1. Nature：溫和條件丙二酸酯和二氟分子合成手性單氟分子
含有氟原子的三級碳立體中心的構建在藥物化學中非常有利用價值，這是由于其中含有C-H鍵的同時具有不同的電荷分布、親脂性、構象和代謝穩定性。含有氟原子的三級立體碳構建目前并未見較好的方法。氟和氫的原子半徑類似，但是電子性質有較大區別，導致C-F鍵非常穩定，同時在雙氟化合物中兩個C-F鍵之間會相互增強穩定性。因此，通過對二氟化合物通過脫除一個C-F鍵轉化為立體結構的三級碳中反應立體構型化學相關內容仍沒有相關研究。加州大學伯克利分校John F Hartwig等報道了含有單氟立體碳分子的合成研究。通過丙二酸酯原料，利用Ir手性亞磷酰胺催化劑，在反應中實現了高反應產率和高對映選擇性。本研究的方法學同樣適用于Pd催化的芐基取代反應，說明了本方法學的廣泛適用性。1）反應優化。反應通過芐基二氟取代的烯烴和2-甲基丙二酸二乙酯作為反應物，在4 mol %的Ir手性配體催化劑作用中，加入1.5倍量MOt-Bu（M=Li, Na, K），在室溫中進行反應。反應對丙二酸中酸性C-H鍵親核取代，得到手性含氟的丙烯基。2）反應機理。Ir手性催化劑和反應物中的烯基配合，在LiOtBu作用中，消除分子中的F原子，生成LiF，并轉化為烯丙基自由基加成到Ir催化劑上。隨后在丙二酸酯的親核試劑作用中手性加成到單氟碳上，從Ir手性催化劑上脫除，得到手性單氟化產物。Trevor W. Butcher, et al. Desymmetrization of difluoromethylene groups by C–F bond activation，Nature 2020DOI：10.1038/s41586-020-2399-1https://www.nature.com/articles/s41586-020-2399-1值得一提的是，就在18天前，John F Hartwig教授課題組在《Science》上發表了強烷基C-H鍵的無定向硼化作用用于官能化的研究。Raphael Oeschger et al. Diverse functionalization of strong alkyl C–H bonds by undirected borylation. Science, 2020.DOI: 10.1126/science.aba6146http://doi.org/10.1126/science.aba6146
2. Nature Nanotechnol.：合金負極納米晶體的自發可逆空心化，助力穩定的電池循環
由于鋰嵌入和脫出過程中大的體積變化，鋰離子電池大容量合金負極材料長期以來一直受到可循環性的限制。空心和蛋黃殼納米結構通過提供一個內部空間來適應體積的變化和一個機械/尺寸上穩定的外表面，可用來增加循環穩定性。然而，這些材料需要復雜的合成過程。有鑒于此，美國佐治亞理工學院Matthew T. McDowell等人通過原位透射電子顯微鏡（TEM），顯示了足夠小的銻納米晶體可以在脫鋰時自發形成均勻的空隙，然后在循環過程中可逆地填充和排出空隙。1）研究發現，此行為是由彈性天然氧化物層引起的，該氧化物層在鋰化過程中允許初始膨脹，但由于銻在脫鋰過程中形成空隙而在能夠機械上防止收縮。相關的異位TEM實驗證明，這種空隙過程發生在真實的電化學電池中，并且與較大的納米顆粒相比，由最小的納米晶體制成的電極的半電池循環顯示出更高的CEs，這可能是通過可逆空隙過程實現的。2）研究人員開發了一種化學機械模型來解釋這些觀察結果，該模型的特征是在空隙生長和約束氧化物層的機械屈曲之間存在尺寸相關的能量折衷，證明了這種行為與尺寸有關。3）模型進一步表明，空隙轉換不局限于鋰離子系統。事實上，對Sb納米晶體與Na反應過程的其他實驗也顯示了類似的空隙形態。這些關于Na的實驗以及在其他合金材料上的結果表明，這些轉變可能適用于各種體系。
Matthew G. Boebinger et al. Spontaneous and reversible hollowing of alloy anode nanocrystals for stable battery cycling. Nat. Nanotechnol. 2020.DOI: 10.1038/s41565-020-0690-9.https://doi.org/10.1038/s41565-020-0690-9
