1. Chem. Soc. Rev.：金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶體中的摻雜和離子取代
過去十年見證了金屬鹵化物鈣鈦礦的合成及其在多種光電應用中的巨大進步。鈣鈦礦金屬鹵化物的通式為ABX3。特別地，由于最近鈣鈦礦納米晶體的快速發展，金屬鹵化物鈣鈦礦的光致發光（PL）性質引起了很多關注。封端配體的引入使得能夠合成膠體鈣鈦礦納米晶體，與大體積的對應物相比，該晶體對尺寸依賴性的物理性質提供了新的見解。值得注意的是，摻雜和離子取代代表了用于調整鈣鈦礦納米晶體的光電性質（例如，吸收帶隙，PL發射和量子產率（QY））和穩定性的有效策略?？梢酝ㄟ^將新的A'，B'或X'位離子摻入ABX3鈣鈦礦的A，B或X位離子，在膠體納米晶體合成過程中或之后進行摻雜和離子取代過程。有趣的是，可以在膠態鈣鈦礦納米晶體上進行等價和雜價摻雜以及離子取代。喬治亞理工學院的林志群和湘潭大學Yijiang Liu等人對此展開概述研究。盡管這些設備表現出合理的熱穩定性，但它們在照明或穩定的功率輸出（SPO）下首先介紹了鈣鈦礦納米晶體合成的一般背景。然后詳細介紹了A位，B位和X位離子摻雜和取代對膠體金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶體的光電性能和穩定性的影響。最后，討論了摻雜和離子取代的膠體鈣鈦礦納米晶體的可能應用和未來的研究方向。
Cheng-Hsin Lu et al. Doping and ion substitution in colloidal metal halide perovskite nanocrystals，Chem. Soc. Rev., 2020. https://doi.org/10.1039/C9CS00790C
2. Chem. Rev.: 水凝膠及其衍生材料在能源和水可持續性領域的應用
能源和水是現代社會的重要基礎，可持續能源的儲存和轉化以及水資源管理的先進技術是世界各國深入研究的重點。除了其傳統的生物應用之外，水凝膠由于其獨特的性質和可控的理化特性，正成為能源和水相關應用的一種有吸引力的材料。有鑒于此，德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人，綜述了水凝膠和水凝膠衍生材料在能源和水可持續性應用等領域的應用研究進展。1）重點介紹了各種水凝膠的高度可控合成，其中涉及關鍵的合成元素，例如單體/聚合物結構單元，交聯劑和功能性添加劑，并討論了如何將水凝膠用作前驅體和模板設計電化學活性材料的三維結構骨架。2）然后，根據凝膠化學的基本原理，對水凝膠材料的結構-性能關系進行了深入的討論，并最終討論了諸如離子/電子導電性增強、機械強度、柔韌性、刺激響應性和理想的溶脹行為等性能。水凝膠獨特的相互連接的多孔結構可實現快速的電荷/質量傳輸，同時提供較大的表面積，并且可以調節聚合物與水之間的相互作用，以實現水凝膠內所需的保水，吸收和蒸發。3）這種結構衍生的特性也被緊密地協調，以實現針對不同目標設備的多功能性和穩定性。應用的例子集中在電池，超級電容器，電催化劑，太陽能水凈化，和大氣水收集，這些都展示了水凝膠和水凝膠衍生材料所帶來的空前的技術潛力。最后，分析了面臨的挑戰和應對它們的潛在方法，以揭示其潛在機制，并將目前的水凝膠材料發展轉化為可持續能源和水技術。
Youhong Guo et al. Hydrogels and Hydrogel-Derived Materials for Energy and Water Sustainability. Chem. Rev., 2020.DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00345https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00345
3. Science Advances: 以精子為模板的軟磁微型機器人
借助微型機器人進行的微創外科手術和靶向治療是創新技術，可同時降低干預水平，將藥物集中在某些位置，從而降低負面副作用的風險。于此，德國德累斯頓工業大學Veronika Magdanz和荷蘭特文特大學Islam S. M. Khalil等人通過靜電自組裝非運動精子細胞和磁性納米顆粒，開發出生物混合磁性微機器人。1）將生物實體整合到微型機器人中，除了形狀模板外，還具有許多功能優勢，例如容易吸收化療藥物以實現靶向藥物輸送。研究人員提出一種一步法靜電自組裝技術來制造鐵精子（IRONSperms），模仿運動精子細胞運動的軟磁微泳。2）實驗和理論預測表明，在驅動頻率為8Hz、精密角度為45°時，鐵精子的游動速度超過0.2體長/s（6.8±4.1μm/s）。3）證明了納米顆粒涂層增加了精子細胞的聲阻抗，并利用超聲反饋實現了鐵精子簇的定位。也證實了這些微型機器人的生物相容性和載藥能力，以及它們作為體內靶向治療的生物相容性、可控性和可檢測的生物雜交工具的前景。
