頂刊動態 | Nature子刊/JACS/Nano Lett.等納米材料最新科研成果精選【第19期】

1、ACS Nano?利用卡房狀納米片層提高分層沸石內部擴散效率

圖1?含有微孔納米片層的多級沸石分子模擬體系擴散路徑示意圖

沸石內部具有整齊的分子尺寸空隙結構，可以為具有高選擇性的化學轉變提供反應場所。人們常選擇這一類多孔材料作為模擬體系研究孔隙尺寸對裝載物擴散效率的影響。其中，將中孔引入傳統的多微孔吸收劑或催化劑一直被認為是一種提高材料質量傳輸效率的有效方法。

美國明尼蘇達大學J. Ilja Siepmann （通訊作者）等人認為分級材料內部的擴散機理更加復雜，并且與裝載量呈現非線性依賴關系。在該課題中，他們通過對比實驗證明含有微孔納米片的己烷原子模擬體系比不含微孔納米片的體系擴散率更低。只有在高裝載量或高溫條件下，即中孔充分擴散時，分級材料的整體擴散效率才超過傳統的多孔沸石。研究者認為是裝載物從微孔區跳到中孔區消耗了大量的自由能，這些自由能轉化形成了更多曲折的傳輸路徑并從而產生了分級納米多孔材料這一不同尋常的傳輸行為。

文獻鏈接：Understanding Diffusion in Hierarchical Zeolites with House-of-Cards Nanosheets（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b028561）

2、JACS?利用電位滴定法測量光子摻雜膠體ZnO納米晶體的電容

圖2?ZnO納米晶體費米能級電荷隨載流子密度線性變化示意圖

量子點太陽能電池、發光二極管、光子探測器和光子催化劑都基本依賴于納米晶體表面半導體-絕緣體之間的電荷轉移實現能量轉化。無論哪一方面的應用，都必須了解納米晶體的電荷轉移潛能。

美國華盛頓大學化學系Daniel R. Gameli （通訊作者）等人用實驗結果證明電位滴定法可以用于量化費米能級和為不同類型的膠體狀ZnO納米晶體（每個納米晶體含有0-20個導帶電子不等，電流密度在0-1.2×10²⁰ cm^-3之間）充電。分析結果表明納米晶體的總電容受晶體表面雙電子層控制，而與質子轉移無關。相對于更加常見的伏安法，電位滴定法更加簡單，為量化膠體狀半導體型納米晶體的氧化還原能力提供了一種有效的新手段。

文獻鏈接：Potentiometric Titrations for Measuring the Capacitance of Colloidal Photodoped ZnO Nanocrystals（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b05848）

?3、Angew. Chem. Int. Ed. ?C60骨架選擇性并入氮氧原子制備富勒烯基大雜環化合物

圖3?富勒烯基雜環化合物的制備

富勒烯是只包含碳原子的球形分子。目前，學者們通過理論計算證明含氮或含氧的截角富勒烯（truncated fullerenes）是可以實現的，并且認為這種富勒烯基大環化合物不僅承繼了傳統大環化合物的性質，還會擁有許多基于球形結構的特點。然而，合成這些化合物是一個巨大的挑戰，至今仍沒有關于這種富勒烯大環化合物的相關報道。

北京大學的甘良兵教授課題組報道了一種開放型異質富勒烯的制備。這種富勒烯是將十四元氮氧異質環嵌入到富勒烯籠制得的。研究人員利用羥氨基和t-butylperoxo附加物基團，將氮原子和氧原子分別引入到富勒烯骨架中。這種引入機理可能包括通過氮氧鍵、氧氧鍵的異裂（heterolysis）反應或者氧氧鍵的均裂（homolysis）產生氮、氧離子和氧自由基，以及中間物對富勒烯骨架碳碳鍵的插入。接下來，研究人員將合成更多的富勒烯基雜環化合物作為機理探討的對象。

文獻鏈接：Fullerene-Based Macro-Heterocycle Prepared through Selective Incorporation of Three?N and Two O?Atoms into C60（Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI: 10.1002/anie.201606856）

