俞書宏院士團隊2021年工作集錦

今天向大家匯總俞書宏院士團隊2021年一些工作，一共17篇。

Nat. Commun.：通過近紅外活性晶格匹配形態異質結提高光電化學效率

光電催化是一種從太陽能直接制氫的有吸引力的方法。然而，與可見光和紫外線區域相比，近紅外區域的光收集效率有限。在這里，作者介紹了一種具有晶格匹配形態的異質納米結構的近紅外活性光陽極。這是一種通過同時增加光捕獲光譜范圍和電荷分離效率來提高能量轉換效率的策略。具體而言，作者設計了由BiSeTe三元合金納米管和超薄納米片組成的近紅外活性形態異質結，異質結的分層納米結構將兩種形態成分的晶格匹配界面處的電荷分開，防止進一步的載流子復合。結果，在不含助催化劑的含空穴清除劑的電解質溶液中，光電陽極在800 nm 處實現了36%的入射光子到電流轉換效率。相關研究以“Boosting photoelectrochemical efficiency by near-infrared-active lattice-matched morphological heterojunctions” 為題目，發表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-021-24569-9

圖1 光譜表征和能帶示意圖

Nat. Commun.：一種多響應可修復超級電容器

自修復對于提高超級電容器的可靠性和使用壽命至關重要。然而，缺乏通用的自修復機制導致低電容性能和不令人滿意的自修復效果。在這里，作者展示了一種具有集成配置的多響應可修復超級電容器，由磁性Fe₃O₄@Au/聚丙烯酰胺 (MFP) 水凝膠基電極和電解質以及作為集流體的Ag納米線薄膜組裝而成。除了高機械強度外，MFP水凝膠還表現出由不同的光熱和磁熱觸發界面重構產生的快速光學和磁修復特性。通過將電活性聚吡咯納米粒子作為電極生長到MFP框架中，組裝的超級電容器在光、電和磁刺激下表現出三重響應的修復性能。值得注意的是，該器件在報道的可修復超級電容器中提供了1264 mF cm^-2的最高面電容，并在十個修復周期內恢復了約90%的初始電容。這些突出的性能優勢以及簡便的器件組裝方法使這種新興的超級電容器在下一代電子產品中具有巨大的潛力。相關研究以“A multi-responsive healable supercapacitor” 為題目，發表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-021-24568-w

圖2可自修復超級電容器設備的組裝

Chem. Soc. Rev.：軟化學調控亞穩態金屬硫族化合物納米結構

在該篇綜述中，作者詳細分析了金屬硫族化合物納米結構亞穩特性的具體表現形式，如離子的遷移和空位、熱不穩定性和結構不穩定性、化學反應活性和晶相轉變，以及基于以上特征設計相應的“軟化學反應”路徑，包括離子交換、催化生長、分離或耦合、模板嫁接或化學轉化及晶相的穩定或構建。作者重點介紹了利用以上設計原則和轉化規律對亞穩態金屬硫族化合物納米結構進行合成、修飾和功能化的最新進展。最后，作者對亞穩態金屬硫族化合物納米結構“軟化學”調控研究的未來發展進行了展望，并提出了對這個領域主要存在的機遇及挑戰的個人見解。相關綜述以“Soft chemistry of metastable metal chalcogenide nanomaterials” 為題目，發表在Chem. Soc. Rev.上。DOI: 10.1039/d0cs00881h

圖3 全文概要圖

J. Am. Chem. Soc.：3D有序通道中的微化學工程增強電催化

包括傳質和表面反應在內的電極反應動力學在電催化中是必不可少的，因為它決定了表觀反應速率，尤其是在納米結構電催化劑上。然而，在優化具有合適成分、形態和晶體設計的給定催化劑的動力學以最大化電催化性能方面仍然存在重要挑戰。作者這里提出了一種在納米催化劑修飾的電極表面上耦合傳質和表面反應的綜合動力學模型，以探索和闡明電催化的動力學優化。此外，理論指導的微化學工程（MCE）策略已被證明可以合理地重新設計具有優化動力學的催化劑。具有可調通道尺寸的3D有序通道中甲醇氧化反應的實驗測量證實了計算預測。在優化的通道尺寸下，通道微反應器中的傳質和表面反應都得到了很好的調節。這種MCE策略將在結構化催化劑設計和動力學調節方面帶來重大飛躍。相關研究以“Microchemical Engineering in a 3D Ordered Channel Enhances Electrocatalysis”為題目，發表在J. Am. Chem. Soc.上。DOI: 10.1021/jacs.1c04653

