临床认可的神经刺激器受电池需求而限制,以及与刺激目标相比尺寸较大(目前临床的为6,000 mm3)的限制。于此,美国加州大学伯克利分校RikkyMuller、Michel M. Maharbiz和JoseM. Carmena等人描述了一种无线,无引线且无电池的植入式神经刺激器“StimDust”,其体积只有1.7 mm3,体积虽小,但却集成了压电陶瓷换能器(Piezo,Piezoceramic transducer)、储能电容器(Capacitor)和集成电路(IC),可谓“麻雀虽小,五脏俱全”。
本文要点:
1)超声波链路和手持式外部收发器为刺激器提供电源和双向通信。刺激协议实时进行无线编码,从而减少了功耗和片上存储器,并以高时间分辨率和低延迟反馈实现了协议的复杂性。
2)上行链路数据(Uplink data)指示刺激是否发生,其由刺激器通过反向散射调制进行编码,并在外部收发器中进行解调。
3)当植入体外猪组织中时,集成电路能有效地收集超声功率,解码刺激参数的下行链路数据,并产生电流控制的刺激脉冲。当袖套式安装并急性植入到麻醉大鼠的坐骨神经上时,该装置可在一系列生理反应中产生可重复的刺激。
本研究提供电流控制刺激的最小的无线神经刺激器之一,可以促进用于治疗干预的闭环神经刺激。
Piech,D.K., et al. A wireless millimetre-scale implantable neuralstimulator with ultrasonically powered bidirectional communication. Nat Biomed Eng 4, 207–222 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0518-9
二氧化碳(CO2)过量释放到大气中会引发严重的环境问题,并且已经对人类社会构成了紧急且潜在的不可逆威胁。随着大气中的二氧化碳浓度从1800年代初的270 ppm(百万分之一)急剧增加到2015年7月的401.3 ppm,全球范围内就回收人类活动产生的碳污染达成了共识。为了实现碳的封闭循环,使用可再生的电能通过电化学CO2还原(ECR)转化为增值多碳(C2+)燃料和化学品,是一种可行解决方案,并且能带来更多的经济效益。然而,由于低选择性,活性和稳定性差,在水性电解质中的电催化C-C进行键合仍然是一个挑战。催化剂和反应器的设计是应对这些挑战的关键。浙江大学陆盈盈和美国莱斯大学汪淏田等人总结了通过ECR实现有效C-C键合作用的最新进展,重点介绍了电催化剂和电催化电极/反应器的设计策略及其相应的机理研究。
本文要点:
1) 本文详细研究了当前ECR促进C2+产品选择性和生产率的策略,包括精细催化剂调节,电解质效应,电化学条件和电化学电极/反应器设计。
2) 作为实现高效C-C偶联的主要催化剂,Cu存在严重的稳定性问题,尤其是在水性电解质中,由于其高的原子迁移率,颗粒聚集和ECR条件下的结构恶化,因此很少能工作100小时。
3) 对于当前的ECR技术而言,昂贵的分离过程是必不可少的,这进一步阻碍了ECR的实际应用。因此,实现直接连续地生产纯液体燃料溶液和纯气体烃,特别是具有高产物浓度的纯气体燃料,对于ECR的实际部署是非常重要的。
LeiFan, et al. Strategies in catalysts and electrolyzer design for electrochemicalCO2 reduction toward C2+ products, Science Advances 2020
DOI:10.1126/sciadv.aay3111
https://doi.org/10.1126/sciadv.aay3111
在金属卤化物钙钛矿太阳能电池中,诸如TiO2的电子传输层(ETL)决定了整个光伏性能。但是,ETL的电子捕获特性会间接影响卤离子的迁移率。从脉冲激光激发的混合卤化物钙钛矿(MHP)膜中TiO2辅助的卤化物离子偏析可以明显看出这一点。圣母大学Prashant V. Kamat团队研究发现,仅当MHP沉积在ETL(例如TiO2)上,而不在绝缘的ZrO2衬底上时,才观察到这种偏析。
本文要点:
1)电子从激发的MHP注入ETL,然后被O2清除,从而导致MHP膜中空穴积累。MHP中碘化物位点上的空穴定位会引起不稳定性,从而导致碘化物从晶格向晶界移动。
2)当空穴被MHP上的空穴传输层(spiro-OMeTAD)提取时,会抑制偏析,从而避免了空穴的堆积。这些结果进一步洞察了空穴在钙钛矿太阳能电池中MHP的相分离和空穴迁移率中的作用。
JeffreyT. DuBose et al, TiO2-Assisted Halide Ion Segregation in MixedHalide Perovskite Films,J. Am. Chem. Soc. 2020.
