欧洲足球赛事 - 欧洲杯足彩胜负彩,滚球体育,外围是什么意思 //www.tclnb.com 外围是什么意思 材料滚球体育 创新 Mon, 16 Nov 2020 22:30:53 +0800 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=4.9.4 黎永富教授团队Adv. Healthc. Mater.:能双相化学感应内部信号的生物启发缓释材料,及其所形成的输送跟踪系统 //www.tclnb.com/213115.html //www.tclnb.com/213115.html#respond Mon, 16 Nov 2020 22:30:53 +0000 //www.tclnb.com/?p=213115 【背景介绍】

多年来,尽管文献中报道了大量的输送跟踪系统,但是缺乏能够在治疗过程中同时监测多个因素的材料。此外,目前大多数现有的输送跟踪系统都依赖于复杂的机器设备(例如,正电子发射断层扫描和单光子发射计算机断层扫描)和繁琐的测量程序。这阻碍了这些系统在常规临床实践中的应用。由于许多这些系统需要使用对比度增强剂或金属纳米晶体才能正常运行,这使情况变得更加复杂。如果任何毒性对比增强剂和纳米晶体随药物一起释放到体内,则这会干扰治疗剂的装载和释放,并增加载药系统的毒性。

生物荧光是与信息传递相关的功能过程,而响应内部生理信号的能力是细胞的独特属性。受细胞中这种独特信号处理特性以及生物荧光在信息传递中可能发挥的作用的启发,在这项研究中黎教授团队近期开发了一种仿生智能缓释材料,即CPS,它可以将内部化学信号的变化传递给外部的发光变化,以传达有关材料实时状态的信息(图1A) ,以用于持续跟踪伤口治疗中局部药物的递送过程。

【成果简介】

近日,香港中文大学(深圳)切哈诺沃精准和再生医学研究院PI黎永富教授的团队报道了一种具有能够针对伤口治疗中双相化学感应内部信号的生物启发药用缓释材料CPS。CPS可以将内部化学信号的变化传递给外部的发光变化,以传达有关材料实时状态的信息,用于持续跟踪伤口治疗中的局部药物递送过程。在跟踪过程中,既不需要复杂的设备,也不需要额外的对比度增强剂。与常规发光聚合物系统(其发射来自π共轭结构)不同,CPS表现出簇集发光(CTE)。在皮肤穿孔组织修复模型的临床前试验中,它成功地加快了伤口闭合的速度,减少了炎性细胞的浸润,并增强了胶原蛋白的沉积。重要的是,类似于可以响应内部信号(例如,内部信号分子的浓度和磷酸化状态)的活细胞,它还可以将内部化学信号(尤其是载药分子数量和氧化状态的变化)的变化转换成其固有发光的变化,从而实现双相化学传感,以防止在伤口治疗中由盐酸米诺环素引起的皮肤色素沉着的发生。此外,CPS还易于制备,且具有生物相容性好、载药效率高、释放可持续性好等优点,在未来的伤口治疗中具有发展成为智能化固态设备的潜力。研究成果以题为A Bioinspired, Sustained-Release Material in Response to Internal Signals for Biphasic Chemical Sensing in Wound Therapy发表在国际著名期刊 ADV. HEALTHC. MATER.上。

【图文解读】

图1. CPS的结构表征和药物传递性能

(A)根据生物荧光在信息传递中发挥的功能作用以及细胞对内部生理信号作出反应的能力来描绘CPS设计的示意图。

(B)不同浓度的PS溶液的PL光谱。

(C)PS溶液在不同浓度下的PL衰减曲线。

(D)描述了用MH负载CPS进行伤口治疗的示意图。

(E)用CCS和CPS处理后的3T3,HDF和HaCaT细胞的活力a)在没有或b)在处理后24小时培养。

(F)PEI,CS,PS,SC,CCS和CPS介导的溶血程度。

(G)CCS和CPS的血液吸收能力。纱布用作对照。

(H)CCS,CPS,CCS-L,CPS-L,CCS-H和CPS-H的包封效率EE和负载效率LE。

(I)CCS,CPS,CCS-L,CPS-L,CCS-H和CPS-H在室温(RT)和体温(BT)释放MH的曲线。

(J)由a,d)MH浸透的滤纸,b,e)CCS / M和c,f)CPS / M对a–c)金黄色葡萄球菌和d–f)大肠杆菌诱导的抑制区图像。比例尺= 20mm。

(K)对于a)金黄色葡萄球菌和b)大肠杆菌,由MH浸泡的滤纸,CCS / M和CPS / M诱导的抑制区域面积百分比。数据表示为平均值±SD(n = 3)。用t检验来确定CCS和CPS的值之间的显著性差异。未观察到统计学上的显著差异。

图2. CPS在负载MH感测中的应用

(A)不同MH浓度的CPS / M的a–f)荧光图像和g–l)光学图像:a,g)0 µg µL-1,b,h)0.8 µg µL-1,c,i)1.6 µg µL-1,d,j)2.4 µg µL-1,e,k)3.2 µg µL-1,f,l)4 µg µL-1

(B)具有不同MH浓度(µg µL-1)的PS溶液的光学和荧光图像。

(C)MH的吸收光谱和CPS的PL光谱。

(D)MH和氧化的MH(OM)对PS淬灭的Stern-Volmer图。

(E)具有不同浓度(µg mL-1)的氧化MH的CPS的PL光谱。

(F)不同PS/SC和PS/SC-OM质量-质量比:a,e,i,m)1:0,b,F,j,n)1:4,c,g,k,o)1:6,d,h,l,p)1:8的a–d,i–l)荧光和e–h,m–p)光学图像。比例尺= 1cm。

(G)SC和SC与氧化的MH之间形成的络合物(SC-OM)对PS的Stern-Volmer图。

(H)SC和SC与氧化的MH之间形成的络合物(SC-OM)的紫外可见吸收光谱。

图3. 负载MH的CPS在伤口治疗中的效率

(A)在第0天,第3天,第6天和第9天伤口的照片。比例尺=5mm。

(B)药物释放过程中不同时间间隔拍摄的a)CPS和B)CPS/M的光学和荧光图像。

(C)药物释放过程第0天、第2天和第4天CPS/M在双相跟踪初期的PL光谱

(D)药物释放过程第4天、第5天、第7天和第9天CPS/M在双相跟踪第二阶段的PL光谱。

(E)第9天用H&E和Masson三色染色的新肉芽组织切片的代表性图像。所选区域的放大图像放在原始图形的右侧。黑色箭头表示新形成的血管。比例尺=100µm。

【小结】

生物荧光是生物信息传递的一个功能过程,而对内部生理信号的反应能力是活细胞的一个特性。作者首次整合了这两个过程来生成仿生智能缓释材料CPS。在这项研究的临床前试验中,CPS有效促进了药物增强伤口闭合的作用,并且还成功地将内部信号的变化(特别是载药量和氧化状态)传递到外部表型(发光强度的变化),以便在伤口治疗过程中实现双相化学传感。由于其良好的生物相容性、高的药物释放可持续性和易于制备,CPS作为一种智能化和人性化的治疗系统,在临床应用中值得进一步发展。

文献链接:A Bioinspired, Sustained-Release Material in Response to Internal Signals for Biphasic Chemical Sensing in Wound Therapy(ADV. HEALTHC. MATER., 2020, DOI: 10.1002/adhm.202001267)

【通信作者简介】

黎永富教授现任香港中文大学(深圳)切哈诺沃精准和再生医学研究院PI,他也为该大学生命与健康科学学院的博导﹑助理教授﹑校长青年学者。在加入学院前,黎教授在韩国首尔延世大学和香港大学从事博士后工作,亦曾在深圳大学药学院担任助理教授及香港理工大学应用生物及化学滚球体育 学系兼任助理教授。他于2014 年曾获英国皇家生物学会认定为特许生物学家;2018 年,黎教授获深圳市“海外高层次人才”(B类)认定,同年亦获英国皇家化学会认定为特许化学家;2019 年获深圳市南山区 “领航人才” (B类) 称号。黎教授主要通过工程技术与传统材料化学的融合,研发能用于生物医学及药剂应用上的高分子材料。迄今他在Advanced Functional Materials, Chemistry of Materials, Nanoscale, ACS Applied Materials and Interfaces, Biomaterials, 和 Journal of Controlled Release 等SCI期刊发表了多篇论文,并获得了韩国和美国的专利。黎教授亦出版了多部学术专著,并为多本期刊审稿与担任编辑工作。

本文由 Eric Wong 供稿。

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Science Advances:纳米双析机制实现轻质超强成分复杂钢 //www.tclnb.com/213125.html //www.tclnb.com/213125.html#respond Mon, 16 Nov 2020 22:30:19 +0000 //www.tclnb.com/?p=213125 成果简介

新型轻质高强钢的设计对于应对节能减排这一全球问题,有着至关重要的作用。目前最受关注的轻质钢为Fe-Mn-Al-C钢。这一系列的轻质钢通过高含量的Al来实现低密度,通过在奥氏体基体中诱导共格κ碳化物或者非共格B2金属间化合物的析出来实现高强度。共格的κ碳化物在变形过程中会被位错切过,对塑性有利,但其加工硬化效应有限。非共格的B2析出相能阻挡位错切过,实现奥罗万强化机制,从而得到较高的加工硬化和抗拉强度。由于B2金属间化合物脆性的本质局限,利用其进一步提高强度需以较大程度地牺牲塑性为代价。因此,超高强度轻质钢的设计遇到了瓶颈问题。

高熵合金(high-entropy alloys)或者叫成分复杂合金(compositionally complex alloys)这一颠覆性合金设计理念的出现,为克服这一瓶颈问题提出了新的方向。高熵合金提供了广阔的成分设计空间,使得开发出之前无法实现的相组分成为可能。德国马普钢铁研究所的王章维博士、逯文君博士、Dierk Raabe教授、中南大学的李志明教授等合作研究,通过引入高熵合金这一理念,重新设计传统轻质钢,充分结合高熵合金与轻质钢的各自优势,开发出了一种全新的复杂成分轻质钢(compositionally complex steels, CCSs)。这种钢的成分为:Fe-26Mn-16Al-5Ni-5C (at.%),融入了高熵合金多主元的特色,具有五种主元并且各个主元的含量不低于5 at.%,突破了传统轻质钢的局限,实现了独一无二的B2和κ碳化物两种纳米相的同时析出(即称为“纳米双析”),同时还拥有轻质钢低密度(6.6g/cm3)和低成本的优势。

成分复杂轻质钢中的B2和κ碳化物双析机制打破了传统轻质钢中析出相的形成路径。通常,纳米级别的 κ碳化物在中温区间(如450°C到650°C之间)经过长时间的退火才能形成。而在该研究设计的成分复杂钢中,纳米级别的κ碳化物在较高温度(800°C到900°C)经过3分钟短时间退火就可以形成。这是由于独特的双析相共生机制导致的。碳在B2析出相中基本没有固溶度,却富集在κ碳化物。因而,形成其中一种析出相必然驱动另一种析出相的形成。复杂成分轻质钢独有的共生纳米双析出相,能够同时利用两种析出相强化的优势。一方面,可被切过的共格κ碳化物析出相能够实现强度和塑性的优异匹配,另一方面,不可切过的B2析出相能提供巨大的强化作用。因此,该研究设计的成分复杂轻质钢拥有杰出的力学性能,抗拉强度可高达1.7GPa(对应比强度为260MPacm3g-1)以及优异的塑性(拉伸延伸率为13%到38%)。其综合力学性能优于目前已有的轻质钢。该工作为新一代低成本的轻质高强材料的设计提供了一种新的 思路。

