Nature系列7篇，固态电解质Nature Materials丨顶刊日报20230429

1. Nature Materials：探测固体电解质表面的锂迁移率  

固态电解质克服了当今锂离子电池的许多挑战，例如安全隐患和枝晶形成 。然而，由于缺乏具有化学和界面特异性的原位测量，因此缺乏对所涉及的锂动力学的详细了解。在这里，加州大学伯克利分校Michael Zuerch，Tod A. Pascal 使用线性和非线性极紫外光谱研究了一种原型固态电解质。

本文要点：

1）研究人员利用极紫外二次谐波产生光谱的表面灵敏度，我们获得了表面锂离子的直接光谱特征，显示出相对于体吸收光谱的明显蓝移。

2）第一性原理模拟将这一转变归因于Li1 s态向表面杂化Li-s/Ti-d轨道的跃迁。进一步的计算表明，由于低频响应模的抑制，锂的界面迁移率降低，这是这种材料中大的界面电阻的根本来源。

研究发现为通过锂离子的界面工程开发这些电化学器件的新的优化策略铺平了道路。

Woodahl, C., Jamnuch, S., Amado, A. et al. Probing lithium mobility at a solid electrolyte surface. Nat. Mater. (2023).

DOI：10.1038/s41563-023-01535-y

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01535-y

2. Nature Electron：一种用于多模式传感、记忆和处理的有机电化学晶体管  

通过整合感知、记忆和处理功能，生物神经系统是能量和面积有效的。然而，在人工系统中模拟这种能力是具有挑战性的，并且受到传感和处理核心的设备异构性的限制。近日，西安交通大学马伟教授，香港大学Zhongrui Wang报道了一种具有传感、记忆和处理功能的有机电化学晶体管。

本文要点：

1）该设备具有垂直横向架构和晶体-非晶态通道，可以选择性地掺杂离子，以实现两种可重新配置的模式：挥发性受体和非挥发性突触。

2）作为一种挥发性受体，该设备能够进行多模式传感，并对离子和光等刺激做出反应。作为一种非易失性突触，它具有10比特的模拟状态、较低的切换随机性和良好的状态保持能力。

3）研究还表明，设备的均匀集成可以提供条件反射等功能，并可以用于通过水库计算进行实时心脏疾病诊断。

Wang, S., Chen, X., Zhao, C. et al. An organic electrochemical transistor for multi-modal sensing, memory and processing. Nat Electron 6, 281–291 (2023).

DOI：10.1038/s41928-023-00950-y

https://doi.org/10.1038/s41928-023-00950-y

3. Nature Commun.：镍纳米晶体上的连贯六方铂金表层可增强析氢活性  

亚稳态贵金属纳米晶体可能表现出独特的催化性能，以解决许多重要过程的缓慢动力学问题，包括碱性条件下电解水制氢的析氢反应。然而，亚稳态贵金属纳米晶体的探索仍处于起步阶段，缺乏足够的合成和电子工程策略来充分激发其催化潜力。基于此，西安交通大学Chuanbo Gao，苏州大学Tao Cheng，上海科技大学Qing Zhang通过克服电置换反应在hcp-Ni纳米晶体上合成了相干的亚稳态hcp-Pt相，并揭示了其独特的电子特性和显著改善的碱性HER催化活性。

本文要点：

1）首先合成了具有hcp相的支链Ni纳米晶体。Pt在这些hcp-Ni纳米支链上相干生长的关键是引入油胺作为强配体，这显著降低了Pt盐的还原电位，从而降低了它通过电置换与Ni纳米支链反应的趋势。

2）虽然Pt在Ni纳米支链的(0001)面上保留其fcc相和本征晶格尺寸，但它成功地在非(0001)面上复制了Ni纳米支链的hcp相，其中d₀₀₀₂间距垂直于(0001)平面缩小到Ni基板，在hcp-Pt皮肤中显示出强烈的压缩应变。结构精准的核壳纳米结构进一步允许从Ni核到Pt表层的逐层电子转移。因此，hcp-Pt表皮的电子结构可以被Ni核有效地调制。此外，在hcp-Pt皮肤上形成了丰富的步骤位点，继承自独特的树枝状hcp-Ni模板。

