506752346323.png
Chunyang Zhang, et al, Highly Stretchable Carbon Nanotubes/Polymer Thermoelectric Fibers, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04252
http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04252

9. Nano Letters:多晶少层的石墨烯作为铜的耐用防腐膜

解决工业和日常生活中的金属腐蚀是一项世界性难题。传统的防腐方法,包括牺牲阳极或保护膜,都存在性能上的局限性。近日,南京大学郝玉峰教授报道了一种采用用化学气相沉积法生长的原子薄、多晶的少层石墨烯(FLG),并作为铜(Cu)的长期保护膜。

本文要点:
1)经FLG保护的Cu表面在暴露于空气中至少六年后仍保持光泽。同时,详细的材料表征没有发现氧化迹象。
2)研究发现,经FLG保护Cu表面的防腐蚀特性取决于其缺陷而不是其完美性:FLG体系中每个石墨烯层中晶界(GB)错位在防腐方面起着至关重要的作用。
3)通过理论计算,研究人员进一步发现,腐蚀性分子在通过FLG层扩散时始终会遇到极高的能垒。因此,FLG能够防止腐蚀性分子到达下面的Cu表面。

这项工作突出了多晶FLG的独特结构,并深入研究了用于各种应用的原子薄涂层。

1610506768545526.png
Zhijuan Zhao, et al, Polycrystalline Few-Layer Graphene as a Durable Anticorrosion Film for Copper, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04724
https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04724

10. Nano Today综述:刺激响应型等离激元组装体及其生物医学应用

福州大学宋继彬教授和杨黄浩教授、新加坡国立大学陈小元教授对刺激响应型等离激元组装体及其生物医学应用相关研究进行了综述介绍。
 
本文要点:
1)在各种刺激响应型组装体中,被响应型分子功能化修饰的等离激元纳米粒子(NP)组装体是一个重要的研究对象。
2)作者在文中综述了近年来国内外有关刺激响应型等离激元NPs在体内外的组装和分解及其在生物医学领域中的研究进展,其中的刺激因子包括酶、光、pH、氧化还原、温度、金属离子、磁场或电场等。目前,这些刺激响应型组装体已被应用于生物传感、表面增强拉曼散射(SERS)、光声成像(PA)、多模态成像、光激活的治疗、增强型x射线治疗、药物释放等多个生物医学领域。随后,作者对对刺激响应型等离激元组装体的发展前景和面临的科学挑战进行了展望和讨论。

生物医药学术QQ群:1033214008
1610506782429586.png
Qinrui Fu. et al. Stimuli-Responsive Plasmonic Assemblies and Their Biomedical Applications. Nano Today. 2020
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220301845

11. ACS Nano:具有电化学活性末端的卤化Ti3C2 Mxenes助力高性能锌离子电池

二维(2D)材料以其独特的性质和广泛的应用引起了人们的极大兴趣。自2011年发现以来,被称为Mxenes的2D过渡金属碳化物和氮化物得到了迅速发展。其各种组成元素和可控的表面化学为各种性能提供了可调节空间。MXenes具有优异的电学、光学和等离子体性质,在超级电容器、电磁吸收和屏蔽涂层、催化剂和碳捕获等领域显示出广阔的应用前景。

近日,中科院宁波材料所黄庆研究员,香港城市大学支春义教授报道了采用Lewis酸-熔体蚀刻法合成了具有单一(-Cl,-Br和-I),二元(-ClBr,-ClI和-BrI)以及三元(-ClBrI)卤素末端的Ti3C2 MXenes。

本文要点:
1)将这些卤化的MXene以及通过HF蚀刻生产的传统MXene(表示为Ti3C2(OF))分别组装为锌离子电池的正极。结果显示,具有单卤素末端的Ti3C2Br2和Ti3C2I2在约1.6和1.1 V时表现出放电平台,比容量分别达到了97.6和135 mAh g-1。而具有多卤素末端的Ti3C2(BrI)和Ti3C2(ClBrI)具有双重放电平台,比容量分别达到了117.2和107.4 mAh g-1。相反,Ti3C2Cl2和Ti3C2(OF)仅显示出46.5和51.7 mAh g-1的容量,而没有放电平台。
2)进一步的研究发现,除了Ti3C2中最外的Ti层之外,-Br和-I端也具有可逆氧化还原行为,从而使得卤化的Mxene具有出色的电化学性能。

研究工作揭示了活性表面端在MXene电化学性能中的作用,这对于调节MXene的性能和扩大其应用范围具有重要意义。

电池学术QQ群:924176072
1610506797158186.png
Mian Li, et al, Halogenated Ti3C2 MXenes with Electrochemically Active Terminals for High-Performance Zinc Ion Batteries, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.0c07972
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07972

12. ACS Nano:晶圆级MoS2-WS2垂直异质的低温合成

二维(2D)过渡金属二硫属化物(TMDs)由于其与其他2D材料(例如,石墨烯和六方氮化硼)在TMD基异质结构中的协同作用而引起了极大的关注。因此,阐明TMD−TMD垂直异质结的物理特性对其在下一代电子器件中的应用具有重要意义。然而,传统的TMD−TMD异质结合成工艺存在不可重复性和成品率低等问题。

近日,韩国机械材料研究所Hyeong-U Kim,成均馆大学Ji Won Suk,Taesung Kim报道了使用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)的单步渗透性硫化,成功合成了MoS2−WS2垂直异质结(MWVHs)。该方法可用于在低温(300 °C)下制造均匀的大面积垂直异质结构(4 in.)。

本文要点:
1)研究人员提出了一种基于H2S+等离子体离子轰击可穿透SiO2/Si衬底上Mo−W金属层的MWVHs的合成机理。并通过随时间变化的HR-TEM截面图像和拉曼光谱证实了这一机理。同时,MWVHs具有均匀的纳米级多晶结构,并且存在垂直的MoS2和WS2层。
2)研究人员进行了I型断裂试验,以揭示MWVHs-SiO2/Si的界面相互作用。结果表明,MWVH与SiO2/Si的分离只发生在界面处,因此,使用粘合剂(薄环氧树脂)就可以成功地转移整个MWVH。MWVHs-SiO2/Si界面的粘附能1.14±0.14 J m−2,这为材料与衬底的分离提供了相互作用的强度和所需的力,对于分析二维异质结的界面性质和附着能具有重要的指导意义。
3)研究人员制作了晶圆级MWVHs二极管,并通过current mapping揭示了其特性。

二维材料学术QQ群:1049353403
1610506812364179.png
Hyunho Seok, et al, Low-Temperature Synthesis of Wafer-Scale MoS2−WS2 Vertical Heterostructures by Single-Step Penetrative Plasma Sulfurization, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.0c06989
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c06989

加载更多
1900

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 闽ICP备16031428号-1

关注公众号