1. Nat. Rev. Chem.：化學設計在有機半導體性能中的作用
有機半導體具有溶液加工性，輕便性和柔性，并且越來越多地被用作許多新技術中的活性層。這些材料的性質可以通過合成有機化學來調節，從而可以將它們結合到生物傳感器，可穿戴電子設備，光伏和柔性顯示器中。人們可以通過開發合成化學方法，改善分析和計算技術，理解控制材料性能的因素，從而通過改善材料使設備性能得到改善。
明智的分子設計可控制半導體前沿分子軌道的能量分布，并指導有機半導體的分層組裝成功能膜，使得能夠操縱電荷和激發態的性質和移動。近日，帝國理工學院Iain McCulloch等總結了分子設計如何在開發有機半導體用于當前和新興技術的電子設備中發揮不可或缺的作用。
HugoBronstein, Iain McCulloch*, et al. The role of chemical design in theperformance of organic semiconductors. Nat. Rev. Chem., 2019
DOI: 10.1038/s41570-019-0152-9
https://www.nature.com/articles/s41570-019-0152-9
2. PNAS: 高效Cu-Fe二元催化劑助力CO2光電還原制甲烷
合理地設計電催化劑是一條固定CO2制備太陽能燃料的有效手段，但是這條道路受限于催化劑活性與效率等問題而充滿了挑戰。最近，加拿大麥克基爾大學的Jun Song與美國密歇根大學的Zetian Mi等利用密度泛函理論對廉價二元Cu-Fe催化劑CO2光電化學還原制甲烷的過程進行了研究。
有關反應能量的計算表明二元體系中的Cu和Fe能夠協同的促進CO2線性構型的變形，能夠通過穩定反應中間體使得原本較高的反應活化能降低，因此有利于CO2分子的活化和向甲烷的轉化。研究人員還從實驗角度對上述結果進行了驗證。這種二元CuFe催化劑在工業用硅光電極上顯示出高達38.3mA/cm2的電流密度，其產生甲烷的法拉第效率高達51%，在空氣質量為1.5 global（AM 1.5G）的單太陽光照射下翻轉頻率為2176/h。
BaowenZhou, Jun Song, Zetian Mi et al, Highly efficient binary copper?iron catalyst for photoelectrochemical carbon dioxide reductiontoward methane, PNAS, 2020
DOI:10.1073/pnas.1911159117
https://www.pnas.org/content/early/2020/01/02/1911159117.short?rss=1
3. ScienceAdvances: 基于人工神經網絡的多孔材料逆設計
使用人工神經網絡生成合適的納米材料可能會導致未來材料設計領域的重大變革。盡管在創建小分子和簡單分子方面已經取得了進展，但尚未使用任何神經網絡生成復雜的材料，例如晶體多孔材料。于此，韓國高等科學技術研究院Jihan Kim等人實現了一個生成性對抗網絡，該網絡使用31713個已知沸石的訓練集來生產121個晶體多孔材料。
該神經網絡以能量和材料尺寸的形式輸入，并且研究人員證明，使用該神經網絡可以可靠地生產出用戶期望的4 kJ / mol甲烷吸附熱的沸石。用戶期望的功能的微調可以潛在地加速材料的開發，因為它證明了多孔材料反向設計的成功案例。
KimB, Lee S, Kim J. Inverse design of porous materials using artificial neuralnetworks. Science Advances. 2020;6(1):eaax9324.
https://advances.sciencemag.org/content/6/1/eaax9324
4. JACS: 可光激活甲醛供體揭示阻止細胞遷移的原因
控制光介導的生物分析物的傳遞可以使高反應性分子在生命系統中的研究成為可能。由于許多生物效應是濃度依賴性的，因此確定分析物供體的位置、時間和數量至關重要。于此，美國伊利諾伊大學的Jefferson Chan團隊開發了第一個可光活化的甲醛（FA）供體。
優化的可光活化供體photoFAD-3配備了熒光讀數，可以監測FA的釋放，同時熒光增強139倍。光穩定性和細胞滯留性的調節使得能夠通過細胞裂解物校準對細胞內FA釋放進行定量。photoFAD-3的應用揭示了阻止活細胞傷口愈合所需的濃度范圍。標志著這是對任何分析物的光激活供體已被用于量化細胞內釋放的首次報道。
LukasP. Smaga, Nicholas W. Pino, Gabriela E. Ibarra, Vishnu Krishnamurthy, andJefferson Chan. A Photoactivatable Formaldehyde Donor with FluorescenceMonitoring Reveals Threshold To Arrest Cell Migration. Journal of the AmericanChemical Society 2020.