Veronika Magdanz, et al., IRONSperm: Sperm-templated soft magnetic microrobots. Science Advances 2020.DOI: 10.1126/sciadv.aba5855https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eaba5855
4. Angew: 揭示鐵單原子催化劑上甲烷的非氧化轉化之謎
隨著石油資源消耗的增加以及頁巖氣，天然氣水合物和沼氣的大規模發現，用天然氣等相對豐富的資源代替石油來生產液體燃料和基礎化學品已成為學術界和工業界研究的重點。甲烷的轉化既可以通過合成氣（CO和H2的混合物）的間接途徑實現，也可以通過諸如甲烷的氧化偶聯（OCM），甲烷的選擇性氧化（SOM），和甲烷的非氧化脫氫芳構化（MDA）等直接途徑來實現。其中，直接非氧化途徑是比較理想的，因為它比間接途徑更經濟、更環保，可以繞開多個反應步驟，而其他氧化直接途徑往往涉及過氧化。然而，直接非氧化途徑遭受甲烷活化的重大挑戰，因為CH4具有低電子親和力，零偶極矩和高C-H鍵能（439 kJ/mol）。非氧化途徑的另一個缺點是嚴格的熱力學約束，這通常需要高溫和苛刻的條件。因此，尋找在相對溫和的條件下實現甲烷非氧化轉化的獨特催化劑是催化界的長期目標。Bao等人在二氧化硅限域單原子鐵催化劑（Fe1?SiO2）上直接進行甲烷的非氧化轉化（Science，2 014，344，616）是催化科學中的一個里程碑式的發現。然而，最初提出的氣相反應機理存在很大爭議。有鑒于此，清華大學李雋教授等人，通過綜合的計算模型和仿真，提出了一種表面反應機理。1）研究表明，甲烷的活化發生在單一的鐵位點，而解離的甲基在反應條件下不利于解吸成氣相。2）相比之下，解離的甲基更喜歡轉移到活性中心的相鄰碳位點（Fe1?SiC2），然后進行C-C偶聯和氫轉移，從而通過關鍵的-CH-CH2中間體生成主要產物（乙烯）。3）發現了一種準Mars-van-Krevelen（準MvK）表面反應機制，該機制涉及提取和重新填充表面碳原子，以實現甲烷在Fe1?SiO2上的非氧化轉化，并且這種新的表面過程被認為比氣相反應機理更可行。
Jun Li et al. Unravelling the Enigma of Nonoxidative Conversion of Methane on Iron Single‐Atom Catalysts. Angew., 2020.DOI: 10.1002/ange.202003908https://doi.org/10.1002/ange.202003908
5. Angew：鋰金屬電池固體電解質相間促進劑的溶劑化規則
盡管金屬鋰負極具有極高的能量密度，但由于鋰金屬與電解液界面的不穩定性，嚴重阻礙了鋰金屬電池（LMBs）的實際應用。由于溶劑的電化學性質會受到溶劑化狀態的嚴重影響。因此要形成能穩定鋰金屬負極的功能性電解質體系，充分了解溶劑分子的溶劑化行為具有重要意義。近日，阿貢國家實驗室Chi-Cheung Su，Khalil Amine報道了通過各種電化學和溶劑化研究，固體-電解質界面（SEI）促進劑在LMBs電解質中的溶劑化規則。1）研究人員將氟乙烯碳酸酯用作SEI促進劑，其能夠在鋰金屬表面形成堅固的SEI，同時實現相對穩定的LMB循環。2）結果表明，氟乙烯碳酸酯的溶劑化數必須為≥1，才能保證形成穩定的SEI，其中SEI促進劑的犧牲還原會導致LMBs的穩定循環。Chi-Cheung Su, et al, Solvation Rule for Solid-Electrolyte Interphase Enabler in Lithium Metal Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2020https://doi.org/10.1002/anie.202008081
6. Angew：利用二維Bi2O2Se進行痕量氧檢測
