​焦宁Nat. Catal.,胡良兵Nat. Catal.,Sargent最新 Nat. Energy丨顶刊日报20210113
纳米人 2021-01-14
1. Nature Catalysis: 电化学诱导的镍催化与水的氧化反应

在进行催化氧化反应的某些金属蛋白中发现了镍,其中的镍-过氧配合物被认为是反应最关键的催化剂。因此,在过去的50年中,已经为仿生氧化反应制备了各种镍-过氧配合物,但它们通常是以化学计量而不是催化的方式使用。Ni(ii)配合物对O2的典型惰性使其在催化好氧氧化反应中的应用中面临巨大挑战。有鉴于此,北京大学焦宁等人,报道了一种利用简单的Ni(II)-联吡啶配合物进行催化氧化的策略,其中电化学被用于驱动级联活化过程,以生成活性Ni(II)-过氧物种和随后的氧化反应所需的O2

本文要点:
1)报告了一种策略,利用简单的Ni(ii)-联吡啶配合物进行催化氧化反应,其中电化学用于驱动级联活化过程,用以生成具有活性Ni(ii)-过氧物种并且和随后的O2发生氧化反应。
2)使用这种电化学级联活化策略可以利用容易获得和简单的Ni(ii)盐作为底物氧合反应的电催化剂,并且用电来还原稳定的Ni(ii)络合物以进行O2活化,最终将生成的Ni(ii)-超氧中间体进一步地单电子还原为具有催化活性的Ni(ii)-过氧配合物。
3)与以前报道的通常采用化学计量的Ni-过氧配合物作为氧化剂和氧来源的方法相比,该方法可以直接利用简单的Ni(ii)盐作为有效的氧化催化剂去进行电催化从而克服Ni(ii)配合物的催化惰性问题。

总之,该策略将促进镍催化的高效氧化反应的发展,并促进过渡金属基氧化化学与电化学结合的探索。

1.png
Liang, Y., Shi, SH., Jin, R. et al. Electrochemically induced nickel catalysis for oxygenation reactions with water. Nat Catal (2021).
DOI: 10.1038/s41929-020-00559-w
https://doi.org/10.1038/s41929-020-00559-w

2. Nature Catalysis:高度稳定的十元氧化物纳米颗粒用于催化甲烷燃烧

具有元素和结构多样性的多元氧化物(MEO)纳米颗粒已被广泛研究用于催化和能量应用。尽管成分控制为材料发现提供了广阔前景,然而,由于纳米级多元素混合的内在复杂性,目前的氧化物纳米颗粒通常仅限于少数阳离子。近日,美国马里兰大学胡良兵教授,伊利诺伊大学芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,约翰霍普金斯大学王超教授,匹兹堡大学Guofeng Wang报道了合理设计和合成具有可调组成,大小和结构的单相MEO纳米颗粒。

本文要点:
1)非平衡合成具有快速的高温加热功能,可促进多元素混合以形成MEO,而较短的加热时间可有效避免颗粒聚集和氧化物还原。
2)由于阳离子的差异很大,研究人员开发了三种策略(温度,氧化和熵驱动的混合)来合成和稳定包含多达十种阳离子(包括贵族元素)的单相MEO纳米颗粒。理论模拟和高达1,073 K的原位观察结果表明,与少元素纳米颗粒相比,十元氧化物纳米颗粒显示出优异的结构稳定性。
3)通过快速合成和筛选,由于高熵设计和稳定性,研究人员获得了一种在100小时内对甲烷燃烧表现出高催化性能和优异稳定性的多元素氧化物纳米颗粒催化剂。从而展示了MEO纳米颗粒作为开发高稳定性催化剂的材料平台的前景。

纳米催化学术QQ群:256363607
2.png
Li, T., Yao, Y., Huang, Z. et al. Denary oxide nanoparticles as highly stable catalysts for methane combustion. Nat Catal (2021).
DOI:10.1038/s41929-020-00554-1
https://doi.org/10.1038/s41929-020-00554-1

