SCIENCE CHINA Materials
Volume 61, Issue 8, Aug, 2018
Cover
Biological ion channels show that ultrafast ion and molecule transmissions are in a quantum way of single molecular or ionic chain with a certain number of molecules or ions, and Prof. Lei Jiang defines it as 「quantum-confined superfluid」 (QSF). This ordered ultrafast flow in the confined channel can be considered as 「quantum tunneling fluid effect」 with a 「tunneling distance」, which is corresponding to the period of QSF. Recent research demonstrated that artificial biomimetic nanochannels also showed QSF phenomenon, such as ion and water channels. The introduction of QSF concept in the fields of chemistry and biology may create significant impact (See the concept on page 1027).
Perspective
Graphene oxide membrane for molecular separation: challenges and opportunities
劉公平, 金萬勤*
摘要: 氧化石墨烯作為一種典型二維材料具有單原子層厚度和大量含氧官能團, 可作為高性能分離膜的理想構築單元, 已成為近年來的研究熱點. 通過對氧化石墨烯納米片的有序組裝, 可構築亞納米尺寸的分子傳質通道, 對水分子、有機小分子、氣體分子具有快速選擇性透過效應, 在水處理、溶劑純化和氣體分離等膜過程展現出優異的分離性能. 本文重點分析了近期氧化石墨烯膜的突破性進展, 並指出氧化石墨烯膜用於分子分離過程所面臨的機遇與挑戰.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1021-1026 (2018)
Concept
Quantum-confined superfluid: From nature to artificial
聞利平, 張錫奇, 田野, 江雷*
摘要: 生物孔道離子和分子以單鏈的量子方式快速傳輸, 我們將其定義為「量子限域超流體」. 限域孔道內離子和分子的有序超流被視為「量子隧穿流體效應」, 該」隧穿距離」與量子限域超流體的周期相一致. 近期研究表明仿生體系也存在量子限域超流現象, 例如離子通道和水通道內物質的快速傳輸. 通過把量子限域超流體概念引入化學領域, 將引發出精準化學合成, 即量子有機、無機、高分子反應等. 而引入到生物學領域, 將產生量子超流的生物化學、生物物理、生物信息學以及生物醫學等. 在此基礎上, 也將產生其他的新科學和新技術.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1027-1032 (2018)
Articles
PbCrO4 yellow-pigment nanorods: An efficient and stable visible-light-active photocatalyst for O2 evolution and photodegradation
張國強, 劉國帥, 徐楊森, 楊建華, 李瑛, 孫曉娟*, 陳偉, 蘇陳良*
鉻酸鉛納米棒: 一種高效、穩定的可見光產氧和光降解催化劑摘要: 本文利用簡單的沉澱反應將工業廢水中含有的劇毒Pb(II)和Cr(VI)離子製備成納米棒狀的黃色顏料PbCrO4. 合成的PbCrO4納米棒是一種高效的可見光活性產氧和光降解催化劑. 此納米棒具有優異的光催化穩定性和催化活性, 在可見光下分解水產氧速率高達314.0 μmol h−1 g−1, 在420±10 和600±10 nm處量子效率分別為2.16%和0.05%. 此外, 該催化劑還具有良好的可見光降解亞甲基藍、甲基藍、甲基橙和苯酚的性能. 以上結果表明, 將劇毒含重金屬汙染物Pb(II)和Cr(VI)的離子溶液轉化為環境友好且高效的可見光光催化劑是可行的. 該策略利用汙染物產生清潔能源並降解汙染物, 是綠色、環境友好且非常有前景的廢物利用途徑.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1033-1039 (2018)