相关成果以Ultrastrong lightweight compositionally complex steels via dual-nanoprecipitation”为题发表在Science Advances。论文第一作者为王章维博士。通讯作者为王章维博士、逯文君博士和李志明教授。其他作者还包括赵欢博士、Christian H. Liebscher博士、何骏阳博士、Dirk Ponge博士和Dierk Raabe教授。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eaba9543.full

图文导读

图1. 800°C退火条件下的成分复杂钢的微观结构。

2. B2相和κ碳化物双析出的原子尺度表征。

3. 复杂成分钢的力学性能。

4. 复杂成分钢在1.5%应变下的变形组织。

本文由作者投稿。

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为什么2020年最热门的研究前沿是储能陶瓷? //www.tclnb.com/213132.html //www.tclnb.com/213132.html#respond Mon, 16 Nov 2020 22:08:31 +0000 //www.tclnb.com/?p=213132 近日, 2020研究前沿发布,这一报告描绘了2014-2019年间,自然科学与社会科学的 11 大学科领域的 148个研究前沿(包括 110 个热点前沿和 38 个新兴前沿),其中有部分研究领域同化学、材料科学和凝聚态物理相关。我们将会进行不同维度的解读,希望对有幸看到此文的你有所得。

首先,我们需要了解研究前沿的入选算法,因为不同的算法会得到截然不同的结果,对领域的任何分析都必须在其既定算法下进行分析,否则很容易得到误导性的结论,作为科研人员,我们首先得明确这一点。

热点前沿遴选方法2014-2019年间,对每个 ESI 学科中的研究前沿的核心论文,按照总被引频次进行排序,提取排在每个 ESI 学科前 10% 的最具引文影响力的研究前沿,并将其整合到 11 大领域中,以此数据为基础,再根据核心论文出版年的平均值重新排序,遴选出每个领域中那些“最年轻”的研究前沿。从 11 大学科领域中分别遴选出的排名前 10 的热点前沿,代表各大领域中最具影响力的研究前沿,但并不一定代表跨数据库(所有学科)中最大最热的研究前沿。因此,我们耳熟能详的杂化钙钛矿太阳电池、石墨烯的落选,并不是预示着大热方向的文章减少,而是与遴选方式有关。因为大热方向其实已经进入成熟发展方向的序列,而研究前沿的关注点是短期时间内的年轻热点

新兴前沿遴选方法:对研究前沿中的核心论文的出版年赋予了更多的权重或优先权,只有核心论文平均出版年在 2018 年 6 月之后的研究前沿才被考虑,将每个 ESI 学科的研究前沿按被引频次从高到低排序,选取被引频次排在前 10% 的研究前沿。遴选不限定学科,因此 38 个新兴前沿在 11 大学科领域中分布并不均匀。化学和材料科学遴选出的6个新兴前沿占了大约15%的份额,可见在围绕化学的相关方向上,几乎年年有新路径,前瞻性的新领域总会时不时的迸发。

                                                        ——题 记

一、导读

化学与材料科学领域共有10个热点前沿,其中排名第一的就是今天我们盘点的这位——无铅储能陶瓷。在10个入选的热点前沿中,这一领域的核心论文数是33篇,位列中部,而被引频次2130次,则位于倒数第一。那么,为何这一领域排名第一呢?因为其核心论文的平均年出版日期最近,即2017年9月。因此,通过仔细分析,笔者以为,研究前沿(热点和新兴)的关注点都侧重一个“”字,即每年发布的研究前沿具有很强的时效性

回到我们今天的主题——无铅储能陶瓷,这一研究领域涉及到的核心领域主要为具有铁电、压电等特性的非线性电介质材料。因为同传统的线性电介质相比,其有效储能密度较大,具有一定的应用潜力;而无铅材料,兼具环保和小于铅基材料密度的特点,便于在应用中实现轻质。电介质储能电容器和广为研究的超级电容器类似,具有高的功率密度(108 W/kg级),但其能量密度则低的惊人(0.1Wh/kg级),比起我们的锂电池(400 Wh/kg级)那真是小孩了。所以,目前的研究攻坚点主要在于:提高有效能量密度和击穿场强、提升储能效率、拓宽温度稳定区间。客观而言,这一研究领域原本属于经典的凝聚态物理范畴,但因为涉及到目前大热的材料+能源领域,因此,我们可以认为这一领域是化学、材料和物理之间契合点的产物。这顺应了学科交叉的研究趋势,不过,目前主要的核心研究人员主要集中于传统的铁电、压电、和介电领域,亟待其他学科的研究人员的深度融合。物化材之间的深度融合并迸发出颠覆性的领域发展研究路径,是这一领域能够持久“热”,并真正实现“走入日常生活”的钥匙。

本文将基于SCI数据库的引文数据对其进行解读,我们选取的范围稍有扩大,从“无铅”扩展到“无铅+有铅”的完整储能陶瓷领域,时间跨度不设限,这样会更加全面的窥探领域背后的故事。

二、“储能陶瓷”研究概览

图2.1储能陶瓷的分学科发表量

图2.1所示,储能陶瓷研究领域的论文主要以材料综合类学科为主,并且在应用物理和陶瓷学科中有较大的权重,介于中间区域的物理化学、凝聚态物理和电子类论文则起到了学科间交叉的纽带作用,这与本文开头笔者的推测是一致的。尽管这一方向属于交叉领域,但核心的融合点的发展仍较为薄弱,研究的主力依旧是以材料制备及表征为主的传统材料研究路径,而化学学科在其中处于边缘地带,即从原子、分子和结构层面进行更微观层面研究的论文较少。

图2.2储能陶瓷的发表年度曲线图

图2.2展示了2010年以来该研究方向的发文趋势, 这一领域最早的论文发表区间是1997年左右,起初只有10篇左右的工作,而十多年后(2010)的发表量仍然不过百。真正的研究热潮是从2014年开始,而那时正是能源领域论文开始增长的时间段;可见,这一方向的“热门”并不是学科研究方向发展自我突破的区域,而是在整个能源大背景下的“再发掘”,毕竟介电材料能够储存电荷和能量是一直以来的知识共识,只不过早期的研究更加关注介电过程,而没有将其同更绿色的能源应用关联。

图2.3储能陶瓷的国家和地区发表量

图2.3的国家和地区发表分布中,我们清晰的捕捉到,中国大陆是这一领域当仁不让的绝对巨擘,总发文量占据了该领域近60%的份额,将一众小弟远远甩在沙滩上。特别需要关注的是日本,没有进入前五名,这同笔者前不久关于HfO2的分析文章中(日本第三)的排序有着巨大的差异。笔者猜测,可能日本学者觉得其真正应用潜力也许尚不成熟,或者在科学上难以有实质性的突破?

图2.4储能陶瓷发文量前十期刊

注:JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-ME为JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE MATERIALS IN ELECTRONICS)

图2.4 展示了发表该领域论文最多的前十大期刊,三大陶瓷刊物掌控了主要发表量,国陶雄居第一!而另一本电子材料领域的专业期刊JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-ME也是不可小觑,其余的材料类期刊则都是材料领域国人占比不低的期刊,但发文量非常小,都不过百篇。位居末尾的是两大应用物理老牌期刊,JAP和APL,但发文量也很小。此外,我们熟悉的材料类顶刊AM也不在前十,可见这一领域想发表在材料综合期刊上难度不小。这与其过于细分的研究范围有关,只有少量研究能具有更广泛的读者群,大部分的科学点都集中于陶瓷和电子材料领域,这一推断和本文接下来的引文分析不谋而合。

三、“储能陶瓷”论文引证科学分析

图3.1储能陶瓷的国际合作

国际合作方面,图3.1的合作关系表明,中国作为这一领域的最大发文国家,保持着同各主要国家的合作,而中美之间的合作强度最强。欧洲各国彼此之间的合作关联度强于同欧洲以外国家的关联。日本则是最特别的存在,自成一派的只和少数国家有一定合作。

图3.2 储能陶瓷的机构合作

图3.2的各主要研究机构间的合作具有一定的区域发展特征。作为这一领域最大的发文机构,西安交通大学主要和陕西省内的部分高校有更加紧密的合作,并且同英国的少数机构有一定的合作,这一现象并不意外,充分反映了这几个机构研究人员之间长期以来在电子陶瓷领域的师承和合作关系,区域性研究团队特征明显。从上图中,我们也可以得到一个重要信息,这一领域的研究人员集中度很高,都是传统的电子陶瓷类研究机构,一些物理和化学类颇有名气的机构基本上很少涉足这一领域。这带来一个不容忽视的问题,研究群体多样性不足,学术近亲发展现象会限制领域的学术思维的开拓,对于颠覆性和独创性科学思维的凝练是不利的。未来,期待更加多元化的机构群体的加入,搅动起更加澎湃的思想浪花。

图3.3储能陶瓷的期刊间共被引关系

接下来,我们从期刊论文共被引关系(图3.3)中捕捉研究成果的被关注度与研究的发展脉络。我们发现,这一领域的论文的关注集中度较高,陶瓷和传统材料物理类期刊的作者间互相关注同行的成果,而化学类和部分应用物理类期刊均是同领域内互相关注,值得一提的是AM,尽管发文量不大,但更容易被化学研究者关注,这也充分证明,专业综合类期刊具有更广的读者群,有利于促进成果的交叉。总体而言,该领域的学科间“深度融合”不足,这和前文发表期刊的分布是一致的。

图3.4储能陶瓷的期刊间耦合关系

接下来,我们从不同期刊各自论文的共同关注点来剖析不同领域的期刊之间是否有关联。图3.4中,我们发现欧陶和材料化学的期刊间具有一定的融合特性,而美陶和国陶则同电子材料类期刊关注点类似。而化学类期刊内的融合更为紧密,特别是新刊Journal of Materiomicsy更加侧重于化学角度。而物理类期刊APL和陶瓷类期刊的关注点明显不同,更加侧重于微观原子和晶体结构层面的机理对应用物理的影响。

图3.5 储能陶瓷论文中的核心关键词聚类分析

最后,我们看看储能陶瓷全部论文的核心关键词的聚类特征(图3.5)。图中的颜色聚类清楚的展现了学科间“似融非融”的状态,侧重于物理研究的课题,如相变、铁电压电、和应变,同更注重性能的能源以及材料加工的材料领域之间的深度交叉并不明显。其中,介电特性是彼此都关注的交叉点,这与实际的研究内容是吻合的,因为在这一方向的论文中,都不能逃离与介电有关的讨论。

