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5月13日，我校能源材料化學(xué)研究院趙東元院士、馬玉柱教授、化學(xué)化工學(xué)院劉健教授聯(lián)合吉林大學(xué)呂中元、朱有亮教授等人在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Paddle-like self-stirring nanoreactors with multi-chambered mesoporous branches for enhanced dual-dynamic cascade reactions”的研究成果。

該工作基于前期發(fā)展的納米液滴界面組裝策略，設(shè)計(jì)了復(fù)雜分支多腔結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)（Nat. Synth. 2024, 3, 236–244.）?；谛滦偷姆种Ъ{米結(jié)構(gòu)，如何構(gòu)筑智能化的介孔納米反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能-應(yīng)用之間構(gòu)效關(guān)系的匹配一直是本領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)（Nat. Rev. Chem. 2024, 8, 915–931.）。基于此，該研究面向新型多腔介孔納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)筑了可以響應(yīng)外部磁場(chǎng)刺激轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的智能納米反應(yīng)器，首次提出了類行星式納米反應(yīng)器的概念，突破了納米尺度上分子定向擴(kuò)散傳質(zhì)的限制，顯著提升了級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)效率和反應(yīng)選擇性。

類行星式納米反應(yīng)器

研究亮點(diǎn)：

趙東元院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)納米液滴膨脹和隨后的融合策略，設(shè)計(jì)了一種具有分支多腔結(jié)構(gòu)的槳狀介孔納米反應(yīng)器（圖1），利用分步封裝策略可以將功能組分，如Fe?O?納米顆粒、Pd納米晶、上轉(zhuǎn)換NaGdF?納米顆粒（~20 nm）等植入到特定的位置，從而在單粒子水平上構(gòu)建殼-室、上-下腔和左-右腔分離的雜化二元、三元和四元多功能級(jí)聯(lián)納米反應(yīng)器。

將磁性Fe?O?納米顆粒封裝在兩個(gè)分支的第一個(gè)腔室后，該納米結(jié)構(gòu)在交變磁場(chǎng)下表現(xiàn)出類行星式的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)模式（圍繞質(zhì)量中心，類似于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)）。該自轉(zhuǎn)-公轉(zhuǎn)模式提高了混合和擴(kuò)散效率，更重要的是，可以將更多的分子吸附到催化劑表面，有利于傳質(zhì)和催化效率的提高。

圖1: 分支槳狀多腔納米反應(yīng)器的合成

進(jìn)一步將Pd和Au催化中心分別落位到分支結(jié)構(gòu)的不同空間位置，構(gòu)筑了一系列自攪拌納米反應(yīng)器（Au-Pd活性位距離不同）。以Au-Pd殼層-內(nèi)腔分離的自攪拌納米反應(yīng)器為例，納米尺度的自攪拌反應(yīng)器其初始反應(yīng)速率相比于傳統(tǒng)的宏觀機(jī)械攪拌提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，從274 mmol h-1 mmol Pd-1提高到2859 mmol h-1 mmol Pd-1。此外，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率也從宏觀攪拌時(shí)的76.8%（選擇性為78.1%）上升到納米攪拌時(shí)的95.4%（選擇性為96.4%）。同時(shí)，調(diào)整Au-Pd活性位空間位置（距離）后，可以進(jìn)一步改變反應(yīng)分子的擴(kuò)散路徑，進(jìn)而改變目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性。

催化增強(qiáng)機(jī)制：

首先，每個(gè)分支納米結(jié)構(gòu)在體系中同時(shí)旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于無(wú)數(shù)個(gè)小轉(zhuǎn)子同時(shí)攪拌，從而顯著增強(qiáng)反應(yīng)效率。其次，納米反應(yīng)器的自轉(zhuǎn)過(guò)程，不僅可以驅(qū)動(dòng)分子由高濃度到低濃度的自發(fā)擴(kuò)散。同時(shí)自轉(zhuǎn)過(guò)程可以產(chǎn)生指向內(nèi)腔的反作用力，從而大大增強(qiáng)內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程，甚至可以驅(qū)動(dòng)分子從低到高濃度的反向擴(kuò)散。這種雙動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)模式增加了中間體到達(dá)下一個(gè)活性位點(diǎn)（Au，如本研究中）的概率，從而帶動(dòng)分子的定向擴(kuò)散。這也調(diào)控了分子到達(dá)下一位點(diǎn)的概率，進(jìn)一步優(yōu)化分子擴(kuò)散路徑，提高產(chǎn)物選擇性（圖2）。

圖2: 自攪拌和催化位點(diǎn)鄰近效應(yīng)的相關(guān)性

這項(xiàng)工作揭示了新型多室結(jié)構(gòu)的制備和多個(gè)活性位點(diǎn)共定位的設(shè)計(jì)思路，證明了納米自旋轉(zhuǎn)和催化位點(diǎn)鄰近效應(yīng)在調(diào)節(jié)中間體擴(kuò)散和級(jí)聯(lián)催化性能方面的相關(guān)性。這種集成的多功能納米反應(yīng)器系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)響應(yīng)外部刺激的新型納米設(shè)計(jì)提供了新的思路，為其他應(yīng)用的拓展奠定了基礎(chǔ)。

我校馬玉柱教授為一作兼通訊作者，趙東元院士、劉健教授、吉林大學(xué)朱有亮教授為該論文的共同通訊作者，論文以內(nèi)蒙古大學(xué)能源材料化學(xué)研究院和化學(xué)化工學(xué)院為第一通訊單位。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

課題組主頁(yè)：https://www.x-mol.com/groups/ma_yuzhu

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01915-2

（供稿：能源材料化學(xué)研究院     編輯：武濤     審核：劉雪峰     終審：阿茹娜）