顶刊日报丨黄劲松、崔屹、鲍哲南、陈邦林、武培怡、陈义旺等成果速递20221205

1. Sci. Adv.：通过将界面和晶界转化成坚固且不溶于水的低维钙钛矿来包裹钙钛矿晶粒

稳定钙钛矿太阳能电池需要考虑器件中的所有缺陷位置。目前，人们在界面方面付出了极大研究，而晶界的稳定性却没有得到太多的关注。近日，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授报道了一种分子三丁基(甲基)碘化膦(TPI)，可以将钙钛矿转化为机械强度高、不溶于水的一维(1D)宽禁带钙钛矿结构。

本文要点：

1）将TPI与钙钛矿前驱体混合后，形成的钙钛矿颗粒被包裹，通过直接映射观察到，在颗粒形成过程中，颗粒表面和晶界都转变为几个纳米厚度的一维钙钛矿。

2）颗粒包裹钝化了晶界，增强了它们的防潮性，并减少了光浸泡过程中释放的碘。此外，包复颗粒的钙钛矿膜在光和热条件下更稳定。

3）最佳的包裹颗粒的器件在55 °C开路条件下，在1太阳光照下浸泡1900小时后，其最高效率保持在92.2%。

Haoyang Jiao, et al, Perovskite grain wrapping by converting interfaces and grain boundaries into robust and water-insoluble low-dimensional perovskites, Sci. Adv. 8, eabq4524 (2022)   

DOI: 10.1126/sciadv.abq4524

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4524

2. Sci. Adv.：一种基于气液两相流的超高输出功率摩擦纳米发电机

固-液摩擦纳米发电机(SL-TENG)在水资源能源收集和应用方面显示出良好的应用前景。然而，固-液带电时接触分离速度低、接触面积小、接触时间长等缺点严重限制了其输出性能和进一步的应用。近日，中科院兰州化物所Daoai Wang，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的研究人员开发了一种结合CE和击穿效应的新的基于气液两相流的TENG (GL-TENG ),实现了867 μA的高电流输出和3789 V的高电压输出，这分别是用受控器件获得的结果的大约430倍和1890倍。

本文要点：

1）1.0ml液体的GL-TENG可以直接给1500个LEDs供电。

2）通过利用气液两相流的流变特性和类似文丘里管的设计，可以通过连续的气液两相流排放实现连续稳定的高性能输出。在这种高输出功率下，串联四个GL-TENG器件的输出可以连续驱动一个24 W的商用灯。

3）这项工作不仅刷新了SL-TENGs的电压输出和体积电荷密度记录，而且提出了一种新的基于气液两相流的发电机模型，可以提供一种从水中高效收集可再生和清洁能源的策略。

Yang Dong et al, Gas-liquid two-phase flow-based triboelectric nanogenerator with ultrahigh output power, Sci. Adv. 8, eadd0464 (2022) 

DOI: 10.1126/sciadv.add0464

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add0464

3. Sci. Adv.：一种具有用于滑动触觉感知的机械门控电子通道的仿生机器人皮肤

类似人类的触觉对于提升机器人智能至关重要。然而，再现人类皮肤的切向“滑动”感知仍在研究中。近日，西安交通大学邵金友教授，Xiaoliang Chen受机械感觉细胞的侧向门控机械感觉机制（通过侧向张力诱导离子通道的开闭来感知机械刺激）的启发，报道了一种具有机械门控电子通道的机器人皮肤(R-skin)，通过金字塔人工指纹触发的电子门（E-gates，即嵌入网状电子通道内的定制V形裂缝）的开闭来实现超灵敏和快速响应的滑动触觉感知。

本文要点：

1）通过模仿细胞膜来调节膜力学，局部应变在E-gate处被增强以有效地调节电子路径以获得高灵敏度，而在其他位置被削弱以抑制随机裂缝以获得鲁棒的稳定性。

2）R-skin可以在超过人类的响应频率(485 Hz)下直接识别超细表面微结构(5 μm ),并实现类似人类的滑动感知功能，包括灵巧地辨别复杂形状物体的纹理，并为抓握提供实时反馈。