图3.6 储能陶瓷论文中的核心关键词密度分布

图3.6的关键词热度向我们展示了这一领域的成果更加关注材料性能,这和其他能源类领域是一致的。但对于结构-性质-应用间的深度研究很少,多数论文的性能与解释基本上围绕的都是学科内固化的“思维定向”:构建弛豫体、诱导反铁电、处在多相间、无机混聚合。同传统铁电压电领域相比,这个方向的研究更注重实际性能,然而,宏观性能的科学内核永远逃不开微观层面的牵引作用,材料体系、材料组成、晶体构筑、和晶格振动层面的微观特征是真正影响其宏观性能的结构内核,笔者预测,一旦大部分可测材料体系都已经被挖掘殆尽的时候,会出现领域里的深度“洗牌”,部分研究者会继续走向深水区捕获更本质的影响因素,未来如何,我们拭目以待。

从目前的发文量来看,现在可能正处于持续上升和平稳发展的交汇点,这同笔者在前不久分析石墨烯十六年来的发展轨迹得到的信息是类似的。但是,同石墨烯不同,储能陶瓷的研究领域更加“小众”。从功利的角度来看,如果想在顶级期刊发表这一领域的成果,必须要在研究的深度、和其他学科的融合度,以及更宏大的研究战略上进行思考,尽管顶刊不能代表基础科学真正的突破,但至少可以反映学科融合的深度。

非线性滞回有能,铁电百年开新篇。

紧握晶格电子态,一步更比一步强。

本文由Free-Writon供稿。

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EES综述:钠过渡金属氧化物,未来SIBs的首选正极? //www.tclnb.com/213095.html //www.tclnb.com/213095.html#respond Mon, 16 Nov 2020 09:10:36 +0000 //www.tclnb.com/?p=213095 【引言】

随着化石燃料消耗的不断增加,开发清洁、可持续的能源对社会的意义越来越大。二次充电电池已经证明了它们的价值,这也得到了2019年诺贝尔化学奖对于锂离子电池(LIBs)的认可。然而,锂储量的不断枯竭和成本的不断上升,使得寻找替代品成为必要。钠离子电池(SIBs)由于钠的储量丰富、成本低廉,且具有与锂离子电池相似的特点,被认为是最有希望取代现有商用锂离子电池的候选者之一。寻找适合实际应用的高容量电极材料是至关重要的,钠过渡金属氧化物被认为是SIBs最有前途的正极材料之一。在LIBs中,富锂过渡金属氧化物中能够通过阴离子氧化还原反应提供额外的容量。SIBs中也存在类似的现象。此外,不限于富钠的过渡金属氧化物,贫钠的过渡金属氧化物同样可以通过阴离子氧化还原反应表现较高的容量。但SIBs和LIBs在具体特征上的差异要求对SIBs进行新的发现和全面的分析,而不是简单地重复LIBs系统。

近日,温州大学王舜教授联合澳大利亚卧龙岗大学侴术雷教授(共同通讯作者系统地介绍了阴离子氧化还原的研究,将高容量过渡金属氧化物正极材料的最新进展按与阴离子氧化还原的不同类别进行分类和总结。讨论了现有的挑战以及可用的解决方案和策略,并在最后提出了新的见解,这一工作有望为控制阴离子氧化还原活性和寻找新型高容量的SIBs氧化物正极材料提供新的思路。相关研究成果以“Sodium transition metal oxides: the preferred cathode choice for future sodium-ion batteries?”为题发表在Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图一、具有离子半径的元素周期表,及钠过渡金属氧化物正极的元素。

图二、富锂层状氧化物的氧化还原反应研究

(a)层状氧化物与富锂层状氧化物的结构研究;

(b、c)LiCoO2和Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2的电压曲线;

(d)Li1.17Ni0.21Co0.08Mn0.54O2第一圈电压的dQ/dV曲线。

图三、富锂 TMO2氧化还原反应的过程及可逆性

(a)Li2Ru4+O3和LiRu5+O3氧化还原键结构示意图;

(b)氧参与过渡金属氧化物氧化还原活性的示意图;

(c)富锂TMO2的二维有序阳离子层与平面未杂化O2p轨道,三维无序阳离子骨架与随机分布的未杂化O2p轨道的示意图;

(d)在富碱金属的过渡金属氧化物中,阳离子和阴离子在不同情况下的恒流充放电曲线示意图。

图四、A1+xM1-xO2Na2MO3结构研究

(a)碱金属氧化物的层状和无序岩盐结构的图解和描述;

(b)富钠O3-Na2MO3,O1-Na2MO3和脱钠O1´-Na1MO3的结构;

(c)O3-Na2MO3的相稳定性;

(d)具有O3-,O1´-和O1-类型结构Na2–xIrO3的形成能凸包图;

(e)具有O3-,O1´-和O1-类型结构Na2–xMnO3的形成能凸包图;

(f)完全脱钠的MO3相的晶体结构。

图五、富钠过渡金属氧化物的研究

(a)NaxRuO3复合物的电压和Na含量的关系;

(b)无序和有序的NaxRuO3的恒流充放电曲线,首圈显示为蓝色(内部图:x=1时的晶体结构);

(c)在无序和有序的NaxRuO3中,对应的层间距和相变与x的函数;

(d)Na2IrO3的第一圈恒流充放电曲线及相应的相变示意图;

(e)在SIBs中Na1.5Li0.5IrO3的恒流充放电曲线和相变;

(f、g)NaMg0.5Ru0.5O2和NaMg0.67Ru0.33O2在第一圈循环中的原位拉曼光谱。

、Na3MO4Na2Mn3O7的结构和电化学研究

(a)Na3RuO4的阴离子氧化还原活性;

(b)Na3RuO4的第一圈充放电曲线;

(c)Na3RuO4的原位拉曼光谱;

(d)Na3RuO4中氧在不同循环圈数的氧化还原循环性能测定;

(e)NaxMn3O7在0.5 < x < 2.0的平均电压分布;

(f)带空位的钠过渡金属氧化物的能带结构;

(g)Na4/7[□1/7Mn6/7]O2(Na2Mn3O7)的电压分布和对应结构演化(□表示为空位)。

P2型金属氧化物的结构和相变研究

(a)不同类型的P2 贫钠过渡金属氧化物在脱钠过程中的结构演化和相变;

(b)低Na和高Na P2相过渡金属氧化物的电子结构;

(c)在Na+脱出过程中不同P2型金属氧化物正极的相变总结。

不同贫钠过渡金属氧化物的迁移机制、结构相变和电化学性能表征

(a)Na0.67Ni0.2Mn0.8O2的恒流充放电曲线及电荷补偿机制;

(b)分别基于蜂窝、带状和网格结构的平面内Mn迁移示意图;

(c)蜂窝状有序的Na0.75[Li0.25Mn0.75]O2的首圈恒流充放电曲线;

(d)带状有序的Na0.6[Li0.2Mn0.8]O2的首圈恒流充放电曲线;

(e)P3型Na2/3Mg1/3Mn2/3O2首圈循环中的结构演化和相变。

Na0.653Mn0.929O2结构及电化学表征

(a)典型氧化物正极的结构演变;

(b)Na0.653Mn0.929O2在不同充放电状态下O 1s和Mn 2p的XPS图谱;

(c)在0.1 C电流下,1.5至4.3 V的电压范围内,Na0.653Mn0.929O2第1圈和第2圈的恒流充放电曲线。

Ti/Cu/Fe掺杂过渡金属氧化物的性能

(a)Na0.66Li0.22Mn0.78O2和Na0.66Li0.22Ti0.15Mn0.63O2的晶体结构示意图;

(b)Na0.66Li0.22Mn0.78O2和Na0.66Li0.22Ti0.15Mn0.63O2第一圈和第四十圈恒流充电放电曲线,和在初始充电和随后的恒流间歇的充电过程原位DEMS结果;

(c)不同Na-Mg-Mn氧化物在高压充电平台和低压充电平台循环过程中的相对容量;

(d)Na0.67[Mn0.66Fe0.20Cu0.14]O2脱钠前后的晶体结构和相组成;

(e、f)Na2/3Ni1/3Mn2/3O2和Na2/3Fe2/9Ni2/9Mn5/9O2的第一次充电期间的氧释放的原位DEMS分析。

一、混合相氧化物正极结构与性能的研究

(a)Na1−xLixNi0.5Mn0.5O2+d的XRD谱图及其主要相的演化;

(b)层状-隧道复合结构Na0.6MnO2的高分辨率TEM图像;

(c)层状隧道共生结构、层状结构和隧道结构电极的对应比容量(左)和比能量(右)的首圈恒流充放电曲线;

(d)NaxNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极的首圈原位同步辐射XRD谱图;

(e)叠加能量密度曲线的混合相金属氧化物正极容量与平均电压的比较。

二、富钠正极和贫钠正极在第一个循环中的高压充电平台和放电容量

三、过渡金属氧化物的改性策略

(a)F、S和Cl掺杂Li1.2Mn0.60Ni0.20O2与原始样品的第一圈(实线)和第二圈(虚线)的CV曲线;

(b)在0.3 C下Na0.44MnO2(NMO)和Al, F共掺杂的Na0.44MnO2(AFNMO) 的晶体结构示意图,循环伏安曲线和恒流充放电曲线;

(c)丰富晶界的NaCrO2的结构和形貌演变(左)以及抑制O3-P3相变的机制(右)。;

(d)R结构和Rm and C2/m纳米复合结构向尖晶石结构的转变示意图,这种转变可部分被AlF3涂层抑制。;

(e)充电前和首次充电后的原始富锂NCM和拥有气固界面反应富锂NCM的机理示意图。

四、不同类型的高容量Na过渡金属氧化物正极及未来研究方向

(a)高容量钠过渡氧化物正极材料总述;

(b)材料研发(蓝色:与阴离子氧化还原反应相关)和机理研究方面的可行策略和未来研究方向。

【小结】

总的来说,下一代SIBs的探索是全世界关注的问题,高容量正极一直是理想的电极材料。阴离子氧化还原活性在锂离子氧化物正极中提供额外的容量,已得到广泛的应用和研究。然而,把阴离子氧化还原或其他电化学机理完全从锂基体系转移到钠基体系是不合理的。为保证良好的钠离子电池性能,需要对其机制和改进策略进行更深入的研究。另一方面,具有优异性能的多相过渡金属氧化物等新型材料的发展也将是一个很有前途的方向。此外,负极材料、高压电解液、粘结剂、隔膜甚至集流体的研究都需要同时进行。随着越来越先进的表征技术和理论计算方法的结合,可以预见,在不久的将来,将最终克服现有的挑战和困难,实现SIBs的商业化。

文献链接:“Sodium transition metal oxides: the preferred cathode choice for future sodium-ion batteries?”(Energy & Environmental Science2020https://doi.org/10.1039/D0EE02997A)

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团队负责人简介:

王舜教授,博士生导师,二级教授,英国皇家化学会会士,国家百千万人才工程人选,国家有突出贡献中青年专家,国家引才引智示范基地负责人,浙江省化学一流学科(A类)带头人,浙江省微纳结构碳材料技术国际滚球体育 合作基地负责人,温州大学化学与材料工程学院院长。长期致力于面向高效能量储存与转化的碳基和碲基三维超结构纳米材料的原创性设计、制备、多尺度结构与性能关系的基础科学研究和应用探索。发表SCI论文120余篇,其中影响因子>10的35篇,包括Nat. Commun. J. Am. Chem. Soc.Adv. Mater.Angew. Chem. Int. Edit.Adv. Energy Mater.申请国际发明专利2项,授权国家发明专利39项。获教育部自然科学奖二等奖、浙江省科学技术奖一等奖、二等奖、浙江省优秀教师等荣誉。与世界著名出版机构John Wiley & Sons Inc.公司合作创办国际学术期刊《Carbon Energy》并担任主编,同时受邀担任《Chinese Chemical Letters》编委。

