1. Nature Commun.：強化晶格氧參與促進鈣鈦礦氧析出的直接證據
氧析出反應（OER）電催化劑的開發仍然是一項重大挑戰，需要在機理理解和材料設計方面取得重大進展。最近的研究表明，鈣鈦礦氧化物晶格中的氧可以通過晶格氧介導機制參與OER，這為開發替代電催化劑提供了可能性，該電催化劑可以利用吸附物逸出機理克服傳統催化劑因比例關系引起的局限性。有鑒于此，澳大利亞科廷大學邵宗平與南昆士蘭大學Lei Ge通過合理設計具有相似表面過渡金屬性質但不同氧擴散速率的硅改性SrCoO3–δ(Si–SCO)鈣鈦礦電催化劑模型系統，區分了晶格氧的參與對OER的貢獻程度。
本文要點：
1）pH依賴的OER動力學研究和表面非晶化觀察表明，晶格氧氧化(LOM)機制在SCO和Si摻雜SCO的OER期間均有效。值得注意的是，當Si被包含到SCO晶格中時，其內在活性獲得了一個數量級以上的提高，接近BSCF的活性。
2）此外，硅摻入鈣鈦礦的氧擴散率提高了12.8倍，這與內在OER活性的10倍的提高非常吻合，這表明觀察到的活性提高主要是增強晶格氧參與的結果。因此，需要考慮動態催化劑表面，該表面不僅要與電解質而且要與通過LOM機理操作的電催化劑本體具有強相互作用。
3）然而，這種動力學可能導致不穩定的表面區域，特別是在高活性的情況下，表面氧空位的重新填充速率無法與表面空位形成的速率競爭（由于快速的氧析出），從而導致不協調陽離子位點的形成，使其易于溶解。這解釋了Si-SCO催化劑的表面非晶化，盡管其快速的氧擴散率與獨特的A位點缺陷層狀結構有關。
這一發現不僅為設計具有成本效益、高效的OER催化材料提供了新的機會，而且加深了我們對OER運作機理的理解。下一步將是設計更穩定的鈣鈦礦表面，以進一步推動適用于水、二氮和二氧化碳電解的水氧化電催化劑的發展。
Yangli Pan, et al. Direct evidence of boosted oxygen evolution over perovskite by enhanced lattice oxygen participation. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 2002.
DOI: 10.1038/s41467-020-15873-x.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15873-x
2. Nature Commun.：析氧反應中氧化鈷催化劑價態隨電壓和時間的轉變
在電化學反應過程中確定催化劑電子結構的能力對于確定活性位點和反應機理非常重要。有鑒于此，德國馬普固體化學物理所Zhiwei Hu與中國科學院上海應用物理研究所Linjuan Zhang等人成功應用軟X射線吸收光譜(SXAS)技術來跟蹤析氧反應(OER)條件下，Li2Co2O4中Co離子的價態和自旋態。
本文要點：
1）研究人員通過在Co-L2,3和O-K邊應用SXAS來確定確定OER過程中Li2Co2O4中Co離子的價態、自旋態和局域配位。Li2Co2O4在具有尖晶石結構的材料中具有最佳的OER活性，并且可以與著名的IrO2媲美。
2）實驗觀察到，大部分Co離子經歷了從Co3+到Co4+的電壓依賴性和時間依賴性的價態轉變，并伴隨著自發的脫鋰作用，而邊緣共享的Co-O網絡和Co離子的自旋態保持不變。
3）通過將實驗結果與通過密度泛函理論計算獲得的結果相結合，研究人員推斷出Co4+位點(具有占優勢的氧配體空穴基態)是高OER活性的原因。由于光譜中的原子型多重態結構包含了關于三維離子的價態、自旋和局域配位的高度特異性信息，盡管將電化學液體電池從超高真空中分離出來在實驗上具有挑戰性，但研究結果表明，原位SXAS是研究過渡金屬(TM)三維催化劑的首選光譜方法。
Jing Zhou, et al. Voltage- and time-dependent valence state transition in cobalt oxide catalysts during the oxygen evolution reaction. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 1984.