3. Nature Sustainability：利用工業二氧化碳和生物廢料合成PEF塑料
聚乙烯呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）被認為是其基于化石的對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的可再生解決方案。然而，由于其冗長且耗能的生產過程，PEF尚未在商業規模上建立。有鑒于此，英國杜倫大學的L. Jiang等研究人員，對由工業二氧化碳（CO2）排放和非食品來源的生物質產生的PEF進行了一項新研究，以提供PET替代品。1）使用質量和能量平衡，生命周期評估和投資回收期，從能源消耗，環境影響和生產成本的角度評估工業規模的PEF生產。2）結果表明，與PET相比，排放量和能耗可減少多達40.5％。非生物消耗（化石）（6.90××104 MJ），全球變暖潛能（3.75××103 kg CO2當量）和人類毒性潛能（2.18××103 kg 1,4-二氯苯當量）是生產一種的三大實質性影響噸PEF。通過應用最佳設計和成熟技術，由工業CO2和生物廢料生產的PEF可能是PET和其他材料的可行且有競爭力的替代品。L. Jiang, et al. PEF plastic synthesized from industrial carbon dioxide and biowaste. Nature Sustainability, 2020.DOI：10.1038/s41893-020-0549-yhttps://www.nature.com/articles/s41893-020-0549-y
4. Nature Commun.：Cu摻雜Ni中引入Ni-O-VOx位點實現低過電位堿性析氫
鎳基催化劑是一種用于工業堿性水分解中最常用的電催化劑。然而，要完全解決析氫反應(HER)的反應動力學緩慢和嚴重失活的問題仍然是一個巨大的挑戰。有鑒于此，澳大利亞新南威爾士大學趙川報道了一種用于堿性HER的摻雜有Ni-O-VOx活性位（Ni(Cu)VOx）的摻雜Cu的Ni催化劑。1）研究人員通過簡單的電沉積過程在泡沫鎳(NF)上制備出Ni(Cu)VOx催化劑。通過在超聲處理下將每種化學品溶解在50 mL 超純水中，然后在含有0.5 M NiSO4、12.5 mM CuSO4、7 mM NH4VO3和0.5 M H3BO3的電解質中進行電沉積，然后在–2.0 V（vs.飽和甘汞電極（SCE）），室溫下放置600 s。此外，采用摻氟氧化錫(FTO)玻璃作為襯底，以消除NF襯底中Ni信號的影響。2）研究人員通過形態學研究進一步證實了VOx誘導形成了細Ni NPs。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，獲得的Ni(Cu)VOx細微NP的尺寸約為5 nm。而Ni和Ni（Cu）的晶粒尺寸更大，進一步表明沉積的VOx對晶粒細化起重要作用。TEM圖像顯示，精細Ni(Cu)VOx NP的尺寸為4-5nm。HRTEM圖像顯示，d間距為0.202 nm，與fcc Ni的（111）面相對應。典型的TEM-EDS映射顯示了Ni，Cu，V和O元素均勻分布。此外，通過系統的X射線吸收光譜研究確定了在Ni(Cu)VOx中形成了Ni-O-VOx位點。3）經過優化的Ni(Cu)VOx電極與基準Pt/C催化劑相比，具有接近零的起始過電勢和21 mV的低過電勢，同時，可提供–10 mA cm-2的電勢。4) 研究發現，VOx會引起鎳晶格的大量衰減，并產生更大的電化學活性表面積。此外，第一性原理計算表明，Ni-O-VOx位點具有超活性，并且可以促進電荷從Ni重新分布到VOx，這大大削弱了Ni的H吸附和析氫自由能。這賦予了Ni(Cu)VOx電極高HER活性和長期耐久性。Li, Y., Tan, X., Hocking, R.K. et al. Implanting Ni-O-VOx sites into Cu-doped Ni for low-overpotential alkaline hydrogen evolution. Nat Commun 11, 2720 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-16554-5https://doi.org/10.1038/s41467-020-16554-5
