俞书宏院士团队2021年工作集锦

今天向大家汇总俞书宏院士团队2021年一些工作，一共17篇。

Nat. Commun.：通过近红外活性晶格匹配形态异质结提高光电化学效率

光电催化是一种从太阳能直接制氢的有吸引力的方法。然而，与可见光和紫外线区域相比，近红外区域的光收集效率有限。在这里，作者介绍了一种具有晶格匹配形态的异质纳米结构的近红外活性光阳极。这是一种通过同时增加光捕获光谱范围和电荷分离效率来提高能量转换效率的策略。具体而言，作者设计了由BiSeTe三元合金纳米管和超薄纳米片组成的近红外活性形态异质结，异质结的分层纳米结构将两种形态成分的晶格匹配界面处的电荷分开，防止进一步的载流子复合。结果，在不含助催化剂的含空穴清除剂的电解质溶液中，光电阳极在800 nm 处实现了36%的入射光子到电流转换效率。相关研究以“Boosting photoelectrochemical efficiency by near-infrared-active lattice-matched morphological heterojunctions” 为题目，发表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-021-24569-9

图1 光谱表征和能带示意图

Nat. Commun.：一种多响应可修复超级电容器

自修复对于提高超级电容器的可靠性和使用寿命至关重要。然而，缺乏通用的自修复机制导致低电容性能和不令人满意的自修复效果。在这里，作者展示了一种具有集成配置的多响应可修复超级电容器，由磁性Fe₃O₄@Au/聚丙烯酰胺 (MFP) 水凝胶基电极和电解质以及作为集流体的Ag纳米线薄膜组装而成。除了高机械强度外，MFP水凝胶还表现出由不同的光热和磁热触发界面重构产生的快速光学和磁修复特性。通过将电活性聚吡咯纳米粒子作为电极生长到MFP框架中，组装的超级电容器在光、电和磁刺激下表现出三重响应的修复性能。值得注意的是，该器件在报道的可修复超级电容器中提供了1264 mF cm^-2的最高面电容，并在十个修复周期内恢复了约90%的初始电容。这些突出的性能优势以及简便的器件组装方法使这种新兴的超级电容器在下一代电子产品中具有巨大的潜力。相关研究以“A multi-responsive healable supercapacitor” 为题目，发表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-021-24568-w

图2可自修复超级电容器设备的组装

Chem. Soc. Rev.：软化学调控亚稳态金属硫族化合物纳米结构

在该篇综述中，作者详细分析了金属硫族化合物纳米结构亚稳特性的具体表现形式，如离子的迁移和空位、热不稳定性和结构不稳定性、化学反应活性和晶相转变，以及基于以上特征设计相应的“软化学反应”路径，包括离子交换、催化生长、分离或耦合、模板嫁接或化学转化及晶相的稳定或构建。作者重点介绍了利用以上设计原则和转化规律对亚稳态金属硫族化合物纳米结构进行合成、修饰和功能化的最新进展。最后，作者对亚稳态金属硫族化合物纳米结构“软化学”调控研究的未来发展进行了展望，并提出了对这个领域主要存在的机遇及挑战的个人见解。相关综述以“Soft chemistry of metastable metal chalcogenide nanomaterials” 为题目，发表在Chem. Soc. Rev.上。DOI: 10.1039/d0cs00881h

图3 全文概要图

J. Am. Chem. Soc.：3D有序通道中的微化学工程增强电催化

包括传质和表面反应在内的电极反应动力学在电催化中是必不可少的，因为它决定了表观反应速率，尤其是在纳米结构电催化剂上。然而，在优化具有合适成分、形态和晶体设计的给定催化剂的动力学以最大化电催化性能方面仍然存在重要挑战。作者这里提出了一种在纳米催化剂修饰的电极表面上耦合传质和表面反应的综合动力学模型，以探索和阐明电催化的动力学优化。此外，理论指导的微化学工程（MCE）策略已被证明可以合理地重新设计具有优化动力学的催化剂。具有可调通道尺寸的3D有序通道中甲醇氧化反应的实验测量证实了计算预测。在优化的通道尺寸下，通道微反应器中的传质和表面反应都得到了很好的调节。这种MCE策略将在结构化催化剂设计和动力学调节方面带来重大飞跃。相关研究以“Microchemical Engineering in a 3D Ordered Channel Enhances Electrocatalysis”为题目，发表在J. Am. Chem. Soc.上。DOI: 10.1021/jacs.1c04653

