1. Nature：直接觀測金屬晶界上的相轉變過程
金屬晶界（grain boundary, the interface between crystallites, GB）理論的發展有比較久的歷史，人們在50年之前發現晶界和相變有關。一般認為晶界上存在著多種穩定和亞穩態，人們使用complexion描述晶界上的狀態，因為晶界上的原子排列狀態和各種熱力學穩定晶相都有所不同。晶相的轉變影響了材料的多種性質，對晶界上的轉變過程還不是特別明確。目前關于雙組分和多組分材料中各種complexion晶界狀態和其相互轉化關系被廣泛研究。但是相關研究并未在實驗中直接觀測，此外晶界上的動力學轉變過程還沒有研究清楚。
美國勞倫茲國家實驗室Frolov Timofey和德國馬普所的Liebscher H. Christian、Dehm Gerhard等研究者合作通過原子級別上的測試方法對Cu金屬的對稱和非對稱的[11-1]晶面處的晶體轉變過程進行研究。原子分辨圖顯示在Cu的Σ19b（Σ19是指界面位點的密度，b是指晶界變化情況）體系中存在多米諾相（domino phase）和珍珠相（pearl phase）兩種晶界結構。作者通過分子動力學模擬方法對晶界上不穩定相變化情況進行研究。結果顯示，不穩定晶界能夠被固定，從而在室溫中實現原子級的觀測。
本文要點：
1）在(0001)方向的藍寶石基底上沉積薄層Cu，發現了Cu的Σ19b晶界結構。實驗中發現了兩種不同結構，分別為多米諾相和珍珠相。在大多數情況中，多米諾相和珍珠相共同存在。接近對稱的晶界中的取向差為48°，并且和完整晶相相比，晶體實現了1°的偏移。發現11 nm多米諾晶相分布于兩個珍珠晶相之間。
2）通過計算方法實現對晶相的搜索。使用USPEX軟件進行搜索晶界結構（Nat. Commun. 2018, 9, 467）。發現 0 K溫度中，在2 % 的側面壓力作用，5 GPa的張力壓力或者440 MPa剪切應力能夠穩定這個體系的多米諾晶相，并獲得了穩定性最高的結構。
3）通過finite-temperature分子動力學（MD）對高溫條件中的晶界行為和相轉變過程進行模擬。分別在300 K和900 K條件下對周期性晶界進行模擬。計算結果顯示，珍珠晶相的穩定性較高，但是兩種晶相都能在基態穩定存在。多米諾晶相的穩定性要弱一些，通過生長過程，多米諾晶相會轉變為珍珠晶相。此外，作者發現了晶界交界處生長速度和溫度、缺陷位點有關。比如在650 K溫度下，晶界在幾十納秒內能夠實現轉變。通過對自由能大小計算實現了對多米諾晶相、珍珠晶相隨溫度變化的穩定性進行討論。
ThorstenMeiners, et al. Observations of grain-boundary phase transformations in anelemental metal. Nature 2020, 579, 375–378.
DOI:10.1038/s41586-020-2082-6
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2082-6
2. Nature Catal.: Ni-Au雙金屬納米顆粒在CO2加氫過程中可逆的核殼結構
具有核殼結構的納米顆粒的高催化性能通常歸因于其獨特的幾何和電子結構。近日，中科院大連化物所Wei Liu，Bing Yang，南方科技大學Meng Gu，中科院上海高等研究院Yi Gao等多團隊合作，揭示了一種動態機制，推翻了這種傳統的理解。
本文要點：
1）作者采用濕化學法制備了NiAu雙金屬納米顆粒，并負載在二氧化硅上制備了Ni@Au/SiO2催化劑。實驗發現，該催化劑在CO2加氫反應中表現出高的CO選擇性，在反應前后，在Ni核上均具有完整的超薄Au殼。
2）然而，通過直接環境透射電子顯微鏡耦合多種最先進的原位技術（包括同步輻射X射線吸收光譜，紅外光譜和理論模擬）的研究發現，催化性能不能歸因于Au殼表面，而是歸因于在反應期間通過CO吸附促進的瞬時重構的AuNi合金表面的形成。
該工作報道的這種可逆轉變促使人們重新考慮穩態模型以外的反應機理，不僅可對核殼納米粒子，而且對其它定義明確的納米催化劑也具有重要意義。