代表性论文:

  • Cuixia Cui, Yong Gao,Jun Li, Chao Yang,Meng Liu, Huile Jin,* Zhenhai Xia,* Liming Dai, Yong Lei, Jichang Wang, and Shun Wang*, Origins of Boosted Charge Storage on Heteroatom-Doped Carbons, Chem. Int. Ed.2020, (DOI: 10.1002/anie.202000319).
  • Jianqiang Hu, Aili Liu, Huile Jin, Dekun Ma, Dewu Yin, Pengsheng Ling, Shun Wang*, Zhiqun Lin*, Jichang Wang*. A versatile strategy for shish-kebab-like multi-heterostructured chalcogenides and enhanced photocatalytic hydrogen evolution. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 11004-11010.
  • Huile Jin, Huihui Huang, Yuhua He, Xin Feng, Shun Wang*,Liming Dai*, Jichang Wang*. Graphene quantum dots supported by graphene nanoribbons with ultrahigh electrocatalytic performance for oxygen reduction.  Am. Chem. Soc., 2015, 137, 7588-7591.
  • Ge Li, Xiaolei Wang, Min Ho Seo, Matthew Li, Lu Ma, Yifei Yuan, Tianpin Wu, Aiping Yu, Shun Wang*, Jun Lu* and Zhongwei Chen*. Chemisorption of polysulfides through redox reactions with organic molecules for lithium-sulfur batteries. Nat Commun., 2018, 9(1), 705.
  • Bing Wang, James Iocozzia, Meng Zhang, Meidan Ye, Shicheng Yan, Huile Jin,Shun Wang*, Zhigang Zou*, Zhiqun Lin*. The charge carrier dynamics, efficiency and stability of two-dimensional material-based perovskite solar cells. Soc. Rev., 2019, 48, 4854-4891.
  • Qiannan Liu, Zhe Hu, Yaru Liang,Lin Li, Chao Zou, Huile Jin, Shun Wang*, Huanming Lu*, Qinfen Gu, Shu-Lei Chou*, Yong Liu*, Shi-Xue Dou. Facile Synthesis of Hierarchical Hollow CoP@C Composites with Superior Performance for Sodium and Potassium Storage. Chem. Int. Ed.2020, (DOI: 10.1002/anie.201913683).
  • Zhisheng Yu,Menglan Liu, Daying Guo, JiahuiWang, Xing Chen, Jun Li, Huile Jin, Zhi Yang, Xi’an Chen,* and Shun Wang*. Radially Inwardly Aligned Hierarchical Porous Carbon for Ultra-Long-Life Lithium-Sulfur Batteries. Chem. Int. Ed.2020, (DOI:10.1002/anie.201914972).
  • Huile Jin, Xin Feng, Jun Li, Matthew Li, Yuanzhi Xia, Yifei Yuan, Chao Yang, Bin Dai, Zhiqun Lin, Jichang Wang,* Jun Lu,* and Shun Wang*. Heteroatom-Doped Porous Carbon Materials with Unprecedented High Volumetric Capacitive Performance. Chem. Int. Ed.,2019, 58(8), 2397-2401.
  • Meiling Xiao, Jianbing Zhu, Gaoran Li, Na Li, Shuang Li, Zachary Paul Cano, Lu Ma,Peixin Cui, Pan Xu, Gaopeng Jiang, Huile Jin, Shun Wang,* Tianpin Wu,* Jun Lu, Aiping Yu, Dong Su,* and Zhongwei Chen*. A Single-Atom Iridium Heterogeneous Catalyst in Oxygen Reduction Reaction Meiling.  Chem. Int. Ed.2019, 58, 9640 -9645.
  • Huile Jin, Yongfeng Bu, Jun Li, Jianping Liu, Xing Fen, Liming Dai, Jichang Wang, Jun Lu,* and Shun Wang*. Strong Graphene 3D Assemblies with High Elastic Recovery and Hardness, Mater., 2018, 30, 1707424.

 

 

 

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跟着顶刊学测试|吴克辉研究团队Adv. Mater:扫描隧道显微镜揭示“硼烯”混合链相的形成机理  //www.tclnb.com/212902.html //www.tclnb.com/212902.html#respond Sun, 15 Nov 2020 22:18:27 +0000 //www.tclnb.com/?p=212902 近年来,石墨烯以外的单元素2D材料由于其非平凡的物理性质和在纳米器件中的潜在应用前景而得到了广泛的实验和理论研究。特别是,2D硼原子片排列在一个三角形格子中,上面有六角孔,叫做硼烯,这引发了一项巨大的研究工作,包括对其性质的理论预测以及在金属表面上的实验制备。目前,已经报道了硼烯的非凡性质,例如1D几乎是自由电子态,金属狄拉克电子的存在预言了超导性,高机械弹性和高导热性。

近日,中科院物理研究所陈岚与吴克辉研究员研究团队以“Realization of Regular-Mixed Quasi-1D Borophene Chains with Long-Range Order”为题在Adv. Mater期刊上发表重要研究成果。硼烯的多态性使其成为一种很有前途的实现物理化学性质可调的体系。在实验研究中,经常得到由不同宽度的准一维硼链组成的各种纯硼相。在这里,该研究团队研究表明,由于衬底的介电效应,在Ag(100)晶面上可以实现由不同的硼链组合无缝连接在一起的硼烯的人工长程有序相。扫描隧道显微镜测量和理论计算表明,混合链相比纯相更稳定,与基底的相互作用很弱。根据衬底的晶体方向,可以很好地分离出不同链比例的混合链相。混合链相的成功生长有望加深衬底定制合成硼烯的影响。

图1a显示了沉积在Ag(100)晶面上的硼原子≈0.5单层(ML)的典型扫描隧道显微镜(STM)图像。作者发现一半的表面被黑色的岛所覆盖,这些岛状物连续地穿过Ag(100)基底的台阶,这表明硼烯的形成。仔细观察发现,Ag(100)晶面存在两种类型的岛:I型岛由沿Ag(100)高对称性[110]方向的平行链组成(图1b),而II型岛包含相对于Ag(100)的[110]方向旋转74°的平行链(图1c)。此外,I型岛表现出两种不同的形态:多数形态有较亮的平行链(称为A相),少数形态有较暗的平行链(B相)。总的来说,在Ag(100)表面形成了三种不同的硼烯相,即I型岛上的A、B相,II型岛上的C相。

图1. 在Ag(100)晶面上的单层硼烯的扫描隧道显微镜图像

A相和B相的高分辨率STM图像分别如图2a,b所示。作者清楚地观察到,A相由亮双链和暗单链交替组成,而B相由四条不同亮度水平的平行链组成。根据STM图像,得到了两相的晶格常数分别为28.8±0.4 Å×2.9±0.1Å(A)和20.0±0.3Å×2.9±0.1 Å(B)。在这两个阶段中,链上相邻节点之间的距离与Ag(100)的晶格常数一致(2.89 Å),而A相和B相相邻链之间的平均横向距离分别为4.8和5.0 Å。根据前人在Ag(111)上合成硼烯的研究,β12片中的(2,3)链和χ3片中的(2,2)链沿链(2.9Å)具有相同的周期,而相邻链间的横向距离分别为5.0和4.3 Å。因此,作者可以合理地假设A是一个单胞内混合有四个(2,3)和两个(2,2)链的硼相[(2,3):(2,2)=2:1],B是由(2,3)链组成的纯β12相。

图2. I型岛上的硼的扫描隧道显微镜图像。

如图3a所示,C相的高分辨率STM图像显示交替亮的单链和较暗的双链。与相位A和相位B不同,相位C中沿链节点的周期约为12.0±0.2Å,约为(2,3)和(2,2)链上最小周期的四倍。另一方面,相邻链间的平均距离约为4.5Å,比A相的短,但大于Ag(111)上χ3片中(2,2)链之间的距离。因此,C相很可能由一个(2,3)和两个(2,2)链组成,并且(2,3)链和(2,2)链的比率低于A相[(2,3):(2,2)=2:1]。为确认该模型,对该模型在Ag(100)衬底上进行了第一性原理计算,其中所有链相对于Ag(100)的[110]方向旋转74°,如图3c所示。松弛后,混合链相的整体结构保持完整和平面,表明该模型的稳定性。图3b所示的模拟STM图像与实验STM图像完全一致,完全符合混合链C相的特征。

图3. II型岛上的硼的扫描隧道显微镜图像。

综上所述,作者在Ag(100)晶面上实现了三种类型的硼烯长程有序相。STM测量和DFT计算表明,其中两个相由(2,3)和(2,2)链的规则混合排列组成,其比例分别为2:1和1:2。对电荷转移和形成能的理论计算表明,所有的硼烯单分子膜都是平面的,与Ag(100)表面弱结合。详细的结构分析表明,混合硼链与Ag(100)晶面的晶格参数和取向的匹配对混合链相的形成起着至关重要的作用。结果表明,不同链比的混合链相可以根据衬底的晶向进行很好的分离。值得注意的是,长程有序的混合链相比纯相硼烯承受的应变要小,这表明它们可能显示理论上预测的独立硼烯形式的固有物理性质。

文献链接:Realization of Regular-Mixed Quasi-1D Borophene Chains with Long-Range Order, Adv. Mater. 2020, 2005128.

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005128.