3. Nature Energy:通过带隙工程设计高效双面单节钙钛矿/硅串联太阳能电池

双面单节钙钛矿/硅串联太阳能电池利用反照率(来自环境的漫反射光)来提高其性能,使其高于单节钙钛矿/硅串联太阳能电池。阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf多伦多大学Edward H. Sargent等人报道了一种高效率的双面单节钙钛矿/硅串联太阳能电池。

本文要点:
1)在AM1.5G光照下,该串联电池认证的功率转换效率超过25%,在室外测试下其发电密度高达26 mW cm–2。同时,研究了在各种现实照明和反照率条件下获得最佳电流匹配所需的钙钛矿带隙。这种匹配是在1.59–1.62 eV带隙钙钛矿中实现的,与单面钙钛矿/ c-Si钽相比,溴化物的含量最小,从而大大减少了与卤化物偏析有关的稳定性问题。
2)然后,研究人员比较了暴露在不同反照率下的这些双面器件的性能,并提供了具有不同环境条件的两个位置的能量产量计算。最后,研究人员对钙钛矿/硅钙钛矿单面和双面户外测试场进行了比较,以证明双面串联电池对具有实际相关反射率的位置的附加价值。

光电器件学术QQ群:474948391
3.png
De Bastiani, M., Mirabelli, A.J., Hou, Y. et al. Efficient bifacial monolithic perovskite/silicon tandem solar cells via bandgap engineering. Nat. Energy (2021).
https://doi.org/10.1038/s41560-020-00756-8

4. Nature Materials:在原子平坦的LaNiO3薄膜中调节电化学驱动的表面转变以增强水电解

建立在体相和体相端面描述符基础上的结构-活性关系是合理设计电催化剂的基础。然而,电化学驱动的表面转变使得识别这些描述符变得比较复杂。近日,美国劳伦斯伯克利国家实验室Slavomír Nemšák ,SLAC国家实验室Michal Bajdich,斯坦福大学Christoph Baeumer报道了所制备的具有(001)端面的LaNiO3外延薄膜的表面组成如何驱动表面转变和增强OER电催化活性。

本文要点:
1)研究人员利用驻波X射线光电子能谱(SW-XPS)对表面和亚表面成分进行了原子层深度灵敏度深度剖析。此外,通过对厚度≤30 nm的薄膜进行紫外-可见(UV-Vis)光谱电化学和光谱分解,获得了表面化学环境的信息。
2)研究发现,所制备的表面组成决定了表面转变,进而影响了OER活性。具体而言,所制备的Ni端基经历了表面转变并对具有高OER催化活性,同时保持了所制备状态的表面阳离子化学计量比。相反,La端基具有超高过电位,即使在几十小时的操作后也不会转变为活性表面相。
3)实验结果表明,钙钛矿型Ni端面转变为了Ni氧化物类型的单层表面相。密度泛函理论(DFT)表明,由于三配位O*反应中间体的存在,这种转化表面层对OER具有更高的活性。

电催化学术QQ群:740997841
4.png
Baeumer, C., Li, J., Lu, Q. et al. Tuning electrochemially driven surface transformation in atomically flat LaNiO3 thin films for enhanced water electrolysis. Nat. Mater. (2021).
DOI:10.1038/s41563-020-00877-1
https://doi.org/10.1038/s41563-020-00877-1

5. Nature Materials:Li取代解锁O3型钠3d层状氧化物中的阴离子氧化还原活性

钠离子电池由于其可持续性的特性,在特定的应用领域有望成为锂离子电池技术的一种有吸引力的替代储能技术。然而,设计出具有高能量密度和湿度稳定性的钠基正极材料仍然具有挑战性。近日,法兰西学院Jean-Marie Tarascon报道了通过仔细调整合成条件和化学计量比的陶瓷工艺,获得了一种具有阴离子氧化还原活性的O3型NaLi1/3Mn2/3O2相材料。