DOI: 10.1038/s41467-020-15925-2.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15925-2
3. Science Robotics：汗液驅動的柔軟電子皮膚，具有用于人機接口的多路復用和無線感應
現有的電子皮膚（e-skin）傳感平臺配備有利用電池供電或近場通信監測物理參數的設備。要使e-skins應用于下一代機器人和醫療設備，它們必須是無線操作和自供電的。然而，盡管最近努力從人體中獲取能量，但是由于缺乏連續的能量來源和有限的功率效率，具有通過藍牙通信執行生物傳感的自供電電子皮膚受到了限制。于此，加州理工醫學工程系高偉課題組報道了一種靈活的、完全由汗液驅動的集成電子皮膚（PPES），用于多重代謝原位傳感。
本文要點：
1）無電池電子皮膚包含多模式傳感器和高效的乳酸生物燃料電池，使用零到三維納米材料的獨特集成，以實現高功率強度和長期穩定性。
2）PPES在未經處理的人體體液（人體汗液）中為生物燃料電池提供了創紀錄的3.5毫瓦·平方厘米的功率密度，并在60小時的連續運行中顯示出非常穩定的性能。它可以在長時間體力活動期間有選擇地監測關鍵代謝分析物（如尿素、NH4+、葡萄糖和pH值）和皮膚溫度，并使用藍牙將數據無線傳輸到用戶界面。PPES還能夠監測肌肉收縮，并作為人體假肢行走的人機接口（human-machine interaction, HMI)。
Yu Y, et al. Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces. Science Robotics. 2020;5(41):eaaz7946.
DOI: 10.1126/scirobotics.aaz7946
https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz7946
4. Angew：一種用于浸潤性腫瘤近紅外熒光和光聲成像的可激活聚合物報告劑
區分性檢測浸潤性和非浸潤性乳腺癌對于有效治療和預后至關重要。然而，能夠在體內如此進行的可激活探針很少。于此，南洋理工大學浦侃裔和蘇州大學苗慶慶等人報道了一種可激活的聚合物報告物P-Dex），該報告物專門針對浸潤性乳腺癌中過度表達的尿激酶型纖溶酶原激活劑（uPA）特異性開啟近紅外（NIR）熒光和光聲（PA）信號。
本文要點：
1）P‐Dex具有腎臟可清除的右旋糖酐主鏈，該主鏈與籠罩有uPA可裂解肽底物的NIR染料相連。
2）這種分子設計使P‐Dex能夠被動地靶向腫瘤，激活NIR熒光和PA信號以有效地區分浸潤性MDA‐MB‐231乳腺癌和非浸潤性MCF‐7乳腺癌，并最終進行腎臟清除以最大程度地降低毒性潛能。因此，該聚合物報告分子對于早期發現惡性乳腺癌具有廣闊的前景。
Q. Li, et al., An Activatable Polymeric Reporter for Near‐Infrared Fluorescent and Photoacoustic Imaging of Invasive Cancer. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 7018.