本文由科研百晓生供稿。

本内容为作者独立观点,不代表材料人网立场。

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最新顶刊看“配体交换”策略如何助力材料合成、催化等领域研究 //www.tclnb.com/212908.html //www.tclnb.com/212908.html#respond Sun, 15 Nov 2020 22:18:04 +0000 //www.tclnb.com/?p=212908 引言

配体化学作为的化学分支领域之一,在基础研究中扮演着重要的角色。而配体交换作为一种策略,也在材料合成以及调控材料性能方面大显身手。因此,我们通过近期的顶刊发文总结了配体交换策略在材料合成、催化、器件等领域的最新发展。

AM:原位配体交换实现量子点发光二极管的光学图案化

量子点层的精准图案化对于制造量子点发光二极管显示设备等光电器件来说是至关重要的。然而,传统的图案化工艺不能保证在维持量子点层的高光致发光量子产率的同时,还能满足器件对分辨率以及图形均一性等方面的严格要求。

基于“光可图案化发光纳米晶”墨水的无机纳米材料的直接光学光刻工艺

因此,针对这一问题,芝加哥大学的Dmitri V. Talapin团队介绍了一种特制的纳米晶墨水——“光可图案化发光纳米晶”。这一纳米晶墨水由含有发光的核壳量子点的非极性溶剂和光致酸产生剂(PAG)组成,PAG可与核壳量子点表面封端的长链有机配体发生一系列光化学活化反应,导致量子点薄膜的原位配体交换,从而实现无光刻胶、高分辨的光学图案化。检测发现,由此图案化的量子点薄膜依然能够维持75%左右的光致发光量子产率。因此,研究认为这一新型图案化策略为胶体量子点基的集成光电器件制造提供了的新思路。

文献链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003805

Nano Lett.:纳米晶表面配体交换的热力学研究

配体交换反应示意图及其表征

半导体纳米晶表面配体是决定其性质和实现器件应用的关键,特别是为了制造更加先进的现实模块,需要在高温下将过量的配体与纳米晶进行配体交换反应。虽然有大量的工作研究了表面-配体-溶剂的界面区域,但对于配体交换反应过程中的热力学参数的研究却鲜有报道。以色列希伯来大学的Uri Banin(通讯作者)等人基于油酸封端的硒化镉、烷基硫醇化合物等建立了模型配体交换反应,利用等温滴定量热法(ITC)直接独立地测量了这类反应的平衡常数和反应焓。研究表明,由于长度依赖的链间作用和纳米晶表面配体的组织,随着链长的增长,反应放热增加;如此一来,由于全局熵-焓补偿行为而促使反应熵减少。此外,由于表面活性的增加,纳米尺寸的减少会提高反应的自发性。研究认为,这项工作为纳米晶表面化学的物化性质提供了基本理解,有助于发展纳米晶表面设计策略。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01913

Chem. Mater.:利用硫辛酸基配体实现金纳米胶体的快速光配位

利用硫辛酸基配体对金纳米颗粒进行封端交换的原位光配位步骤

高效简单的配体交换策略不仅对于设计稳定、多功能的金及其他无机纳米胶体来说是至关重要的,对于此类材料在生物学和医学领域的发展也非常关键。近期,佛罗里达州立大学的Hedi Mattoussi(通讯作者)课题组发现利用硫辛酸改性配体进行金纳米晶的光介导配体交换展现出了快速相转移和长期稳定性等优点。这一策略将二硫戊环基团的光化学还原作用与原位的配体化学吸附进行结合,可实现对表面的快速改性。对于传统策略来说,配体取代和相转移时间平均为14小时左右,而新型策略的配体取代和相转移时间平均仅为30分钟左右。与传统的策略不同,这一策略对配体过量的要求也低了一个数量级,而同时纳米颗粒依然能维持光物理性质并表现出优异的胶体稳定性。因此研究认为,这些发现表明新型配体交换策略能够推动生物相容性金纳米胶体在生化检测和光热治疗等领域的发展。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c02482

Chem. Mater.:在硒化镉纳米板中实现可逆的Z型到L型配体交换

闪锌矿型硒化镉纳米板结构侧视图

近年来,已有研究报道了在闪锌矿型硒化镉纳米板中的X到X’型配体交换。在这一过程中,初始的羧酸盐配位可被硫化物、硒化物或者卤化物等配位交换,特别是将闪锌矿型硒化镉纳米板与伯胺进行反应则可从纳米板中提取Z型羧酸镉单元,然而形成L型伯胺配位却还未见报道。华盛顿大学的William E. Buhro(通讯作者)团队近期就报道了具有闪锌矿型晶体结构的硒化镉纳米板中的可逆Z型到L型配体交换。研究发现,具有(CdSe)3[Cd(OAc)0.77(oleate)1.23]0.78组分的三层硒化镉纳米板与乙二胺进行Z型到L型的配体交换,形成组分为(CdSe)3[en]0.67(en为乙二胺)的纳米板。而与油酸镉、氯化铬、油酸锌以及氯化锌等反应,则可以将(CdSe)3[en]0.67的L型配位交换形成Z型配位,并最终形成(CdSe)3[MX2]的组分形式。研究还发现,Z型到L型和L型到Z型的配体交换从动力学角度都非常缓慢,通常要求几个小时才能完成反应,表明这一过程中需要在材料表面进行大量的表面重构。结合这些发现,研究认为Z型到L型配体交换作为一种新型的合成后表面改性策略,有利于理解极性晶面的配体交换行为。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c01712

Nat. Commun.:溶剂辅助的配体交换策略可用于构建MOF的多样化和复杂结构

基于溶剂辅助配体交换策略完成MOF-5到ZIF-8转变的示意图

与无机晶体不同,金属有机框架(MOFs)目前还没有一套发展完备的纳米结构体系(纳米结构库)。同时,建立多样化的复杂MOF结构依然是一个巨大的挑战。有鉴于此,中国科学技术大学的徐铜文、美国莱斯大学的Pulickel M. Ajayan以及合肥工业大学的吴玉程、崔结武(共同通讯作者)等人合作报道了通过溶剂辅助配体交换实现对MOF结构精准调控的策略。在溶剂辅助配体交换过程中,借助溶解和重结晶这两个交织进行的步骤,研究可通过精准调控旧键断裂与新键形成之间的平衡来获得多达13种MOF纳米结构。基于这些结构,研究人员进一步碳化制备了可用于钠离子存储的纳孔碳材料。电化学测试显示,这种纳孔碳材料因保留了MOF前驱体的特异性结构而展现出比传统ZIF-8衍生碳材料更好的电化学能量存储性能。因此,研究认为这一工作可以推动MOF纳米构造及其应用的进一步发展。

文献链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-14671-9

Nano Lett.:配体交换策略助力实现微米级厚度胶体量子点薄膜

配体交换和薄膜加工

短波红外胶体量子点是一类能够在AM1.5G太阳能谱段进行能量富集的半导体。目前这类短波红外胶体量子点太阳能电池主要依靠旋涂法作为制备工艺,然而在制造过程中,薄膜的厚度超过500纳米后就会出现裂痕,不利于电池的应用发展。为了改善制造工艺,多伦多大学的Edward Sargent(通讯作者)课题组提出了一种可制造厚度可观薄膜的刮涂(blade-coating)策略。研究人员首先基于配体交换发展了可提高短波红外胶体量子点分散性的重溶步骤。经过这一步骤,研究制造了由含短量子点稳定化配体的高粘度溶剂构成的四元墨水材料;这些墨水在温和加热的环境中经过刮涂处理可形成微米级厚度的短波红外胶体量子点薄膜。基于这一薄膜制造的太阳能电池在AM1.5G波段辐照下,可实现高达60%的光子富集和39mA cm–2左右的的短路电流密度。基于这些发现,研究人员认为该工作可进一步推动太阳能电池的发展。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01614

AM:配体交换诱导的钯非晶化可实现高效析氢反应

大量的研究显示,众多的非晶材料如过渡金属硫化物、金属氧化物以及金属磷酸盐等与之晶体对应物相比都能表现出优异的电催化性能。与此同时,作为公认的电催化材料,贵金属在电催化反应中能够表现出内生性的高活性和持久性。然而,由于原子间金属键作用强大,制备非晶贵金属纳米材料至今仍然是一项巨大的挑战。因此,探索贵金属非晶结构对于进一步推动电催化发展意义重大。

钯纳米材料的非晶演变

近期,新加坡南洋理工大学的张华(通讯作者)课题组报道了利用一种独特的硫醇分子(bismuthiol I),可以在不破坏结构完整性的前提诱导钯纳米材料下发生从面心立方相到非晶相的转变。这一配体诱导非晶化可在常温常压条件下,由合成后配体交换策略实现,同时这一非晶化过程适用于带有不同封端配体的面心立方钯纳米材料。更重要的是,由此得到的非晶钯纳米材料在酸性溶液条件的析氢反应中展现出了强化的活性和优异的稳定性。基于这一成果,研究认为该工作为制备非晶贵金属纳米材料提供了有效的策略,同时也证明了这类非晶材料在电催化领域的潜在应用价值。

文献链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902964

AM综述:配体交换层层组装策略制备具有高电荷转移效率的纳米颗粒电极

电极中配体依赖的粒间距离示意图

基于有机配体溶液过程的金属和过渡金属在能量器件电极材料制备中具有广泛的应用。然而,纳米颗粒吸附的配体会严重影响材料的性质,进而影响由纳米颗粒组装而成的电极性能。近来的研究发现,配体交换诱导的层层组装可以实现纳米颗粒的可控组装,从而调控粒间距离和界面并显著提升如电荷转移效率等电极电学/电化学性能。

近期,韩国高丽大学的Jinhan Cho(通讯作者)等人发表综述文章讨论总结了这方面的研究工作。在这篇综述中,作者首先介绍了配体交换反应及其诱导层层组装机制。进一步地,作者展示了导电金属纳米颗粒的原位配体交换层层组装能够高效制备具有优异导电率的集流器。其次,作者综述了由配体设计构建的能量存储器件,包括锂离子电池、电化学电容器以及生物燃料电池等。作者特别介绍了自己的一些研究工作,在这些工作中,作者利用原位配体交换层层组装策略系统地构建了多种3D纳米复合电极。在这些电极中,作者整合了金属纳米颗粒的导电性能、过渡金属氧化物的电荷存储性能以及酶的催化性能,并通过调控纳米复合电极的组分、排列方式、界面结构实现了多种能量存储及转换器件。最后,作者还简要描述了界面工程对于新型能量器件开发的重要性和应用前景。

文献链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001924

本文由nanoCJ供稿。

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2020中国高性能计算机TOP100榜单揭晓 //www.tclnb.com/213070.html //www.tclnb.com/213070.html#respond Sun, 15 Nov 2020 07:56:03 +0000 //www.tclnb.com/?p=213070 11月15日,第二届中国超级算力大会在北京举行。会上,2020中国高性能计算机性能排行榜TOP100揭晓。

分别部署在国家超级计算无锡中心和广州中心的“神威·太湖之光”和“天河二号A”仍占据榜单前两位,Linpack测试性能分别为93.015 PFlops(千万亿次每秒)和61.445 PFlops。

2020中国高性能计算机性能排行榜TOP10

榜单的第3、4位则是新面孔。其中,排在第3位的是北京超级云计算中心(A分区)。其设备供应方为戴尔滚球体育 集团,Linpack测试性能达3.743PFlops,全部为通用X86超算,核心采用AMD最新的霄龙处理器“罗马”,位于北京市怀柔科学城;榜单第4位是部署在内蒙古和林格尔新区的内蒙古高性能计算公共外围是什么意思 平台“青城之光”,建设方为清华同方。

值得一提的是,于 2011 年依托中科院计算机网络信息中心成立的北京超级云计算中心,最大的特点是以“超级云计算外围是什么意思 ”的模式向用户提供算力。这种方式是解决超算普及应用、让超算从“旧时王谢堂前燕、飞入寻常百姓家”一种行之有效的方式。

榜单5~10位由联想深腾8800系列占据;排在榜最后一位的机器性能为1.869PFlops,较去年最后一位性能提升20.12%。

为百亿亿次(E级)计算机提供预研参照的3台计算设备——神威E级原型系统、国防滚球体育 大学E级原型系统、曙光E级原型机分别排在榜单的第30、34和50位。

榜单发布人、中国科学院计算技术研究所研究员张云泉介绍称,2020年共提交73台新系统,根据TOP100排行规则,排重合并后新增机器上榜47台。这也就意味着,2019年榜单中的100台系统仅剩余53台。

张云泉发布2020中国高性能计算机TOP100榜单

在厂商方面,今年有4家单位并未提交新机器,但上榜的厂商数由2019年的6家增加到9家。份额占比上,联想、浪潮、曙光“国产三强”占89%,新面孔同方、戴尔、联泰集群各贡献1台。

