窦士学、黄劲松、郭少军、郭再萍等成果速递丨顶刊日报20190519
纳米人 纳米人 2019-05-19
1. Nature Energy:揭示硒对高效CdTe太阳能电池的缺陷钝化的影响

碲化镉(CdTe)光伏组件产生的电力是太阳能行业中成本最低的电力,现在已经在世界许多地区削弱了基于化石燃料的电力资源。这是由于最近将硒合金化到CdTe吸光层中所带来的效率提高,这使得电池效率从19.5%提高到目前22.1%的记录。虽然已知添加硒会降低吸收剂材料的带隙,从而增加电池的短路电流,但这种效果并不能解释性能的提高。英国拉夫堡大学John M. Walls 团队通过阴极发光和二次离子质谱,研究表明硒能够在合金材料中实现更高的发光效率和更长的扩散长度,这表明硒钝化了吸收层主体中的关键缺陷。这种钝化效应解释了硒合金化CdTe器件的破纪录性能,并为进一步提高效率提供了途径,从而可以降低太阳能发电的成本。


Fiducia, T. A. M.; Mendis, B. G.; Li, K.;Grovenor, C. R. M.; Munshi, A. H.; Barth, K.; Sampath, W. S.; Wright, L. D.;Abbas, A.; Bowers, J. W.; Walls, J.  Understanding the role of selenium indefect passivation for highly efficient selenium-alloyed cadmium telluridesolar cells. Nat. Energy, 2019

DOI: 10.1038/s41560-019-0389-z.

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0389-z

2. Nature Commun.:MAPbI3降解过程中Pb团簇和PbI2纳米碎裂

研究甲基铵碘化铅(MAPbI3)钙钛矿层中的缺陷形成和演变是非常有必要的。意大利的Alessandra Alberti课题组报道了在多晶MAPbI3层中,Pb相关缺陷聚集成纳米团簇优先在三重晶界处。Pb簇会对MAPbI3产生致命破坏。这种演变受到MAPbI3核心的影响,但较慢地转变为6H-PbI2的碎片化。纳米晶粒在结构上与母晶粒相连,如在应变松弛的异质外延耦合中。该路径在动力学上不易发生但在热力学上更易发生并且易于被催化物质激活。


Alberti, A. et al. Pb clustering and PbI2nanofragmentation during methylammonium lead iodide perovskite degradation. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09909-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09909-0


3. Nature Commun.:通过水性胶束催化剂桥接过渡金属和生物催化之间的鸿沟

在有机合成工具中,生物催化已被证明是一种非常有效的方法,可以诱导高水平的立体、化学和区域选择性。虽然最近诺贝尔奖的“定向转化”表明了可获得的有机生物转化的范围,但设计反应介质本身也可以导致酶-底物相容性方面的显著改善,最终提供更高的产率。其中,酶组分主要依赖于水的存在,但大多数反应配体和催化剂不溶于水性介质,所以任何仅水是反应介质的方法可能是非常有限的。

 

以前的研究表明,表面活性剂的水溶液能够在合成有机化学中进行各种有价值的转化。由于反应发生在这些定制的纳米反应器的内部疏水核心内,并且其中制备的产物在胶束之间通过水进行动态交换,因此存在使用酶来实现二次加工的机会。

 

加州大学Bruce H. Lipshutz课题组报道了一项关于TPGS-750-M非离子表面活性剂使用的广泛研究,其疏水核心由维生素E组成,容纳亲脂性底物和过渡金属催化剂。它能够实现在同一水介质中同时进行化学和生物转化的一锅法级联过程,基于Pd,Cu,Rh,Fe和Au的初始过渡金属催化反应形成的含酮产物可以通过一锅法由醇脱氢酶介导酶促还原。最主要的是,研究者发现水中存在的纳米胶原不仅作为化学和生物催化的介质,而且作为底物、产物和催化剂的储库,降低非竞争性的酶抑制作用。


Margery Cortes-Clerget, Nnamdi Akporji,Jianguang Zhou, Feng Gao, Pengfei Guo, Michael Parmentier, Fabrice Gallou,Jean-Yves Berthon, Bruce H. Lipshutz, Bridging the gap between transitionmetal- and bio-catalysis via aqueous micellar catalysis. Nature Communications,2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09751-4