Sheng Li, et al, Bioinspired robot skin with mechanically gated electron channels for sliding tactile perception, Sci. Adv. 8, eade0720 (2022)

DOI: 10.1126/sciadv.ade0720

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade0720

4. Nature Commun.：连通世界中的量子物理学

对多体量子系统的理论研究主要集中在规则结构上，这种结构有一个小而简单的晶胞，其中只有极小部分的成分对直接相互作用。受多体模拟器中控制成对相互作用的进展的推动，我们在更一般的任意图上确定自旋系统的命运。将最小可能的约束放在下面的图上，我们证明，在热力学极限确定的情况下，这样的系统如何表现得像一个单一的集体自旋。因此，我们理解复杂的多体物理的出现依赖于“特殊的”、几何约束的结构，如自然界中发现的低维、规则的结构。

在稠密图的空间中，牛津大学Joseph Tindall等通过它们的不均匀性来识别迄今未知的异常，并观察复杂性是如何通过纠缠和高度不均匀的相关函数在这些系统中预示的。

本文要点：

1）作者通过用一种全新的方法处理多体问题来纠正这一点。作者取一个一般的自旋s哈密顿量，它包含了一系列著名的多体模型，并把几何形状作为一个参数本身，把它编码在一个潜在的图形中，自旋驻留在这个图形上并通过边相互作用。然后，当在图上放置不同级别的约束时，作者揭示系统的物理特性。首先，作者在图上放置最小可能的约束，并证明在从所有可能的简单图中均匀随机选择的图的热平衡中，几乎肯定不存在多体物理，只有集体的平均场物理是可能的。

2）作者的工作为发现和开发一整类可以容纳独特复杂物质相的几何铺平了道路。

Tindall, J., Searle, A., Alhajri, A. et al. Quantum physics in connected worlds. Nat Commun 13, 7445 (2022).

DOI: 10.1038/s41467-022-35090-y

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35090-y

5. Nature Commun.：通过电纺纳米纤维片从储存的红细胞中间歇地清除储存损伤提高了它们的质量和保存期

健康红细胞(RBCs)的输血是一个拯救生命的过程。然而，在储存红细胞时，会产生多种与损伤相关的分子模式(DAMPs)，如无细胞DNA、核小体、游离血红蛋白和多不饱和脂肪酸。潮湿会进一步损害红细胞；因此，储存的红细胞在储存期间质量下降，并限制了它们的保存期。印度干细胞科学和再生医学研究所Praveen Kumar Vemula等开发了含有牛磺酸和吖啶的电纺纳米纤维片(Tau-AcrNFS)，其特征在于阴离子、阳离子电荷和表面上的DNA嵌入基团。

本文要点：

1）作者的研究表明，原位产生的DAMPs导致了红细胞的加速退化。作者建立了一种新的方法，通过间歇性清除储存损伤来减缓储存红细胞的损伤。将来，在输血前用纳米纤维片进行处理可以显著降低DAMPs并防止输血相关的复杂性。此外，间歇处理为保持红细胞质量增加了一个新的层面。最后，作者的研究确立了储存期间清除湿气的概念，从而提高了红细胞的质量和保质期。

2）此外，带电电纺纳米纤维片的使用可能导致新型血袋或基于插入物的医疗装置的发展。因此，它可以通过提高红细胞输血质量而对医疗保健产生重大影响。

Pandey, S., Mahato, M., Srinath, P. et al. Intermittent scavenging of storage lesion from stored red blood cells by electrospun nanofibrous sheets enhances their quality and shelf-life. Nat Commun 13, 7394 (2022).