https://doi.org/10.1002/anie.202000035
5. Angew：具有蜂窩狀塊體超結構的納米碳片
具有特殊形貌和功能的三維超結構因其從能源到環境的潛在應用，在材料科學和工程領域引起了極大的關注。作為一種典型的二維材料，碳納米片(CNSs)作為電極材料在儲能和轉換領域得到了廣泛的研究。然而，由于碳納米管的孔隙率低和接觸不足，所得產物通常呈孤立的形貌，產率較低，幾何尺寸有限，導電性和傳質能力較差。因此，制備能夠精確控制其空間結構的大尺寸三維超結構碳納米片（SCNSs）無疑是開發高質量電極材料的一種極有效策略，其性能可以通過修飾金屬納米顆粒等功能物種來進一步優化。
然而，將CNSs組裝成三維單一的超結構面臨著巨大的挑戰，特別是具有可控的孔結構和大的幾何尺寸。金屬有機骨架(MOFs)作為一類新興的多孔晶體材料，已被廣泛用于制備碳基納米材料的前驅體/模板。有鑒于此，日本國家產業技術綜合研究所（AIST）徐強教授報道了首次通過MOF納米顆粒模板化策略合成了厘米級的三維多孔SCNS。
文章要點：
1）研究人員利用MOF納米顆粒作為模板，通過分子篩咪唑骨架@聚乙烯吡咯烷酮(ZIF@PVP)雜化產物的熱解，將其組裝成一個大而單一的超結構(大小為2.5×2.5 cm-2)，厚度為幾個納米的SCNS。
2）超結構呈現出三維蜂窩狀的形態，由碳納米片組裝而成的相互連接的碳籠，每個空腔中都有一個多孔的碳球。
3）單個SCNS可以直接用作超級電容器的電極，不需要任何粘結劑和導電添加劑，用金屬納米粒子固定的SCNS對氧還原反應(ORR)表現出優異的催化活性。Fe-SCNS表現出驚人的高半波電位（0.89 V）和大的極限電流密度，優異的耐久性，在鋅空氣電池中表現出優異的性能。
Lianli Zou, et al, Honeycomb-Like Bulk Superstructure of Carbon Nanosheets, Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI：10.1002/anie.202004737
https://doi.org/10.1002/anie.202004737
6. Angew: 原位構建超穩定導電復合界面助力高壓全固態鋰金屬電池
石榴石型固態電解質與金屬鋰之間的界面浸潤性很差，這導致全固態鋰金屬電池中界面阻抗很大而且會造成枝晶生長。近日，清華大學深圳研究院Yanbing He等構建了一種穩定的導電復合界面（CCI）實現了高性能高壓全固態鋰金屬電池。
本文要點：
1) 研究人員在LLZTO固態電解質薄片表面利用磁控濺射制備了一層SnNx，然后利用金屬鋰與SnNx的原位轉化反應構筑了一層含有LiSny合金核Li3N的導電復合電解質界面。Li與Sn的合金化反應使得固態電解質與金屬鋰之間的浸潤性顯著增強，從而提高了電極-電解質界面的穩定性并降低了界面阻抗。原位形成的Li3N固態電解質在室溫下具有高離子電導率和低擴散勢壘，保障了界面上鋰離子的高效傳輸和均勻分布。二者的結合不僅能夠實現固態電解質與固態電極之間的連續緊密接觸，而且能夠實現均勻的金屬鋰沉積來抑制枝晶生長。
2) 研究人員對這種復合電解質界面的電化學性能進行了考察。Li//LLZTO@CCL//Li對稱電池的界面阻抗低至164.8Ω，且能夠穩定循環2000小時而不發生內短路。更重要的是，高壓全固態NCM523全電池相比普通的固態電池，界面阻抗由5693.0Ω下降至209.8Ω。在0.25C的電流密度下循環200周后的可逆放電比容量仍有149.4mAh/g且庫倫效率高達100%。即便充電截止電壓提高到4.5V，循環100周后的容量保持率也超過90%。
Kai Shi et al, In‐situ Construction of An Ultra‐stable Conductive Composite Interface for High‐Voltage All‐Solid‐State Lithium Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2020
DOI: 10.1002/anie.202000547