DOI:10.1021/jacs.9b11899
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11899
5. Nano Lett.: 優化Yolk?Shell納米球的空腔尺寸實現高能量密度的鈉離子電池
由于高的質量能量密度（386 mA h g?1）和體積能量密度（3800 mA h cm?3），鉍有希望成為鈉離子電池的陽極材料。但是導電性差和體積膨脹大的特性嚴重限制了鉍在鈉離子中的用于。構建具有空腔的納米結構可以有效的緩沖鉍在充放電過程中的體積膨脹，從而實現長的循環性能。但是多余的空腔會降低電池的整體的體積能量密度。鑒于此，中國科學大學余彥教授團隊通過溶膠-凝膠法合成了一系列具有不同空腔尺寸的Bi@C Yolk?Shell納米球，并通過原位XRD和TEM等技術手段詳細研究了空腔尺寸對電化學性能的影響，揭示了空腔對電化學性能影響的背后機制，實現了具有高能量密度電極材料的設計和合成。
Yang H, Chen L, He F, et al. Optimizing theVoid Size of Yolk-Shell Bi@ Void@ C Nanospheres for High-Power DensitySodium-Ion Batteries. Nano Letters, 2019.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04829
6. Nano Lett.: 理論計算導向單原子催化劑設計助力快速長效Li-S電池
Li-S電池憑借其高理論能量密度、環境友好以及低成本等優勢而有望成為新一代儲能體系。然而，充放電過程中含硫物種的低電子電導、多硫化物的溶解流失、轉化反應的緩慢動力學以及硫化鋰的氧化等諸多問題嚴重限制了Li-S電池的實際應用。最近，澳大利亞科廷大學的San Ping Jiang、北京航空航天大學的Qianfan Zhang以及美國斯坦福大學的崔屹教授等借助密度泛函理論的指導成功地在石墨烯基底上制備了一種單原子釩催化劑來解決上述問題。
這種單原子催化劑應用到Li-S電池中后能夠使硫含量高達80%的硫電極在3C的高倍率下實現高達645mAh/g的比容量同時保持良好的循環穩定性。這種單原子催化劑顯著改善了前置硫的還原反應和后續的Li2S的氧化反應的動力學。實驗結果和理論計算的一致性說明采用合理結構的單原子催化劑能夠顯著改善Li-S電池的電化學性能。
GuangmingZhou, San Ping Jiang, Qianfan Zhang, Yi Cui et al, Theoretical CalculationGuided Design of Single-Atom Catalysts toward Fast Kinetic and Long-Life Li–S Batteries, Nano Letters,2019
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04719
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04719
7. Nano Lett.: 具有多級介孔的絕緣陶瓷
尋找輕質和機械性能好的超絕緣（絕熱和絕聲）對節能建筑和其他很多領域至關重要。超絕緣材料需要嚴格調節熱量在其中的傳遞。二氧化硅氣凝膠是一種非常高效的熱絕緣材料，其熱導率甚至可以低于靜止的空氣。但是由于復雜的超臨界加工過程和干燥過程中的結構退化，二氧化硅氣凝膠的大規模應用受到了限制。雖然通過加入添加劑，如碳納米線或高分子纖維，的方式提高氣凝膠的機械性能。
但到目前為止，在實現高機械強度的同時不破壞氣凝膠的絕緣和輕質性仍然是一個挑戰。鑒于此，紐約州立大學布法羅分校的Shenqiang Ren團隊合成了一種輕質且具有梯度孔道的陶瓷氣凝膠，此氣凝膠表現出超低的熱導率、超高的機械強度、超強的隔音性能和耐火性。
Ruizhe Yang, Feng Hu, Lu An, Jason Armstrong,Yong Hu, Changning Li, Yulong Huang, Shenqiang Ren. A Hierarchical MesoporousInsulation Ceramic.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04411
