1. Sci. Adv.：金屬配位相互作用的分子工程學，可用于牢固，堅韌和快速恢復的水凝膠
許多承重組織，例如肌肉和軟骨，顯示出高彈性，韌性和快速恢復能力。然而，在相同的合成生物材料中結合這些機械性能從根本上來說具有挑戰性。于此，南京大學曹毅、王煒和浙江大學陳彬等人表明可以使用涉及協同動態相互作用的交聯劑來設計出堅固，堅韌和快速恢復的水凝膠。
本文要點：
1）研究人員設計了含有兩個串聯鋅結合基序的富含組氨酸的十肽。由于變構結構變化誘導的協同結合，該十肽比單一結合基序或分離的配體具有更高的熱力學穩定性，更強的結合強度和更快的結合速率。
2）包含肽鋅復合物的工程化混合網絡水凝膠表現出約3.0 MPa的斷裂應力，約4.0 MJ m-3的韌性，并在幾秒鐘內快速恢復。研究人員希望它們可以有效地用作承重組織工程的支架和軟機器人的構建基塊。該結果提供了在分子水平上調節水凝膠的力學和動力學性質的一條通用途徑。
Sun W, et al. Molecular engineering of metal coordination interactions for strong, tough, and fast-recovery hydrogels. Science Advances. 2020;6(16):eaaz9531.
DOI: 10.1126/sciadv.aaz9531
https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz9531
2. JACS：定向分級MOFs異質結構的選擇性外延生長
基于各組分的協同作用，金屬有機骨架（MOF）異質結構有望在氣體吸附，氣體分離，催化和能源等方面得到廣泛應用。然而，由于難以控制MOF的尺寸，形狀，成核和生長，因此，很難通過精確控制每個組分的取向，形態，尺寸和空間分布來構造MOF異質結構。
有鑒于此，香港城市大學張華教授報道了一種晶種外延生長方法，通過對MOF晶種和次級MOF的結構，大小，尺寸，形態和晶格參數進行工程設計，制備了一系列MOF分級異質結構。
本文要點：
1）為了制備定向的MOF分級異質結構，研究人員專門選擇了具有不同配體和拓撲結構的MOF晶種以匹配次要MOF的晶格，以控制其成核和生長。結果，次級MOF只能在具有較小晶格失配的MOF種子的表面上選擇性外延生長，從而形成具有特定取向的分級MOF異質結構。
2）研究人員設計并合成了三種不同大小、形狀的MOF納米結構，即0D PCN-608納米顆粒，1D NU-1000納米棒和2D PCN-134納米板，隨后將其用作PCN-222外延生長的種子納米棒。由于PCN-222和MOF種子之間的晶格失配不同，因此獲得了三種分級的MOF異質結構，即沿橢球狀0D PCN-608納米粒子的長軸生長的1D PCN-222納米棒（表示為1D/0D PCN-222/PCN-608），1D PCN-222（也稱為MOF-545）納米棒生長在1D NU-1000納米棒的兩個端面上（表示為1D/1D PCN-222/NU-1000），以及在2D PCN-134納米板的兩個基面上垂直生長的1D PCN-222納米棒（1D/2D PCN-222/PCN-134）。此外，還合成了另一種定向的MOF異質結構，其中Zr-BTB（BTB 為苯三苯甲酸酯）納米片選擇性生長在2D PCN-134納米板的六個邊緣面上，從而形成2D / 2D Zr-BTB / PCN- 134異質結構。值得一提的是，這項工作中合成的MOF納米結構具有與其整體MOF對應物相同的晶體結構。
這種高度受控的合成依賴于MOF種子和次級MOF的結構，尺寸，形態和晶格參數的合理設計和工程設計。
Meiting Zhao, et al, Selective Epitaxial Growth of Oriented Hierarchical Metal-Organic Framework Heterostructures, J. Am. Chem. Soc., 2020
DOI: 10.1021/jacs.0c02489
https://doi.org/10.1021/jacs.0c02489
3. Chem. Soc. Rev.：片上電催化微納器件：一種研究電化學過程的新平臺