从应用类别来看,“互联网/机器学习”是当下超算的应用热点,占据了榜单份额的55%;“科学计算与工程计算”应用占比为30%,信息外围是什么意思 /其他占15%。其中,在细分应用领域中,视频类计算应用占比最大,为15%。

来源地址:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/11/448592.shtm

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一文带你全面了解3D打印:引领未来智能制造 //www.tclnb.com/212188.html //www.tclnb.com/212188.html#respond Sat, 14 Nov 2020 22:42:20 +0000 //www.tclnb.com/?p=212188 3D打印,又称为增材制造,是一种新兴技术,通过逐层策略为复杂或定制零件的设计和制造提供极大的灵活性,从而带来制造技术的革命。例如,一个复杂的产品之前由多个组件组装而成,现在可以方便地重新设计和打印为一个集成组件,从而实现了极大的设计自主性。现已开发出七类3D打印工艺,包括还原聚合、材料喷射、粘合剂喷射、材料挤出、片材层压、粉末床熔融和定向能量沉积,以印刷各种材料,包括金属、聚合物、陶瓷和复合材料[1]

笔者总结了近年来,3D打印技术在各个领取的突破性进展,并尽量选取高水平杂志上的最新报道,希望为相关领域科研人员提供启迪和帮助。

一. 打印方法创新

1. 加利福尼亚大学洛杉矶分校Nature Electronics:多材料电子器件的电荷编程3D打印

3D打印可以创建复杂的几何图形,用于电子产品的开发。然而,该方法主要局限于非功能性结构材料,并且电子设备的3D打印通常需要嵌入、喷涂和书写等多个过程阶段。基于此,加利福尼亚大学洛杉矶分校Xiaoyu Zheng团队报告了一种3D打印方法,该方法可以在任意3D空间布局中,体积沉积多种功能材料,实现一步电子设备构建。所提方法打印了具有不同表面电荷区域的可编程马赛克的3D结构,创建了一个基于局部静电吸引将功能材料沉积到复杂架构中的平台。该技术允许将单一金属和各种活性材料组合(包括陶瓷、半导体、磁性和胶体材料),选择性体积沉积到特定位置的3D拓扑。为了说明该方法的有效性,作者使用它来制造具有3D电子接口的设备,这些设备可以用于触觉传感、内部波形映射和形状自感知。

图1 三维可编程沉积。

文献链接: Charge-programmed three-dimensional printing for multi-material electronic devices

Nature Electronics, 2020, 3: 216-224.

2. 哈佛大学Nature:多材料、多喷嘴3D打印体素级软物质

人们对由体素级物质设计和制造越来越感兴趣。目前,基于喷墨的3D打印是唯一能够高精度创建3D体素级材料的方法,但液滴形成的物理特性,要求使用低粘度油墨来确保成功打印。相比之下,直接墨水书写,一种基于挤压的3D打印方法,能够实现更广泛材料的图案化。然而,很难通过以逐层方式挤压整体圆柱形细丝,来产生多材料体素级物质。因此,哈佛大学Jennifer A. Lewis教授团队报告了使用多材料多喷嘴3D (MM3D)打印方法,设计和制造体素级软物质的,其中材料的组成、功能和结构可在体素尺度下编程。设计的MM3D打印头利用多种粘弹性材料会聚在一个接合点时出现的二极管状行为,实现多达八种不同材料之间的无缝高频切换,以创建体积接近喷嘴直径立方的体素。作为范例,作者制作了一个三浦折纸图案和一个类似千足虫的软体机器人,机器人通过同时印刷多种硬度相差几个数量级的环氧树脂和硅树脂弹性体墨水来移动。本文的方法大大拓宽了体素级材料的选择,实现这些材料在复杂图案中的设计和制造。

图2 多材料多喷嘴3D打印头。

文献链接: Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing

Nature, 2019, 575: 330-335.

3. 中科院化学所Nat. Commun.: 单液滴连续3D打印技术

3D打印已经成为构建精细三维结构的最有前途的方法之一。然而,精度和材料利用效率是受限。中科院化学所Lei WuYanlin Song团队提出了一种单液滴3D打印策略,利用树脂液滴三相接触线的后退特性,由单液滴制造可控的3D结构。已固化结构上的液体树脂的良好控制的去湿力,导致液体残余物的最小化,以及在形成3D结构的液滴中的高材料利用效率。此外,可以防止在高打印速度下,由于额外固化而导致的突出或阶梯状侧壁。关键是液滴系统的自由接触表面特性,引入后退式三相接触线,增加了液滴内部液体循环,降低了液体树脂、固化树脂和树脂槽之间的粘附特性。

图3 单滴3D打印过程的典型示意图和光学图像。

文献链接: Continuous 3D printing from one single droplet

Nature Communications, 2020, 11: 4685.

二. 生物医药应用

1. 苏黎世联邦理工学院Science Advances: 3D打印细菌制备功能复杂的材料

尽管近来在细菌嵌入材料的空间组成和动态功能方面取得了进展,但是将细菌定位到复杂的三维(3D)几何形状中仍然是一个重要挑战。苏黎世联邦理工学院Patrick A. RühsAndré R. Studart展示了一种3D打印方法,通过将细菌的自然多样代谢与3D打印的形状自由设计相结合,来创建细菌衍生的功能材料。为了实现这一目标,作者将细菌嵌入生物相容性和功能化的3D打印墨水中,并打印了两种能够降解污染物和产生医用细菌纤维素的“活体材料”。有了这个多功能的细菌打印平台,可以自下而上地为新的生物技术和生物医学应用,制造特定空间成分、几何形状和属性的复杂材料。

图4 用于制备功能性生物材料的3D细菌打印平台示意图。

文献链接: 3D printing of bacteria into functional complex materials

Science Advances, 2020, 3: 6804.

2. 美国俄勒冈健康与科学大学AM:用于组织工程的模块化微笼支架

生物材料支架已经成为组织工程和再生医学的基础。然而,支架系统通常难以在尺寸或形状上进行缩放,以适应缺陷特定的尺寸,因此仅提供有限的治疗递送和宿主组织反应的时空控制。因此,美国俄勒冈健康与科学大学Luiz E. Bertassoni团队利用基于光刻的3D打印方法,用于制造新颖的小型化、模块化微悬臂梁支架系统,其可以容易地手动组装和缩放。可扩展性则是基于堆叠模块的直观概念,如传统的玩具互锁塑料块,允许成千上万种潜在的几何配置,而不需要专门的设备。此外,模块化中空微笼设计允许每个单元装载不同成分的生物货物,从而能够在3D材料内可控且容易地形成治疗图案。总之,具有这种简便组装和可伸缩性,以及可控加载特性的小型化微笼设计的概念是一个灵活的平台,可以扩展到广泛的材料以提高生物性能。

图5 3D打印的微支架图片。

文献链接: 3D Printing of Microgel-Loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering

Advanced Materials, 2020, 32: 2001736.

三. 能源存储应用

1. 哈佛大学AM:定制厚电极锂离子电池的3D打印

对定制几何形状的高容量可充电锂离子电池的需求日益增长,这对电池材料、架构和组装策略提出了更高的要求。哈佛大学Jennifer A. Lewis团队报道了由厚的半固体电极组成的全3D打印锂电池的设计、制造和电化学性能,该电极具有高的面容量。具体来说,半固体正极和负极油墨,以及紫外线固化包装和隔膜油墨,被集合直接打印成任意几何形状的锂电池。这些完全3D打印和封装的锂电池密封在两个玻璃碳集流体之间,在0.14 mA cm−2的电流密度下,面积容量为4.45 mAh cm−2,相当于17.3 Ah L−1。该3D打印方法为定制高性能锂电池开辟了新的途径。

图6 3D打印锂电池示意图。

文献链接: 3D Printing of Customized Li-Ion Batteries with Thick Electrodes

Advanced Materials, 2018, 30: 1703027.

2. 加州大学&劳伦斯利弗莫尔国家实验室Joule:高效3D打印超高MnO2负载的赝电容电极

在高面载量情况下,保持高效的电极电化学性能对于能源存储十分重要。沉积在集流体上的赝电容材料,如氧化锰(MnO2),已经获得了出色的质量比电容,有时甚至接近其理论值。然而,这只有在活性物质的质量载量非常小(通常小于1 mg cm-2)的情况下才能实现。由于体相材料中离子扩散缓慢,增加质量负载通常会导致电容性能急剧下降。基于此,加州大学Yat Li和劳伦斯利弗莫尔国家实验室Marcus A. Worsley合作,展示了一个3D打印的石墨烯气凝胶电子器件,其重量为182.2mg cm-2,达到创纪录的44.13 F cm-2的面电容。最重要的是,这种3D打印石墨烯气凝胶/MnO2电极,可以同时实现出色的面积、重量和体积比电容,。这项工作成功地验证了3D打印实用的赝电容电极的可行性,这可能会彻底改变赝电容的制造工艺。

图7 3D打印石墨烯气凝胶/MnO2电极示意图。

文献链接: Efficient 3D Printed Pseudocapacitive Electrodes with Ultrahigh MnO2 Loading

Joule, 2017, 2019, 3(2): 459-470.

四. 金属铸造和冶金应用

1. HRL实验室有限责任公司、加州大学Nature:3D打印高强度铝合金

基于金属的增材制造,或3D打印,是一种跨多个行业的潜在技术,包括航空航天、生物医学和汽车行业。一层一层地构建金属组件增加了设计自由度和制造灵活性,从而实现了复杂的几何形状、更多的产品定制和更短的市场化时间,同时消除了传统的规模经济约束。然而,目前只有少数合金,包括AlSi10Mg、TiAl6V4、CoCr和Inconel 718,可以可靠地打印。目前,使用的5500多种合金中,绝大多数不能进行增材制造,因为打印过程中的熔化和凝固动力学导致大柱状晶粒和周期性裂纹的微观结构。基于此,HRL实验室有限责任公司、加州大学John H. martin团队证明了这些问题可以通过在增材制造过程中,引入控制固化的成核剂纳米粒子来解决。作者根据晶体学信息选择成核剂,并将其组装到7075和6061系列铝合金粉末上。在用成核剂功能化后,实验发现,这些之前与增材制造不相容的高强度铝合金,可以使用选择性激光熔化成功加工。获得了无裂纹、等轴(即晶粒的长度、宽度和高度大致相等)、细晶粒的微观结构,实现了材料强度与锻造材料相当。提出的金属基添加剂制造方法适用于各种合金,并且可以使用各种添加剂机器来实施。因此,这为广泛的工业应用提供了基础,包括使用电子束熔化或定向能量沉积技术来代替选择性激光熔化,并将使其他合金系统的增材制造成为可能,例如不可焊接的镍超合金和金属间化合物。此外,该技术可用于常规加工,如连接、铸造和喷射铸造。

图8 通过选择性激光熔化的金属合金的增材制造。

文献链接: 3D printing of high-strength aluminium alloys

Nature, 2017, 549: 365-369.