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202000547
7. Nano Letters：Ni單原子分散在Ru納米片上：用于氫氧化反應的高性能電催化劑
設計低成本，高效，不含鉑的堿性電解質中氫氧化反應（HOR）的電催化劑，對陰離子交換膜燃料電池的開發具有重要意義。有鑒于此，清華大學王定勝教授，李亞棟院士報道了新型HOR催化劑RuNi1，其中Ni原子分散在Ru納米晶體上。所制備的RuNi1催化劑在堿性介質中對HOR表現出優異的催化活性和穩定性，優于Ru-Ni雙金屬納米晶體，原始Ru和市售Pt / C催化劑。
文章要點：
1）研究人員通過濕化學策略合成RuNi1 NCs，在NCs的生長過程中，首先形成了超薄的分支納米結構，然后迅速演變為具有鋸齒狀邊緣表面的超薄納米片。TEM和HAADF-STEM可以清楚地觀察到所獲得的NCs。進一步像差校正的HAADF-STEM（AC HAADF-STEM）可以觀察到原子級的Ni和Ru的分散。XRD顯示，NCs具有Ru的hcp結構的（100），（0002）和（101）平面。能量色散X射線（EDX）光譜分析表明，納米片中的Ni：Ru原子比為8:92。
2）合成的RuNi1 NCs表現出出色的HOR活性。RuNi1 NCs的高質量活性為2.70 A/mg，幾乎是Pt/C和Ru-Ni NCs的6.3倍，是Ru催化劑的16.6倍。
3）密度泛函理論（DFT）計算表明，Ru納米晶體上Ni原子的分離不僅優化了氫結合能，而且降低了水形成的自由能，從而導致RuNi1催化劑具有出色的電催化活性。
該研究工作表明，在原子水平上設計催化劑對于合理設計高性能的電催化劑非常有效。
Junjie Mao, et al, Isolated Ni atoms dispersed on Ru nanosheets: high performance electrocatalysts toward hydrogen oxidation reaction, Nano Lett., 2020
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00364
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00364
8. AM：使用界面對流組裝實現微/納米尺度圖案的高速打印
近年來，電子印刷越來越受到學術界和工業界的重視。然而，常用的印刷技術在微尺度或亞微米尺度上的分辨率有限。有鑒于此，美國東北大學Ahmed A. Busnaina等人報道了一種基于定向組裝的印刷技術——界面對流組裝，該方法利用襯底加熱誘導的馬蘭戈尼對流將顆粒推向圖案化的襯底，然后利用范德華相互作用和幾何約束來捕獲圖案區域中的粒子。
本文要點：
1）實驗和計算表明，將水性顆粒懸浮液與具有高揮發性和低表面張力的溶劑混合對于形成水溶性馬蘭戈尼對流至關重要，因此對于組裝過程的成功至關重要。除了溶劑的性質外，研究人員還證明了提高襯底溫度、粒子濃度和組裝時間可以提高組裝產率。
2）通過對組裝參數的理解和后續控制，可以成功地將各種納米顆粒(金、PSL、硅和銀)組裝成不同形狀的圖案(溝槽、S型溝槽、鉆石和通孔)，分辨率可達25 nm。在組裝過程中，馬蘭戈尼對流流動的速度以米/秒為單位。高速流動驅動顆粒在懸浮液中快速循環，從而使顆粒在幾分鐘內就能組裝成圖案（比常規對流組件快兩個數量級）。
3）高速氣流也增強了納米顆粒的碰撞和聚結，導致小尺寸(5 nm以下)納米顆粒的自退火，從而形成固體納米線和納米棒結構。制成的銀納米棒顯示出具有8.58×10-5 Ω cm低電阻率的單晶結構。
高通用性、高分辨率、高吞吐量和高可擴展性使界面對流組件成為制造下一代電子和傳感器的理想選擇。
Zhimin Chai, et al. High-Rate Printing of Micro/Nanoscale Patterns Using Interfacial Convective Assembly. Adv. Mater. 2020, 2000747.
DOI: 10.1002/adma.202000747.