XiaobenZhang, et al. Reversible loss of core–shell structure for Ni–Au bimetallicnanoparticles during CO2 hydrogenation. Nat. Catal.,2020,
DOI: 10.1038/s41929-020-0440-2
https://www.nature.com/articles/s41929-020-0440-2
3. Nature Catal.: 適度還原的氧化物上負載超低負載量的貴金屬催化劑用于活化C-O鍵
多功能分子C–O鍵的選擇性活化對許多重要的化學過程至關重要。盡管可還原的金屬氧化物具有活性，并通過逆Mars-van Krevelen機理對還原性C-O鍵斷裂具有選擇性，但活性最高的氧化物在反應過程中會發生體相還原。近日，特拉華大學Dionisios G. Vlachos等受通過金屬增強氧化物還原性的啟發，報道了一種通過用適度還原的氧化物的表面摻入超低量的貴金屬來選擇性活化C-O鍵的策略。
本文要點：
1）作者在適度還原的銳鈦礦型TiO2表面摻雜超低負載量的Pt（單原子和亞納米簇）來激活表面氧空位，實現催化糠醇的選擇性C–O鍵斷裂和C加氫。
2）密度泛函理論計算，催化劑表征（掃描透射電子顯微鏡，電子順磁共振，傅立葉變換紅外光譜和X射線吸收光譜），動力學實驗和微動力學模型的結合研究表明， 該催化劑催化C–O活化的速率顯著提高，并且沒有體相催化劑還原和產物的非選擇性環氫化。
3）作者還引入了一種方法來量化各種類型位點的活性，實驗表明TiO2表面上的陽離子氧化還原Pt比金屬位點的C–O鍵活化性能更高。
JiayiFu, et al. C–O bondactivation using ultralow loading of noble metal catalysts on moderatelyreducible oxides. Nat. Catal., 2020,
DOI: 10.1038/s41929-020-0445-x
https://www.nature.com/articles/s41929-020-0445-x
4. Nature Commun.：通過電荷傳輸層調節鈣鈦礦薄膜中的應變
退火后殘留在鈣鈦礦薄膜中的熱誘導拉伸應變會導致離子遷移增加，并且是這些材料不穩定的已知因素。先前報道的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的應變調節方法已利用具有高熱膨脹系數的基底，從而限制了鈣鈦礦的加工溫度并降低了器件效率。多倫多大學Edward H. Sargent團隊通過從空穴傳輸層引入外部壓縮應變來補償殘余拉伸應變。
本文要點：
1）通過使用具有高熱膨脹系數的空穴傳輸層，通過提高空穴傳輸層的加工溫度來補償PSC中的拉伸應變。研究發現壓縮應變增加了離子遷移的活化能，從而改善了鈣鈦礦薄膜的穩定性。
2）對于壓縮應變的PSC而言，效率為16.4％；在85 °C加熱1000小時后，仍保留了96％的初始效率。
Xue,D., Hou, Y., Liu, S. et al. Regulating strain in perovskite thin films throughcharge-transport layers. Nat. Commun. 11, 1514 (2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-15338-1
5. Nature Commun.綜述：鋰離子電池正極材料化學的反思
鋰離子電池在過去的三十年間驅動了便攜式電子設備的革命。鋰離子電池相比其他的二次電池體系之所以能夠在儲能市場中占據主導地位是因為高能量密度的優勢。從發展根源上來說，20世紀七八十年代，基礎固態化學和固態物理學的進步為鋰離子電池的發展奠定了良好的基礎。近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Arumugam Manthiram對基礎研究如何促進鋰離子電池正極材料的發現、優化和合理設計這一問題進行了深刻反思，并對該領域在未來的發展前景進行了展望。
本文要點：
1) 文章首先對鋰離子電池的發展歷程進行了簡單回顧，其中最重要的一個事件是金屬鋰曾經被用作鋰電池的負極，但是當時所采用的電池電壓較低限制了能量密度而且枝晶生長帶來了很多安全問題。