DOI: 10.1038/s41467-022-35269-3

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35269-3

6. Acc. Chem. Res.综述：探索多功能氢键有机骨架材料

氢键有机骨架材料（HOFs）为开发多功能材料提供了新的维度和广阔的前景。它们可以很容易地由相应的具有不同功能中心的有机分子自组装而成，例如用于氢键的羧酸和胺基，以及用于稳定骨架的π∙∙∙π弱相互作用的芳香族分子。与沸石、金属−有机骨架(MOF)和共价−有机骨架(COF)等已建立的多孔材料相比，由于氢键通常弱于离子键、配位键和共价键，稳定HOF从而建立其永久孔道要困难得多。但它提供了HOF材料的独特之处，在这种材料中，它们可以通过简单的再结晶轻松地回收和再生。霍夫材料也可以容易和直接地加工，并且与生物分子非常兼容，使它们在工业和生物医学应用中具有潜在的非常有用的材料。氢键的可逆性和弱成键特性很容易被用来构建柔性的多孔HOF材料，在这种材料中，我们可以调节温度和压力来控制它们的孔隙率，从而使它们在气体分离、气体储存、药物输送和传感等方面得到广泛的应用。一些特定的有机官能团对氢键的形成具有很强的方向性，例如，羧酸更喜欢形成定向二聚体，这使得我们能够很容易地构建孔洞可以系统调节的网状多孔HOF材料。

近日，福建师范大学张章静教授，德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授概述了课题组探索这种新型多孔材料的整个历程，在2011年开发了第一批多孔HOFs，从而开发了它的各种应用。

本文要点：

1）研究人员已经能够使用具有不同功能中心的有机分子，包括2，4-二氨基三嗪(DAT)、羧酸(COOH)、醛(CHO)和氰基(CN)来构建多孔HOFs。

2）通过调节孔径，引入特定的结合部位，利用骨架的柔性，实现了一系列用于C₂H₂/C₂H₄，C₂H₄/C₂H₆，C₃H₆/C₃H₈，C₂H₂/CO₂，CO₂/N₂，Xe/Kr气体分离和醇的对映选择性分离的HOF材料。

3）为了利用具有光学活性的有机分子，研究人员开发了用于其发光传感和光学激光的高性能光纤材料。

对多功能HOF材料的研究成果在化学和材料科学界引发了对这一新兴研究课题的广泛研究。作者指出，不久的将来不仅将开发更多的高性能材料，而且很快将实现超出想象的新功能。

Zhangjing Zhang, et al, Exploring Multifunctional Hydrogen-Bonded Organic Framework Materials, Acc. Chem. Res., 2022

DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00686

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00686

7. Matter：一种溶剂锚定的不可燃电解质

锂电池在现代能源供应系统中随处可见。然而，电解液的挥发性和易燃性仍然是一个重大安全挑战。近日，斯坦福大学崔屹教授，鲍哲南教授报道了锚定的溶剂分子可以增加电解液的离子传导性，而不会破坏其不可燃性。

本文要点：

1）研究人员开发了一种由LiFSI盐、二甲氧基乙烷(DME)溶剂和带有离子溶剂化部分的聚硅氧烷组成的液态聚合物电解质。

2）二甲醚与盐和聚合物配位，同时，它们与盐一起协同增塑聚合物，以增加离子导电性。

3）得到的不可燃聚合物电解质具有1.6 mS/cm的室温离子电导率和25-100 ℃的宽操作窗口。得益于其液体性质，该电解质可以与商业上可用的电极配对，而不需要进一步的电池工程。

这项工作扩大了聚合物电解质的离子电导率范围，并为下一代安全可制造的电解质提供了一条有希望的设计途径。

Huang et al., A solvent-anchored non-flammable electrolyte, Matter (2022)

