POCs Angew，COFs JACS，港城大于欣格Nature Commun等成果速递 |顶刊日报20241118
学术
2024-11-18 09:14
福建
1.南开大学Angew：生物灵感设计柔性多孔有机笼识别乙烷客体分子多孔有机笼POCs（Porous Organic Cage）在许多研究领域都得到广泛的关注。但是，以往的研究通常关注于内部孔隙的功能化设计，使用外部孔隙的研究比较罕见。迄今为止，POC对功能化的外孔进行合理设计和构建仍然是一个严峻的挑战，通常需要通过反复的试错试验测试。 有鉴于此，南开大学李柏延研究员、李琳教授、青岛科技大学Shuo Zhang等受到疏水性蛋白的启发，通过疏水性“分子间口袋”概念设计POC（即NKPOC-DS），通过二硫化学键与疏水基团组装外部孔隙，产生强烈的超分子相互作用，而且得到静电势（ESP）图和单晶X射线衍射测试的证实。1）通过外部孔隙的柔性，NKPOC-DS表现了对C2H6选择性独特“呼吸”现象，同时这种柔软性对其他气体没有反应，包括C2H4、CH4、CO2、N2和H2。这种对C2H6的特异性识别使NKPOC-DS能够优先从C2H6/C2H4混合物中吸附C2H6。 2）仿生在功能POC设计中的创新方法为操纵笼子的包装提供了新的见解，为客体分子的识别和吸附分离等应用提供帮助。Baiyan Li, Laiyu Zhang, Qiong Lei, Mao Yi, Zhiyuan Zhang, Xin Lian, Jian Xu, Shuo Zhang, Lin Li, Xian-He Bu, Bioinspired “Intermolecular Pocket” in Soft Molecular Crystal of Porous Organic Cage Exhibiting Reversible Guest Recognition, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202421753https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024217532.厦门大学&中科院上海先进技术研究院Nature Commun：Cu(I)在水促进电催化还原CO2合成多碳化合物中的作用 膜电解槽（MEA）在电催化CO2还原反应制备C2+多碳化合物的实际应用中展现巨大的前景。在没有阴极电解液的MEA电解槽中，水的控制和管理至关重要，但是目前关于研究阴极水是否能够增强C2+形成的有关报道。有鉴于此，厦门大学王野教授、程俊教授、谢顺吉教授、中科院上海先进技术研究院姜政研究员等报道发现的一种具有丰富Cu2O−Cu0界面的纳米复合电催化剂，具有水促进C2+形成的关键作用。1）在MEA中实现了1.0A cm−2的电流密度和19%的单程C2+产率，C2+法拉第效率达到80%。实验结果表明在安培量级的电流密度进行电催化CO2RR反应，Cu+与Cu0同时存在。这项研究结果表明，Cu+起到活化水分子的作用，而且增强CO吸附和促进产生CHO物种，促进C-C偶联。2）这项工作开发了通过控制体系的水与电催化剂设计进行结合，提高工业MEA电催化反应槽CO2RR转化为C2+化合物的策略。 He, X., Lin, L., Li, X. et al. Roles of copper(I) in water-promoted CO2 electrolysis to multi-carbon compounds. Nat Commun 15, 9923 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-54282-2https://www.nature.com/articles/s41467-024-54282-23.港城大Nature Commun：电鱼启发电子皮肤能够非接触感知空间三维位置在三维空间中辨别和定位位置的能力对于人机界面和机器人感知至关重要。但是，目前的软电子设备只能通过物理接触获得二维空间位置。有鉴于此，香港城市大学于欣格教授等报道使得具有三维传感能力的透明薄软电子皮肤（E-skin）实现一种非接触式位置定位的概念。1）受mormyroidea鱼（非洲弱电鱼类的一个超家族，在系统神经科学、肌肉细胞和颅面发育、离子通道生物物理学以及鞭毛/纤毛生物学等多种生物医学研究领域具有作为模型的巨大潜力）的主动电补偿的启发和灵感，构筑的电子皮肤以非接触方式主动确定目标物体的3D位置，能够实时的将位置通过无线传输的方式告知其他设备。2）这种电子皮肤容易与机器进行交互，能够在虚拟/实际3D空间操纵虚拟物体、控制机器人手臂和无人机。此外，可以与机器人集成，为其提供3D态势感知，感知周围环境、避开障碍物或跟踪目标等。 