2) 文章主體部分是對于鋰離子電池正極材料的發現過程。最初Goodenough等首次提出電池的電壓是由具有氧化還原活性的正負極之間的能量差決定的。這種觀點驅動了20世紀八十年以來三大類鋰電正極材料—層狀氧化物型、尖晶石型、聚陰離子型的發現。文章對這三類正極材料的晶體結構研究和電子結構研究歷程進行了回顧。作者特意指出，含錳的尖晶石型正極相比含鈷的層狀氧化物正極在成本上下降了兩個數量級。
3) 作者在文章中對三類正極材料的優缺點進行了比較：其中層狀氧化物和尖晶石材料的電子電導率較高而聚陰離子型材料電子傳導能力差；前兩種材料都具有很高的振實密度而聚陰離子型材料密度較小，這使得其在要求高體積能量密度的應用中不占優勢。不過，聚陰離子型材料的熱穩定性和安全性能卻十分優異。
ArumugamManthiram，A reflectionon lithium-ion battery cathode chemistry， Nature Communications,2020
DOI: 10.1038/s41467-020-15355-0
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15355-0
6. Nature Commun.：單原子催化劑用以NH3選擇性還原NO時顯示出活性位的雙核特征
通過NH3選擇性催化還原NO（SCR）是NO排放的一種廣泛使用的技術。日益嚴格的排放法規要求開發適用于各種惡劣條件下使用的高性能SCR催化劑。然而，目前活性催化位點（ACS）的共同結構特征以及反應機理仍然不清楚，這成為開發此類催化劑的主要障礙之一。基于以上問題，復旦大學唐幸福，陳雅欣團隊將酸性的單個Mo離子負載在氧化還原性載體Fe2O3上形成單原子催化劑Mo1/Fe2O3。單個Mo離子可以和周圍的一個Fe來自形成酸性-氧化還原性雙核位點。
實驗結果表明SCR活性隨著雙核位點數量的增加而線性增加，并且催化劑的活化能保持不變。這證明了雙核位點是SCR反應的活性中心。團隊進一步設計了單原子催化劑W1/Fe2O3和Fe1/WO3，發現通過調控雙核位點的酸性或者氧化還原性可以調控SCR的活性。這項工作可以為開發改進高效SCR催化劑提供一種設計策略。
文章要點：
1）研究人員首先制備了暴露{001}面的六角形α-Fe2O3納米片，在Fe2O3（001）表面上，有很多由三個表面晶格氧原子形成的三重空心位點，這些離子位點適合作為錨固Mo5+/6+或W5+/6+的離子半徑的位置。然后成功地將單個Mo離子固定在Fe2O3（001）表面上，得到了單原子Mo1/Fe2O3催化劑。
2）Mo1/Fe2O3的 EDX以及SXRD測試表明，Mo離子處于高度分散，AC-STEM圖像顯示，Mo離子原子分散在α-Fe2O3（001）表面上。通過選定區域強度表面圖和相應的結構模型進一步分析，Mo離子被精確地錨固在三重空心位置，每個孤立的Mo離子和一個相鄰的最外表面的Fe離子組裝成為為一個雙核位點。
3）研究人員研究了雙核位點的結構，測試的FT-EXAFS光譜結果與ACSTEM圖像，EXAFS數據和拉曼圖譜相結合，表明在Mo1/Fe2O3表面上存在扭曲的MoO6八面體結構。
4）Mo1/Fe2O3的氧化還原性質起源于雙核位點的FeOx物種。由于Mo和Fe離子可以分別提供酸性和氧化還原特性，因此雙核位點具有常見的SCR的ACS的酸-氧化還原特性。
5）為了確定Mo1/Fe2O3的活性位點，研究人員通過調節Mo的負載量合成了一系列具有不同數量的Mo離子的Mo1/Fe2O3。實驗結果表明SCR活性隨著雙核位點數量的增加而線性增加，并且催化劑的活化能保持不變。這證明了雙核位點是SCR反應的活性中心。研究人員進一步設計了單原子催化劑W1/Fe2O3和Fe1/WO3，發現通過調控雙核位點的酸性或者氧化還原性可以調控SCR的活性。
Qu,W., Liu, X., Chen, J. et al. Single-atom catalysts reveal the dinuclearcharacteristic of active sites in NO selective reduction with NH3.Nat Commun 11, 1532 (2020).