5. Nature Commun.：通過選擇性和定向鍵組裝的活性膠體分子
活性粒子和自推進粒子的組裝是一種新興的策略，它可以創造原本不可能的動態材料。然而，復雜粒子相互作用的控制仍然是一個挑戰。有鑒于此，香港大學的Yufeng Wang等研究人員，證明了通過調整粒子的大小、形狀、組成等，可以協調活性斑塊粒子的各種動態相互作用。1）這種能力表現為建立具有高度選擇性和方向性的動態膠體鍵，從而大大擴展了膠體結構和動力學的光譜。2）研究人員演示了具有可調鍵角和取向的膠體分子的形成。它們表現出可控的推進、轉向、重構以及其他共同反映鍵特性的動態行為。3）工作原理進一步擴展到合成顆粒與包括活細胞在內的生物實體的共組裝，從而產生各種類型的雜化膠體分子，例如，膠體轉盤結構。該策略應該能夠使主動系統在未來執行復雜的任務，如選擇性細胞治療。Zuochen Wang, et al. Active colloidal molecules assembled via selective and directional bonds. Nature Communications, 2020.DOI：10.1038/s41467-020-16506-zhttps://www.nature.com/articles/s41467-020-16506-z
6. Nature Commun.：3D打印水凝膠支架用于受損海綿體的功能重建
海綿體損傷導致勃起功能障礙，但其治療一直非常困難。在此，廣州醫科大學第三附屬醫院Xuetao Shi、俄克拉荷馬大學Chuanbin Mao等人構建了肝素涂層3D打印水凝膠支架，接種缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)-突變的肌源性干細胞(MDSCs)，以修復海綿體損傷。1）HIF-1α突變的MDSCs在缺氧和常氧條件下均能顯著分泌各種血管生成因子。2）將可生物降解的支架與MDSCs一起植入海綿體缺損的兔模型中，顯示良好的組織相容性，無免疫排斥反應，支持血管化組織長入，并促進新生血管形成以修復缺損。3）通過對修復后海綿體組織的形態、海綿體內壓、彈性和收縮性的評價，證明生物工程化海綿體支架成功修復了缺損，恢復了陰莖勃起和射精功能。功能恢復使得受傷雄兔的繁殖能力也得到恢復。該工作表明，具有血管生成細胞的3D打印水凝膠在重建陰莖以恢復男性生殖能力方面具有很大的應用前景。Geng An, et al. Functional reconstruction of injured corpus cavernosa using 3D-printed hydrogel scaffolds seeded with HIF-1α-expressing stem cells, Nat. Commun., 2020.DOI: 10.1038/s41467-020-16192-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-16192-x
7. Nature Commun.：具有穩定銥單原子動態活性位點的納米多孔金屬磷化物用于水氧化
設計用于析氧反應（OER）的高效單原子催化劑（SACs）對于水分解至關重要。然而，OER過程中孤立的活性位點的自重構不僅影響催化活性，而且影響了研究人員對其結構性質關系的理解。有鑒于此，湖南大學譚勇文教授報道了一種采用了一種簡單的自重構策略來制備單原子Ir催化劑，其中將孤立的Ir原子可控地沉積在獨立的納米孔(Ni0.74Fe0.26)3P上（Ir/NiFeP），該SAC具有較高的催化OER性能，低的超電勢和小的Tafel斜率，效果優于IrO2。1）研究人員使用電化學選擇蝕刻方法制備出納米孔(Ni0.74Fe0.26)3P（NP-NiFeP），然后，使用IrCl3-KOH作為電解質溶液，通過循環伏安法（CV）將Ir原子沉積在NP-NiFeP上，生成預催化劑（NP-Ir/NiFeP），Np-Ir/NiFeP在堿性溶液中電化學活化后，經過表面自組裝，進一步穩定了孤立的Ir原子，形成了理想的催化劑(Np-Ir/NiFeO)。2）HAADF-STEM圖像顯示，孤立的Ir原子均勻分布在非晶態Ni(Fe)(氧)氫氧化物的表面。線掃描強度分布和HRTEM進一步證實了Ir原子的單原子性和重構表面的非晶態性。