本文要点:
1)组合光谱表征技术所得到的氧和锰的累积氧化还原过程显示,O3型NaLi1/3Mn2/3O2相的持续可逆容量为190 mAh g-1。同时,与目前所报道的许多阴离子氧化还原层状氧化物不同,O3型NaLi1/3Mn2/3O2电极在循环过程中没有明显的电压衰减。研究人员对这一发现,通过密度泛函理论进行了合理化,揭示了阴离子氧化还原电极中层间和层内三维阳离子迁移在控制电压衰减中的作用。
2)这种O3型NaLi1/3Mn2/3O2材料的另一实用价值来源于其优异的湿气稳定性,因此便于处理和电极加工。

总体而言,这项工作为设计具有先进钠离子电池的高性能钠基电极材料提供了未来方向。

电池学术QQ群:924176072
5.png
Wang, Q., Mariyappan, S., Rousse, G. et al. Unlocking anionic redox activity in O3-type sodium 3d layered oxides via Li substitution. Nat. Mater. (2021)
DOI:10.1038/s41563-020-00870-8
https://doi.org/10.1038/s41563-020-00870-8

6. Nature Materials: 掺杂SrTiO3中的原位电荷积累与电子结构揭示析氢光催化剂的设计原理

最近,通过将La和Rh共掺杂的SrTiO3(La,Rh:SrTiO3)掺入到一种低成本且可扩展的Z-scheme设备,即光催化剂薄片,展示了高的太阳能制氢效率。然而,La,Rh:SrTiO3这种提高性能的独特特性还没有被完全理解。有鉴于此,帝国理工学院Ludmilla Steier等人,将原位光谱电化学测量与密度泛函理论和光电子能谱相结合,建立了Rh:SrTiO3和La,Rh:SrTiO3光催化剂薄片的耗竭模型。

本文要点:
1)这揭示了显着的特性,例如深的平带电位(+2 V vs RHE)和依赖于Rh氧化态的电子结构重组电子结构的Rh依赖于氧化态的重组,涉及到缺失的Rh 4d中间间隙态。
2)这种重组使Rh:SrTiO3能够在不影响p型特性的情况下通过共掺杂降低。原位时间分辨光谱表明,Rh还原引起的电子结构重组控制了光催化剂薄片中的电子寿命。
3)在Rh:SrTiO3中,只有在负的施加电位下才能获得更长的使用寿命,而在这种情况下,整个Z-scheme运行效率很低。La共掺杂将Rh固定在3+状态,即使在非常正的电位(+ 1 V vs RHE)下,也会产生长寿命的光生电子,在该电势下,整个器件的两个组件均有效工作。

总之,对共掺杂剂作用的理解为基于带隙工程金属氧化物的水分解装置的设计原理提供了新的见解。

光催化学术QQ群:927909706
6.png
Moss, B., Wang, Q., Butler, K.T. et al. Linking in situ charge accumulation to electronic structure in doped SrTiO3 reveals design principles for hydrogen-evolving photocatalysts. Nat. Mater. (2021).
DOI: 10.1038/s41563-020-00868-2
https://doi.org/10.1038/s41563-020-00868-2

7. Nature Commun.: 赤铁矿光阳极上两种不同表面态对水氧化的反应动力学和相互作用

在过去的几十年里,通过光电化学(PEC)方法直接将太阳能转化为化学燃料吸引了极大的研究兴趣。通常认为,光电极上的表面状态是观察到的器件性能的关键决定因素。了解光阳极表面状态的功能对于阐明水氧化的潜在反应机制至关重要。对于赤铁矿光阳极,仅提出并验证了一种具有较高氧化能(S1)的表面状态作为反应中间体,而位于较低电势(S2)的另一种表面状态被指定为非活性或重组位点。

有鉴于此,苏黎世大学Greta R. Patzke等人,首先在模型赤铁矿表面上确认了两种类型的表面状态,通过速率规律分析和系统电化学表征表明,S2也是水氧化的活性反应中间体。