图4从工业规模到微观规模的分层构造化学工程的示意图

J.Am. Chem. Soc.：一维超晶格异质结构库

在轴向上，将不同成分和结构的纳米物体外延组织成超晶格纳米线，可以充分利用阳光、易于设计的能带结构和可调几何参数来适应载流子传输，从而为光电子学和太阳能到燃料的转换带来广阔前景。为了最大限度地提高它们的效率，具有可编程成分和结构的胶体轴向超晶格纳米线（ASLNWs）的通用和高精度合成是先决条件。然而，仍然具有挑战性。在这里，作者向ASLNW库报道了一种轴向编码方法，可以精确控制它们的成分、尺寸、晶相、界面和周期性。使用提供合成选择性的预先设计的、可编辑的纳米粒子框架，作者能够化学解耦ASLNW中的相邻子对象，从而以受控方法制作它们，产生不同的ASLNW库。作者在其中集成了等离子体、金属或近红外活性硫属元素化物，它们在太阳能转换方面具有巨大潜力。这种合成能力可以提高目标应用的性能，作者报道了与相应的单独物体相比，使用优化的ASLNW提升了数量级的光催化制氢速率。此外，这种独特的超晶格纳米线有望带来新的现象。相关研究以“One-Dimensional Superlattice Heterostructure Library”为题目，发表在J. Am. Chem. Soc.上。DOI: 10.1021/jacs.1c01514

图5一维异质结构体系结构

Angew：大面积结晶沸石咪唑骨架薄膜

作者报道了具有高度可控的厚度（从44到5100 nm）的连续MOF薄膜可以通过一种简便、快速且具有成本效益的喷涂方法沉积在超过80厘米的长度尺度上。这种成功依赖于作者发现了前所未有的由无定形 MOF 纳米颗粒组成的完美分散的胶体溶液，作者将其用作前驱体，在低温原位加热时很容易转化为结晶薄膜。胶体溶液允许在大量基材上制造致密且均匀的MOF薄膜，例如掺氟氧化锡、玻璃、SiO₂、Al₂O₃、Si、Cu，甚至柔性聚碳酸酯，拓宽了它们在基材必不可少的技术应用，尽管目前的工作重点是制备均匀的ZIF薄膜，但该发现标志着大规模生产其他高质量MOF薄膜的可能性很大。相关研究以“Large-area crystalline zeolitic imidazolate framework thin films”为题目，发表在Angew上。DOI: 10.1002/anie.202104366

图6 制备与表征

AM：用于智能振动和磁性传感器的高度可压缩和可拉伸的碳弹簧

这里，作者引入独特的长程层状多拱微结构，可以在-80%到80%的大应变下同时实现弹性压缩性和拉伸性的多孔全碳材料。令人印象深刻的是，多孔全碳材料在循环压缩-拉伸过程的加载条件下可以保持可靠的结构坚固性和耐久性，类似于真正的金属弹簧。独特的性能使其成为制造智能振动和磁性传感器的有前途的平台，甚至能够在极端温度下运行。此外，这项研究为从其他纯无机成分中创造高度可拉伸和可压缩的多孔材料提供了宝贵的见解。相关研究以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102724

图7 制备、结构与力学表征

AM：一种用于连续回收粘性原油的磁加热亚铁磁海绵

为了开发粘性原油的非接触式回收，这里作者报道了一种制造一系列具有疏水性多孔通道的亚铁磁海绵 (FMS) 的新方法。在交变磁场中（f = 274 kHz，H = 30 kA m^-1），其表面可以在10秒内远程加热到 120°C。由于多孔通道中的热传递受到限制，FMS中的整体磁加热会导致海绵的内部温度升高，这有助于油粘度急剧降低，并显著增加流入FMS孔隙的油。此外，与自吸泵组装在一起的FMS可以通过远程磁加热实现粘性原油（33.05 g h^-1 cm^-2）的连续回收。相关研究以“A Magneto-Heated Ferrimagnetic Sponge for Continuous Recovery of Viscous Crude Oil”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202100074