2. 加州大学圣巴巴拉分校Nat. Commun.: 3D打印抗缺陷Co-Ni高温合金

增材制造(3D打印)是对高经济价值金属材料生产的重大变革,以最小的材料浪费实现创新的复杂几何设计。然而,最大的挑战是设计与独特的增材制造条件兼容的合金,同时保持材料性能足以应对能源、空间和核应用中遇到的环境挑战。加州大学圣巴巴拉分校Tresa M. Pollock团队提出了一类高强度、抗缺陷的可3D打印超级合金,其包含大约相等部分的钴和镍以及铝、铬、钽和钨,经打印和后处理,具有超过1.1 GPa的强度,并且在室温下拉伸延展性大于13%。这些合金可以通过预热电子束熔化和受限预热选择性激光熔化进行无裂纹3D打印。作者描述了合金的设计原则,以及电子束熔化和选择性激光熔化的CoNi基材料的结构和性能。

图9 通过电子束熔炼和选择性激光熔化,对Co-Ni基高温合金进行3D打印。

文献链接: A defect-resistant Co-Ni superalloy for 3D printing

Nature Communications, 2020, 11: 4975.

五. 催化应用

1. 伍伦贡大学AM:3D打印二氧化钛电极锥形阵列

控制半导体材料的形貌可以提高光电化学相关领域应用的性能。实现这一点的一种方法是通过金属基衬底的直接图案化,用于图案化制造的技术通常涉及技术要求高且繁琐的过程。3D打印是一种增材制造的方式,能够通过计算机控制,沉积连续的材料层来创建3D对象。澳大利亚伍伦贡大学Chong-Yong LeeGordon G. Wallace合作,探索了通过3D打印方式,制作金属基光电极的可行性。通过在该平台上直接生长二氧化钛纳米管,制备了由锥形阵列组成的电极,并进一步提高了光电水裂解的性能。3D金属打印为新型电极结构的设计和制造提供了灵活多样的方法。

图10 制备3D打印电极的流程示意图。

文献链接:3D-Printed Conical Arrays of TiO2 Electrodes for Enhanced Photoelectrochemical Water Splitting

Advanced Energy Materials, 2017, 7: 1701060.

2. 富山大学Nat. Commun.: 金属3D打印技术实现催化系统的功能集成

打印产品的机械性能和几何形状已经在金属3D打印中被广泛研究。而金属3D打印本身引入的化学性质和催化功能,则很少被提及。因此,日本富山大学Noritatsu TsubakiGuohui Yang和日本国立材料研究所Xiaobo Peng展示了金属3D打印产品本身可以同时用作化学反应器和催化剂(表示为自催化反应器或SCR),用于将C1分子(包括一氧化碳、二氧化碳和甲烷)直接转化为高附加值化学品。Fe-SCR和Co-SCR成功地催化了费托合成和CO2加氢合成液体燃料,通过CH4的CO2变换,Ni-SCR能有效地产生合成气(CO/H2)。此外,Co-SCR几何研究表明,金属3D打印本身可以建立多种控制功能来调整催化产物的分布。本工作为实现催化剂和反应器的功能集成提供了一种简单、低成本的制造方法,并将促进化学合成和3D打印技术的发展。

图11 自催化反应器和其他典型应用的3D打印。

文献链接: Metal 3D printing technology for functional integration of catalytic system

Nature Communications, 2020, 11: 4098.

六. 传感应用

1. 弗吉尼亚理工大学Nat. Commun.:3D打印石墨烯基自供电应变传感器用于自动驾驶汽车智能轮胎

自动驾驶汽车需要先进的控制系统设计,这种设计依赖于轮胎的持续反馈。智能轮胎通过将应变传感与传统轮胎功能相结合,实现对动态参数的连续监控。弗吉尼亚理工大学Deepam MauryaSaied Taheri和宾夕法尼亚州立大学Shashank Priya合作在这一方向上取得突破,展示了一种轮胎集成系统,该系统结合了直接无掩模3D打印应变仪、为传感器供电的灵活压电能量采集器和安全无线数据传输电子设备,以及用于预测数据分析的机器学习。石墨烯基材料的墨水被设计成直接打印的应变传感器,用于测量不同行驶速度、正常负载和轮胎压力下的轮胎-道路相互作用。使用压电贴片为安全无线数据传输硬件供电,以展示其自供电感测和无线通信能力。通过展示实用的自供电无线应变传感能力,该研究极大地推进了高性价比智能轮胎的设计和制造。

图12 智能轮胎具有创新的3D打印石墨烯应变传感器、安全的数据传输,以及下一代自动驾驶车辆的应变能量收集。

文献链接: 3D printed graphene-based self-powered strain sensors for smart tires in autonomous vehicles

Nature Communications, 2020, 11: 5392.

2. 南加州大学Science Advances:电辅助3D打印具有自感知能力的类珍珠母结构

因其在体育、交通、航空航天和生物医学工业中的战略应用,轻质、坚固的结构材料备受关注。珍珠母表现出高强度和高韧性,因为其类砖和砂浆结构。基于此,南加州大学Yong Chen团队提出了一种通过电辅助3D打印技术,来构建具有复杂三维(3D)形状的类珍珠层结构。在3D打印过程中,石墨烯纳米片通过电场(433V cm-1)排列,并作为砖块,聚合物基质在其间作为砂浆。3D打印的类珍珠母结构显示出轻质特性(1.06 g cm-3),同时显示出与天然珍珠母相当的比韧性和强度。此外,当将其用作3D打印的轻型智能外保护层,可以通过电阻变化来感知其损坏。这项研究突出了生物传感结构的潜在价值,具有机械增强和电自感知能力,用于生物医学应用、航空航天工程以及军事、运动装甲。

图13 用于制备珍珠层结构的电辅助3D打印平台示意图。

文献链接: Electrically assisted 3D printing of nacre-inspired structures with self-sensing capability

Science Advances, 2019, 5: 9490.

总结

3D打印的最新进展证明了纳米材料的多尺度集成,以增强3D打印设备的机械性能,并赋予特定的光学、电学、热学、驱动、和生物性质和应用。此外,对纳米材料打印过程的额外控制可以赋予打印构造的功能各向异性和不均匀性。纳米材料的功能特性和3D打印技术的多功能性的协同集成,有助于实现高度复杂、非均相、功能性结构的智能制造。[2]

参考文献

[1] Changjun Han, et al. Recent Advances on High-Entropy Alloys for 3D Printing. Adv. Mater., 2020, 32: 1903855.

[2] Brian Elder, et al. Nanomaterial Patterning in 3D Printing. Adv. Mater., 2020, 1907142.

本文由Nelson供稿。

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Nature Nanotechnology:具有高效截留效率的仿生水通道膜用于海水淡化 //www.tclnb.com/213019.html //www.tclnb.com/213019.html#respond Sat, 14 Nov 2020 22:27:40 +0000 //www.tclnb.com/?p=213019 【研究背景】

水资源短缺是现代世界的主要挑战之一。为了应对这一挑战,人们一直致力于发展可以进行高效水净化和脱盐作用的膜技术。如果要将海水净化,就必须要将水中的盐,即Na+和Cl-等极小尺寸的离子去除,而只得到水分子。一方面,Na+和Cl-尺寸太小,另一方面水分子和这些水合离子之间尺寸差异也很小,如何构建合适的限域通道,实现水分子的选择性限域通过,是当前研究领域的重难点议题。据报道,人造水通道(AWCs)仿生水通道蛋白的行为模式,可以通过调控通道结构来控制水分迁移,从而大幅提高材料在净水过程中的选择性。为了实现AWCs的扩大生产,人们认为利用扩展性良好的聚酰胺(PA)与之结合形成杂化材料是一种理想策略。然而,构建这一杂化材料的关键挑战在于如何调节聚酰胺和通道之间的相互作用,从而避免缺陷的产生。

【成果简介】

近日,法国蒙彼利埃大学的Mihail Barboiu教授团队报道了一种集成有AWCs的可扩展化仿生膜。在这一仿生膜中,杂化的聚酰胺具有巨大的空腔结构,能够无缝吸收AWCs从而实现高选择性水输运。实验表明,这些膜可以轻易达到工业水平(>m2),并在典型的海水淡化过程中展现出高达99.5%的氯化钠截留率和91.4%的硼截留率。65 bar时的水通量为751 m−2 h−1,以及35000 ppm NaCl进料溶液(模拟海水进料)。该通量比当前最先进的膜(具有同等的溶质截留率)高出75%以上,相当于在相同的产水量下减少了膜面积,并使脱盐所需能量减少了约12%。因此,研究认为这项工作提出的仿生膜制备策略对于推动水处理膜技术的发展具有重大的意义。该文章近日以题为“Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination”发表在知名期刊Nature Nanotechnology

【图文导读】

图一、膜的制备及SEM表征

(a)仿生TFC-HC6膜的合成程序及假设机理。

(b-c)TFC-HC6薄膜最上层的横截面和顶视图的代表性SEM照片。

(d-g)横截面和表面的SEM显微照片显示了对照TFC膜的致密结构以及TFC-HC6膜的PSf-PA界面处形成的大空隙。

图二、TEM表征

(a-b)多孔PSf载体上的原始PA的TEM截面图和高放大倍数的TFC-HC6膜顶层的细节。

(c)TFC-HC6膜在不同倾斜角度下的3D重建TEM层析成像。

(d)TFC-HC6膜层析成像的固定角度瞬时屏幕截图。

(e-f)水对离子在具有较大表面积的紧凑原始TFC和AWC嵌入的TFC-HC6膜上选择性传输的示意图。

图三、脱盐性能评估

a-c为海水;d-f为淡盐水。

(a, d)实验水通量和观察到的溶质截留控制TFC膜、商业膜和TFC-HC6膜的AWCs在0%回收率。

(b, e)选择性-生产力权衡图,表示了膜的反溶质渗透系数作为其各自透水性的关系。

(c, f)计算了膜的实际排斥率,与各自的水渗透的关系。

图四、在海水淡化操作中的应用

(a-b)实验水通量、观察到的溶质截留率、进料和渗透流浓度与回收率和累积渗透体积的关系。

(c-d)验证SW30XHR商用膜(c)的容器规模模型,以及商业膜(d)和含有AWC的TFC-HC6膜的模型应用结果。

(e)试验中的试验透水率,包括施加压力的逐步增加和逐步降低。

(f)在机械或化学应力作用下膜的实验性能。

【结论展望】

这一合理化证实了以上讨论的结果,表明嵌入自组装AWCs不会产生最上层活性层的缺陷。实际上,高选择性AWC本质上促进了水的优先选择性通过,通过具有更大表面积的选择性AWC嵌入层,具有更好的perm选择性行为。它还表明AWCs与周围PA基体具有良好的结构相容性,这是构建无缺陷无缝有源层的必要条件。

文献链接:Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination (Nature Nanotechnol., 2020, DOI: 10.1038/s41565-020-00796-x)