在新興的物聯網時代，二維(2D)材料因其迷人的電學性質、大的比表面積和高度集成的可行性，在環境氣體分子檢測方面具有巨大的應用潛力。然而，開發檢測下限在亞ppm范圍內的痕量氧敏2D材料和器件仍然是一個挑戰。近日，北京大學彭海琳教授報道了利用二維Bi2O2Se納米板成功制成了電阻型氧敏元件，并展示了其顯著的靈敏度，其最低檢測率為0.25 ppm，并且在室溫下具有高選擇性和長期穩定性。1）研究人員首次通過掃描隧道顯微鏡（STM）和第一性原理計算研究了Bi2O2Se的痕量氧檢測機理。研究發現Bi2O2Se暴露于氧時顯示出具有改善比表面積的非晶Se原子層。2）研究人員用原位常壓X射線光電子能譜（APXPS）研究了Bi2O2Se表面的非晶態Se原子層，證明了Bi2O2Se在環境氧氣濃度降至4.0×10-11mol/L時仍能吸附可觀測到的氧量。3）霍爾測量表明，吸附的氧分子會降低二維Bi2O2Se的載流子密度和遷移率，從而降低其電導率。4）這種二維Bi2O2Se傳感器具有良好的選擇性、合理的耐用性和對0.25-400 ppm氧氣的寬范圍響應。此外，研究人員還制作了陣列式2D Bi2O2Se傳感器，并將其集成到并行連接形式中，表現出增強的信噪比，以實現低于0.25 ppm的最小檢測。
Shipu Xu, et al, Exploiting Two-Dimensional Bi2O2Se for Trace Oxygen Detection, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI：10.1002/anie.202006745https://doi.org/10.1002/anie.202006745
7. Angew：三角空心多酸框架內的超穩定{Ag7}5+納米團簇
小型Agn納米團簇（n <10）由于其獨特的電子態和光學特性，有望應用于傳感，生物標記和催化等諸多領域。然而，由于小型Ag納米團簇的穩定性低，因此其合成，結構確定和性質的探索仍然是主要挑戰。近日，東京大學Kosuke Suzuki，Kazuya Yamaguchi等報道合成了一個由新穎的三角形中空多金屬氧酸鹽（POM）框架[Si3W27O96]18?支撐的原子精確的面心立方型小型納米團簇Ag7。1）三腔隙前驅體[SiW9O34]10-可以用來生成新型的三角形空心POM框架。2）高分辨率電噴霧電離（ESI）質譜和密度泛函理論（DFT）計算表明，Ag7團簇的兩個價電子在納米簇上離域，形成{Ag7}5+納米團簇在可見光和紫外光區域均顯示出獨特的{Ag7}5+-POM電荷轉移帶。3）此外，該小的{Ag7}5+納米團簇在溶液中表現出前所未有的超穩定性，盡管具有暴露的Ag位點，且這些位點可以被小分子（例如O2，水和溶劑）接觸。
Kentaro Yonesato, et al. An Ultrastable, Small {Ag7}5+ Nanocluster within a Triangular Hollow Polyoxometalate Framework. Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202008402https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008402
8. Nano Letters：一種簡便、快速、高產率地合成銀納米線的方法
銀納米線（AgNWs）結合了高導電性和可見光的弱消光，被廣泛應用于從透明電極到溫度和壓力傳感器。目前，合成AgNWs最常用的策略是多元醇合成，而這往往會形成銀納米顆粒副產物。這些納米顆粒會降低基于AgNWs的器件的性能，必須通過幾個純化步驟將其去除。近日，荷蘭基礎能源研究所Andrea Baldi報道了一種簡單的高通量合成銀納米線的方法，副產物最少，反應時間和操作溫度之間存在直接的關系。1）通過對樣品的光學消光光譜和電子顯微鏡圖像的時間分辨分析，研究人員闡明了AgNWs的形狀演化過程。特別地，一旦形成了球形的銀種子顆粒，銀納米線的生長速度就非?？欤?60 °C的溫度下，反應在24 min內就完成了。而在形成AgNWs后，它們可以降解回顆粒，表現為其光學消光峰半高寬的增加和λ>500 nm時背景消光的增加。2）當反應在敞開的容器中進行時，研究發現納米線降解更快，因此可以通過密封容器以抑制氣泡形成而使納米線降解最少。3）在AgNWs合成過程中，研究人員發現僅需改變溶液溫度即可控制反應動力學，而不會顯著改變反應機理。這種簡化的合成方法避免了使用注射泵，大大減少了AgNWs的生產時間和成本，并使其更容易擴展到工業應用中。
Matteo Parente, et al, Simple and fast high-yield synthesis of silver nanowires, Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01565https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01565