Zhou, J., Li, J., Jia, H. et al. Mormyroidea-inspired electronic skin for active non-contact three-dimensional tracking and sensing. Nat Commun 15, 9875 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-54249-3https://www.nature.com/articles/s41467-024-54249-34.南方科技大学&苏州大学Nature Commun：调节表面电荷实现ZnO纳米粒子光图案化 胶体颗粒的光学图案化是一种可扩展且经济高效的方法，用于创建多尺度功能结构。现有的方法通常使用高强度光源和定制的光学设置，这使得它们在大规模微细加工过程中不太可行。有鉴于此，南方科技大学胡程志副教授、苏州大学杨湛教授等报道一种通过光触发调制半导体纳米粒子表面电荷的光学图案化方法。1）这种方法不使用光能源，而是利用紫外线诱导表面配体去除因此修饰表面电荷，实现了通过静电相互作用促进纳米粒子在导电载体表面自组装。通过柠檬酸盐处理的ZnO纳米粒子，实现了厚度可控的均匀ZnO图案化。 2）这些图案化的多层ZnO制备了开/关比超过104的紫外光探测器。这项研究展示了一种简单有效的半导体纳米颗粒图案化方法，有助于功能纳米材料的大规模集成新型柔性机器人器件。He, X., Gu, H., Ma, Y. et al. Light patterning semiconductor nanoparticles by modulating surface charges. Nat Commun 15, 9843 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53926-7https://www.nature.com/articles/s41467-024-53926-75.新加坡国立JACS：垂直方向撑开构筑多孔COFCOF(共价有机框架)可以用于分子的限域和分子分离。但是，π堆叠导致层间距离限制在3-6Å，但是对客体分子而言空间太小。因此，COF阻止接触x–y空间，将客体分子严格的限制在z方向的孔隙内。每一层的延伸面都掩藏在相邻层之间，排除了客体分子的相互作用。有鉴于此，新加坡国立大学江东林教授等报道一种打开COF层之间的空间策略，以在层之间产生可进入的纳米空间，作者通过配位键代替层间π-π堆叠。 1）通过拓扑聚合合成二维共价Co(II)卟啉层验证这种扩展层空间，这些层通过双齿配体轴向柱与钴(II)卟啉沿z方向的配位键堆积，通过一锅反应组装垂直方向膨胀的COF。由此产生的框架用轴向柱将层分开，通过柱配体分子的长度决定层间形成离散的孔结构。这种设计导致中间层能够被客体分子接触，多边形π平面暴露在外部，能够用于各种超分子相互作用。 2）蒸汽吸附、穿透吸附实验和理论计算相互作用的结果表明，最佳层间空间的垂直膨胀COF框架能够产生额外的相互作用，可以区分苯和环己烷，在环境条件下有效地分离苯/环己烷的混合物。 Shuailei Xie, Matthew A. Addicoat, and Donglin Jiang*, Vertically Expanded Crystalline Porous Covalent Organic Frameworks, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c11880https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c118806.JACS：Pd1和Mo1单原子协同低温生物质转化有目的地原子级设计催化位点，特别是促进低温下的目标反应活性和选择性，是催化领域的关键挑战。有鉴于此，堪萨斯大学陶丰（Franklin Feng Tao）、加州大学洛杉矶分校Philippe Sautet等报道Pd1和Mo1单原子位点的组合构筑的催化剂，在100-150℃低温的苯甲醚加氢脱氧生成苯的反应具有高活性和高选择性，对比发现单独的Pd金属纳米颗粒催化剂或MoO3纳米颗粒催化剂没有这种催化活性。 1）单独由Pd1或Mo1单原子位点构建的催化剂效果明显更低，而且Pd1位点的催化剂显示出一些活性但是选择性比较低。而且，低分散度的纳米粒子效果同样更差。2）理论计算模拟的结果表明，Pd1和Mo1单原子位点分别活化H2和苯甲醚，它们的结合在这个低温范围内触发苯甲醚的加氢脱氧。Co3O4载体本身对苯甲醚加氢脱氧没有活性，但是通过将氢原子从Pd1转移到Mo1位点参与化学反应。这一发现为设计对目标反应路径的催化剂提供一种新途径，而且金属和氧化物纳米颗粒的低温下转化生物质衍生物都无法表现这种效果。 