图8 亚铁磁海绵回收原油示意图

AM：新兴仿生人造木材

在本文中，作者从设计概念、制造策略、性能和可能的应用等方面对于仿生人造木材进行了讨论。目前的挑战和进一步的研究机遇也为人造木材的蓬勃发展提供了机会。为了实现最终的生态友好型人造木材，应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，来同时获得高机械性能和环境可持续性。相关研究以“Emerging Bioinspired Artificial Woods”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202001086

图9 人造木材设计的基本原则

AM：碱性水分解的研究进展

在这里，作者概述了水电解的历史发展，并讨论了几个关键的电化学参数。之后，讨论了最近出现的用于处理碱性析氧反应 (OER) 和析氢反应 (HER) 的先进非贵金属电催化剂，特别关注催化剂合成、活性和稳定性挑战，以及性能改进和行业相关发展。最近一些关于按比例放大催化剂合成、新型电极设计和碱性海水电解的工作也受到关注。最后，展望了碱性水分解的未来挑战和机遇，并推测了未来的潜在方向。相关研究以“Clean and Affordable Hydrogen Fuel from Alkaline Water Splitting: Past, Recent Progress, and Future Prospects”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202007100

图10 水分解的发展历史

AM：受珍珠层启发的双层聚酰亚胺-云母纳米复合薄膜

聚酰亚胺（PI）复合薄膜被广泛应用于航天器的外表面，以保护航天器免受低地球轨道（LEO）的不利条件的影响。然而，目前的PI复合薄膜的机械性能和抗原子氧 (AO) 性能不足。该工作通过将云母纳米片与PI集成到独特的双层珍珠层结构中，在顶层具有更高密度的云母纳米片，从而制造出一种新的基于PI的纳米复合薄膜，该薄膜具有大大增强的机械性能和抗氧化性。此外，云母独特的微观结构和固有特性也赋予纳米复合薄膜良好的抗紫外线和耐高温性能。这种双层纳米复合薄膜作为用于低地球轨道的航空航天材料显示出巨大的潜力。相关研究以“Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202105299

图11 材料制备与表征

AM：基于残余应力诱导的外在增韧机制的仿生陶瓷

陶瓷材料固有的脆性是其作为承重材料的一个重要缺陷。而添加过量的韧性成分则会导致明显的强度损失。研究发现，软体动物珍珠层呈现了由可延展的生物聚合物粘合的易碎的文石片晶的实体微观结构。这提供了一种很好的策略，可以在不损失太多强度的情况下从外部增韧陶瓷。这里，作者证明了具有高无机含量的人造陶瓷的断裂韧性可以通过残余应力诱导的片晶强化来提高，这可以诱导更有效的外在增韧机制，这些机制特定于珍珠层模拟结构。相关研究以“Artificial Nacre with High Toughness Amplification Factor: Residual Stress-Engineering Sparks Enhanced Extrinsic Toughening Mechanisms”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202108267

图12 材料的多尺度结构

AFM：具有生物催化化疗和原位微环境调节的生物支架用于术后组织修复

具有抗肿瘤和组织修复功能的新型生物材料对于黑色素瘤手术的术后护理越来越重要。为此，作者设计了一种生物可吸收复合支架，该支架是通过静电纺丝将治疗性无定形碳酸钙 (ACC) 基纳米制剂沉积在明胶/聚己内酯 (GP) 纳米纤维中制成的。ACC纳米制剂与Fe²⁺预活化的博来霉素结合以提供生物催化增强的治疗效果，而ACC可作为质子清除剂原位改善肿瘤组织的酸性，从而持续抑制肿瘤的复发和转移。酸引发的ACC分解还释放Ca²⁺激活下游Wnt/β-catenin信号通路，可配合GP底物的愈合作用，加速伤口再生。纳米工程支架可用作黑色素瘤术后管理的补充治疗。相关研究以“Bioresorbable Scaffolds with Biocatalytic Chemotherapy and In Situ Microenvironment Modulation for Postoperative Tissue Repair”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202008732