9. AM：用于鋰硫電池液-固氧化還原轉化的雙向催化劑
催化加速轉化是抑制鋰硫（Li-S）電池中可溶性多硫化物穿梭的一種很有前途的方法，但已報道的催化劑大多只作用于單向的硫反應（還原或氧化），無法實現硫物種的快速循環利用。因此，催化加速轉化是抑制鋰硫(Li-S)電池中可溶性多硫化物穿梭的一種很有前途的方法。近日，清華大學深圳國際研究生院呂偉副研究員，北京航空航天大學張千帆副教授，天津大學楊全紅教授報道了一種氧化物-硫化物異質結構的雙向催化劑設計，既加速了可溶性多硫化物的還原，又加速了不溶性放電產物（如Li2S）的氧化，為提高循環穩定性和硫利用率指出了一條根本途徑。1）通過在Ni3S2表面原位生長TiO2納米顆粒來制備TiO2-Ni3S2異質結構，而緊密結合的界面是實現雙向催化的關鍵。2）對于還原反應，TiO2捕獲電子，而Ni3S2催化轉化多硫化物。對于氧化反應，TiO2和Ni3S2均表現出溶解Li2S的催化活性，使催化劑表面煥然一新。3）用TiO2-Ni3S2制備的硫正極在0.5 C下，循環900 h后的容量衰減率為0.038%，特別是硫負載量為3.9 mg cm-2時，在0.3 C下，循環500 h容量保持率高達65%。這項工作揭示了雙向催化劑的作用機理，以推動鋰硫電池的實用化。
Ruochen Wang, et al, Bidirectional Catalysts for Liquid–Solid Redox Conversion in Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202000315https://doi.org/10.1002/adma.202000315
10. AM：鈉離子電池的高效正極鈉補償
由于地球上鈉來源豐富、成本低廉，鈉離子電池在大規模固定儲能方面的潛在應用引起了人們的極大關注。然而，在硬碳負極的固體電解質界面（SEI）形成過程中，正極鈉離子的不可逆消耗嚴重影響了鈉離子全電池（SIFCs）的電化學性能。近日，中科院化學研究所郭玉國研究員報道了一種高效正極鈉鹽補償劑-草酸鈉（Na2C2O4），其理論容量高達400 mA h-1，容量利用率高達99%。1）通過調節不同物理化學特性的導電添加劑，研究人員將Na2C2O4氧化電位從4.41降至3.97 μV，成功實現了Na2C2O4作為犧牲鈉物種，并分析了相應的氧化電位調控機理。2）電化學分析結果表明，在以硬碳為負極，P2-Na2/3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2為正極，以Na2C2O4為鈉源的全電池中，200次循環后容量保持率從63%提高到85%，能量密度從129.2 W h kg-1提高到172.6 W h kg-1。
Yu-Bin Niu, et al, High-Efficiency Cathode Sodium Compensation for Sodium-Ion Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202001419https://doi.org/10.1002/adma.202001419
11. AM：具有埃級通道石墨烯膜的選擇性滲透水用于濃縮生物乙醇
從理論上講，基于石墨烯的層壓膜可以選擇性地從乙醇-水溶液中轉移乙醇，同時阻止水進入。近日，澳大利亞莫納什大學王煥廷教授報道了將殼聚糖衍生的碳片插入熱還原氧化石墨烯(GO)片中，從而制備出具有堅固埃級通道的石墨烯膜(ACGMs)。1）研究人員研究了具有堅固和連續的狹窄孔（平均孔徑為3.9?）的ACGMs對乙醇的脫水作用。令人驚訝的是，在乙醇-水溶液的存在下，只有水可以滲透ACGMs。2）對于含90wt％乙醇的水-乙醇混合溶液，水可以選擇性地滲透ACGMs，在20 °C下的水通量為63.8±3.2 kg m-2 h-1，在60 °C下的水通量為389.1±19.4 kg m-2 h-1 °C，比傳統的滲透膜高兩個數量級。這意味著ACGMs可以在室溫下有效地工作。此外，乙醇可以快速濃縮到高純度（99.9wt%）。3）ACGMs有望以高效率生產生物乙醇，從而提高其工藝的可持續性。
Xiaofang Chen, et al, Selective Permeation of Water through Angstrom-Channel Graphene Membranes for Bioethanol Concentration, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002320https://doi.org/10.1002/adma.202002320.
