5篇Nat. Commun.配6篇JACS，光催化、电解池、海水电解、钙钛矿等最新进展丨顶刊日报20210709

1. Chem. Soc. Rev.：利用纳米配方策略克服光动力疗法中的障碍

深圳大学张涵教授、谢妮教授和高丽大学Jong Seung Kim回顾了利用纳米制剂策略克服光动力治疗障碍的研究。

要点：

1）光动力疗法（PDT）由于其非侵入性、时空选择性、低副作用和免疫激活能力，近几十年来被广泛研究用于肿瘤治疗。它是包括眼科、心脏病学和牙科在内的许多医学领域中很有前途的治疗方式。然而，由于传统光敏剂的缺点以及光对组织的穿透性有限，PDT对肿瘤细胞死亡的诱导效率低，并且会导致治疗耐药性和引起剧烈疼痛，因此PDT的临床应用也受到很大的限制。最近，许多研究致力于开发各种光敏剂配方和治疗策略以克服这些障碍。其中，使用纳米材料作为载体或用于PDT的光敏剂可以克服传统光敏剂的缺点。可被各种光源激发的纳米复合材料可用于深部肿瘤的PDT，并可通过药剂共递送来调控细胞死亡途径，促进PDT诱导的肿瘤细胞死亡。这种联合治疗策略也能缓解PDT对肿瘤的耐药性，进一步促进肿瘤的抑制，此外，光敏剂配方和治疗流程的优化也能有效缓解PDT带来的疼痛。

2）在文章中，作者系统地总结了光敏剂制备、治疗策略设计等方面的研究进展，以克服光动力治疗的障碍，并讨论了PDT在临床肿瘤治疗中应用的几个重要方面。

Jianlei Xie 等人。利用纳米配方策略克服光动力疗法中的障碍。化学学会评论。2021 年

DOI: 10.1039/d0cs01370f

#!div摘要

2. Nature Commun.：调控光纤TiO2光催化剂粒径和涂覆形式提高光催化活性

表面改性光触媒光纤结合LED光具有广泛的环保应用前景。鉴于此，香港科技大学的凌莉、尚琪等人报道，他们能够最大程度地提高光触媒改性光纤的光利用率，并对两种不同形式的光有很好的理解。为了量化光之间的相互作用（折射光和衰减波），作者合成了TiO2包裹在光纤上，然后对其进行了表征。作者建立了TiO2纳米颗粒尺寸与光传播模式之间的关系。通过调控TiO2涂层提高了光催化降解污染物的性能。

要点：

1）通过降低TiO2的分布浓度至0.034 cm2/cm2，使光纤表面与TiO2层之间的空间距离增大至114.3nm，使得91%的光传播模式能够以衰减波模式传播。 而24%的衰减波无法被纳米TiO2吸收而返回到光纤中，从而提高了水污染物降解性能32%。

2）作者通过模型预测，如果TiO2与石英光纤之间的额外距离能够有效利用返回光，降解性能和量子效率可以提高一倍。因此，通过控制催化剂涂层结构，使衰减波尽可能接近光。活化催化剂可以有效提高光催化反应过程中光能的利用率。

Song, Y., Ling, L., Westerhoff, P. 等人。衰减波调节使用 LED 照明的 TiO2 涂层光纤内光催化的能量效率。Nat Commun12,4101 (2021)。

DOI：10.1038/s41467-021-24370-8

3. Nature Commun.：用石墨烯层包裹α-MnO2纳米纤维以调节表面电子结构实现高效臭氧分解

目前用于臭氧分解的锰基材料存在稳定性不高、遇水失活等问题，近日，清华大学朱永发教授和江南大学杨楼教授报道，将超长α-MnO2纳米纤维包裹在超薄石墨烯外壳（仅1-3层）中，进一步通过简单的水热工艺组装成3D多孔结构。

要点：

1）研究发现，在独特的核壳结构中，电子从MnO2的氧空位转移到邻近的石墨烯壳层，驱动臭氧的催化分解，由于界面电荷转移，石墨烯壳层调控合适的局域功函数导致中间氧物种的快速分解。