STEM能量色散X射線能譜(EDX)元素圖譜表明，該材料由Ir、Ni、Fe、P和O元素組成，其中Ir均勻分布在表面上。用X射線光電子能譜(XPS)分析了催化劑的化學組成和氧化狀態。結果表明由于Ir原子與載體之間的電子相互作用，Ir原子相對于金屬Ir帶正電荷。此外，通過催化劑的X射線吸收近邊結構(XANES)譜和擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)譜進一步研究了催化劑的電子結構和配位結構。與Np-Ir/NiFeP相比，Np-Ir/NiFeO的FTEXAFS譜中Ir-O殼層的強度增加，表明孤立的Ir原子經過表面自重構后進入了更穩定的狀態，具有更高的價態和更多的氧配體。基于DFT中結構模型的NP-Ir/NiFeO的FT-EXAFS擬合表明，每個Ir原子都是由4個來自氧配體的O原子和2個來自吸附的羥基或水基團的O原子配位的，進一步證明了Ir的單原子性質。3）經過電化學活化后，孤立的Ir原子轉變為價態更高、氧配體更多的穩定狀態。同時，優化后的催化劑(NP-Ir/NiFeO)表現出低過電位、高質量活性和長時間穩定的高OER性能，遠遠優于商用IrO2和大多數文獻報道的催化劑。4）通過使用Operando X射線吸收光譜(XAS)和密度泛函理論(DFT)計算結果表明，孤立的Ir原子在OER過程中通過去質子化過程經歷了從單個活性中心到多個活性中心的變化，這是導致其具有優異OER催化性能的原因。此外，在過電流變條件下，表面的Ni(Fe)氫氧化物可以形成收縮結構，以進一步固定孤立的Ir原子，使其具有良好的穩定性。Jiang, K., Luo, M., Peng, M. et al. Dynamic active-site generation of atomic iridium stabilized on nanoporous metal phosphides for water oxidation. Nat Commun 11, 2701 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-16558-1https://doi.org/10.1038/s41467-020-16558-1
8. Chem. Soc. Rev.綜述：可伸縮電化學儲能裝置
電子設備與人體之間日益密切的接觸使得開發出符合和適應皮膚的可伸縮儲能裝置越來越重要。因此，近年來，可伸縮電池和超級電容器的發展受到了極大的關注。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授，鮑哲南教授綜述了電池和超級電容器的一般工作原理，以及使這些器件可伸展的要求。1）研究人員深入分析了將傳統硬質電化學儲能材料轉換為可伸縮形狀的不同策略。即應變工程策略、剛性島幾何策略、類纖維幾何策略和固有伸長性策略。每種策略都涵蓋了廣泛的材料，包括聚合物、金屬和陶瓷。通過比較這些不同材料策略實現的電化學性能和應變性能，作者橫向比較以獲得實現可伸展電化學儲能的最有前途的策略。2）研究人員最后展望了可伸縮超級電容器和電池的未來發展和面臨的挑戰。David G. Mackanic, et al, Stretchable electrochemical energy storage devices, Chem. Soc. Rev., 2020https://doi.org/10.1039/D0CS00035C
9. Chem. Soc. Rev.綜述：快速可充電負極的能量化學研究進展
隨著電動汽車在全球市場的加速普及，并為消費電子產品提供更好的用戶體驗，推進快速充電技術是必然的趨勢。然而，目前的高能鋰離子電池無法支持超快功率輸入而不產生任何不良后果，主流石墨基負極的容量衰減和安全擔憂是亟待解決的技術障礙。有鑒于此，清華大學張強教授總結了使石墨負極能夠實現高倍率充電的基本原理、挑戰和解決方案。1）研究人員首先在現有理論的基礎上，研究了插層過程中復雜而有趣的石墨-電解質界面。2）研究人員分析了實現快速充電石墨負極亟待解決的關鍵難題。3）研究人員最后重點總結了過去幾年提出的一些有效策略，以勾勒出該領域目前的發展趨勢和未來的前景。Wenlong Cai, et al, A review on energy chemistry of fast-charging anodes, Chem. Soc. Rev., 2020https://doi.org/10.1039/C9CS00728H