DOI：10.1016/j.matt.2022.11.003

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.003

8. Matter：在可拉伸水凝胶中模拟的短期可塑性、多模式记忆和逻辑反应

可伸展水凝胶是通过离子信号与生物界面相互作用而发展起来的。然而，人工水凝胶的智能远远不如生物系统那么强大。在信号转导中，没有通道来调节复杂的离子流，因此现有的块状水凝胶缺乏以逻辑方式处理和记忆信息的能力。近日，东华大学武培怡课题组受跨细胞膜的离子通道用于信号处理的启发，开发了不对称的三聚体水凝胶来模拟生物智能，包括离子选择性、短期可塑性、多模式记忆和逻辑反应。

本文要点：

1）提出了一种受生物启发的不对称三聚体设计，以模拟生物感觉神经系统中的离子通道。不对称三聚体水凝胶建立了仿生的内部电场。因此，它允许对离子流进行时空操作来识别、处理和记忆信息，从而实现块状水凝胶尚未展示的短期可塑性和多模式记忆。

2）此外，透明三聚体水凝胶在大变形下稳定工作，克服了传统电子器件遇到的光学和机械限制。三聚体水凝胶的尺寸/变形不敏感性也突显了在广泛的形态结构中实施我们的仿生设计的总体可行性。

3）本工作中的不对称三聚体设计也适用于各种聚合物和水凝胶。具有不同内部电场的不同水凝胶为先进的水凝胶逻辑电路铺平了道路，这些电路可以直接和无缝地与生物系统通信。软质、可伸展和智能材料与生物组织的共同整合是可以预见的。

这项工作将有助于水凝胶离子电子学的仿生设计和应用，并将塑造软质和智能材料的未来。

Lei and Wu, Short-term plasticity, multimodal memory, and logical responses mimicked in stretchable hydrogels, Matter (2022)

DOI：10.1016/j.matt.2022.11.001

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.001

9. EES：面向千瓦级实用型有机液流电池的空气稳定亚甲基蓝正极

与传统的液流电池相比，水性有机液流电池(AOFBs)具有元素丰富、可裁剪等独特优势，但获得空气稳定、高性能的电解液仍是其实用化的主要挑战之一。一般情况下，有机电解液的稳定性与有机氧化还原物种的结构和电解液环境有关。近日，中科院大连化物所李先锋研究员，Changkun Zhang，大连交通大学Jie Fu基于原位核磁共振和非原位EPR谱对MB电解液氧化还原反应机理的分析表明，MB电解液中的抗氧自由基MBH₂^2+·和还原状态HMBH₂²⁺对MB电解液的可逆性起重要作用，这可归因于在酸性溶液中MB骨架上强烈的自旋离域。

本文要点：

1）V-MB单电池暂停循环(12-48 h)实验表明，MB电解液在空气中具有良好的化学稳定性和电化学稳定性。基于MB电解液的10个单元、1000 cm²的FB电堆在0.5 V下的放电功率大于1 kW，循环一个月以上的容量保持稳定。

2）高温下的分子加速衰减测试表明，还原状态的HMBH₂²⁺表现出超高的稳定性。虽然原始MB的副反应在70 °C时很严重，但大多数分解的分子仍然保留着氧化还原中心，只有轻微的容量衰减。

本工作中优异的性能和稳定的MB电解液为高性能AOFBs的大规模储能实用化铺平了道路。

Yonghui Zhang, et al, Insight into Air-stable Methylene Blue Catholyte towards kW-scale Practical Aqueous Organic Flow Batteries, Energy Environ. Sci., 2023

DOI: 10.1039/D2EE03051A

https://doi.org/10.1039/D2EE03051A 

10. EES：靶向缺陷钝化固-固化学键合助力高效钙钛矿光伏电池

溶液处理的表面缺陷钝化使得钙钛矿太阳能电池近年来取得了显著的进展。近日，与溶液处理不同，北京大学Qing Zhao提出了无溶剂固相钝化（SPP ）,使用钝化剂分子在预先制备的固态膜上结合表面未配位的Pb²⁺缺陷。

