1. Science：電鏡表征重大突破：EELS識別單原子缺陷！
單原子雜質和其他原子尺度的缺陷能明顯改變固體的局部振動響應，并最終改變其宏觀性質。目前的振動譜已經具有高能量分辨率，但想實現非擾動式的高空間分辨率則依舊十分困難。最近，英國達斯伯里的電子顯微鏡研究機構SuperSTEM實驗室Q. M. Ramasse團隊和法國索邦大學G. Radtke團隊合作，發現固體中的單原子缺陷能產生明顯的局域振動EELS信號。
本文要點：
1）利用電鏡的高分辨電子能量損失譜儀，發現石墨烯中的單個Si原子置換缺陷能對振動譜信號產生特定的局域改變。
2）從頭計算表明，所測得的特征譜學信號源于缺陷誘導的贗局域聲子模式——即缺陷模式和周期性塊體模式的雜化共振態，其中涉及的能量變化能與實驗很好地匹配。
總之，該研究在電鏡中實現了單原子靈敏度的振動譜，在物理學、化學、材料科學等領域有著廣闊應用。
圖1. 實驗裝置，材料，以及振動STEM-EELS。
F.S. Hage et al. Single-atom vibrational spectroscopy in the scanningtransmission electron microscope. Science, 2020.
DOI:10.1126/science.aba1136
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1124
2. Science：三維活性向列相液晶的拓撲結構和動力學
拓撲結構是各類多體系統中非平衡動力學的有效描述符。例如，由耗能式各向異性單元組成的二維有源液晶的一個突出特征是可活動的點狀拓撲缺陷。最近，美國布蘭迪斯大學Zvonimir Dogic團隊和加州大學美熹德分校Daniel A. Beller團隊合作，報道了3D活性向列相液晶中向錯回線的結構和動力學過程的實驗觀測。
本文要點：
1）實驗將產生驅動力的微管束分散于無源膠體液晶，形成三維有源向列相液晶。
2）光片照明顯微鏡揭示出有源向列相液晶毫米尺度結構的時間演化過程，分辨率達到單束水平。
3）實驗發現，主要的拓撲激勵是長程的電中性向錯回線（一類線缺陷），該向錯回線經歷著復雜的動力學和重構過程。
總之，該研究提出了一種用于分析體各向異性系統的非平衡動力學的實驗框架，可擴展到驅動型復雜流體，有源超材料，生物組織，以及機器人/生物體群體。
圖1. 3D有源向列相液晶的組裝及其取向場成像。
GuillaumeDuclos et al. Topological structure and dynamics of three-dimensional activenematics. Science, 2020.
DOI:10.1126/science.aaz4547
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1120
3. Nature Commun.：KFeC2O4F正極實現超長循環的鉀離子電池
鉀離子電池具有低成本和高倍率性能，是用于大規模能量存儲的一項引人注目的技術。但是，鉀離子電池的發展仍處于起步階段，主要是由于缺乏合適的正極材料而受到阻礙。清華大學成會明和中科院深研院唐永炳等人將磁性材料KFeC2O4F用作儲鉀的正極材料。
本文要點：
1）研究者在仔細審查磁性材料KFeC2O4F時，注意到其3D開放結構類似于PBAs，因此，結合實驗和理論方法對KFeC2O4F作為KIBs中正極材料進行了系統的電化學研究。
2）由于其剛性框架和三個通道的存在，當發生Fe2+ / Fe3+氧化還原反應時，這三個通道的體積波動最小。該材料在0.2 A g-1時放電容量約為112 mAh g-1，2000次循環后保持94％的容量。將此KFeC2O4F正極與軟碳負極配對為鉀離子全電池，其能量密度約為235 Wh kg-1，在200個循環內展示出優異的容量保持率。
BifaJi, et al. A fluoroxalate cathode material for potassium-ion batteries withultra-long cyclability, Nat. Commun., 2020