本文要点:
1)之前主要通过电化学方法,光电化学阻抗谱和快速阴极循环伏安法(CV)对赤铁矿光阳极的两种不同的表面状态进行了广泛的探测。研究发现,只有具有较高氧化能(S1)的表面状态才被解释为反应中间体,然后通过原位光谱表征将其确定为铁-氧物种。然而,另一种具有较低氧化能的表面态(S2)被认为是重组中心或非催化活性位点。相应地,深入的研究集中在消除这些有害表面状态的策略上,包括增加钝化层,二次退火和用助催化剂进行改性等。尽管这样的后处理可以提高PEC的性能,但除了简单的“钝化”假设外,还有许多不同的机制被提出。这是由于原始表面能的变化影响了载流子的动力学过程。
2)对于S1,可以实现铁-氧物种的一致分配,而由于以下两个原因,不能绝对排除S2是反应中间体的可能性:(i)当确实存在低但肯定为正的稳态光电流时,S2达到其最大密度(ii)尽管S2的能量较低,但特别是在较高的外部施加电势下,必须考虑反应动力学。在赤铁矿表面上存在低活化能反应途径(表面空穴的三阶反应),并在密度泛函理论(DFT)计算的支持下提出了过氧铁中间体。该三阶反应机理的能垒比另一种一阶反应机理低数百meV。不幸的是,这种过氧物质(通过速率定律分析和DFT探测)与广泛报道的表面状态(S2,通过电化学方法探测)之间的联系仍然缺失。
3)通过电化学测量和速率规律分析相结合,将S2与过氧基团联系起来。此外,还证明了S1和S2的反应动力学和动态相互作用很大程度上取决于操作参数,如光照强度、电解质的性质和施加的电势。这些对单个反应动力学以及两种表面状态相互作用的见解对于设计有效的光阳极至关重要。

7.png
Li, J., Wan, W., Triana, C.A. et al. Reaction kinetics and interplay of two different surface states on hematite photoanodes for water oxidation. Nat Commun 12, 255 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-020-20510-8
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20510-8

8. Nature Commun: 使用N2直接催化氮化合成芳基胺和N-杂环

氨和硝酸是在化学工业中将氮原子引入有机分子的两种关键平台化学品。实际上,硝酸主要是通过氨的氧化产生的。理想的氮化反应是直接利用二氮(N2)作为氮源来构建含氮有机分子。有鉴于此,复旦大学施章杰教授等人,展示了一个直接催化氮化的例子,以Pd为催化剂,Li为还原剂,开发了一种以氮气为氮源直接催化氮化的一锅/两步方案。

本文要点:
1)报告了一个直接催化氮化的例子,该方法可通过一锅/两步方案从易得有机卤化物中以氮气(N2)为氮源制备有价值的含氮有机分子和聚合物。用这种方法,很容易将15N原子结合到有机分子中。一锅中还会生成结构多样的聚苯胺,显示出巨大的材料化学潜力。在该方案中,使用锂作为还原剂原位生成的氮化锂被确认为关键中间体。
2)这也是一个Li3N在有机合成中用于构建C–N键的例子。该方法不仅表明Li3N是用于合成含N分子的潜在平台化学品,而且还允许直接从氮气中氮化获得含N分子,同时避免了传统的N2-NH3-HNO3过程。联芳基胺,三芳基胺和杂环是通过原位生成的Li3N作为关键中间体合成的,显示了其在含氮有机化学物中的应用。
3)然而,由于使用了锂作为还原剂,化学反应仍然受到了相对苛刻的条件的影响。下一步需要进一步探索其他更便宜、更安全的还原剂,并扩大有用化学品的合成应用。

总之,该化学反应为催化氮化从氮气中合成高价值的含氮化合物提供了另一种途径。

纳米催化学术QQ群:256363607
8.png
Wang, K., Deng, ZH., Xie, SJ. et al. Synthesis of arylamines and N-heterocycles by direct catalytic nitrogenation using N2. Nat Commun 12, 248 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-020-20270-5
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20270-5