Articles
Bimetallic zeolite imidazolate framework for enhanced lithium storage boosted by the redox participation of nitrogen atoms
婁霄冰, 寧豔群, 李超, 胡小詩, 沈明, 胡炳文*
基於氮原子氧化還原的雙金屬沸石咪唑框架用於高性能鋰離子電池負極摘要: 本文首次水熱合成了一種雙金屬沸石咪唑有機框架(CoZn-ZIF)並將其用於鋰離子電池負極. 該材料在以100 mA g−1電流充放電時,具有605.8 mA h g−1的可逆容量, 遠遠大於同類單金屬材料(Co-ZIF-67和Zn-ZIF-8). 為了探知該高容量來源, 我們進行了一系列非原位實驗, 包括同步輻射軟線、粉末衍射、透射電鏡以及順磁共振. 研究表明該雙金屬高容量主要得益於配位氮原子參與鋰化反應, 在這一過程中還伴隨了金屬氮配位鍵的打開與重新配合. 另外, 少量金屬氮配位鍵的不可逆反應會導致該材料晶體的無序化以及一些氮自由基的生成. 這種高活性雙金屬的設計思路和反應機理可推廣到包括催化、氣體吸附等的其他應用中.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1040-1048 (2018)
Articles
In-situ growth of ultrathin MoS2 nanosheets on sponge-like carbon nanospheres for lithiumion batteries
陳靈, 江浩*, 胡彥傑, 王海燕, 李春忠*
在多孔碳納米球上原位生長超薄MoS2納米片構築鋰離子電池負極材料及其性能研究摘要: 開發具有快速充放電能力和長壽命的鋰離子電池用電極材料是當前面臨的巨大挑戰. 本文中, 我們通過一個簡單的擴散過程控制設計併合成了在多孔碳球上原位生長的超薄MoS2納米片. 這種類海綿狀的多孔碳納米球不僅可以吸附並儲存大量的電解質, 有效地縮短了電化學反應過程中離子的傳輸路徑; 而且還能用作類彈性體來緩衝表面活性電極材料在充放電過程中的結構變化. 此外, 這些超薄MoS2納米片的層間距擴大到0.89納米, 極大地豐富了電化學活性位點. 因此, 與相應的MoS2/C絮狀物相比, 所製備的MoS2/C納米球表現出更高的比電容量和優異的循環穩定性. 我們希望這種設計理念可以延伸到其他高倍率、穩定電極材料的製備.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1049-1056 (2018)
Articles
Bimetal-organic-framework derived CoTiO3 mesoporous micro-prisms anode for superior stable power sodium ion batteries
黃鎮東†, 張婷婷†, 陸昊, 楊記可, 柏玲, 陳月花, 楊許生, 劉瑞卿, 林秀婧, 李誼, 李盼, 劉獻明, 馮曉苗, 馬延文*
雙金屬-有機框架材料衍生介孔微米稜柱狀超高功率和穩定性鈉離子電池負極摘要: 負極材料的循環、倍率、容量和堆積密度是評價鈉離子電池性能的關鍵指標. 為此本工作開發了一種新型的鈷-鈦雙金屬-有機框架結構材料並以其作為前軀體衍生製備了具有1.8 g cm−3高堆積密度的無碳介孔鈦酸鈷微米稜柱狀材料. 作為鈉離子電池負極材料該種材料展示了超高穩定性同時擁有比其他類似的鈦氧化物、鈦酸鹽及其碳基複合材料更優異的倍率性能, 其在5 A g−1的電流密度下循環2000圈後容量保持率高達90.1%.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1057-1066 (2018)
Articles
Oxygen-doped carbon host with enhanced bonding and electron attraction abilities for efficient and stable SnO2/carbon composite battery anode
耿振, 李冰, 劉合之, 呂洪, 肖強鳳, 紀永軍*, 張存滿*