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09751-4


4. Chem. Soc. Rev.:金属基能源电催化纳米材料的应力工程

应力效应与配体效应和协同效应对于电催化活性和稳定性具有十分关键的作用。应力效应会造成d带中心的移动并影响吸附物质的结合能。在电催化条件下,应力效应和配体效应由共同发生作用;但是,随着核/壳结构中壳的厚度或基底上的金属覆盖层的增加,配体效应的衰减和消失先于应力效应。应力效应对电催化活性的影响可以通过调控壳层厚度或原子组分来实现。微应力或者叫做局部晶格应力,是与晶体结构缺陷(如晶界和多孪晶)相关的另外一种应力效应。

 

在本综述中,北京大学郭少军教授课题组对应力效应的起源进行了探究,并基于d带中心模型探讨了应力效应对电催化活性的影响。他们根据应力工程的适用条件将金属纳米晶分为晶格应力相关结构和多缺陷应力诱导结构两大类。此外,他们还分析了应力效应与配体效应的相关性以及应力效应对电催化反应的调节策略。最后,他们用典型实例说明了应力工程如何协助正负极上典型的电催化反应并提出了未来利用应力工程提高电催化活性的潜在研究领域。

Zhonghong Xia, Shaojun Guo et al, Strainengineering of metal-based nanomaterials for energy electrocatalysis. Chemical Society Reviews, 2019.

DOI: 10.1039/C8CS00846A

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C8CS00846A#!divAbstract

5. Chem. Soc. Rev.:喷雾热解法制备纳米结构及其在储能和转化中的应用

在过去的几十年里,功能化纳米结构材料由于具有独特的物理和化学性质因而吸引了广泛关注,但是其应用领域不仅仅局限于基础研究还可以拓展到很多技术领域。喷雾热解这种简单、高效、可大规模制备且适合流水线生产的合成方法为多种功能化纳米材料的合理设计与合成提供了无限可能。

 

在这篇综述中,中南大学Jiexi Wang厦门大学张桥保伍伦贡大学郭再萍团队对近年来通过喷雾热解方法制备的多功能纳米材料及其在能量存储与转化方面的研究进展进行了总结概括。作者首先对喷雾干燥技术的设备、组件以及工作原理等进行了简单介绍,然后全面地描述了设计具有可控形貌、结构的纳米功能材料的设计原则与策略。之后,作者对上述功能化纳米材料在能量储存与能量转化领域的大规模应用进行了描述,包括电极材料、高活性催化剂以及光电材料等。最后,作者重点讨论了喷雾热解方法在纳米结构材料制备方面的潜在优势和挑战,并对其未来的研究和发展方向提出了看法。


Jin Leng, JiexiWang, Qiaobao Zhang, Zaiping Guo et al, Advances in nanostructuresfabricated via spray pyrolysis and their applications in energy storage and conversion. Chemical Society Reviews, 2019.

DOI: 10.1039/C8CS00904J

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C8CS00904J#!divAbstract


6. Chem. Soc. Rev.:生物分子辅助的纳米结构磷酸钙绿色合成及其生物医学应用

磷酸钙(Caps)广泛存在于自然界和脊椎动物的骨骼牙齿中,具有很好的生物相容性,在生物医学领域有着广阔的应用前景。纳米磷酸钙(NCaPs)具有比表面积大、对pH响应的降解性好、载药量大、缓释性能好等优点,被认为是一种很有前景的药物/基因/蛋白载体。为了控制NCaPs的结构和表面性质,研究人员在合成中采用了核酸、蛋白质、多肽、脂质体和含磷生物分子等多种具有高生物相容性的生物分子进行辅助。这些生物分子在不同的合成过程中发挥着重要的作用,最终对生成的NCaPs的大小和形态产生影响。

 

中科院上海硅酸盐所朱英杰研究员团队和北卡罗来纳大学黄力夫教授团队合作综述了生物分子在NCaPs合成中的重要作用,以期为NCaPs的设计和控制合成提供帮助;同时也总结了NCaPs在纳米医学和组织工程中的应用,并讨论其目前的研究趋势和对未来的发展进行了展望。


ChaoQi, Ying-Jie Zhu, Leaf Huang, et al. Biomolecule-assisted green synthesis ofnanostructured calcium phosphates and their biomedical applications. Chemical SocietyReviews, 2019.