图13 支架制备与作用机制

AFM：用于软牙龈组织再生的仿生层状壳聚糖支架

黏龈手术已成为牙科临床实践中软牙龈组织修复的常见手术，主要依赖于自体移植或商业胶原膜（CM）。然而，自体移植物在来源可用性和长期术后疼痛管理方面面临巨大挑战，而CM在水性环境中受到其较差的机械性能的限制。在这里，作者通过双向冷冻方法制造的具有长程有序多孔结构的仿生层状壳聚糖支架（LCS）作为一种有前途的牙龈组织工程材料。 LCS不仅在水合状态下表现出优异的机械性能，而且在体内加速血管形成和软组织再生。最有趣的是，发现LCS能够诱导巨噬细胞分化为M2巨噬细胞，这被认为在组织再生中起重要作用。这些优势与其简单且低成本的制备过程相结合，使LCS成为牙科临床应用的有希望的候选者。相关研究以“Biomimetic Lamellar Chitosan Scaffold for Soft Gingival Tissue Regeneration”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202105348

图14 材料制备与作用机制

AFM：用于高性能超级电容器的可持续3D结构粘合剂

柔性超级电容器代表了作为电源的下一代可穿戴消费电子产品的一项有吸引力的技术，但通常具有相对较低的能量密度。非常需要为超级电容器的实际应用构建高性能电极。在这里，受到蜘蛛网自然结构的启发，作者通过生物合成过程精心设计了粘合剂，来构建具有优异机械性能和电化学性能的柔性电极。通过这种策略，受蜘蛛网启发的3D结构粘合剂可实现大的离子可及表面积和活性电极材料的高堆积密度以及有效的离子传输途径。结果，在复合电极和对称超级电容器中分别实现了4.62 F cm^-2的高面电容和0.18 mW h cm^-2的高面能量密度，展示了构建柔性储能设备的潜力。相关研究以“Sustainable 3D Structural Binder for High-Performance Supercapacitor by Biosynthesis Process”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202105070

图15受蜘蛛网启发的复合电极的制造

AFM：核壳ZnTe@N掺杂碳纳米线用于碱金属离子存储

在这里，作者通过简单的离子交换和碳化技术设计和制备了一维氮掺杂的碳包覆的ZnTe核壳纳米线（ZnTe@C）。当被评估为金属离子电池的负极时，它在锂离子和钠离子存储方面表现出优异的电化学性能，优异的高倍率性能和长期循环稳定性。在高导电纳米结构中嵌入高密度和高性能活性材料的策略代表了实现具有优异重量和体积容量的电极材料以实现卓越储能系统的有效方法。相关研究以“Rational Design of Core-Shell ZnTe@N-Doped Carbon Nanowires for High Gravimetric and Volumetric Alkali Metal Ion Storage”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202006425

图16 ZnTe@C纳米线制备

AFM：生物合成的可食用、超强和无微塑料的细菌纤维素基吸管

在这里，作者报道了一种由细菌纤维素 (BC) 通过生物合成制成的新型可食用无微塑料吸管。通过藻酸盐涂层，这种基于BC的吸管实现了比纸吸管更好的机械性能，并且避免了额外的粘合剂。由于3D纳米纤维网络和强大的层间连接，这种基于BC的秸秆的综合性能超过了市售同类产品，满足了实际使用的要求。特别值得注意的是，可食用特性为吸管提供了更好的用户体验和新的报废选择，使基于BC的吸管成为塑料吸管的更健康、更环保的替代品。相关研究以“Edible, Ultrastrong, and Microplastic-Free Bacterial Cellulose-Based Straws by Biosynthesis”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202111713

图17 材料制备过程

景行供稿