DOI:10.1038/s41467-020-15044-y
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15044-y
4. Sci. Adv.：核殼結構的金屬氟化物構建超穩定鋰金屬負極
高比容量3861 mAh g-1和超低電化學勢（相對于標準氫電極為-3.04V）的優點使得鋰金屬負極（LMA）可以滿足對高能量密度不斷增長的需求，在鋰-硫和鋰氧電池領域扮演至關重要的角色。但是，由于無法控制鋰成核過程中鋰枝晶的生長，使得LMA很難走向商業化。近日，南洋理工大學樓雄文與浙江工業大學陶新永等人設計由NaMg（Mn）F3@C（NMMF@C）核殼微結構制成的“膠囊”作為LMA的基質，可以將功能性離子持久釋放到電解質中。
文章要點：
1）采用氟化物沉積的方式制備出NMMF，然后將間苯二酚-甲醛樹脂涂覆在所制備的立方體上，最后進行高溫碳化。XRD測試表明氟化物組分是由NaMgF3的正交相組成；FESEM圖像顯示NMMF具有立方體形狀，其表面光滑，平均大小約為500 nm，用碳涂覆NMMF后，所得NMMF@C仍保持立方形態。進一步的，通過STEM測試，可以清楚地分辨出單個NMMF@微立方體的核殼結構，確定殼層的厚度約為30 nm。
2）利用FESEM技術研究了分別將Li沉積在裸銅箔（b-Cu）和NMMF@C改性銅箔（NMMF@C-Cu）上的過程。與b-Cu上Li枝晶不受控制的生長相比，Li金屬均勻地鍍在NMMF @ C-Cu上，尤其是分布在NMMF@立方體的周圍。在Li鍍層/剝離過程中，NMMF核將逐漸溶解并釋放金屬和氟離子到電解質中，其中碳殼可有效降低釋放速率。借助于低溫TEM測量，發現在Cu襯底的表面上原位形成金屬層，該金屬層能夠引導均勻的Li沉積。同時，觀察到一種獨特的雙層SEI結構，可顯著提高負極的穩定性。
3）組裝了裸露的Li電池，加上不同的Cu基負極（NMMF@C-Cu，NMMF-Cu和b-Cu）作為對比進行CE測量。與b-Cu和NMMF-Cu相比，NMMF@C-Cu負極能夠提供更穩定的電化學循環過程和更長的循環壽命。
Yuanet al., An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoridespansules , Sci. Adv. 2020
DOI:10.1126/sciadv.aaz3112
https://advances.sciencemag.org/content/6/10/eaaz3112
5. Sci. Adv.: 金屬氧化物中氧空位的飛秒觀測
氧空位通常決定著金屬氧化物的電子結構，但是現有的技術一般無法分辨晶體結構中存在的氧空位位點。近日，北京工業大學的Xinping Zhang、Xiaoyan Song與劍橋大學的Richard H. Friend等利用時間高分辨的光學光譜技術成功地解決了這個挑戰并確定了氧空位在晶體結構中的空間位置。
本文要點：
1) 研究人員使用超快光譜作為一種精確方法來確定氧空位的存在對金屬氧化物光電性能的影響。他們使用氧化鎢（WO3）作為模型材料精確地區分出了WO2.9和WO2.72這兩種衍生物的氧空位數量與位置。研究人員發現在WO2.9中存在著激發態的三階段演化動力學的介穩帶結構而這一結構在WO2.72中不存在。
2）研究人員通過與模型能帶結構計算的結果相比較發現，在WO2.72中兩個最相鄰的氧空位對之間存在著兩個氧空位與一個鎢原子正交的結構取向，這是WO2.72中所有O-W鍵的共同構型。該發現與飛秒多瞬態吸收光譜所揭示的總體態密度以及電子躍遷所揭示的能帶結構之間具有高度一致性。
XinpingZhang et al, Femtosecond visualization of oxygen vacancies in metal oxides,Science Advances, 2020
DOI: 10.1126/sciadv.aax9427
https://advances.sciencemag.org/content/6/10/eaax9427?rss=1