9. Nature Commun.: 使用离子液体缓冲剂将二氧化碳高效加氢制甲酸

将二氧化碳有效转化为化学物质和燃料是合成生产链脱碳的关键挑战。甲酸(FA)代表CO2氢化的第一产物,可作为高附加值产物的前体或用作储氢载体。然而,通常需要碱来克服FA合成中的热力学障碍,而且会产生废物并需要对甲酸盐进行后处理。缓冲剂的使用可以克服这些限制,但是到目前为止,它们的催化性能还不太好。有鉴于此,英国诺丁汉大学Victor Sans等人,提出了一种利用IL作为缓冲剂催化将二氧化碳转化为FA的方法,具有非常高的效率和与碱辅助系统相当的性能。

本文要点:
1)提出了一种在缓冲条件下用于CO2加氢的催化系统,该缓冲系统专门设计用于在很宽的温度范围内工作。这可以通过将条件推至反应所施加的热力学极限来优化催化剂性能,从而平衡动力学和热力学性能并实现高催化效率。催化剂的稳定性使得能够添加路易斯酸,从而提高了催化剂的活性和稳定性。
2)碱性离子液体,Ru基催化剂和路易斯酸催化剂的组合在高温下显示出高效率,平衡了动力学和热力学性能。观察到的催化活性是迄今为止在无碱体系中观察到的最高活性,并且与采用碱性条件导致热力学稳定的甲酸盐形成的文献报道相当。
3)多功能碱性离子液体和催化剂设计的结合使得FA的合成具有很高的催化效率, TONs> 8×105和TOFs> 2.1×104h-1

总之,该工作将为将CO2加氢为化学物质以及将氢存储在液体能量载体中开辟了新的途径。

9.png
Weilhard, A., Argent, S.P. & Sans, V. Efficient carbon dioxide hydrogenation to formic acid with buffering ionic liquids. Nat Commun 12, 231 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-020-20291-0
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20291-0

10. ACS Nano综述:摩擦电纳米发电机:结构,机理和应用

随着物联网(IoT)的飞速发展,到2025年,用于IoT的传感器数量预计将超过2000亿。因此,无需充电和更换电荷存储器件的可持续能源供应变得越来越重要。在各种能量收集器中,摩擦电纳米发电机(TENG)由于其高瞬时输出功率,广泛的可用材料选择,环保和廉价的制造工艺以及针对目标应用而定制的各种工作模式而受到了广泛的关注。近日,韩国科学技术院Yang-Kyu Choi对基于摩擦电的能量收集系统进行了系统总结,以全面了解TENG的合理设计的整个过程。

本文要点:
1)在TENG中,针对具有双电极和单电极结构的两种不同配置,作者总结了基于接触分离,滑动和独立式的三种操作模式。
2)作者总结了用于摩擦带电过程中TENG的工作原理的各种电荷转移机制,以阐明电子,离子和物质的转移。
3)作者总结了基于能量收集效率和能量传递效率两个方面来提高TENG输出功率的各种方法。此外,还总结了不仅涉及通过TENG进行的能量收集而且涉及通过电荷存储装置的能量存储的方法。
4)作者最后总结了具有TENG的各种应用,包括:构建物联网时代的自供电传感器。除了从周围环境中收集能量为微型传感器提供分散的电力外,还可以用于设计典型的机械传感器,如触觉传感器、压力传感器、传感器或音频传感器等用于自供电传感。此外,与环境和表面化学相关的摩擦电的敏感特性可用于设计其信号取决于特定条件的化学传感器。

纳米发电机学术QQ群:1083351908
10.png
Weon-Guk Kim, et al, Triboelectric Nanogenerator: Structure, Mechanism, and Applications, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.0c09803
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c09803

11. ACS Nano:一种用于能量收集,存储和利用的多功能同轴能量纤维

从能量包装的几何学角度来看,一维能量纤维/纱线/线由于其柔软性,可编织性,形状适应性和透气性而与笨重的或平面的对应物相比极具应用潜力。为了实现在不同的应用场景中可持续和连续利用,将纤维状纳米发电机、储能器件和致动器/传感器等集成在一个单元中,即通用或多功能能量纤维具有重要意义。近日,中科院北京纳米能源与系统研究所等研究人员报道了一种用于能量收集,存储和利用的多功能同轴能量纤维。