8. Angew：刺激響應的圓偏振有機超長室溫磷光
近年來，純有機室溫磷光（RTP）和超長RTP（OURTP）材料引起了人們的廣泛關注，但是將圓偏振發光（CPL）集成到RTP/OURTP中還具有挑戰性。近日，南京郵電大學Runfeng Chen，黃維，Ye Tao等報道了一種通過將非手性磷光體直接鍵合到酯鏈的手性中心來獲得具有CPL活性的OURTP（CP-OURTP）的策略。
這種靈活的手性鏈工程技術可以將手性有效地轉移到咔唑聚集體上，從而獲得光活化構象調節后具有強CP-OURTP的材料，其壽命超過0.6s，不對稱系數為2.3×10-3。得到的CP-OURTP在室溫下相當穩定，但在光激活/熱失活周期中，50 oC時會迅速失活，變成具有高CPL穩定性的CP-RTP。基于這種特殊的光/熱響應和高度可逆的CP-OURTP/RTP，作者進一步建立了具有CPL功能的終身加密組合邏輯器件。
HuiLi, Huanhuan Li, Wu Wang, Ye Tao*, Wei Huang,* Runfeng Chen*, et al. Stimuli‐Responsive CircularlyPolarized Organic Ultralong Room Temperature Phosphorescence. Angew. Chem. Int.Ed., 2019
DOI: 10.1002/anie.201915164
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915164
9. Angew：用于氣體分離的MOF玻璃膜
金屬有機框架（MOFs）玻璃因其高的孔隙率，易于加工，且具有消除多晶MOF膜不可避免的晶界問題的潛力而成為膜制造的有前景的候選者。近日，天津大學姜忠義，Fusheng Pan，寧波大學Yanshuo Li等報道了一種ZIF-62MOF玻璃膜，并研究了其固有的氣體分離特性。該MOF玻璃膜是通過在多孔陶瓷氧化鋁載體上原位溶劑熱合成的多晶ZIF-62 MOF膜進行熔融淬火處理而制成的。
熔融的ZIF-62相滲透到載體的納米孔中，消除了所得玻璃膜中晶間缺陷的形成。通過玻璃化，MOF膜的分子篩分能力顯著增強。該MOF玻璃膜對H2/CH4，CO2/N2和CO2/CH4混合物的分離系數分別為50.7、34.5和36.6，遠遠超過了Robeson上限。該工作有望促進各種具有高分離性能的分子篩膜的發展。
YuhanWang, Hua Jin, Yanshuo Li,* Fusheng Pan,* Zhongyi Jiang*, et al. MOF glassmembranes for gas separation. Angew. Chem. Int. Ed., 2019
DOI: 10.1002/anie.201915807
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915807
10. AM: 23.24%效率！In2O3/SnO2電子傳輸層助力高效穩定鈣鈦礦電池
具有適當的能量排列和增強的電荷轉移能力的電子傳輸層（ETL）對于鈣鈦礦太陽能電池（PSC）至關重要。但是，界面能級不匹配會限制PSC的電氣性能，特別是開路電壓（VOC）。南開大學Xiaodan Zhang團隊開發了一種簡單的經過低溫處理的In2O3 / SnO2雙層ETL，并將其用于制造新的PSC器件。In2O3的存在可形成均勻，致密和低陷阱密度的鈣鈦礦薄膜。
此外，In2O3的導帶比Sn摻雜的In2O3（ITO）的導帶要淺，從而增強了從鈣鈦礦到ETL的電荷轉移，從而使鈣鈦礦和ETL界面處的VOC損失最小。獲得效率為23.24％（認證效率為22.54％）的平面PSC。在僅0.36V的電壓下實現了1.17 V的高VOC。相比之下，基于單個SnO2層的器件在VOC為1.13 V時達到21.42％的效率。此外，新器件在80°C后仍保持97.5％的初始效率。在沒有封裝的情況下，在氮氣中連續光照下，180 h后仍保持其初始效率的91％。結果證明并為高效光伏器件的開發鋪平了道路。