10. AM：用于鋅空氣二次電池高效氧電催化的分子篩-咪唑骨架互連大孔碳基體
具有分子篩-咪唑骨架(ZIF)衍生的納米結構在雙功能氧電催化中引起了人們的極大關注。然而，由于單一顆粒形貌的限制，這種納米結構并不適用于長壽命的鋅空氣二次電池。有鑒于此，華中科技大學夏寶玉教授報道了一種二氧化硅為模板的ZIF-67分子篩熱裂解制備具有良好三維結構的互連大孔碳基體的方法。1）研究人員用鈷源修飾尺寸在330到350 nm之間的二氧化硅納米球，然后添加咪唑配體。二氧化硅小球上豐富的沉積位置有利于zif-67均勻地沉積在硅納米球的空隙中。隨后的退火過程可以獲得嵌入在二氧化硅納米球組件之間的相互連接的納米碳，而在樣品中則沒有觀察到來自ZIF-67顆粒的單個多面體納米碳。最后，通過KOH處理去除二氧化硅模板后，即可獲得ZOMC材料。2）TEM圖像顯示，ZOMC材料具有結構精準的互聯大孔結構，其中大孔直徑為350 nm，與二氧化硅模板的大小相對應。同時，如透明的碳殼所證明的那樣，殘留的鈷納米顆粒被注入到薄的碳基體中。此外，選區電子衍射(Saed)圖顯示了鈷晶體和碳的衍射點。HRTEM圖像還揭示了石墨碳層和鈷納米顆粒的存在。3）由基體催化劑組裝的鋅空氣電池具有221.1 mW cm-2的高功率密度，并且在500次放電/充電循環中具有良好的穩定性，超過了商用的Pt/C組裝電池。相互連接的大孔結構和豐富的鈷氮碳活性中心的協同效應使得基體催化劑具有優異的電催化活性和電池性能。此外，考慮到先進的納米結構和性能，所合成的雜化材料有望用于可充電鋅空氣電池和其他能源技術。該工作同時提供了用于長壽命電池的電催化的概念設計。Abdoulkader Ibro Douka, et al, A Zeolitic-Imidazole Frameworks-Derived Interconnected Macroporous Carbon Matrix for Efficient Oxygen Electrocatalysis in Rechargeable Zinc–Air Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002170https://doi.org/10.1002/adma.202002170
11. ACS Nano：高遷移率In2O3：H電極用于鈣鈦礦/CIS串聯太陽能電池
四端子（4-T）串聯太陽能電池（例如鈣鈦礦/ CuInSe2（CIS））依賴于三個透明導電氧化物（TCO）電極，這些電極在近紅外（NIR）區吸收中具有高遷移率和低自由載流子吸收率。瑞士聯邦材料試驗和科研研究所Yan Jiang和Fan Fu等人通過在磁控濺射過程中獨立控制H2和O2氣流，開發了可重復的In2O3：H（IO：H）膜沉積工藝。在230℃下退火，高度結晶的IO：H薄膜中產生高達129 cm2 V-1 s-1的高遷移率值。
1）H2和O2分壓的優化進一步降低了IO：H薄膜的結晶溫度至130 ℃。通過使用高度結晶的IO：H膜作為NIR透明鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中的前電極，可以實現17.3％的穩態功率轉換效率（PCE）和82％的平均透射率（介于820和1300 nm之間） 。結合18.1％的CIS太陽能電池，4T鈣鈦礦/CIS串聯器件配置獲得了24.6％效率。2）光學分析表明，當用作NIR透明PSC的背電極和CIS太陽能電池的前電極時，非晶IO：H膜（無后退火）和部分結晶的IO：H膜（在150°C下后退火）均可以勝過廣泛使用的銦摻雜氧化鋅（IZO）電極，從而在4-T薄膜的底部CIS電池中獲得1.38 mA/cm2的短路電流（Jsc）增益。Yan Jiang et al. High Mobility In2O3:H Electrodes for Four-Terminal Perovskite/CuInSe2 Tandem Solar Cells, ACS Nano 2020.https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03265