本文要点:
1)能量纤维由摩擦电纳米发电机(TENG),超级电容器(SC)和压力传感器(均呈纤维状)组成,并以同轴方式集成在一起。内芯为纤维状SC,用于储能,固态电解质凝胶均匀地围绕两条扭曲的碳纤维(集电器,通过绿色活化策略进行改性),并被聚二甲基硅氧烷(PDMS)的保护性薄层和一个Ag电极覆盖。外护套是单电极模式的纤维状TENG,用于通过金属弹簧支撑的PDMS层进行能量收集。同时,外部PDMS摩擦层和内部PDMS层(被Ag覆盖)以接触分离模式构成另一同轴纤维TENG。TENG纤维可以利用所收集的电能并将其与外部压力相关联,以用作自供电的压力传感器。
2)研究人员系统地评估了每个能量组件的电气性能。研究发现,采用两步绿色电化学工艺制备具有良好化学稳定性和微观结构表面的SC电极,具有良好的长度比电容密度(13.42 mF cm-1),良好的充电/放电速率能力以及出色的循环稳定性(在约1万次循环后,在0.3 mA·cm-1的电流密度下剩余96.6%的电容)。TENG纤维的最大功率为2.5 μW(10 V时的开路电压和0.25 μA时的短路电流),可用于为电子表和温度传感器供电。压力传感器具有低于23 kPa的1.003 V·kPa-1的高灵敏度,可以轻松监控实时手指运动,并可以用作无声电子钢琴的触觉接口。
3)这种多功能同轴能量纤维在可穿戴能量收集衣服,可持续的人机界面,智能电子皮肤,智能触觉开关等方面具有极高的应用前景。

11.png
Jing Han, et al, Multifunctional Coaxial Energy Fiber toward Energy Harvesting, Storage, and Utilization, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.0c09146
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c09146

12. ACS Nano: 二维铜纳米片分层组装的分层多孔膜用于屏蔽电磁干扰

5G通信、电动汽车和可穿戴电子设备等技术的出现,推动了对超高性能和高性价比屏蔽材料的需求,以保护电磁干扰(EMI)对人体健康和电子设备运行的潜在有害影响。有鉴于此,全北国立大学Tae-Wook Kim等人,报道了由单晶、纳米厚和微米长的铜纳米片组装而成的分层多孔铜箔及其在电磁干扰屏蔽中的应用。

本文要点:
1)Cu纳米片的逐层组装使得能够形成具有多层堆叠等特征的分层结构的多孔Cu膜;二维网络;以及一种层状,片状的空隙架构。与相同厚度的致密铜和其他材料相比,分层结构的多孔Cu箔片具有出色的EMI屏蔽性能,在15和1.6μm的厚度下分别具有100和60.7 dB的EMI屏蔽效能(SE)值。
2)从扫描电子显微镜(SEM),三维(3D)X射线断层扫描和有限差分时域(FDTD)数值模拟中,确定了多孔铜箔的内部层次结构有助于优异的EMI屏蔽性能。另外,分层多孔Cu膜的EMI SE在室温下保持长达18个月,并且在200℃下热退火1小时后显示出可忽略不计的变化。
3)此外,大型2D铜纳米片(Cu NSs)具有许多优点,例如低成本,易于合成,易于加工,重量轻,薄且具有机械柔软性,是新兴EMI材料的发展方向。
总之,该工作表明铜纳米片及其逐层组装是用于实际电子应用的有前途的EMI屏蔽技术之一。

二维材料学术QQ群:1049353403
12.png
Ho Kwang Choi et al. Hierarchical Porous Film with Layer-by-Layer Assembly of 2D Copper Nanosheets for Ultimate Electromagnetic Interference Shielding. ACS Nano, 2021.
DOI: 10.1021/acsnano.0c07352
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07352

加载更多
2830

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