電化學轉化是可再生能源轉化的一個重要過程，而電催化劑在提高化學轉化的速度和效率方面起著至關重要的作用。因此，電催化機理探索和性能優化兩方面都吸引著研究人員的興趣，這一領域也在快速發展。然而，傳統的電化學方法，如原位動態監測、外部場調節、單一實體電催化檢測等含有大量的微結構如界面、缺陷等的多個顆粒的統計平均性能，會掩蓋氧化對電催化性能的貢獻，導致影響機制并不清晰，在研究電催化過程方面仍有許多不足。值得注意的是，受最近納米電子半導體器件成功的帶動，片上電催化微納器件這一新興領域，以單個納米線/納米片作為工作電極的電化學行為為重點，已經成為傳統技術強有力的替代平臺。
這種獨特的裝置結構具有多種優勢，如原位電子/電化學測量和單個催化劑的可調節微結構，這些優勢使得研究人員可以直接探測電化學過程，獲得以前無法獲得的信息。有鑒于此，華中科技大學翟天佑教授、劉友文副教授和香港城市大學張華教授等人，綜述了片上電催化微納器件這一研究電化學過程的新興平臺的最新進展。
本文要點：
1）首先介紹片上電催化微納器件的裝置結構及其作為新興平臺的優勢。隨后，分析和總結了通過這種類型的電催化微納器件對電化學過程的研究進展，包括動態監控，外部場調節，活性位點識別和單結構因子調節。最后，對該領域所面臨的挑戰和未來的研究方向提出了自己的見解。
2）片上電催化微反應器上的單個納米線/納米片可以精確設計和原位控制。通過電催化微納器件這一測試平臺可以原位揭示氧化-結構-電催化性能構效關系，也為探究其它單一結構因素（如缺陷，界面，相等）與催化性能之間構效關系提供一個思路。而且片上電催化微納器件也為外加電場調控，為探究外場調控新機制提供了可能。
總之，該工作為電化學過程從動態研究到性能優化提供了新的見解，有助于促進片上電催化微納器件在電催化研究領域的進一步應用。
Huan Yang et al. On-chip electrocatalytic microdevice: an emerging platform for expanding the insight into electrochemical processes. Chem. Soc. Rev., 2020.
DOI: 10.1039/C9CS00601J
https://doi.org/10.1039/C9CS00601J
4. Acc. Chem. Res.: 通過對鐵卟啉催化ORR的研究，建立分子電催化的比例關系
氧還原反應(ORR)是一種多質子/多電子的轉化，其中氧(O2)被還原為水或過氧化氫，并在大多數燃料電池中作為陰極反應。ORR(O2+4e-+4H+→2H2O)涉及多達9種底物，因此需要使用多個高能中間產物了解復雜的反應態勢。許多催化劑可以進行這種反應，盡管很少有催化劑能以較高的速率和較低的過電勢（接近熱力學勢）運行。
在均相和非均相電催化系統中，提高電催化性能的研究的主要集中在改進催化劑設計和理解催化中間體之間的動力學/熱力學關系。“分子比例關系”的發展就是分析和預測催化劑反應活性和效率的一種方法。有鑒于此，耶魯大學的James M. Mayer等人，通過對鐵卟啉催化ORR的研究，建立分子電催化的比例關系。
本文要點：
1）在對均相和非均相電催化的比例關系進行了概述之后，描述了這種比例關系的組成部分：(i)反應的整體熱化學性質；(ii)催化反應的速率和速率定律。然后，說明了如何將這些熱力學和動力學參數聯系起來揭示鐵卟啉催化的O2還原的分子比例關系。例如，log（TOFmax）對由不同的催化劑還原電位引起的ηeff變化的響應很大，但對因改變酸性緩沖液的pKa而引起的ηeff的變化的響應要小得多。因此，單一的比例關系并不總是足以描述分子的電催化作用。當催化劑特性和反應條件耦合時，這種現象尤其明顯。使用這些多重比例關系，證明了可以預測調整周轉頻率和有效超電勢的指標，從而在過電位降低時獲得更快的速率。
2）該工作推導并利用了分子比例關系來實現有機溶劑中可溶的鐵卟啉催化的O2還原，以顯示如何得出分子比例關系并用于電催化反應。這種比例關系是連接催化系統的熱化學，機理和速率定律的強大工具。
總之，該工作展示了分子比例關系在理解催化，實現催化劑系統之間直接比較以及優化催化過程方面的實用性和簡便性。
Daniel J. Martin et al. Developing Scaling Relationships for Molecular Electrocatalysis through Studies of Fe-Porphyrin-Catalyzed O2 Reduction. Acc. Chem. Res., 2020.
DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00044
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00044
5. Angew：可調式吡咯-氮-碳電化學選擇性生成過氧化氫
過氧化氫（H2O2）是最重要的工業化學品之一，可作為潛在的能量載體和對各種消毒應用和環境修復的友好型氧化劑。通過氧還原雙電子途徑，可以替代當前的蒽醌工藝，從而實現可持續和分散的H2O2生產。而對于通過雙電子氧還原反應（ORR）合成H2O2，需要一種具有活性且低成本的電催化劑以選擇性地將O2還原為H2O2而不是H2O。有鑒于此，澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授報道了一種可擴展的g-C3N4模板化策略，可合成具有可調氮摻雜和對H2O2電合成具有依賴性活性的富N的少層石墨烯（N-FLG）。
文章要點：
1）使用三聚氰胺和甘氨酸作為氮源用于不同的氮構型，可以通過改變前體的質量比來有效地調節已制成的N-FLG上的氮摻雜狀態。通過實驗觀察到吡咯-N含量與H2O2選擇性之間呈正相關。
2）X射線吸收近邊結構（XANES）光譜進一步闡明了吡咯-N在二電子ORR途徑中的關鍵作用。得益于優化的N構型和多孔結構，所制造的N-FLG-8（三聚氰胺：甘氨酸的質量比為8）電催化劑在堿性介質中表現出優異的雙電子ORR性能，對H2O2的電化學合成具有超過95％的高選擇性。以及出色的長期穩定性。
3）當與生物質轉化反應（糠醛氧化）結合時，組裝了一種實用的裝置，可以在較小的電池電壓下以高收率生成高價值的產品（正極上的H2O2和負極上的2-糠酸）。
Laiquan Li, et al, Tailoring Selectivity of Electrochemical Hydrogen Peroxide Generation by Tunable Pyrrolic-Nitrogen-Carbon, Adv. Energy Mater. 2020
DOI：10.1002/aenm.202000789
https://doi.org/10.1002/aenm.202000789
6. Angew：電化學生理芯片用于實時監測和定量自由運動大鼠大腦中的多種離子
華東師范大學田陽教授等人提出了一種電化學生理微陣列（ECPM），用于自由運動大鼠腦深部多個離子的實時定位和化學信號的同時定量，其中微電極陣列用于使用開路電位法直接測定多個離子。
本文要點：
1）合成了特異性識別離子載體，并對其進行了優化，以測定K+，Ca2+，Na+和pH。還開發了參比電極以避免對大腦的干擾。
2）該微陣列已成功應用于實時監測和定量活腦中離子的定量分析。額外的無電流電位計首次實現了對化學信號的繪圖和生物傳感，并首次在全腦中記錄了無串擾的電信號。此外，ECPM提供了一個平臺，用于實時監測癲癇發作期間自由活動大鼠深腦中多種離子的動態變化。
Zhao, F., et al. (2020), An Electrochemophysiological Microarray for Real‐Time Monitoring and Quantification of Multiple Ions in the Brain of a Freely Moving Rat. Angew. Chem. Int. Ed..