DOI:10.1039/C8CS00489G

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cs/c8cs00489g#!divAbstract


7. ACS Nano综述:非层状溶性液晶脂质纳米粒子作为一代纳米药物

非层状溶性液晶(LLC)脂质纳米材料是一种具有良好发展前景的新型纳米药物材料。其中,溶性液晶脂质纳米颗粒(LCNPs)作为各种疏水/亲水性小分子药物、多肽、蛋白质、siRNA、DNA和显像剂的纳米载体受到了研究的广泛关注。墨尔本皇家理工大学Calum J. Drummond团队对将LCNPs作为药物递送的纳米载体的好处和优势进行了概述;介绍了将LCNPs设计成为药物载体的基本原则和所需功能;通过50多个临床前研究案例对LCNPs的材料-生物界面进行了阐述;并最后对LCNPs的专利及临床转化研究进行了介绍。这对于指导未来开发基于LCNPs的药物递送纳米载体将大有帮助,实现将其作为下一代用于疾病治疗和诊断的纳米药物平台的目标。


Jiali Zhai, Calum J. Drummond, et al.Non-Lamellar Lyotropic Liquid Crystalline Lipid Nanoparticles for the NextGeneration of Nanomedicine. ACS Nano, 2019.

DOI: 10.1021/acsnano.8b07961

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b07961


8. AFM综述:黑磷在生物医学和生物传感方面的研究进展

黑磷(BP)纳米材料包括BP纳米片、BP量子点和BP纳米颗粒。纳米BP具有优异的表面活性、可调节的带隙、高的载流子迁移率、很高的生物相容性和良好的生物降解性等特性,因此纳米BP在生物医学和生物传感领域具有很高的应用价值。

 

北京大学郭少军团队综述了近年来纳米BP的合成、功能化及其在生物医学和生物传感等领域的研究进展。作者首先介绍了制备纳米BP的各种方法,如机械法、液相超声剥落法、电化学剥落法等等,并在此基础上提出了两种提高纳米BP稳定性的方法;其次阐述了纳米BP的生物成像(荧光成像、热成像、光声成像)、疾病治疗(光学治疗、光/化学/免疫协同治疗)及作为纳米载体和纳米药物的应用;随后介绍了纳米BP在生物传感方面的应用,包括电化学生物传感、荧光生物传感和化学发光生物传感等等;最后也对纳米BP在生物领域的应用前景进行了展望。


Xiaoxiao Ge, Shaojun Guo, et al. RecentAdvances on Black Phosphorus for Biomedicine and Biosensing. Advanced Functional Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adfm.201900318

https://doi.org/10.1002/adfm.201900318


9. ACS Energy Lett.:低聚SiO2包覆钙钛矿,实现高效稳定的光伏电池

由缺陷态引起的杂化钙钛矿材料的内在不稳定性成为阻碍钙钛矿太阳能电池(PSC)商业化的挑战之一。黄劲松团队报道了一种简单的策略,即将钙钛矿颗粒包裹在核-壳几何形状的低聚SiO2(OS)基质中,这可以钝化表面和晶界处的缺陷并稳定纳米级的晶粒。研究观察到,OS包裹的钙钛矿中陷阱密度显着降低和载流子寿命延长,p-i-n结构PSC的效率提高了21.5%,具有1.15 V的高开路电压和81%的填充因子。这种全方位的纳米级颗粒包裹使得PSC的操作稳定性得到显着改善,在全光谱照射下,器件老化超过5200小时后,可保持80%的初始效率。


Bai,Y., Lin, Y. et al. Oligomeric Silica-Wrapped Perovskites Enable SynchronousDefect Passivation and Grain Stabilization for Efficient and Stable Perovskite Photovoltaics. ACS Energy Letters, 2019.

DOI:10.1021/acsenergylett.9b00608

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00608

 

10. ESM:氧掺杂助力三维碳纳米管框架中均匀钠成核

金属钠凭借其超高的理论比容量和最高的氧化还原电势而被视为最有希望的负极材料之一。然而,安全问题、低库伦效率和巨大的体积膨胀严重限制了其实际应用。在本文中,山东大学杨剑教授与澳大利亚伍伦贡大学窦士学教授利用热解获得的氧掺杂碳纳米框架作为金属钠沉积载体成功地调控了金属钠的均匀成核并抑制了枝晶生长。碳纳米管表面的含氧官能团使得框架更加亲钠,从而诱导了均匀成核与均匀沉积。此外,碳纳米管框架相互交联的网络结构与巨大的比表面积进一步增强了电化学性能。因此,对称电池能够在3 mA/cm2的电流密度和1 mAh/cm2的沉积量下稳定循环1650周。


Chenxiao Chu, Jian Yang, Shixue Dou et al,Uniform nucleation of sodium in 3D carbon nanotube framework via oxygen doping for long-life and efficient Na metal anodes. Energy Storage Materials, 2019.

DOI: 10.1016/j.ensm.2019.05.020

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719301874?dgcid=rss_sd_all#!

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