本文要点：

1）研究发现即使去除了钝化剂膜，精心选择的钝化剂也会锚定在钙钛矿膜表面的缺陷位点上，这是由于其与未配位的Pb²⁺缺陷的强配位能力。

2）这种独特的定向缺陷钝化大大降低了载流子非辐射复合损耗，提供了1.20 V的高V_OC（电压损耗仅为0.34V）。因此，PSCs的功率转换效率(PCE)从22.37%大幅提高到24.65%。

3）1 cm²的SPP基PSC也表现出超过23%的高PCE。此外，在氮气中储存2300 h和在最大功率点跟踪800 h后，未包裹的PSCs分别保持了98%和92%的初始效率。

Chao Luo, et al, Solid–solid chemical bonding featuring targeted defect passivation for efficient perovskite photovoltaics, Energy Environ. Sci., 2023

DOI: 10.1039/d2ee02732a

https://doi.org/10.1039/d2ee02732a

11. EES综述：环保型有机光伏器件设计与印刷技术进展

近年来，绿色溶剂处理有机太阳能电池(OSCs)在商业化方面表现出了显著的优势。然而，绿色溶剂的低溶解度和高沸点给形貌的探索和调整带来了困难，最终不利于光伏性能。近日，南昌大学陈义旺教授，Xiaotian Hu综述了绿色溶剂处理有机硅的最新研究进展。

本文要点：

1）作者首先讨论了Hansen溶解度参数、B.P.、粘度和表面张力等因素在绿色加工溶剂选择中的作用。

2）在此基础上，进一步讨论了添加策略、三元策略、预聚体策略、共溶剂策略等策略在优化绿色溶剂处理有机硅材料活性层膜形态中的作用。并对每种策略的作用机理、优缺点进行了说明。

3）作者最后展望了环保型OSCs器件的未来发展方向。

Haojie Li, et al, Advances toward the Device Design and Printing Technology for Eco-friendly Organic Photovoltaics, Energy Environ. Sci., 2023

DOI: 10.1039/D2EE03246E

https://doi.org/10.1039/D2EE03246E

12. Angew：具有不同亚胺键取向和不同光催化活性的异构寡(亚苯基亚乙烯基)基共价有机框架

亚胺连接的共价有机骨架(COFs)因其易于合成和优异的结晶度而在光催化领域得到了广泛的研究。然而，亚胺键取向对COFs光催化性能的影响仍然很少研究。近日，四川大学李龙玉教授，Shijie Ren报道了通过席夫碱缩合反应，基于具有不同亚胺键取向的低聚(亚苯基亚乙烯基)结构(OPV)合成了两种新的亚胺连接的COFs(记为COF-923和COF-932)。

本文要点：

1）首先，研究人员证明了基于OPV的分子可以用于制备高度结晶和多孔的COFs，尽管事实上乙烯部分比刚性亚苯基环和乙炔基团产生更多的分子构象。研究人员通过实验和模拟的粉末X射线衍射(PXRD)图案、傅立叶变换红外(FTIR)光谱、固态13C核磁共振(NMR)光谱和N₂吸附-解吸测量表征了两种COFs的结构。

2）光催化析氢测试提供了进一步的证据，证明了两种异构COFs之间的巨大差异。

3）研究人员通过稳态荧光光谱(PL)、瞬态光致发光(TPL)光谱、光电流(i-T)和电化学阻抗(EIS)系统地研究了光催化机理。

这项工作不仅详细阐明了结构-活性之间的关系，而且为优化COFs的性质提供了见解。

Wenbo Dong, et al, Isomeric Oligo(Phenylenevinylene)-Based Covalent Organic Frameworks with Different Orientation of Imine Bonds and Distinct Photocatalytic Activities, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202216073

DOI: 10.1002/anie.202216073

https://doi.org/10.1002/anie.202216073

同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM

原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR

加急测试

李老师  

学研汇技术经理

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