DOI:10.1002/anie.202002417
https://doi.org/10.1002/anie.202002417
7. Angew: 具有大量氮摻雜碳缺陷的二維渦輪層狀碳納米網催化劑
由雜原子摻雜或缺陷工程驅動的電荷再分配策略是賦予惰性碳優異的氧還原反應(ORR)活性的一種有效方法。因此，這兩種策略之間的協同效應有望更有效地調控碳材料的電荷分布，以獲得優異的ORR性能。
有鑒于此，南京航空航天大學來慶學等人，提出了一種新穎的分子設計策略，設計制備了具有大量氮摻雜碳缺陷(NDC)的二維多孔渦輪層碳納米網，用作高效的ORR催化劑。
本文要點：
1）通過設計嵌段共聚物狀的PU作為單一前驅體，開發了具有可控碳缺陷和N摻雜的新型2D多孔渦輪層碳。芳香環作為碳源，尿素單元作為N源，碳源、氮源和犧牲模板在分子鏈上的分子級整合使合成的催化劑中含有豐富的碳邊緣缺陷和N摻雜位點。
2）石墨谷N摻雜的碳邊緣缺陷的特殊活性位點具有最低的理論ORR能壘（0.56 eV），表明制備的NDC材料在堿性介質中具有優異的ORR電催化性能。
3）研究發現，石墨谷N摻雜的碳邊緣缺陷的特殊活性位點是NDC具有優異ORR性能的原因。在分子水平上通過改變結構單元和合成途徑來調節碳前體的組成和結構，以調節碳缺陷，具有巨大的優勢。
總之，該工作提出的分子設計策略為設計開發高性能的N摻雜缺陷碳ORR電催化劑以及深入了解其ORR電催化機理提供了一種新的思路。
Qingxue Lai et al. Optimal N‐doped carbon defect configuration in 2D turbostratic carbon nanomesh for advanced oxygen reduction electrocatalysis. Angew., 2020.
DOI: 10.1002/anie.202000936
https://doi.org/10.1002/anie.202000936
8. Angew: 聚苯胺活性位點工程助力鋁電池儲存AlCl2+
AlCl4-離子由于其離子尺寸太大因而在傳統鋁離子電池正極材料中的可逆脫嵌十分困難。因此，實現其他含Al離子在電極材料中的快速高效嵌入脫出對于構建新型可充鋁電池十分重要。有鑒于此，南開大學牛志強教授團隊制備了聚苯胺/單壁碳納米管復合薄膜并在其中對聚苯胺進行質子化從而實現了小尺寸的AlCl2+離子在其中的可逆脫嵌。
本文要點：
1) 研究人員利用-N=官能團向-NH+-官能團的轉化實現了聚苯胺的質子化。高度質子化的聚苯胺和單壁碳納米管網絡集成在一起構筑了自支撐的PANI(H+)/SWCNT復合薄膜。質子化的聚苯胺不僅能夠提供更多的活性位點，而且有助于復合薄膜電子電導率的提高。
2) 研究人員發現，質子化的聚苯胺中能夠實現高度可逆的AlCl2+的嵌入與脫出。因此，Al/ PANI(H+)電池在1A/g的電流密度下能夠實現大約200mAh/g的高放電比容量。這個容量值是未經質子化聚苯胺材料的兩倍。而且，PANI(H+)/SWCNT自支撐電極的循環穩定性十分優異，8000周的長期循環過程中平均每周容量衰減僅為0.003%且庫倫效率高達100%。
3) 此外，自支撐PANI(H+)/SWCNT薄膜電極優異的機械性能使其能夠在柔性可充鋁電池中發揮作用。研究人員利用這種電極構建了新型柔性電纜型的可充鋁電池。該電池在各種不同彎曲條件下都表現出優異的電化學性能。
該工作為導電聚合物在可充電池正極材料中的應用開辟了一條新的道路。
Shuai Wang et al, Engineering Active Sites of Polyaniline for AlCl2+ Storage in Aluminum Battery, Angewandte Chemie International Edition, 2020
DOI: 10.1002/anie.202002132
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202002132
9. Angew：具有穩定高指數晶面的NiO晶體的合成