DOI：10.1038/s41467-020-15261-5
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15261-5
7. Nature Commun.: UV光照產生高穩定有機自由基和檢測中應用
長時間穩定的自由基物種在有機功能材料化學中展現了比較重要的應用前景，目前通過光實現高穩定性的自由基還比較困難，這是由于光合成和穩定性之間存在著一定問題。實現通過光的方法實現高穩定的自由基，需要克服幾個條件：a. 光激發作用時，生成的非成對電子需要穩定，防止其重新復合 b. 生成的自由基在結構上的穩定驅動作用較弱。二噻吩乙烯（Dithienylethene）是一個典型的光響應分子結構基團，具有大的平面結構，在光的作用下會發生環化反應（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2219–2224）。此外，吡咯和氯原子具有穩定π結構中自由基的作用（Org. Lett. 2010, 12, 5374–5377）。作者在二噻吩乙烯體系中加入吡咯和氯組分，實現了對光激發后的單電子的穩定。并且合成了幾個對比分子，對吡咯和氯的作用、二噻吩乙烯的作用進行了討論。
上海電力大學鄒祺、陳文博和復旦大學朱亮亮合作報道了吡咯和氯化物穩定的光致變色結構材料。相關理論和機理研究顯示，分子中的π結構組分具有比較高的自旋離域作用和強位阻作用，因此自由基得以穩定。而且，這種自由基能夠實現對過氧化物（peroxides）的光學檢測或者定量檢測。這種通過自由基捕捉機理能夠實現便捷迅速的過氧化物檢測。
本文要點：
1）合成的目標分子在365 nm光照射情況中在1 min內實現了變色作用，說明材料對紫外光具有快速的反應。UVVIS測試發現~500 nm附近出現了吸收峰，說明二噻吩乙烯的光環化反應。同時，持續的光照作用時（5 min），在~630 nm附近出現了吸收峰。在不同的溶劑中進行了類似光照后的UVVIS測試。作者發現在氯仿中（變為藍色）的轉變和其他溶劑（變為粉紅色）有所區別。通過電子順磁共振方法測試顯示了氘代氯仿中的分子在光照后生成了自由基。
2）自由基生成機理。分別合成了含有甲基取代的吡咯分子、單取代的吡咯分子、無二噻吩乙烯基的二噻吩吡咯分子作為對比分子，對光生自由基的機理進行研究。甲基取代的吡咯分子、單取代的吡咯分子能夠發生光反應，產生顏色變化。二噻吩吡咯分子則無法發生光反應。說明二噻吩乙烯基在光反應顏色變化的必要性，同時電子順磁共振測試顯示含有二噻吩乙烯基的兩種對比分子在氘代氯仿中能夠產生自由基。通過1H NMR方法對光照后的樣品結構進行了表征，說明反應中經由光環化反應進行。
3）UV光照產生的顏色變化對過氧化物和TEMPO有反應能力。此外，該過程在O3檢測中也有應用（O3在工業和商業中都有廣泛的應用，但是O3有一定的毒性）。將O3通入UV光照后的藍色樣品中，樣品的顏色快速變為紅色。該過程對N2, H2,CO2等氣體無反應。
XuanyingChen, et al. Engineering stable radicals using photochromic triggers. Nat. Commun. 2020, 11, 945
DOI:10.1038/s41467-020-14798-9
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14798-9
8. Chem：通過腫瘤氧化應激的增強聲動力學治療
多功能刺激響應性納米醫學的發展吸引了有效的癌癥治療。于此，蘇州大學劉莊和馮良珠等人利用生物相容性CaCO3納米顆粒作為模板來指導pH分解的空心配位納米結構的形成，其中聲敏劑內消旋-四-（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）作為有機橋連分子和三價鐵離子充當金屬中心。
本文要點：
1）L-丁硫氨酸亞砜亞胺（BSO）是谷胱甘肽（GSH）生物合成的抑制劑，可以在制備TCPP-Fe@CaCO3期間同時加載，獲得具有pH響應性解離的BSO-TCPP-Fe@CaCO3，以賦予Ca2+和BSO在酸性腫瘤微環境下快速釋放
2）這種BSO-TCPP-Fe@CaCO3通過細胞內Ca2+過載誘導的線粒體損傷，BSO介導的GSH消耗和TCPP介導的聲動力療法（SDT）賦予協同氧化應激擴增作用，導致顯著的細胞死亡。用BSO-TCPP-Fe@CaCO3處理以及隨后的超聲暴露后的小鼠的腫瘤得以有效抑制。
因此，該工作突出了一種簡便的策略來制備可pH分離的納米藥物，可通過三重放大腫瘤氧化應激以有效地進行SDT治療腫瘤。
DongZ, Feng L, Hao Y, Li Q, Chen M,Yang Z, et al. Synthesis of CaCO3-BasedNanomedicine for Enhanced SonodynamicTherapy via Amplification of TumorOxidative Stress. Chem. 2020.