Yu Tang, George Yan, Shiran Zhang, Yuting Li, Luan Nguyen, Yasuhiro Iwasawa, Tomohiro Sakata, Christopher Andolina, Judith C. Yang, Philippe Sautet*, and Franklin Feng Tao*, Turning on Low-Temperature Catalytic Conversion of Biomass Derivatives through Teaming Pd1 and Mo1 Single-Atom Sites, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c07075https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c070757.南澳洲大学&南京林业大学&暨南大学AM：界面设计实现了海水蒸发速率超过纯水通过界面太阳能蒸发的海水淡化技术是缓解淡水短缺最有前景的策略之一。但是，真实条件的太阳蒸发海水的速率受到海水中普遍存在的盐类的显著限制。除了太阳蒸发过程中蒸发表面盐分积聚的常见问题外，盐离子和水分子之间的强烈水合作用导致真实海水的蒸发速率低于纯水。 有鉴于此，南澳大利亚大学徐浩兰教授、南京林业大学杨小飞教授、暨南大学麦文杰研究员等报道开发了一种简单而通用的策略解决这个问题，实现了真正海水蒸发速度能够比纯水更快的蒸发。1）简单的将特定的矿物材料引入浮动式光热蒸发器，借助空气-水的界面离子交换，能够直接减少海水蒸发焓，因此海水蒸发的速率能够与纯水更快。这是在海水太阳能蒸发过程中自发实现的。 2）由于目前海水淡化处理工厂生产大量的净水，这种改善蒸发的技术能够显著的提高每年产生的净水产量，有助于帮助全球数百万人。 Huimin Yu, Huanyu Jin, Meijia Qiu, Yunzheng Liang, Peng Sun, Chuanqi Cheng, Pan Wu, Yida Wang, Xuan Wu, Dewei Chu, Min Zheng, Tong Qiu, Yi Lu, Bin Zhang, Wenjie Mai, Xiaofei Yang, Gary Owens, Haolan Xu, Making Interfacial Solar Evaporation of Seawater Faster than Fresh Water, Adv. Mater. 2024DOI: 10.1002/adma.202414045https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2024140458.AM：晶面调控和含氟界面设计增强层状氧化物钠离子电池性能由于层状氧化物中的活性氧具有氧化还原活性，使得其具有高容量，因此成为有吸引力的钠离子电池（SIB）阴极材料，但是因为晶格氧的释放、界面副反应和结构重构等现象，层状氧化物的容量/电压迅速减少，而且反应动力学缓慢。 有鉴于此，南开大学程方益、山东理工大学周晋、周朋飞等报道一种晶面调制和氟化界面工程的协同策略，开发了高容量、优异的倍率性能和长循环稳定性的Na0.67Li0.24Mn0.76O2。1）合成单晶Na0.67Li0.24Mn0.76O2（NLMO｛010｝）的暴露｛010｝活性晶面更多，具有更快速的阴离子氧化还原动力学，更高的容量（10mA g-1时的容量达到272.4mAh g-1），优异的能量密度（713.9Wh kg-1）和倍率性能（1A g-2达到116.4mAh g-1）。2）通过加入N-氟苯磺酰亚胺（NFBS）作为电解质添加剂，NLMO｛010｝阴极在500mA g-1下400次循环后保持84.6 %的容量，电压衰减减轻（每次循环的电压减少为0.27mV）。通过原位分析和理论计算，揭示了N-氟苯磺酰亚胺（NFBS）的双重作用，能够导致NLMO{010}阴极和硬碳阳极形成较薄且稳定的氟化物界面，能够去除高活性氧。测试结果表明，快速离子转移的晶面工程以及含氟电解质设计，实现了提高高能量密度SIB的氧氧化还原活性阴极材料。 Yiran Sun, Junying Weng, Pengfei Zhou, Wenyong Yuan, Yihao Pan, Xiaozhong Wu, Jin Zhou, Fangyi Cheng, Improving Oxygen-Redox-Active Layered Oxide Cathodes for Sodium-Ion Batteries Through Crystal Facet Modulation and Fluorinated Interfacial Engineering, Adv. Mater. 2024DOI: 10.1002/adma.202410575https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202410575纳米人学术QQ交流群
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