由于離子和極性的配位不足，改變了界面性質，因此與低指數晶面相比，暴露高指數（HI）晶面的金屬氧化物可能會在催化和吸附過程中產生一些影響。高指數（HI）材料在非均相催化中引人注目。雖然已經實現了幾種可以暴露出HI面的立方對稱材料的合成，但是，仍然很難可控合成控制這種形態的材料，同時，對其功效的基本了解仍然難以捉摸。有鑒于此， 休斯頓大學Jeffrey D. Rimer報道了NiO顆粒的熔融鹽合成，這些顆粒暴露了各種晶面。
文章要點：
1）對于給定的陰離子（硝酸根或氯離子），堿金屬陽離子對暴露于{311}，{611}，{100}和{111}面的晶體形成有明顯的影響。
2）基于對合成條件的參數分析，研究人員認為其結晶機理是由生長單元的形成決定的，該生長單元由鎳（II）配合物組成，其配位數由溫度以及陰離子（與配位球相關）和堿性陽離子（與外部協調范圍相關）的選擇決定。
3）研究表明，在氯化物介質中特別容易合成高指數面NiO晶體，并且其在長時間的催化和蒸汽作用下能夠保持穩定。
總的來說，研究結果說明了熔鹽法具有可擴展合成高表面能金屬氧化物的潛力。
Mariano D Susman, Synthesis of NiO Crystals Exposing Stable High-Index Facets, Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI：10.1002/anie.202003390
https://doi.org/10.1002/anie.202003390
10. Nano Letters：高倍率鋰錳氧化物氫電池
隨著傳統化石燃料供應的枯竭，太陽能和風能等可再生能源被廣泛認為是解決潛在能源危機的替代方法。但是，太陽能和風能等可再生能源是間歇性的，為了將其有效整合到電網中，開發可充電電池等電能存儲技術以解決其間歇性問題至關重要。通過將電催化氫氣負極與過渡金屬氧化物/氫氧化物正極耦合，研究人員成功設計了一種用于電網規模儲能的新電池化學。
利用氫氣逸出，快速動力學和高穩定性的優勢，氫負極受制氫和氧化反應（HER和HOR）控制。演示的錳氫和鎳氫電池顯示出合理的能量密度，快速充電/放電率高，循環壽命長。有鑒于此，中科大陳維教授，斯坦福大學崔屹教授報道了一種可充電，高速率，長壽命的鋰錳氧化物氫電池（LMO-H），該電池在水性電解質中利用了納米結構的鋰錳氧化物正極和氫氣負極。
文章要點：
1）選擇商用LMO作為正極，選擇玻璃纖維作為隔板，并在氣體擴散層（GDL）上涂覆Pt/C作為負極，以構建LMO-H電池。GDL在H2負極上的應用促進了H2氣體的擴散和運輸，這有利于LMO-H電池中的有效氣體管理。
2）在LMO-H電池的充電過程中，鋰離子將從主體尖晶石LMO結構中提取到水性電解質中，而H2將在Pt/C催化劑下從負極生成。在放電過程中，由于Pt/C催化劑的高活性HOR，電解液中的鋰離子將被插入尖晶石LMO結構中，并且H2將在負極上被吸收和氧化。
3）LMO-H電池具有?1.3 V的放電電壓平穩期，高比容量（1 C時LMO為83 mAh g-1），高倍率容量（50 C時LMO為69.1 mAh g-1）和長循環穩定性，這歸因于HER / HOR氧化還原引起的LMO的快速Li+離子提取/插入的快速動力學。
4）通過在不同電池條件下的系統電化學研究，突出了電催化氫氣負極的重要性，并揭示了LMO-H電池的儲能機理和高倍率性能。
考慮到現代鋰離子電池中大量的鋰過渡金屬氧化物，當前的LMO-H電池的成功開發可以通過使用不同的鋰金屬氧化物來設計高級可充電氫電池而開辟新的途徑。同時，這項工作為開發用于未來電網規模儲能的新型可充電氫電池提供了機會。
Zhengxin Zhu, et al, A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery, Nano Lett., 2020
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00044
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00044