6. Sci. Adv.: 同步輻射納米成像研究water-in-salt電解質在水溶液電池中的作用
Water-in-salt電解液(WIS)極大地拓寬了水溶液電解質的電化學穩定窗口，為電池體系的安全可持續發展創造了機會。近日，美國紐約州立大學石溪分校的Ke Sun與Chen Wiegart等利用同步輻射納米成像技術對water-in-salt電解液在水溶液電池體系中的作用進行了系統研究。
本文要點：
1) 研究人員選取了LiV3O8-LiMn2O4這對全新的電極組合對water-in-salt電解液體系在拓寬的電化學穩定窗口條件下表現出優異循環穩定性的原因進行了考察。選擇LiMn2O4正極的原因在于它是水溶液鋰離子電池中常用的正極體系，具有高容量和高電壓的優勢；而選擇LiV3O8負極的原因在于一方面其充放電電壓區間相對適中并且可以通過拓寬電化學窗口來實現更高的容量，另一方面在于這種材料在TEM操作下有更好的效果。
2) 研究人員發現雙鹽體系能夠通過共晶效應來增加鋰鹽在水溶液中的溶解度，從而使此時的鹽濃度與正常濃度電解液的差值達到最大。與單鹽的water-in-salt電解液體系相比雙鹽電解液的動力學和熱力學穩定性都得到了拓展。
3) 研究人員利用TEM進行X射線納米成像對不同電解液的電化學穩定性進行了對比。該技術手段幫助研究人員發現了WIS電解液體系相比常規電解液在高壓下具有更高穩定性的直接證據。不過，TEM的X射線吸收光譜也發現WIS體系在中等倍率和適當的電極厚度下呈現出相對均勻的化學狀態。這就解釋了為什么WIS在相對高粘度下具有一定的動力學限制。
Cheng-HungLin et al, Systems-level investigation of aqueous batteries for understandingthe benefit of water-in-salt electrolyte by synchrotron nanoimaging, Science Advances,2020
DOI: 10.1126/sciadv.aay7129
https://advances.sciencemag.org/content/6/10/eaay7129?rss=1
7. JACS: 使用原位和時間分辨光譜技術跟蹤光催化CO2還原反應的機理途徑
利用太陽能將二氧化碳催化轉化為高價值的化學燃料/原料是實現可持續碳循環利用的一個極具吸引力但同時也極具挑戰性的策略。與非均相催化劑相比，均相催化劑通常表現出更高的活性和選擇性，這得益于其原子分散的催化位點和靈活的配位結構。然而，在反應過程中催化劑的配位和電子結構如何動態演變扔不清楚，成為了解其反應途徑的瓶頸。
有鑒于此，中國科技大學熊宇杰教授、Chao Gao和中國科學院高能物理研究所陶冶研究員、北京師范大學張文凱教授等人合作使用三聯吡啶鎳（II）配合物作為催化劑模型，跟蹤研究光催化CO2還原的機理。
本文要點：
1）與典型的均相光敏劑集成在一起，該催化系統可實現99％的高選擇性，可實現CO2到CO的轉化，轉換數和TOF轉換頻率分別高達2.36×107和385.6s-1。
2）采用原位和時間分辨X射線吸收光譜，結合其他原位光譜技術和理論計算，首次跟蹤了光催化CO2還原反應中Ni催化劑的中間體。
3）結合通過光學瞬態吸收光譜法解決的電荷動力學問題，該研究闡明了完整的機械，其中包括一些經常被忽略的關鍵因素。結合光學瞬態吸收光譜解析的電荷動力學，闡明了該反應的反應路徑，包括一些常被忽略的關鍵因素。
總之，該工作闡明了均相催化劑體系中的二氧化碳還原反應的機制路徑，對設計開發用于人工光合作用的高效催化劑具有重要的借鑒意義。
YangguangHu et al. Tracking Mechanistic Pathway of Photocatalytic CO2 Reactionat Ni Sites Using Operando, Time-Resolved Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc.,2020.