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.02.020
9. Chem. Rev.: 金屬有機框架用于捕獲有毒化學物質
能夠安全有效地捕獲或降解有毒化學物質，包括化學戰劑（CWAs）和有毒工業化學物質（TICs）的材料對現代社會至關重要，因為這些化學物質對人類生命會產生直接或間接地持續性威脅。金屬有機框架（MOFs）是原子精確的雜化材料，其通過金屬陽離子或簇和有機連接基的自組裝而成。由于MOFs具有出色的多功能性，因此是一種獨特的固體吸附設計平臺，被廣泛用于處理有毒化學物質。近日，美國西北大學Omar K. Farha團隊對MOFs應用于有毒化學物質的捕獲領域進行了總結。
本文要點：
1）MOFs用于捕獲化學戰劑和及其模擬物（包括有機磷試劑及其模擬物和芥子氣（HD）及其模擬物）的總結。
2）MOFs用于捕獲有毒工業化學品（TICs）（包括H2S, NH3, SO2, CO, NO2, 和 NO）的總結。
3）作者對該領域進行了總結和展望。作者認為，雖然MOFs用于有毒化學物質的捕獲已取得了一定的成果，但是設計合成更高性能的MOFs仍是我們不懈的追求。此外，MOFs和其它材料的整合例如纖維紡織品等用于有毒化學物質的捕獲和降解是一個發展方向。最重要的是將MOFs從實驗室工作臺更快地轉變為與工業相關的產品。
TimurIslamoglu, et al. Metal–Organic Frameworks against Toxic Chemicals. Chem. Rev., 2020,
DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00828
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00828
10. Acc. Chem. Res.: Cu/Ni合金基底上生長單層和多層石墨烯
石墨烯是具有蜂窩晶格的單原子層厚的層狀碳材料，由于其出色的性能以及在電子和光子設備中的各種應用而備受關注。化學氣相沉積法（CVD）是大規模制備高質量和高均勻性的石墨烯薄膜的最有效技術。近日，韓國基礎科學研究所(IBS) Rodney S. Ruoff團隊總結了CVD法生長石墨烯的研究進展。
本文要點：
1）作者首次報道了在多晶銅箔上生長的單層石墨烯薄膜，從那時起，人們致力于各種技術來實現快速生長高質量且大面積的石墨烯薄膜。各種Cu/Ni合金基底用于石墨烯的生長已被廣泛研究。然而，在Cu / Ni基底上以可控的方式制備確定層數的單晶石墨烯仍然具有挑戰。
2）作者課題組通過商業銅箔的無接觸退火合成了大尺寸單晶Cu（111）箔（石墨烯外延生長的理想襯底）；通過對Ni涂覆的Cu（111）箔進行熱處理獲得了單晶Cu / Ni（111）合金箔。這些單晶箔（特別是Cu/Ni合金箔）生長襯底實現了單晶單層石墨烯膜能夠快速生長。而且通過增加Ni含量，已經合成了單晶雙層，三層甚至多層石墨烯膜。此外，作者還討論了單晶Cu/Ni（111）薄膜上單層石墨烯的晶圓級生長。
3）作者還總結并詳細討論了在各種類型的具有不同組成的Cu/Ni合金襯底上大規模制備具有不同層數的單晶石墨烯薄膜的最新研究成果。作者認為，盡管該領域取得了長足的進步，但仍具有許多挑戰，例如以合成晶圓級且具有可控層數的單晶石墨烯，以及對Cu/Ni基體上雙層和多層石墨烯生長的生長機理的深入了解等。
MingHuang, et al. Growth of Single-Layer and Multilayer Graphene on Cu/Ni AlloySubstrates. Acc. Chem. Res., 2020,
DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00643
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00643