圖4從工業規模到微觀規模的分層構造化學工程的示意圖

J.Am. Chem. Soc.：一維超晶格異質結構庫

在軸向上，將不同成分和結構的納米物體外延組織成超晶格納米線，可以充分利用陽光、易于設計的能帶結構和可調幾何參數來適應載流子傳輸，從而為光電子學和太陽能到燃料的轉換帶來廣闊前景。為了最大限度地提高它們的效率，具有可編程成分和結構的膠體軸向超晶格納米線（ASLNWs）的通用和高精度合成是先決條件。然而，仍然具有挑戰性。在這里，作者向ASLNW庫報道了一種軸向編碼方法，可以精確控制它們的成分、尺寸、晶相、界面和周期性。使用提供合成選擇性的預先設計的、可編輯的納米粒子框架，作者能夠化學解耦ASLNW中的相鄰子對象，從而以受控方法制作它們，產生不同的ASLNW庫。作者在其中集成了等離子體、金屬或近紅外活性硫屬元素化物，它們在太陽能轉換方面具有巨大潛力。這種合成能力可以提高目標應用的性能，作者報道了與相應的單獨物體相比，使用優化的ASLNW提升了數量級的光催化制氫速率。此外，這種獨特的超晶格納米線有望帶來新的現象。相關研究以“One-Dimensional Superlattice Heterostructure Library”為題目，發表在J. Am. Chem. Soc.上。DOI: 10.1021/jacs.1c01514

圖5一維異質結構體系結構

Angew：大面積結晶沸石咪唑骨架薄膜

作者報道了具有高度可控的厚度（從44到5100 nm）的連續MOF薄膜可以通過一種簡便、快速且具有成本效益的噴涂方法沉積在超過80厘米的長度尺度上。這種成功依賴于作者發現了前所未有的由無定形 MOF 納米顆粒組成的完美分散的膠體溶液，作者將其用作前驅體，在低溫原位加熱時很容易轉化為結晶薄膜。膠體溶液允許在大量基材上制造致密且均勻的MOF薄膜，例如摻氟氧化錫、玻璃、SiO₂、Al₂O₃、Si、Cu，甚至柔性聚碳酸酯，拓寬了它們在基材必不可少的技術應用，盡管目前的工作重點是制備均勻的ZIF薄膜，但該發現標志著大規模生產其他高質量MOF薄膜的可能性很大。相關研究以“Large-area crystalline zeolitic imidazolate framework thin films”為題目，發表在Angew上。DOI: 10.1002/anie.202104366

圖6 制備與表征

AM：用于智能振動和磁性傳感器的高度可壓縮和可拉伸的碳彈簧

這里，作者引入獨特的長程層狀多拱微結構，可以在-80%到80%的大應變下同時實現彈性壓縮性和拉伸性的多孔全碳材料。令人印象深刻的是，多孔全碳材料在循環壓縮-拉伸過程的加載條件下可以保持可靠的結構堅固性和耐久性，類似于真正的金屬彈簧。獨特的性能使其成為制造智能振動和磁性傳感器的有前途的平臺，甚至能夠在極端溫度下運行。此外，這項研究為從其他純無機成分中創造高度可拉伸和可壓縮的多孔材料提供了寶貴的見解。相關研究以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102724

圖7 制備、結構與力學表征

AM：一種用于連續回收粘性原油的磁加熱亞鐵磁海綿

為了開發粘性原油的非接觸式回收，這里作者報道了一種制造一系列具有疏水性多孔通道的亞鐵磁海綿 (FMS) 的新方法。在交變磁場中（f = 274 kHz，H = 30 kA m^-1），其表面可以在10秒內遠程加熱到 120°C。由于多孔通道中的熱傳遞受到限制，FMS中的整體磁加熱會導致海綿的內部溫度升高，這有助于油粘度急劇降低，并顯著增加流入FMS孔隙的油。此外，與自吸泵組裝在一起的FMS可以通過遠程磁加熱實現粘性原油（33.05 g h^-1 cm^-2）的連續回收。相關研究以“A Magneto-Heated Ferrimagnetic Sponge for Continuous Recovery of Viscous Crude Oil”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202100074