DOI:10.1021/jacs.9b12443
https://doi.org/10.1021/jacs.9b12443
8. Angew: 等離激元調節電化學反應：非熱效應vs熱效應？
近年來的研究報道表明等離激元弛豫過程中產生的熱載流子（電子/空穴），以及熱效應可以有效地調節催化反應的產率和選擇性。然而，如何分辨并定量其在反應中的貢獻，從而合理地設計并優化等離激元調節催化反應體系，是本領域亟待解決的關鍵科學問題。目前的研究通常需要測量反應位點的溫度變化，但準確地測量反應位點的溫度依然是一個重要挑戰。由阿倫尼烏斯定律可知，在活化能較高的體系中，溫度測量引起的誤差會對熱貢獻評估造成重大偏差。有鑒于此，香港城市大學呂堅院士和Yang Yang Li研究團隊對此展開研究。
本文要點：
1）通過熱電子和聲子（熱）傳輸距離的不同，并結合電化學測試高時空分辨率的特征，定量了等離激元調節電化學反應中非熱效應和熱效應的貢獻，此方法無需測量反應中心的溫度；
2）揭示了非熱效應來自熱電子和等離激元表面電場（“Plasmoelectric potentials”）；
3）發現了反應位點的實際溫度變化要比熱成像儀所檢測到的溫度變化大兩倍倍以上，這表明熱效應很可能在部分體系中被嚴重低估。
Dr. Weihui Ou, et al.Thermal and Nonthermal Effects in Plasmon‐Mediated Electrochemistry at Nanostructured AgElectrodes. Angew. 2020
DOI：10.1002/anie.202001152
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202001152?af=R
9. Angew：NBN摻雜鋸齒形邊緣石墨烯納米帶的表面合成
雜原子摻雜石墨烯納米帶(GNRs)的表面合成代表了一種具有定制電子特性的GNRs調制策略。迄今為止，由于鋸齒形GNRs (ZGNRs)的高度不穩定的特性，其合理的bottom‐up的合成策略受到限制。近日，德國德累斯頓工業大學馮新亮等人報告了第一例氮-硼-氮(NBN)摻雜鋸齒形邊GNRs（NBN-ZGNR1和NBN-ZGNR2）的自下而上合成方法，該方法是以兩個U形分子前體(M1和M2)為基礎，并在鋸齒狀邊緣預裝NBN單元的表面輔助聚合和環脫氫。
本文要點：
1）通過高分辨率掃描隧道顯微鏡(STM)和非接觸式原子力顯微鏡(nc‐AFM)相結合，闡明了GNRs的鋸齒形邊緣拓撲結構。
2）掃描隧道光譜（STS）測量和密度泛函理論（DFT）計算表明，NBN‐ZGNR1（1.50 eV，37％的鋸齒形邊緣比例）和NBN‐ZGNR2（0.90 eV，57％鋸齒形邊緣比例）的電子結構與其相應的原始全碳基ZGNRs（PCZGNR1：0.52 eV；PCZGNR2：0.27 eV）顯著不同。
3）DFT計算預測，通過將每個NBN單元的單電子氧化為相應的自由基陽離子，可以進一步將NBN‐ZGNRs的電子結構分別調整為無間隙（零禁帶）和金屬結構。
4）該工作為合成具有穩定鋸齒形邊緣和可調電子性能的GNRs提供了一種可行的策略。
YubinFu et al. On‐SurfaceSynthesis of NBN‐Doped Zigzag‐EdgedGraphene Nanoribbons, Angew. Chem. Int. Ed, 2020.
DOI：10.1002/anie.202000488
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202000488
10. AM: 有機光電二極管實現可穿戴的多通道可見光通訊
未來的輕巧、靈活和可穿戴電子設備將采用可見光通信方案，在室內環境中進行交互。有機光電二極管特別適合于這類技術，因為它們能夠在薄而靈活的基底上通過印刷技術實現化學定制的光電性能和制造。然而，以前的方法未能在不增加制造復雜度的情況下解決波長選擇性的多功能性。德國卡爾斯魯厄理工學院Gerardo Hernandez‐Sosa等人通過油墨配方的工程設計，介紹了一種印刷波長選擇性體異質結光電探測器的通用解決方案。
本文要點：
1） 加載更多 