3）实验和密度泛函理论(DFT)计算证实，Pt表层的亚稳hcp相、独特的核-壳电子相互作用和表面阶跃位点显着降低了碱性HER的能垒，将催化活性推向了高水平。

这项工作为开发一类具有可设计相、独特电子性能和低成本的核壳结构贵金属催化剂铺平了道路，为设计用于能量转换的高效催化剂提供了新的机会。

Liu, K., Yang, H., Jiang, Y. et al. Coherent hexagonal platinum skin on nickel nanocrystals for enhanced hydrogen evolution activity. Nat Commun 14, 2424 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-38018-2

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38018-2

4. Nature Commun.：3D 打印和处理具有近乎原始压电陶瓷的微型换能器用于局部空化  

超声波换能器的性能在很大程度上取决于其有源元件的压电特性和几何形状。由于压电陶瓷的脆性，现有的压电元件加工工具只能实现简单的几何形状，包括平面圆盘、圆柱体、立方体和环形。虽然增材制造的进步促进了压电陶瓷的自由成型制造，但由此产生的换能器存在高孔隙率、弱压电响应和有限的几何灵活性等问题。近日，加州大学伯克利分校Xiaoyu (Rayne) Zheng引入了优化的压电陶瓷印刷和加工策略，以生产在超声波频率下运行的高响应压电微换能器。3D打印的致密压电元件实现了高压电系数和复杂的架构。

本文要点：

1）3D打印压电陶瓷的压电电荷常数d₃₃和耦合因子kt达到583pC/N和0.57，接近原始陶瓷的特性。

2）换能器封装材料的集成打印和具有微结构的3D打印压电陶瓷为微型化压电超声换能器创造了机会，能够在毫米大小的通道内进行声学聚焦和局部空化，从而产生能够实现广泛生物医学应用的微型超声设备。

Lu, H., Cui, H., Lu, G. et al. 3D Printing and processing of miniaturized transducers with near-pristine piezoelectric ceramics for localized cavitation. Nat Commun 14, 2418 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-37335-w

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37335-w

5. Nature Commun.：仿生人造蜘蛛丝光催化剂用于细菌气溶胶的高效捕获和灭活  

生物气溶胶会导致疾病传播，因此，捕获和灭活生物气溶胶是可取的。然而，过滤系统很容易被堵塞，并且一旦捕获生物气溶胶，通常无法将其灭活。在此，广东工业大学Taicheng An报道了一种仿生人造蜘蛛丝(ASS)光催化剂，它由尼龙纤维上的TiO₂周期性纺锤体结构组成，可以有效捕获和浓缩空气中的细菌，然后在没有电源排气系统的情况下进行原位光催化灭活。

本文要点：

1）ASS光催化剂表现出比尼龙纤维基底更高的捕获能力，并且在4小时的照射下获得了99.99%的光催化失活效率。

2）研究发现ASS光催化剂的捕获能力主要归因于亲水性、纺锤体节大小引起的拉普拉斯压力差和表面粗糙度引起的表面能梯度的协同效应。进一步，被ASS光催化剂捕获的细菌被液滴内或空气/光催化剂界面处的光催化作用灭活。

该策略为构建生物气溶胶净化材料铺平了道路。

Peng, L., Wang, H., Li, G. et al. Bioinspired artificial spider silk photocatalyst for the high-efficiency capture and inactivation of bacteria aerosols. Nat Commun 14, 2412 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-38194-1

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38194-1

6. Nature Commun.：Cu₂Se 基材料高热电性能的复合效应  

热电材料可实现热能与电能的直接转换，显示出良好的余热回收潜力。Cu2Se是典型的超离子导体热电材料，具有非凡的ZT值，但其超离子特性导致使用稳定性差和迁移率低。在这里，清华大学林元华教授，北京化工大学Jin-Le Lan报道了一种自蔓延高温合成的快速制备方法，以实现BiCuSeO和Cu₂Se的原位复合，以优化稳定性。