圖8 亞鐵磁海綿回收原油示意圖

AM：新興仿生人造木材

在本文中，作者從設計概念、制造策略、性能和可能的應用等方面對于仿生人造木材進行了討論。目前的挑戰和進一步的研究機遇也為人造木材的蓬勃發展提供了機會。為了實現最終的生態友好型人造木材，應在生物材料和聚合物的可生物降解或可回收工程方面做出更多努力，來同時獲得高機械性能和環境可持續性。相關研究以“Emerging Bioinspired Artificial Woods”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202001086

圖9 人造木材設計的基本原則

AM：堿性水分解的研究進展

在這里，作者概述了水電解的歷史發展，并討論了幾個關鍵的電化學參數。之后，討論了最近出現的用于處理堿性析氧反應 (OER) 和析氫反應 (HER) 的先進非貴金屬電催化劑，特別關注催化劑合成、活性和穩定性挑戰，以及性能改進和行業相關發展。最近一些關于按比例放大催化劑合成、新型電極設計和堿性海水電解的工作也受到關注。最后，展望了堿性水分解的未來挑戰和機遇，并推測了未來的潛在方向。相關研究以“Clean and Affordable Hydrogen Fuel from Alkaline Water Splitting: Past, Recent Progress, and Future Prospects”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202007100

圖10 水分解的發展歷史

AM：受珍珠層啟發的雙層聚酰亞胺-云母納米復合薄膜

聚酰亞胺（PI）復合薄膜被廣泛應用于航天器的外表面，以保護航天器免受低地球軌道（LEO）的不利條件的影響。然而，目前的PI復合薄膜的機械性能和抗原子氧 (AO) 性能不足。該工作通過將云母納米片與PI集成到獨特的雙層珍珠層結構中，在頂層具有更高密度的云母納米片，從而制造出一種新的基于PI的納米復合薄膜，該薄膜具有大大增強的機械性能和抗氧化性。此外，云母獨特的微觀結構和固有特性也賦予納米復合薄膜良好的抗紫外線和耐高溫性能。這種雙層納米復合薄膜作為用于低地球軌道的航空航天材料顯示出巨大的潛力。相關研究以“Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202105299

圖11 材料制備與表征

AM：基于殘余應力誘導的外在增韌機制的仿生陶瓷

陶瓷材料固有的脆性是其作為承重材料的一個重要缺陷。而添加過量的韌性成分則會導致明顯的強度損失。研究發現，軟體動物珍珠層呈現了由可延展的生物聚合物粘合的易碎的文石片晶的實體微觀結構。這提供了一種很好的策略，可以在不損失太多強度的情況下從外部增韌陶瓷。這里，作者證明了具有高無機含量的人造陶瓷的斷裂韌性可以通過殘余應力誘導的片晶強化來提高，這可以誘導更有效的外在增韌機制，這些機制特定于珍珠層模擬結構。相關研究以“Artificial Nacre with High Toughness Amplification Factor: Residual Stress-Engineering Sparks Enhanced Extrinsic Toughening Mechanisms”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202108267

圖12 材料的多尺度結構

AFM：具有生物催化化療和原位微環境調節的生物支架用于術后組織修復

具有抗腫瘤和組織修復功能的新型生物材料對于黑色素瘤手術的術后護理越來越重要。為此，作者設計了一種生物可吸收復合支架，該支架是通過靜電紡絲將治療性無定形碳酸鈣 (ACC) 基納米制劑沉積在明膠/聚己內酯 (GP) 納米纖維中制成的。ACC納米制劑與Fe²⁺預活化的博來霉素結合以提供生物催化增強的治療效果，而ACC可作為質子清除劑原位改善腫瘤組織的酸性，從而持續抑制腫瘤的復發和轉移。酸引發的ACC分解還釋放Ca²⁺激活下游Wnt/β-catenin信號通路，可配合GP底物的愈合作用，加速傷口再生。納米工程支架可用作黑色素瘤術后管理的補充治療。相關研究以“Bioresorbable Scaffolds with Biocatalytic Chemotherapy and In Situ Microenvironment Modulation for Postoperative Tissue Repair”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202008732