本文由大兵哥供稿。

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国内MOF大牛卜显和、邓鹤翔、江海龙、汪骋近期工作进展 //www.tclnb.com/212608.html //www.tclnb.com/212608.html#respond Fri, 13 Nov 2020 22:49:57 +0000 //www.tclnb.com/?p=212608 热点材料MOF被国际同行广泛研究,其中包括国外很多大牛:Omar M. Yaghi研究组、林文斌教授研究组、周宏才教授研究组、Jeffery Long研究组、Gérard Férey研究组,M. Fujita研究组、Susumu Kitagawa研究组等等,我国国内也不乏在MOF相关领域做出重要贡献的科学家,今天笔者为大家梳理了近期国内部分科研工作者在MOF领域的成果,其中包括:卜显和、邓鹤翔、江海龙、汪骋课题组,供大家学习参考。 

Small:缺陷Zr-MOF中限制杂多蓝用于高效氧化脱硫

Keggin型多氧金属酸盐(POMs)是氧化脱硫(ODS)的有效催化剂,将其限制在金属有机框架(MOFs)中是一种很有前途的策略。在此,南开大学卜显和教授等人通过添加硫脲对聚甲醛中的oms进行后合成改性,会产生更多的不饱和金属位点作为缺陷,促进ODS的催化活性。通过在MOFs中限制1-丁基-3-甲基咪唑POMs进行附加修饰,以获得更高的ODS活性,这是由于富电子的噻吩基化合物和亲电的咪唑化合物之间的亲合力。四种ODS的催化活性的Zr-MOF基复合材料被研究,X射线衍射、热重量分析,傅里叶变换红外,拉曼,SEM等用于探索这些MOF复合材料的催化机理,其微观结构和电子结构。结果表明,在所有四种复合材料中磷钼酸盐蓝与咪唑磷钼酸盐蓝不同,具有Keggin结构的Mo5+/Mo6+比值均被限制在缺陷UiO-66中。该方法可用于设计和合成其他作为催化剂的POMs/MOFs复合材料。相关研究以“Confined Heteropoly Blues in Defected Zr-MOF (Bottle Around Ship) for High-Efficiency Oxidative Desulfurization”为题目,发表在Small上。

DOI: 10.1002/smll.201906432

图1 氮吸附-脱附等温线及孔径分布曲线

Chemical Engineering Journal:2D MOF衍生的CoS1.097纳米颗粒复合多孔碳纳米片用于高效钠存储器

MOF纳米材料在储能领域的应用已引起广泛关注。其中,硫化物钴因其理论容量大、成本低而被认为是钠离子电池极具发展前景的阳极之一。事实上,不同的相往往表现出与组分有关的电化学性能。在此,南开大学卜显和教授等人充分利用MOF的特点,通过同时碳化和硫化,实现相控合成钴硫化物@硫掺杂多孔碳纳米片(CoSx@SPCN)。分别得到CoS1.097@SPCN和Co9S8@SPCN,两者都表现出了优异的循环稳定性和速率性能。其中,CoS1.097@SPCN复合材料在电流密度为5A g-1的情况下,经过1800次循环后,其可逆容量为231 mAh g-1。值得注意的是,赝容性行为对钠离子的高存储起主要作用。X射线衍射测定揭示了CoS1.097@SPCN复合材料的转化反应机理。有趣的是,研究发现CoS1.097@SPCN会在第一个周期转化为Co9S8。相关研究以“2D MOF-derived CoS1.097 Nanoparticle Embedded S-Doped Porous Carbon Nanosheets for High Performance Sodium Storage”为题目,发表在Chemical Engineering Journal上。

DOI: 10.1016/j.cej.2020.126638

图2 CoSx@SPCN复合材料的合成

Nature:MOF孔隙填充TiO2复合材料实现高效二氧化碳光还原

MOF与气体分子之间具有特异性的相互作用,再加上MOF具有丰富有序的孔道结构,使得MOF成为能够实现气体分子光催化转化的理想材料。然而,与经典的固态或者分子催化剂相比,目前的MOF基材料还未能实现高效的二氧化碳转换效率。武汉大学的邓鹤翔、Ling Zan以及上海滚球体育 大学的Osamu Terasaki教授等人创造了一种新型的MOF内“分子隔间(molecular compartments)”材料。在MIL-101及其衍生物的孔结构内生长二氧化钛,从而构建具有了分子隔间的MOF基复合材料。研究显示,这一隔间能够促进光吸收/电子生成的二氧化钛单元与具有催化性能的MOF金属簇产生协同作用,从而实现光催化二氧化碳还原过程以产生氧气。在这一复合材料中,二氧化碳光还原的量子效率甚至可以高达11.3%(350nm光源处),表明二氧化钛在MOF体系中的精确定位能够有效提升二氧化钛的活性。相关研究以“Filling metal–organic framework mesopores with TiO2 for CO2 photoreduction”为题目,发表在Nature上。

DOI: 10.1038/s41586-020-2738-2

图3 控制MOF复合材料中TiO2单元的数量和位置

Nature Chem.:用气体吸附结晶学研究不同孔隙的等温线

对气体吸附等温线的精确测量和评估对多孔材料的表征和应用发展具有重要意义。虽然这些等温线提供了材料整体气体吸收量,但它们不能直接提供有关吸附物在每个单独孔隙中的吸附行为的关键信息,特别是在多孔材料中存在多种类型的孔隙。这里韩国科学技术院Osamu Terasaki,加州大学伯克利分校Omar M. Yaghi,以及武汉大学邓鹤翔等团队展示了如何将气体吸附等温线精确地分解为多个次等温线,这些次等温线对应于材料内的每种孔隙类型。其中PCN-224和ZIF-412两种金属有机骨架分别含有两种和三种不同类型的孔,通过结合气体吸附测量和原位x射线衍射得到单一类型孔隙的等温线。这种等温线分解方法可以获得各孔隙的吸气量、表面积和可达孔隙体积,以及孔隙几何形状对不同吸附物在孔隙内的吸气量和分布的影响。相关研究以“Isotherms of individual pores by gas adsorption crystallography”为题目,发表在Nature Chem.上。

DOI: 10.1038/s41557-019-0257-2

图4 Ar在PCN-224单一类型孔中的吸附行为

AM:孔壁工程增强Pd纳米粒子在MOF中的催化作用

金属纳米粒子(NPs)的化学环境对其催化性能有着重要的影响,但人们对其研究还很不深入。在此,中科大江海龙教授报道了将微小的Pd纳米颗粒被包裹到金属有机骨架(MOF)UIO-66-X(X=H,OMe,NH2,2OH,2OH(Hf))的孔隙中,得到了Pd@UiO-66-X复合材料。Pd NPs的表面微环境可以通过孔壁工程,通过MOFs中的官能团和金属取代来调节。Pd@UIO-66-X对苯甲酸加氢的催化活性顺序为Pd@UIO-66-OH>Pd@UIO-66-2OH(Hf)>Pd@UIO-66-NH2>Pd@UIO-66-OMe>Pd@UIO-66-H。基于协同漫反射的红外傅里叶变换谱和密度泛函理论(DFT)计算,结果发现,活性的差异不仅是由于Pd与MOF之间的电荷转移不同,而且还可以用Pd@UIO66-X(-OH<-2OH(Hf)<-NH2<-OMe<-H)的基底吸附能来解释。Pd@UIO-66-OH具有较高的Pd电子态和中等的吸附能,从而表现出最高的活性。本研究强调了客体金属NPs表面微环境的影响,客体金属NPs的催化活性主要由电子转移和吸附能主导,催化活性通过对宿主MOFs中的金属和官能团的系统取代实现。相关研究以“Boosting Catalysis of Pd Nanoparticles in MOFs by Pore Wall Engineering: The Roles of Electron Transfer and Adsorption Energy”为题目,发表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.202000041

图5 Pd@UiO-66-X合成示意图及可定制的孔壁

Nat Commun.:二氧化硅纳米铸入MOF对高负载铁单原子电催化剂具有双重保护作用

单原子催化剂(SACs)最近引起了广泛的兴趣,而低金属负载给进一步的应用带来了巨大的挑战。在此,中科大江海龙教授,俞书宏院士通过将SiO2纳米铸入卟啉金属-有机框架(MOFs),开发了一种双重保护策略,以提供高含量的SACs。SiO2@MOF复合材料的热解提供了高铁负载(3.46wt%)的单原子Fe注入N掺杂多孔碳(FeSA-N-C)。在热解过程中,卟啉接头中被N原子锚定的Fe原子的空间隔离是抑制Fe团聚的第一个保护性屏障。MOF中的SiO2通过创建热稳定的FeN4/SiO2界面提供了额外的保护。由于高密度的FeSA位点,FeSA-N-C在碱性和酸性介质中都表现出优异的氧还原性能。同时,FeSA-N-C在质子交换膜燃料电池中也表现出令人鼓舞的性能,具有很大的实际应用潜力。这项工作为高含量的SACs提供了一种通用的合成方法(如FeSA, CoSA, NiSA)。相关研究以“Nanocasting SiO2 into metal–organic frameworks imparts dual protection to high-loading Fe single-atom electrocatalysts”为题目,发表在Nature Commun.上。

DOI: 10.1038/s41467-020-16715-6

图6 纳米定位辅助制备FeSA-N-C

Matter:机器学习指导金属有机框架的形貌调控

控制纳米晶体的形态是纳米科学的中心任务之一。在这项工作中,厦门大学汪骋教授、周达教授等人利用机器学习研究了由金属氧簇和线性二羧酸配体合成的纳米金属有机框架(nMOF),发现配体溶解度和调控剂浓度可以定量预测具有特定形态的nMOF的生长,得到了二维超薄膜、六角形纳米片、八面体、长方体、凹八面体或空心八面体等不同形态。有了这些见解,我们利用外延生长序列来设计理想纳米结构的nMOFs,增强了底物运输,从而增加了催化烯烃氢化的活性。这项工作突出了利用机器学习来指导nMOFs和其他纳米材料的形态工程的新机会。相关研究以“Machine-Learning-Guided Morphology Engineering of Nanoscale Metal-Organic Frameworks”为他题目,发表在Matter上。

DOI: 10.1016/j.matt.2020.04.021

图7 用机器学习算法确定相图

JACS光活化MOF位点用于选择性二氧化碳转化为乙醇

二氧化碳加氢制乙醇具有重要的实际意义,但由于需要形成一个碳-碳键,同时保持一个碳-氧键完整,因此面临重大挑战。CuI中心可以选择性催化CO2转化为乙醇,但在反应条件下,CuI催化位点不稳定。在这里,厦门大学汪骋教授等人报道使用低强度光在金属有机框架腔中产生CuI用于催化二氧化碳加氢制乙醇。X射线光电子和瞬态吸收光谱表明,CuI是通过单电子转移从MOF上的光激发[Ru(bpy)3]2+基配体转移到空腔中的CuII中心,以及从Cu0中心转移到光激发[Ru(bpy)3]2+基配体产生的。在光激活条件下,该Cu-Ru-MOF在H2/CO2 = 3:1 150°C、2 MPa条件下选择性地将CO2氢化为EtOH,其活性为9650 umol gCu−1 h−1。因此,低强度的光产生并稳定CuI用于持续的EtOH生产。相关研究以“Photoactivation of Cu Centers in Metal-Organic Frameworks for Selective CO2 Conversion to Ethanol”为题目,发表在JACS上。

DOI: 10.1021/jacs.9b11443

图8 低强度光控制二氧化碳加氢的催化及CuII(HxPO4)y@Ru-UiO催化前后表征

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