GradientEnergy Alignment Engineering for Planar Perovskite Solar Cells with EfficiencyOver 23%. Adv. Mater. 2020, 1905766. https://doi.org/10.1002/adma.201905766
11. Materials Today：噴霧+微通道，連續大規模合成納米粒子
氣溶膠噴霧與高溫熱解相結合是一種大規模連續生產納米材料的新興技術，具有極高的生產效率。現有的氣溶膠噴霧技術使用管式爐通常只能在相對笨重的爐腔內（典型尺寸：直徑≥2 cm，長≥40 cm）獲得較低的溫度范圍（<1500K），生產有限的產品以及不均勻的加熱，導致產品質量控制困難。在這里，伊利諾斯大學芝加哥分校的RezaShahbazian-Yassar和馬里蘭大學的胡良兵合作，報告了“液滴到顆粒”氣溶膠技術與高溫（~2000 K）微通道反應器的結合，與傳統的管式爐相比，該方法提供的尺寸約小100倍，從而可實現均質且高溫的納米材料制造。
為了證明這種碳化木微通道反應器的獨特功能，成功地以連續且無支撐的方式合成了多元素高熵合金/氧化物納米粒子（通常需要高溫（2000 K）才能實現均勻的元素混合）。由多元素前驅體霧化的液滴飛過通過加熱至2000 K的微通道，停留時間僅為數十毫秒，并且能量轉換效率高（> 95％），在此期間發生鹽分解和顆粒成核/生長。高溫嚴格地使所形成的納米顆粒中的元素均勻混合，而短的停留時間是抑制顆粒生長和團聚的關鍵。與傳統的氣溶膠噴霧熱解法相比，碳化木反應器可以達到創紀錄的高溫（≥2000 K），更短的停留時間（約數十毫秒），高效，均勻加熱，并為連續納米材料制造提供了適用于廣泛應用的平臺。
XizhengWang, Zhennan Huang, Yonggang Yao, Haiyu Qiao, Geng Zhong, Yong Pei, ChaolunZheng, Dylan Kline, Qinqin Xia, Zhiwei Lin, Jiaqi Dai, Michael R. Zachariah,Bao Yang, Reza Shahbazian-Yassar, Liangbing Hu. Continuous 2000Kdroplet-to-particle synthesis. Materials Today 2020.
DOI:10.1016/j.mattod.2019.11.004
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119308673
12. Materials Today綜述：用于鈉儲存的過渡金屬硫化物負極
由于鈉資源的低成本和無限的可用性，可充電鈉離子電池（SIBs）現在被認為是鋰離子電池在大規模應用中最有吸引力的替代品。另一方面，由于過渡金屬硫化物（TMCs）具有通用的材料種類、豐富的數量、低成本、堅固的特性和較高的理論容量，它們已成為SIB負極的潛在候選者。但是，TMCs仍然面臨著一些挑戰，例如在嵌鈉/脫鈉過程中體積發生嚴重變化，電導率不足以及大規模生產等。因此，已經開發了許多傳統和非常規技術來減輕這些問題并獲得用于實際應用的高質量電極材料。
在此，中國科學技術大學的余彥和北京大學的侯仰龍對TMCs問題的最新進展和改進策略進行了總結。然后，提供了過渡金屬硒化物與硫化物TMCs家族成員的詳細比較，以研究控制硒化物相對性能改善的因素。除此之外，與單金屬TMCs相比，含多種過渡金屬的TMCs（M-TMCs）表現出了令人驚訝的良好性能。因此，討論了M-TMCs的各種啟發性特征。作為這些討論的結果，概述糾正了TMCs負極材料的潛在挑戰和幾種有前景的解決方案。
ZeeshanAli, Teng Zhang, Muhammad Asif, Lina Zhao, Yan Yu, Yanglong Hou. Transitionmetal chalcogenide anodes for sodium storage. Materials Today 2020.
DOI:10.1016/j.mattod.2019.11.008
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119308715