2）实验结果表明，在相对湿度20%的条件下，7.50%MnO2@GR催化剂的臭氧转化率稳定在80%以上，且在100 h内表现出良好的稳定性。该层抑制了水蒸气的化学吸附，避免了H2O分子在催化剂表面的富集，因此在50%湿度的条件下，7.50%MnO2@GR催化剂的臭氧转化率达到70%，同时还表现出良好的抗水性。

这些结果为开发高效、稳定、廉价的催化剂提供了新的视角，并将促进锰基催化剂在臭氧分解中的实际应用。

Zhu, G., Zhu, W., Lou, Y. 等人。将 α-MnO2 纳米纤维封装在石墨烯层内以调节表面电子结构，实现高效臭氧分解。Nat Commun 12, 4152 (2021)。

DOI: 10.1038/s41467-021-24424-x

4. Nature Commun.：无膜流动相电解水制氢

电化学水分解是一种重要的可持续氢合成方法。由于构造和材料的限制，传统的碱性水分解和新发展的质子交换膜电解方法面临效率低、材料/操作成本高的问题。鉴于此，武汉大学的颜宁等人报道了一种无膜流动相电解池的设计，该电解池为夹层结构和循环操作单元，可以将整体水分解反应解耦。

要点：

1）本电解池由两个物理分离的流动相组成：富含H2的阴极电解液和富含O2的阳极电解液。该电解池获得的H2纯度达到>99.1％。该电解池具有较低的内阻，较高的电化学活性和廉价的催化剂，高效的传质效果可以在2.1 V偏压条件下实现750 mA cm-2的电流密度，制氢电解池可以使用去离子水最简单配海水方法，也可以用普通自来水进行电催化工作。

2）本文的研究结果表明，可以通过电解器结构和材料设计，结合不同电解器的优势，为实现可持续的制氢反应提供一种方法。

严,

DOI：10.1038/s41467-021-24284-5

5. Nature Commun.：碱金属电池中阴离子和阳离子迁移的原子尺度调控

在原子尺度上调控阴阳离子在膜分离技术中具有重要意义，这种离子传输调控技术在高性能碱金属电池如碱金属-硫和碱金属-硒电池的发展中也发挥着关键作用，这些电池存在碱金属离子（如Li+或Na+）传输不均匀、多硫化物/多硒化物阴离子有害穿梭效应等问题，这些问题会导致碱金属沉积物在金属电极上的不利生长和正极活性物质的不可逆降解消耗，从而造成容量衰减和循环寿命缩短。

鉴于此5篇Nat. Commun.配6篇JACS，光催化、电解池、海水电解、钙钛矿等最新进展丨顶刊日报20210709，南京理工大学朱俊武教授与澳大利亚悉尼科技大学王国秀教授报道了利用含有Ti原子空位的二维（2D）带负电的二氧化钛（Ti0.87O2）纳米片作为碱金属电池的选择性离子筛。

要点：

1）Ti0.87O2纳米片为单晶单层纳米片，厚度为0.75nm，从母层状氧化物上剥离下来5篇Nat. Commun.配6篇JACS，光催化、电解池、海水电解、钙钛矿等最新进展丨顶刊日报20210709，通过简单的过滤方法将这些单层纳米片逐层自组装成商用PP隔膜，形成了厚度约80nm、表面积质量负载为0.016mg·cm−2的Ti0.87O2涂层。

2）研究发现Ti原子空位可以起到亚纳米孔隙的作用，使得Ti0.87O2层成为一种很有前途的隔膜涂层材料，用于在原子尺度上同时调控Li+/Na+离子和PS阴离子的迁移。在碱金属电池负极侧最简单配海水方法，带负电的纳米片为Li+/Na+离子通量的高效附着和均匀分布提供了强静电相互作用，从而减少了形貌不良的Li/Na金属沉积物的生长。此外，丰富的Ti空位和纳米厚度为Li+/Na+阳离子的扩散提供了快速通道。在碱金属电池的S/Se正极侧，带负电的Ti0.87O2纳米片具有较高的负电荷密度。强静电排斥作用有效地排除了PS阴离子。此外，由于几何约束，尺寸大于Ti空位尺寸的PS阴离子被选择性排除。