基於具有增強鍵能和電子吸引雙功能特性的氧摻雜碳載體製備高性能二氧化錫/碳複合負極材料摘要: 通過電化學活性材料與導電載體材料複合製備納米複合材料, 對於高能量鋰離子電池的發展至關重要. 本文利用水熱法將含氧官能團引入到納米孔碳材料骨架上, 製備得到了骨架內均勻生長粒徑為2–5 nm的SnO2納米顆粒的納米孔碳材料, 作為SnO2/碳複合負極材料其電化學性能顯著提高. 與原始(CAC)、氮摻雜碳(NAC)載體相比, 氧摻雜碳載體(OAC)製備得到的SnO2/碳複合材料表現出更優異的電化學性能. SnO2/OAC在500 mA g−1充放電速率下, 320圈後其放電容量保持在1122 mA h g−1; 2000 mA g−1下其容量仍保持680 mA h g−1. SnO2/OAC優異的電化學性能主要歸因於: 氧官能團作為Lewis酸, 可以在充電狀態下從Sn納米顆粒處吸引電子, 促進Sn向SnO2的可逆轉化; 同時, 由於氧官能團的存在, SnO2納米顆粒被有效地限制在了碳載體骨架內, 有效抑制了充放電過程中SnO2納米顆粒的團聚, 從而提高了SnO2/OAC複合負極材料的電化學穩定性. 綜上, 優異的電化學性能、低的生物質成本以及簡易的製備方法使得SnO2/OAC複合材料成為一種非常有潛力的鋰電池負極材料.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1067-1077 (2018)
Articles
Unique redox properties in defective CeO2-x nanocrystallines synthesized by laser melting
宋路, 馬靜*, 張慶華, 曹譯丹, 冉銳, 沈志堅*
摘要: 本文採用高能雷射熔化技術製備出具有非平衡非均勻結構的CeO2−x納米晶. 大量氧空位和Ce3+的引入使可見光吸收率提升, 禁帶寬度變窄及室溫鐵磁性增強. 此外, 與通常氫還原的樣品比較, 這種雷射熔融得到的CeO2−x呈現出增強的低溫氧化能力. 這種獨特的氧化還原行為可歸因於通過並聚的納米晶的晶界擴散. 這一方法為多功能氧化物陶瓷的製備提供了一條新的途徑.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1078-1084 (2018)
Articles
CuxO self-assembled mesoporous microspheres with effective surface oxygen vacancy and their room temperature NO2 gas sensing performance
李思遠†, 王夢婷†, 李朝崢, 劉佳佳*, 徐萌, 劉佳, 張加濤*
精準調控表面氧空位的CuxO自組裝介孔微球及其室溫檢測NO2的氣敏性能摘要: 本文通過簡單液相方法合成了一系列可控的、不同形貌CuxO自組裝介孔微球(病毒狀、海膽狀、球形). 通過改變N,N二甲基甲醯胺(DMF)溶劑中痕量水的比例, 調控CuxO微球形貌由球狀發展為病毒狀; 通過可控的化學動力學過程實現從疏鬆組裝到緊密組裝的演變. 由於其三維自組裝結構, 這些CuxO自組裝介孔微球在室溫下對NO2氣體具有優良的響應特性. 結果表明, 病毒狀CuxO自組裝介孔微球在室溫下對1 ppm NO2氣體具有優異的敏感特性和響應特性. 氣敏機理分析發現, 其優異氣敏特性來源於病毒狀CuxO自組裝介孔微球較高的比表面積、分級三維納米結構、有效的氣體擴散孔洞、表面Cu2O/CuO的納米異質界面以及表面有效的氧空位缺陷調控.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1085-1094 (2018)
Articles
Additive-free synthesis of mesoporous FAU-type zeolite with intergrown structure
賈曉利, 韓璐, 馬延航, 車順愛*
摘要: 本文用無添加劑體系合成了具有共生結構的介孔FAU沸石. 該材料具有由約50納米厚度的納米片堆積形成的花狀形貌, 而且具有兩種孔道體系: 沸石骨架本身的微孔和存在於納米片內部的晶間介孔. 通過對合成條件精確的控制以及對反應物比例的篩選, 分別合成了介孔X型(矽鋁比<1.5)和Y型(矽鋁比>1.5)沸石. 溫和的溫度以及高鹼度使得在成核初期發生結晶-溶解-重結晶過程是形成介孔FAU沸石的關鍵條件. 該合成體系用簡單和低成本的方法在FAU沸石中引入介孔, 有望突破沸石在大分子催化中的限制, 將有可能應用於工業化生產.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1095-1100 (2018)
Articles
Real-time monitoring of tumor vascular disruption induced by radiofrequency assisted gadofullerene
鄧睿君†, 王昱青†, 甄明明*, 李雪, 鄒頭君, 李傑, 於童, 周悅, 盧志高, 許輝, 舒春英, 王春儒*