圖13 支架制備與作用機制

AFM：用于軟牙齦組織再生的仿生層狀殼聚糖支架

黏齦手術已成為牙科臨床實踐中軟牙齦組織修復的常見手術，主要依賴于自體移植或商業膠原膜（CM）。然而，自體移植物在來源可用性和長期術后疼痛管理方面面臨巨大挑戰，而CM在水性環境中受到其較差的機械性能的限制。在這里，作者通過雙向冷凍方法制造的具有長程有序多孔結構的仿生層狀殼聚糖支架（LCS）作為一種有前途的牙齦組織工程材料。 LCS不僅在水合狀態下表現出優異的機械性能，而且在體內加速血管形成和軟組織再生。最有趣的是，發現LCS能夠誘導巨噬細胞分化為M2巨噬細胞，這被認為在組織再生中起重要作用。這些優勢與其簡單且低成本的制備過程相結合，使LCS成為牙科臨床應用的有希望的候選者。相關研究以“Biomimetic Lamellar Chitosan Scaffold for Soft Gingival Tissue Regeneration”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202105348

圖14 材料制備與作用機制

AFM：用于高性能超級電容器的可持續3D結構粘合劑

柔性超級電容器代表了作為電源的下一代可穿戴消費電子產品的一項有吸引力的技術，但通常具有相對較低的能量密度。非常需要為超級電容器的實際應用構建高性能電極。在這里，受到蜘蛛網自然結構的啟發，作者通過生物合成過程精心設計了粘合劑，來構建具有優異機械性能和電化學性能的柔性電極。通過這種策略，受蜘蛛網啟發的3D結構粘合劑可實現大的離子可及表面積和活性電極材料的高堆積密度以及有效的離子傳輸途徑。結果，在復合電極和對稱超級電容器中分別實現了4.62 F cm^-2的高面電容和0.18 mW h cm^-2的高面能量密度，展示了構建柔性儲能設備的潛力。相關研究以“Sustainable 3D Structural Binder for High-Performance Supercapacitor by Biosynthesis Process”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202105070

圖15受蜘蛛網啟發的復合電極的制造

AFM：核殼ZnTe@N摻雜碳納米線用于堿金屬離子存儲

在這里，作者通過簡單的離子交換和碳化技術設計和制備了一維氮摻雜的碳包覆的ZnTe核殼納米線（ZnTe@C）。當被評估為金屬離子電池的負極時，它在鋰離子和鈉離子存儲方面表現出優異的電化學性能，優異的高倍率性能和長期循環穩定性。在高導電納米結構中嵌入高密度和高性能活性材料的策略代表了實現具有優異重量和體積容量的電極材料以實現卓越儲能系統的有效方法。相關研究以“Rational Design of Core-Shell ZnTe@N-Doped Carbon Nanowires for High Gravimetric and Volumetric Alkali Metal Ion Storage”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202006425

圖16 ZnTe@C納米線制備

AFM：生物合成的可食用、超強和無微塑料的細菌纖維素基吸管

在這里，作者報道了一種由細菌纖維素 (BC) 通過生物合成制成的新型可食用無微塑料吸管。通過藻酸鹽涂層，這種基于BC的吸管實現了比紙吸管更好的機械性能，并且避免了額外的粘合劑。由于3D納米纖維網絡和強大的層間連接，這種基于BC的秸稈的綜合性能超過了市售同類產品，滿足了實際使用的要求。特別值得注意的是，可食用特性為吸管提供了更好的用戶體驗和新的報廢選擇，使基于BC的吸管成為塑料吸管的更健康、更環保的替代品。相關研究以“Edible, Ultrastrong, and Microplastic-Free Bacterial Cellulose-Based Straws by Biosynthesis”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202111713

圖17 材料制備過程

景行供稿