3) 因此，当应用于 Li-S、Li-Se 和 Na-Se 电池时，Ti0.87O2 涂层隔膜可实现长期电池循环稳定性。此外，制备的柔性单层 Li-S 软包电池（6.0 cm×6.5 cm）在不同弯曲条件下表现出稳定的循环性能，从而展示了 Ti0.87O2 纳米薄片在实际应用中的潜力。

这项工作强调了利用具有原子缺陷的二维纳米片来实现碱金属电池中阳离子和阴离子迁移的串联控制的策略。

Xiong, P., Zhang, F., Zhang, X. 等人。碱金属电池中阴离子和阳离子迁移的原子尺度调控。Nat Commun 12, 4184 (2021)。

DOI：10.1038/s41467-021-24399-9

6. Nature Commun.：无氯混合海水裂解肼降解节能制氢技术

海水电解是一种不依赖淡水、实现电网规模、碳中性制氢的潜在解决方案。然而，它面临着高昂的能源成本和复杂化学环境中的有害氯化学。最近，为了解决海水电解的两大挑战：巨大的功耗和氯化学引起的阳极腐蚀，大连理工大学邱杰山教授、王志宇教授和北京化工大学孙小明教授报道了一种将海水还原和热力学有利的肼氧化相结合的高效策略。

要点：

1）研究人员设计了一种具有超疏水-亲水及肼友好电催化界面的NiCo/MXene基电极，可综合提高界面电导率、稳定性、水/肼吸附能力及气体释放方式，提高高电流密度下的电解性能。

2）该混合海水电解器可以在0.7-1.0 V的超低电池电压下产氢，完全避免了中性或碱性海水中氯对电池性能的危害，同时，在500 mA cm-2条件下，海水可稳定电解140 h，产氢速率可达9.2 mol h-1gcat-1，具有很高的法拉第效率，在500 mA cm-2高电流密度下，用电量比市售碱性水电解器和最先进的海水电解器显著减少30-52%。此外，肼以4.34±0.007 mol h-1 gcat-1的快速速率被迅速降解至仅3 ppb的低残留量。

3）所开发的自供电混合海水电解也通过集成肼燃料电池或太阳能电池实现，从而实现更好的可持续氢气生产。

这项研究为高效地将海洋资源转化为氢燃料同时去除有害污染物开辟了更多机会。

孙锋，秦建，王哲等。无氯混合海水裂解耦合肼降解节能制氢。Nat Commun 12, 4182 (2021)。

DOI：10.1038/s41467-021-24529-3

7. JACS 评论：混合物的顺序控制：可切换聚合催化和未来材料应用

对高性能聚合物的需求日益增加，同时也要求它们在整个生命周期内具有可持续性。由酯键、碳酸酯键或醚键组成的共聚物可以满足这种需求，因为它们的单体-聚合物化学更接近平衡，促进（生物）降解和回收；许多单体可以从可再生能源或废物中获得。鉴于此，英国牛津大学的Charlotte K. Williams等研究人员介绍了混合物的顺序控制，用于可切换的聚合催化和未来的材料应用。

要点：

1)我们讨论了一种高效且广泛适用的路线，即通过在不同的催化循环之间切换，使用单一催化剂由单体混合物制备共聚物。

2) 本综述介绍了催化原理、催化剂设计标准、共聚物选择性和结构表征工具、以及所得共聚物的性质。

3)本文讨论了热塑性弹性体、增韧塑料、粘合剂和自组装纳米结构以及程序化降解等应用。

4）研究人员还介绍了催化和产物的研究现状，以及未来的挑战和方向。

Arron C. Deacy 等人。混合物的序列控制：可切换聚合催化和未来材料应用。JACS，2020 年。

DOI: 10.1021/jacs.1c03250

8. JACS：探测液态水中激光诱导等离子体的产生

了解液态水的光激发动力学对于基础科学探索和技术应用都具有重要意义。虽然已经观察到光诱导的宏观现象，但由于激光-水相互作用的极端复杂性和超快的时间尺度，很难追踪激光辐照后的初始原子运动和相关的能量传递路径。鉴于此，北京中国科学院国家凝聚态物理研究中心孟胜等研究人员对液态水中激光诱导等离子体的产生进行了探测。