本文要点：

1）通过在这些复合材料中引入石墨烯来使用界面设计，可以明显提高载流子迁移率，并且强烈的声子散射可以导致较低的晶格热导率。

2）最终，Cu₂Se-BiCuSeO-石墨烯复合材料表现出优异的热电性能，在1000 K时的ZT_max值为~2.82，在473 K至1000 K时的ZT_ave值为~1.73。

这项工作提供了一种简便有效的策略来大幅提高性能Cu₂Se基热电材料的研究，可进一步应用于其他热电系统。

Zhou, Z., Huang, Y., Wei, B. et al. Compositing effects for high thermoelectric performance of Cu₂Se-based materials. Nat Commun 14, 2410 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-38054-y

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38054-y

7. Nature Commun.：利用水凝胶贴片利用 CO/NO 气体的协同作用进行软组织移植  

自体皮瓣移植是修复由癌症、外伤和先天性畸形引起的复杂软组织缺损的常用方法。有限的供血范围和移植后的缺血再灌注损伤可导致皮瓣远端坏死和长期功能丧失，严重制约最佳手术方案的决策。近日，吉林大学张俊虎教授，Shoujun Zhu，Laijin Lu开发了一种用于按需释放CO和NO气体的水凝胶贴片（CN-Patch）。

本文要点：

1）研究人员将携带4-甲氧基苯乙酮（4-MAP，可捕获NO并延长NO释放期）的明胶纳米球(GNs)(GNs-4-MAP)装入凝胶中。

2）经典的CO/NO释放分子Ru(CO)₃Cl(甘氨酸盐)(CORM-3)和S-亚硝基谷胱甘肽(GSNO)分别被选为CO和NO供体。

3）使用大鼠游离皮瓣移植和血管吻合模型，验证了CN-Patch在早期和长期移植期间实现移植组织有效血液灌注的能力。

Tang, X., Ren, J., Wei, X. et al. Exploiting synergistic effect of CO/NO gases for soft tissue transplantation using a hydrogel patch. Nat Commun 14, 2417 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-37959-y

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37959-y

8. Angew：克服用于高效发光二极管的钙钛矿纳米晶体发射体的环境可制造性-性能瓶颈  

胶体钙钛矿纳米晶体（NCs）的发光效率和色纯度迅速提高。然而，它们的高性能需要对前体进行仔细而复杂的预处理以及对反应气氛的精确调节；否则，它们的发射将是微弱而广泛的。为了克服这些限制，吉林大学Weitao Zheng，Xiaoyu Zhang开发了一种使用新型双齿配体的简便配体交换方法，这种双齿配体是通过廉价的硫与三丁基膦(S-TBP)反应获得的。

本文要点：

1）在配体交换过程中，P和S原子之间的双键断裂并在它们之间形成单键，之后S-TBP转变为双齿配体并在两个点上与钙钛矿NC结合。

2）研究人员使用具有高空间位置电阻的短链S-TBP配体，可以减少NC间距和表面配体密度，从而改善载流子注入和传输。在配体交换后的NC表面上，卤素空位基本上被填充，导致PbSP（Pb、S和P元素）组分占主导地位的壳层大大降低了陷阱密度并提高了材料稳定性。

3）所得钙钛矿NC稳定且明亮，光致发光量子产率约为96%，外量子效率为22%。此外，即使在扩大规模时，配体交换策略仍然有效，这有望加速商业化。

Wenxu Yin, et al, Overcoming the Ambient Manufacturability-Performance Bottleneck in Perovskite Nanocrystal Emitters for Efficient Light Emitting Diodes, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303462