4、Nat. Commun. 用于液體中埃級尺度分析的分子探針

圖4?基于液體的STM實驗設計

現代電子和掃描探針顯微學的出現和發展，不僅僅極大地提高了科學觀測的分辨率，也促使諸如量子通信、單分子納米技術等新興學科的出現和發展。如今，利用超高真空以及低溫（4-100K）條件，末端單分子掃描探針技術可以表現和觀測分子鍵合效應等原子尺度現象。然而，由于室溫條件下不穩定的金屬-分子耦合，使得標準實驗室條件的分子探針技術未被充分的利用。

IBM蘇黎世研究中心的P. Nirmalraj（通訊作者）等人設計并成功操作了一種末端單分子金掃描隧道顯微學（STM）探針，證明了對分子在金屬尖端的隨機漲落的控制、干凈界面的保持均是由可能的。研究人員利用經過C₆₀分子功能化的掃描隧道探針，在單層石墨烯以及二硫化鉬上分辨出低微表面缺陷和原子界面，并且捕捉到了埃級的鍵長變化。這項研究表明操作單分子探針并不需要超高真空以及冷凍條件，因此可以顯著提高探針技術的可操作性。

文獻鏈接：A robust molecular probe for ?ngstrom-scale analytics in liquids（Nat. Commun.，2016，DOI:10.1038/ncomms12403）

5、Nano Lett.?核-殼結構InGaN/GaN納米棒的結構、組成和發光性能

?

圖5?發光峰值處CL圖像

氮基納米3D核-殼結構納米棒（NRs）LED在高效固體光源方面有著廣闊的前景。對InGaN/GaN NRs復雜的核-殼結構、組成和光學性能方面系統的研究至關重要。

最近，德國馬格德堡大學的Marcus Mu?ller（第一作者）等人通過高度分散的陰極熒光分析（CL），對InGaN/GaN核-殼NRs的光學性能和結構、組分之間的關系進行了研究。研究發現：核-殼納米結構樣品的擴展缺陷濃度較低；InGaN單量子阱（SQW）沿著非極性側壁有從410nm到472nm的紅移；STEM定量分析表明SQW的厚度從6nm增加到13nm，同時，銦濃度沿著非極性側壁的從11%增加到13%，這兩個方面造成了紅移。此外，在量子阱中形成了具有納米尺寸的幾十納米的富銦區域，這些短程銦變化很可能會在InGaN量子阱中產生強烈的波動。該研究將有利于提高商用固體光源的效率。

文獻鏈接：Nanoscopic Insights into InGaN/GaN Core-Shell Nanorods: Structure, Composition, and Luminescence（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01062）

6、Nat. Mater. Pt納米晶相的分離和遷移形成納米催化劑

圖6?Pt-Ni菱形十二面體的生長過程

金屬納米催化物由于具有高比表面積成為多相催化劑的重要組成部分。通過對納米催化劑形狀和組分的控制合成納米催化劑，成為提高氧還原電催化劑催化效率的核心。不過，怎樣控制納米晶中各向異性元素的分布成為新的挑戰。

最近，加州大學伯克利分校的楊培東（通訊作者）等人研究了Pt-Ni菱形十二面體的相偏析過程，發現生長初期，富Pt相沿著<111>和<200>方向生長，導致Pt從14軸的菱形十二面體中偏析，在富Ni殼外形成高度分支的富Pt正十四面體結構。隨著晶體生長，富Pt相選擇性的從14軸的菱形十二面體中遷移出來，富Pt相圍在富Ni相的外側。這種各向異性分離和遷移機制的發現，為制備出預期性能和預設計成分分布的納米催化劑提供了不同的方法。

文獻鏈接：Anisotropic phase segregation and migration of Pt in nanocrystals en route to nanoframe catalysts?（Nat. Mater.，2016， DOI: 10.1038/nmat4724）

本文由材料人納米學習小組shixiong chern、白碩和朱曉秀提供，材料牛編輯整理。