要点：

1）研究人员基于非绝热量子动力学模拟，探索了强光激发下液态水的飞秒演化过程。

2) 明确监测分离的离子和电子动力学，在前所未有的微观层面上揭示大量细节。

3)水的加热过程经历了两阶段，第一阶段强场效应和电子激发是水加热增压的主要原因。

4) 离子和电子子系统随后的松弛进一步提高了离子温度，但释放了大量的内部压力。

5）在激光脉冲作用下，水分子被拉伸，激光脉冲后电子激发导致质子转移。强激光脉冲对液态水进行强烈激发，导致在激光脉冲过程中发生剧烈的分子解离和等离子体化。

6)激光诱导水等离子体的特点是自由质子比例高（~50%）、离子和电子分布不平衡、电子密度为金属级。

Jiyu Xu 等人。探测液态水中的激光诱导等离子体产生。JACS，2021 年。

DOI: 10.1021/jacs.1c04675

9. JACS：富碱钙钛矿M3FCH（M=Li，Na；CH=S，Se，Te）：阴离子在相稳定性和离子传输中的作用

为了提高离子电导率，具有可极化阴离子且与可移动离子相互作用较弱的固体电解质备受关注。最近的研究是富锂/钠的反钙钛矿（AP）M3HCh（M = Li , Na; Ch = S, Se, Te）。最近，为了明确阴离子在反钙钛矿中的作用，京都大学的Hiroshi Kageyama和日本精细陶瓷中心的Akihide Kuwabara对M3FCh家族进行了理论和实验研究。面中心的可极化H阴离子被离子F阴离子取代。

要点：

1）研究人员意外发现F和M+离子之间更强的吸引相互作用并没有减慢M+离子的扩散速度，计算出的能垒与M3HCh一样低，这一结果提示立方M3FCh（和M3HCh）八面体离子的低频旋转声子模式是促进快速离子扩散的内在因素。

2）研究人员通过基于氢化物和基于氟化物的体系分析，进一步揭示了容差因子t、软旋转声子模式和离子输运之间的关系：在立方相中随着t的减小，旋转模式变得更软，导致迁移能量减小。

3）实验结果表明，立方I掺杂的Li3Fse具有快Li+离子电导率，其室温离子电导率为5×10-5S/cm，体相活化能为0.18 eV。

这一结果表明具有八面体扭曲倾向的立方体AP可以有效实现锂/钠离子的快速扩散。此外，这些来自晶格动力学的发现有望为理解其他物理性质，如介电性质和磁性提供新的可能性。

Susumu Fujii 等人，富碱反钙钛矿 M3FCh（M = Li、Na；Ch = S、Se、Te）：阴离子在相稳定性和离子传输中的作用，J. Am. Chem. Soc.，2021 年

DOI: 10.1021/jacs.1c04260

10. JACS：用于模板化精密多组分金属有机骨架孔的热敏交联剂

尽管已报道了许多研究多组分金属有机骨架的方法，但仍然需要新的策略来提供更大的结构多样性和分子精度，以复制酶中复杂的活性位点。J. Xiao 等人发现了一种用于模板化精确多组分金属有机骨架孔的热敏交联剂。