DOI: 10.1021/jacs.0c00434.
https://doi.org/10.1021/jacs.0c00434
电催化析氢反应(HER)是指通过水分解产生高纯度且廉价的氢气,然而这些多电子转移过程的动力学反应迟钝,需要高效的电催化剂才能达到实用化的程度。尽管基于Pt的催化剂通常具有最佳的活性,但其高昂的价格却让人望而却步。为了应对这一挑战,美国北伊利诺伊大学Yingwen Cheng提出了一种非常规的异质结构,该结构由强耦合缺Ni的LixNiO纳米团簇和多晶Ni纳米晶体组成,并且它在水性电解质中的析氢反应(HER)具有出色的活性。
本文要点:
1) 提出了一种在石墨烯或泡沫镍上制造独特的LixNiO/Ni异质结构催化剂的通用方法,以实现高效的电化学制氢。
2)由于Ni缺乏的NiO纳米团簇的存在,该团簇牢固地结合成整体并以LixNiO/Ni异质结构形式析出底层Ni相。这种结构中的活性氧表现为非常规的强布朗斯特碱度和自发分裂的水分子。
3) 结合紧密的LixNiO和Ni界面连接处会产生局部活性点,促进氢化物偶联和氢解吸。在酸性,中性和碱性电解液中10mA cm-2的电流密度下的超电势仅为20,50和36 mV,这也是迄今为止最具活性的无铂催化剂。
KeLu, et al. LixNiO/Ni Heterostructure with Strong Basic Lattice Oxygen EnablesElectrocatalytic Hydrogen Evolution with Pt-like Activity, J. Am. Chem. Soc.2020
DOI:10.1021/jacs.0c00241
https://doi.org/10.1021/jacs.0c00241
将氢掺杂进半导体金属氧化物是控制其性能的有效方式。然而,由于苛刻的反应条件和昂贵的金属催化剂,将氢掺杂进半导体金属氧化物具有相当大的挑战性。同时,酸作为一种廉价的质子来源,长期以来一直没有得到重视。鉴于此,中科大江俊教授团队发展了一种酸-金属处理的方法在环境条件下实现了氢掺杂半导体金属氧化物的可控制备。
本文要点:
1)利用第一性原理,作者首先证明了当金属与金属氧化物之间存在适当的功函数差时,质子向带负电荷金属氧化物的扩散可以得到很好的控制,从而得到具有类金属特性氢掺杂半导体金属氧化物。
2)作为验证,在环境条件下,作者使用了Cu和盐酸制备了可控氢掺杂WO3。
3)此方法具有一定的普适性,还可用于其他的半导体金属氧化物,如TiO2,Nb2O5,MoO3。
LiyanXie et al. Tunable Hydrogen Doping of Metal Oxide Semiconductors withAcid-Metal Treatment at Ambient Condition. JACS, 2020.