DOI: 10.1002/anie.202303462

https://doi.org/10.1002/anie.202303462

9. Angew：绿色、通用、低成本亚公斤级多孔有机聚合物的合成及其催化和二氧化碳捕集  

具有高孔隙率和可调功能的多孔有机聚合物(POP)已被广泛研究用于气体分离、催化、能量转换和能量存储。然而，有机单体的高成本，以及合成过程中使用有毒溶剂和高温对大规模生产造成了障碍。在此，乌普萨拉大学Chao Xu，中科院福建物构所Qiao-Hong Li报道了在绿色溶剂中使用廉价的二胺和二醛单体合成亚胺和缩醛胺连接的持久性有机污染物。

本文要点：

1）理论计算和控制实验表明，使用间二胺对于从[2+2]缩聚反应形成胺基键和分支多孔网络至关重要。

2）该方法具有良好的通用性，成功地从不同的单体合成了6种持久性有机污染物。

3）研究人员在室温下扩大了乙醇中的合成，从而以相对较低的成本生产亚千克数量的持久性有机污染物。概念验证研究表明，持久性有机污染物可用作CO₂分离的高性能吸附剂和高效多相催化的多孔基质。

该方法为大规模合成各种持久性有机污染物提供了一种环境友好且具有成本效益的方法。

Dan Luo, et al, Green, General and Low-cost Synthesis of Porous Organic Polymers in Sub-kilogram Scale for Catalysis and CO₂ Capture, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202305225

DOI: 10.1002/anie.202305225

https://doi.org/10.1002/anie.202305225

10. ACS Nano：可生物降解的特定气候包装材料的设计可感知食品变质并延长寿命  

由于人口迅速增加和极端环境条件限制了包装技术延长食品保质期和保障食品安全的效力，热带气候下的农业食品系统正面临压力。为了应对这些挑战，麻省理工学院Benedetto Marelli，Michael S. Strano合理地设计了可生物降解的包装材料，可感知腐败并防止成型。

本文要点：

1）研究人员将2D共价有机骨架(COF)的界面纳米化，以增强丝素蛋白(SF)，获得具有增强机械性能的生物可降解膜，并以包装家禽为例，显示出对食品腐败的即时比色反应(在1s内)。

2）在COF中加入抗菌剂己醛还可以减轻高温和潮湿条件下的生物腐败，导致与保鲜膜(即聚乙烯)相比，用Silk-COF包装的大豆霉菌总数减少了四个数量级。

3）在一个可生物降解的纳米复合材料框架内，传感、结构加固和抗菌剂输送的集成定义了特定于气候的包装材料，可以减少食品浪费并提高食品安全。

Yangyang Han, et al, Design of Biodegradable, Climate-Specific Packaging Materials That Sense Food Spoilage and Extend Shelf Life, ACS Nano, 2023

DOI: 10.1021/acsnano.2c12747

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12747

11. ACS Nano：开发用于草莓保鲜的多功能纳米包封反式白藜芦醇/壳聚糖营养食用涂层  

用于营养输送的植物化学纳米胶囊和用于易腐食品保鲜的可食用涂层是两种新兴技术。近日，亚利桑那州立大学Zhaoyang Fan，Shu Wang利用植物化学营养素的强大抗菌功能，提出融合研究，通过将植物化学物质包封的纳米粒子嵌入新鲜水果的可食用涂层中来整合这两种技术，以实现多种功能。

本文要点：

1）研究人员进行了草莓可食用涂层的研究，该涂层由包埋在壳聚糖(CS)基质中的反式白藜芦醇(R)包封的纳米粒子(RNP)组成。口服给药后，可生物降解和生物相容的RNP显着提高了R的水溶性150倍和生物利用度3.5倍。

2）研究结果证明了嵌入RNP的CS可食用涂层能够减少脱水、防止营养流失、抑制微生物生长、增加营养价值、保持草莓品质，并在22和4 °C的储存期间延长保质期。

这种基于植物化学纳米胶囊的可食用涂层有望实现增强营养输送和保存易腐食品的双重目的。

Qiaobin Hu, et al, Development of Multifunctional Nanoencapsulated trans-Resveratrol/Chitosan Nutraceutical Edible Coating for Strawberry Preservation, ACS Nano, 2023

DOI: 10.1021/acsnano.3c01094

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01094

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

钱老师  

18837127271

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