要点：

1）这里我们概述了使用热敏交联剂在框架孔内模板功能组的一般方法。

2) 这项研究表明，基于叔酯的交联剂可以以精确的相对距离和方向安装明确的羧酸对。

3)在框架形成过程中，叔酯键保持完整，但在微波加热时很容易断裂，从而露出游离羧酸。

4) 研究人员展示了使用介孔三苯基延伸类似物 MOF-74 的成功交联剂合成、框架结合和热裂解。

5) 当使用短交联剂时，建模研究表明羧酸盐沿孔以单一配置安装，间距约为 7 Å。这些精确定位的酸对可以作为合成手柄，以构建更复杂的协同活性位点。

Jackson Geary 等人。用于模板化精确多组分金属有机骨架孔的热不稳定交联剂。JACS，2021 年。

DOI: 10.1021/jacs.1c04030

11. JACS：颗粒甲烷单加氧酶低温结构中铜中心揭示甲烷氧化催化机理

颗粒状甲烷单加氧酶（pMMO）是甲烷氧化菌C1代谢途径中的第一个酶，由于此酶能在接近室温的条件下高效地将甲烷转化为甲醇，成为理解这一棘手C1代谢途径的关键。pMMO是一种膜结合蛋白，由三个亚基（PmoB、PmoA、PmoC）组成，12-14个铜原子分布在不同位点。X射线晶体结构仅显示该酶的三个单核铜原子既不能揭示活性位点的位置，也不能揭示该酶的催化机理。鉴于此，台湾中央研究院陈思聪等研究人员报道，颗粒状甲烷单加氧酶低温结构中的铜中心揭示了甲烷氧化的催化机理。

要点：

1) 我们报告了甲基球菌 (Bath) holo-pMMO 在 2.5 Å 处的低温电子显微镜结构，并开发了定量静电势分析来研究铜辅因子的非蛋白质密度。

2) 结果证实位点 A 中存在单核 CuI，位点 B 中存在两个 CuI，膜中的 PmoA/PmoC 界面（位点 D）和暴露于水的 PmoB C 末端亚区（簇 E）。在以下位置发现了额外的 CuI 簇

我们的研究确定了完成 pMMO 催化转化所需的最小铜因子集，并根据先前提出的机制的化学性质概述了甲烷氧化的催化机制。

W.-H. Chang 等人。颗粒甲烷单加氧酶低温电子显微镜结构中的铜中心揭示了甲烷氧化的催化机制。JACS，2021 年。

DOI: 10.1021/jacs.1c04082

12. JACS：直接观察由单个纳米粒子碰撞引发的等离子体纳米腔中的酰胺键形成

在单分子水平上实时观察化学键的形成是有机和生物分子化学中最大的挑战之一。它能收集到使用集合平均测量无法获得的宝贵信息。尽管已经开发出非常复杂的监测化学键的方法，尽管在单分子水平上检测特定化学键原位形成的能力已在该领域得到广泛应用，但酰胺键通常由N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯被一级胺氨解而形成。该方法广泛应用于肽和蛋白质的合成、交联和标记。鉴于此，澳大利亚迪肯大学的Wenrong Yang和佛罗里达国际大学的Jin He直接观察到了由单个纳米粒子碰撞诱导的等离子体纳米结构腔中酰胺键的形成。

要点：

1)我们利用等离子体纳米腔研究了水缓冲液中单个纳米粒子与适当功能化的自由移动的金纳米粒子碰撞而引发的酰胺键形成的氨解反应。

2）通过表面增强拉曼光谱（SERS）和单元体电化学（EC）测量，以几十毫秒的时间分辨率研究了氨解反应中酰胺键形成的动态演变。

这项研究表明，单一实体 EC-SERS 是一种研究单分子水平化学反应的有价值且灵敏的技术。

Na Kong 等人。直接观察单纳米粒子碰撞引发的等离子体纳米腔中酰胺键的形成。JACS，2021 年。

DOI: 10.1021/jacs.1c02426

你的学生真的会写文章吗？

教授亲自动手

教你如何写论文

学术交叉交流QQ群：1072557833

NanoLab是国内领先的纳米材料科学商城，专注于高品质纳米材料的定制合成，已协助国内外数十个研究团体实现纳米材料的商业化，并为不同科研人员和企业之间提供学术交流和成果转化平台。