https://doi.org/10.1002/adma.202000747
9. AM：通過界面自組裝，在復合膜中形成暢通的超薄氣體傳輸通道
膜技術具有許多優點，例如操作簡便，能耗要求低和環境友好，這些優點使氣體分離領域取得了重大的商業進步。通過混合基質膜（MMMs）建立暢通的選擇性氣體傳輸通道將充分利用多孔材料的分子篩特性，是大大提高MMMs氣體分離性能的有效途徑。有鑒于此，天津大學王志與天津化學化工協同創新中心Michael D. Guiver等人通過聚（乙烯胺）和聚合物改性的MIL-101（Cr）的重力誘導界面自組裝，在MMMs中構建了可穿過膜選擇層的超薄無阻礙氣體傳輸通道。
本文要點：
1）直接通過MMMs的高速氣體傳輸通道是在重力作用下由聚（乙烯胺）(PVAm)和PVAm修飾的MIL‐101(Cr)在界面層上自組裝而成的。首先，通過三甲氧基硅烷交聯劑KH560和PVAm對MIL‐101(Cr)納米顆粒進行改性。在環境條件下，MIL‐101(Cr)中的配位不飽和位點(CUSs)最初會與KH560 Si-O基團結合。交聯劑KH560的環氧基與PVAm中的胺基反應，使MIL‐101(Cr)與PVAm結合，便形成了MKP納米顆粒。
2）此外，聚合物鏈的存在可以縮小納米顆粒的孔徑，而KH560的環氧基團可以增強CO2的溶解，導致CO2分子通過MKP納米顆粒的孔隙被單分子表面擴散運輸。MKP納米顆粒與PVAm的氫鍵作用使其具有良好的界面相容性，有利于MKP納米顆粒的均勻分布。
3）對于CO2/N2(體積比為15/85)的混合氣體，MMMs在0.5 MPa時的CO2滲透率為823個氣體滲透單元，CO2/N2選擇性為242。具有不同MKP納米顆粒負載的MMMs最終可用于煙氣兩級膜式CO2捕獲過程的第一和第二階段。通過經濟分析，兩級膜分離工藝可以達到氣體分離和經濟指標。
Bo Wang, et al. Unobstructed Ultrathin Gas Transport Channels in Composite Membranes by Interfacial Self-Assembly. Adv. Mater. 2020, 1907701.
DOI: 10.1002/adma.201907701.
https://doi.org/10.1002/adma.201907701
10. ACS Nano：大規模合成具有多功能石墨烯石英纖維電極
石英纖維是一種廣泛使用的增強材料，具有較高的拉伸強度和出色的耐熱性，如果導電，則可以應用在電磁干擾屏蔽，靜電耗散和應變感應等。前人已經試圖通過導電聚合物的表面涂層或金屬膜的鍍層來嘗試增加石英纖維的電導率，但是這種方法會導致犧牲撓性以及重金屬污染。
有鑒于此，北京大學劉忠范院士，劉開輝研究員報道了通過強制流動化學氣相沉積（CVD）方法設計并大量生產了石墨烯石英纖維（GQF）的混合結構，該結構兼具石墨烯的優異導電性和石英纖維的優異性能。
文章要點：
1）將50米長的石英纖維束纏繞在石英管的表面上以進行石墨烯生長。通常，對于通過熱解的無金屬催化劑的石墨烯生長而言，活性炭原料的適當濃度和有效的分子碰撞對于高溫下石墨烯的成核和邊緣附著至關重要。為了加快反應速度，研究人員設計了一個狹窄的空間，通過使用另一個同軸石英管作為盤繞石英纖維束的緊套，在低壓下產生強制性的碳原料流。當將反應氣體泵入兩個石英管之間的間隙中時，活性碳物質會擴散到GQF單絲之間的狹窄空間（約200 nm）中，從而在纖維表面之間發生相對頻繁的碰撞，從而使石墨烯成核和生長。制備的GQF的較暗光學對比表明，石墨烯成功生長在石英纖維表面上。SEM圖像顯示GQF的石墨烯疇尺寸約為100 nm，與直接生長在SiO2襯底上的石墨烯的尺寸一致。XPS測試表明石英纖維上具有高純度的石墨烯涂層。
2）研究人員合成的柔性GQF對有機溶劑蒸氣表現出高靈敏度，快速響應（小于0.5 s）和良好的耐久性（5000個循環），適合用作實時仿生氣體傳感器。此外，大量生產的GQF可以編織成米級的織物，具有可調的電導率（0.2-10 kΩ/sq的薄層電阻）和出色的電熱轉換效率（24 V時可在幾秒鐘內達到980 °C），因此極有效推動了其在工業電加熱器中的應用。
這種混合的GQF材料將極大地將傳統石英纖維的應用擴展到具有極大吸引力的多功能領域中。
Guang Cui, et al, Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode, ACS Nano, 2020
DOI: 10.1021/acsnano.0c01298
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01298