摘要: 射頻輔助金屬富勒烯納米晶體阻斷腫瘤血管作為一項新興的抗腫瘤技術, 因其高效安全的作用效果, 在癌症治療的研究發展過程中表現出巨大的應用前景. 本文針對該技術, 提出了對其阻斷腫瘤血管的實時原位研究方法, 清晰明確地揭示了高效靶向阻斷腫瘤血管的機制. 通過建立小鼠腫瘤背部皮翼視窗模型, 實現了在治療過程中腫瘤血管和正常血管的形態變化及血流情況的直觀監測評價. 同時, 採用臨床常用的動態增強磁共振成像手段對腫瘤血管功能進行實時定量評估, 藉助相關參數Ktrans, 證明了腫瘤血管在治療後發生了持續不可逆的破壞. 具體表現為局部腫瘤血管出血、塌陷, 導致整個腫瘤血管網的血流停止, 切斷了腫瘤組織與外界的營養交換, 進而致使腫瘤壞死, 而正常血管並不會受到損傷. 此研究結果是對該技術高效靶向治療腫瘤的深入研究, 有利於促進其在臨床上的轉化和應用.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1101-1111 (2018)
Articles
Rotating magnetic field-controlled fabrication of magnetic hydrogel with spatially disk-like microstructures
範鳳國, 孫劍飛*, 陳博, 李楊, 胡克, 王鵬, 馬明, 顧寧*
摘要: 具有可控微結構的複合生物材料在組織工程和再生醫學中發揮著越來越重要的作用. 本文報導了在旋轉磁場作用下, 通過組裝氧化鐵納米顆粒製備具有盤狀微結構的磁性水凝膠複合材料. 組裝用的磁性納米材料是按照合成Ferumoxytol的方法製備而得, 也是唯一的被FDA批准應用於臨床的鐵氧化物納米顆粒. 磁性納米顆粒的微觀結構在水凝膠內部排列為三維有序. 其形成機理是由於磁性納米顆粒的排列鏈受到旋轉磁場作用扭曲從而形成了微觀結構系統能量的最低態. 通過改變組裝參數, 可以將微結構尺寸從幾微米調整到幾十微米. 隨著組裝結構體的增大, 其磁各向異性也得到相應的增強. 這種情況也證明了即使是微米級的納米粒子聚集體, 也可以通過旋轉磁場組裝誘導產生各向異性. 旋轉磁場輔助技術製備有序微納米結構水凝膠具有成本低、操作簡單、靈活等優點. 我們相信利用這種方法將有利於構建一些快速、綠色和智能製造的複合材料.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1112-1122 (2018)
Letter
Molecular perovskite high-energetic materials
陳劭力, 楊子潤, 王斌傑, 尚宇, 孫林穎, 何純挺, 周浩龍, 張偉雄*, 陳小明*
摘要: 設計合成兼具良好爆轟性能、高穩定性和低成本的含能化合物是發展實用含能材料的關鍵. 本文報導了一類新型分子鈣鈦礦含能化合物, 它們可以通過使用低成本原料經簡單一鍋反應製備. 作為氧化組分的高氯酸根陰離子和作為燃料組分的還原性有機陽離子交替緊密堆積於鈣鈦礦結構中, 使該類化合物不僅有比目前軍用含能炸藥(例如RDX和HMX)更優異的爆炸性能, 而且有更高的穩定性; 其中無金屬組分的分子鈣鈦礦含能化合物具有與CL-20相當的爆炸性能以及更高的比衝(約344秒). 這種將低成本有機燃料組分和氧化劑組分組裝在高對稱性三元晶體結構的分子組裝策略為設計有實用前景的含能材料提供了新思路.
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1123-1128 (2018)
Highlights
Amine facilitates the synthesis of silica-supported ultrasmall bimetallic nanoparticles
Nanfeng Zheng*, Pengxin Liu
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1129-1131 (2018)
Highlights
A composite strategy to fabricate high-performance biodegradable stents for tissue regeneration
Jiandong Ding
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1132-1134 (2018)
Highlights
Lead halide perovskites: Recombining faster, emitting brighter
Haiping He
SCIENCE CHINA Materials 61(8), 1132-1134 (2018)