DOI: 10.1021/jacs.0c00561
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00561
控制催化剂表面对不同反应物种的结合强度是一项非常具有挑战性的工作,但对于设计高活性和高选择性的催化剂而言至关重要。例如,在CO2还原的过程中,CO的生产通常需要在反应物和产物的吸附强度之间进行平衡:从选择性的角度来看,CO的弱结合是合乎需要的,但CO2的弱结合导致活性低。
有鉴于此,科罗拉多大学波尔得分校的J. Will Medlin等人合作提出了一种通过使用单个自组装步骤(在载体上沉积有机单层膜)来控制载体负载的金属催化剂上的CO2吸附和CO解吸附的新方法,该方法实现了从甲烷化到RWGS的选择性转换。。
本文要点
1)膦酸单层在负载的Pt和Pd催化剂上的结合会通过through-support作用削弱CO的键合强度。CO吸附减弱通常伴随着CO2的吸附和反应性降低。然而,通过控制配体的分子结构,可以通过CO2与配体尾巴上的碱性胺基相互作用来促进CO2的吸附。配体的头基结合到载体上会引起金属电子性质的变化,从而可以轻松实现CO的解吸附。
2)表面改性后,催化剂表现出显著提高的选择性(转化率接近50%时高达〜99%)和生成CO的活性。而且,由于抑制了金属催化剂上的CO中毒,因此改性催化剂的失活率也显著降低。
该研究揭示了一种利用有机配体的多功能性来精确调节催化表面上多种反应物种的结合强度的新途径,为将非选择性金属转化为化学选择性金属催化剂提供了一种新的思路。
JingZhang et al. Control of molecular bonding strength on metal catalysts withorganic monolayers for CO2 reduction. Journal of the AmericanChemical Society, 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b12980
http://dx.doi.org/10.1021/jacs.9b12980
负线性压缩性(NLC,Negative Linear Compressibility)是指晶格在受到压力时向一个或多个方向扩展的现象,NLC材料在超灵敏压力传感器、人造肌肉和防弹衣等领域有着重要的应用。吉林大学的贲腾和燕山大学的范长增合作对单晶有机多孔CPOS-1材料进行了研究,从结构角度入手,构建了具有压缩性的金刚石拓扑结构。这种材料在高压条件下具有超高的NLC性质,对于在高压环境下飞机声纳压力传感技术具有一定的现实意义。
本文要点:
1)高压XRD实验结果显示材料的NLC数值Kc=-90.7 T Pa-1。
2)基于电荷增强作用的N–H+···–O–S氢键相互作用导致了材料中高的NLC行为。
3)通过高压原位电化学阻抗谱(EIS)研究了NLC行为和声子(PhotonConductivity)之间的关系。
YuZhao, et al. Colossal Negative LinearCompressibility in Porous Organic Salts. J. Am. Chem. Soc., 2020,
DOI:10.1021/jacs.9b13274
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b13274
铵(NH4+)离子用作水性电池的电荷载体,其中最初研究是一六方晶系MoO3作为NH4+储存负极候选物。香港城市大学支春义和中科院陈仕谋等人研究了在赝电容h-MoO3电极中可逆的NH4+存储。
本文要点:
1)从实验和第一性原理计算的结果来看,电池化学过程是通过NH4+和隧穿的MoO3电极框架之间可逆地建立-破坏氢键的行为进行的,其中氨化/脱氨机理主要由非扩散控制的赝电容行为控制。
2)MoO3在NH4+存储中的出色电化学性能在1 C时可提供115 mAh g-1,在150 C时可保持32 mAh g-1。此外,它在100000次循环中表现出超长且稳定的循环性能,容量保持率为94%,在150 C时保持4170 W kg-1的高功率密度和高能量密度。当与CuFe普鲁士蓝类似物(PBA)正极结合使用时,铵离子全电池可提供21.3 Wh kg-1的能量密度。
GuojinLiang, Initiating Hexagonal MoO3 for Superb‐Stable and Fast NH4+ StorageBased on Hydrogen Bond Chemistry, Adv. Mater., 2020
DOI: 10.1002/adma.201907802
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907802
半透明钙钛矿太阳能电池(ST-PeSCs)由于其出色的性能以及在串联器件和建筑集成光伏(BIPV)等领域的应用前景而备受关注。在所有这些应用中,至关重要的是实现此类设备的高效率和稳定的光伏性能。使用以原型掺杂的Spiro-OMeTAD为空穴传输层(HTL)的器件架构无法同时实现这两个属性。莫纳什大学Jacek.J. Jasieniak团队研究了因此,在这项工作中,我们研究了一种使用由VNPB新型分子交联形成的HTL替代常规Spiro-OMeTAD的方法。
本文要点:
1)基于SnO2/C60-SAM/钙钛矿/HTL/MoOx/超薄金/ MoOx ST-PeSC器件结构,通过优化的多步热处理工艺,可以最大程度地提取电荷并减少复合
2)无Spiro-OMeTAD的ST-PeSC器件表现出创纪录的效率,其可见光平均透射率在10%到30%之间。这些器件具有与基于Spiro-OMeTAD的器件相当的效率。另外,在连续照明和高湿度条件下,聚VNPB HTL的器件具有长期稳定性。
JaeChoul Yu. et al. Semi-Transparent Perovskite Solar Cells with a Cross-LinkedHole Transport Layer, Nano Energy, 2020.
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104635.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520301920
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