12. ACS Cent. Sci.: 新興的多功能單原子催化劑/納米酶
單原子催化劑（SAC）代表金屬原子的最大利用效率，其中金屬活性位點在載體上被隔離，并被諸如氧，氮，硫等的配位原子穩定。得益于近年來在合成策略，表征方法和計算模型的最新進展，已開發出許多SAC，它們可在各種反應表現出優異的催化性能。催化選擇性和活性是納米技術和生物醫學領域需要優化和增強的關鍵問題。有鑒于此，新加坡南洋理工大學樓雄文教授等人，綜述了近年來在闡明SAC結構及其對催化性能的影響方面的一些實驗和理論進展。詳細介紹了SAC的用途，并強調了這些催化劑在生物醫學，環境保護和能量轉換應用中的優勢。最后，還討論了SAC當前面臨的挑戰和未來前景。1）得益于孤立活性位點的獨特結構和電子特性，SAC為各種各樣的催化反應提供了廣闊的機會。憑借不飽和配位環境和反應中心均質性的優勢，SACs可視為均相催化劑、多相催化劑和酶之間的概念橋梁?？偟膩碚f，盡管取得了巨大的成功，但在SACs的研究和實際應用中仍然存在許多挑戰。2）(1)金屬原子的負載量一般在5% wt %以下，這極大地限制了SACs的性能滿足實際工業應用的要求。金屬與載體之間的強相互作用是構建高負載量催化劑的前提。因此，通過增加載體上的錨位點或錨定能力，在孤立的金屬原子與支架之間構建強配位環境是迫切需要的。（2）調節SACs電子結構的研究仍處于早期階段。許多催化過程是復雜的多步反應，這意味著單個位點可能無法活化所有中間體。應強調孤立原子與配位原子之間的電子耦合，以及相關的非金屬原子的催化活化作用。（3）闡明特定反應中的實際活性位點對于深入了解結構與活性之間的關系至關重要，這有助于合理設計高效催化劑。3）（4）必須解決穩定性問題才能使SAC得到廣泛應用。由于其固有的活性優勢，SACs在實際應用中極具吸引力。然而，由于催化過程中，特別是在金屬負載量較高的情況下，可能會發生團聚和浸出，使得催化劑的穩定性仍然是一個大問題。選擇合適的金屬和合適的載體并改善它們之間的相互作用是最有效的策略。此外，通過減少催化過程中孤立反應中心的聚集，加強金屬與載體的相互作用也可以確保穩定性。此外，形成雙原子活性位點是增強穩定性的另一種有效策略。（5）催化選擇性是一個重要的工業參數。與一些顆粒/團簇催化劑相比，SACs的催化選擇性有了很大提高，但在提高催化選擇性方面仍有很大的空間。（6）在生物醫學應用中， SAzymes的長期生物安全性是至關重要的問題之一，但尚未得到充分研究。與小的生物分子相比，SAzymes往往具有相對較大的尺寸和較高的穩定性，從而導致更長的血液循環時間和一些不良反應，從而阻礙了其潛在的生物醫學應用。因此，精確設計生物相容性SAzymes并為將來的臨床應用進行SAzymes生物安全性的全面評估非常重要。例如，利用豐富的官能團進行表面修飾，可以進一步提高SACs的生物相容性，同時使其功能多樣化，適用于不同的生物醫學用途。總之，該工作為SAC的工程設計和理解提供了一些新的觀點，并有望進一步推動這一新興領域的發展。
Huabin Zhang et al. Emerging Multifunctional Single-Atom Catalysts/Nanozymes. ACS Cent. Sci., 2020.DOI: 10.1021/acscentsci.0c00512https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c00512
