1. Nature Energy：使用銅-分子固體催化劑通過直接八電子轉移將硝酸鹽電化學還原成氨
氨（NH3）對現代農業和工業至關重要，并且是潛在的能源載體。NH3傳統上是通過Haber-Bosch工藝在高溫高壓下合成的。該過程的需要高能量的輸入，這推動了在環境條件下通過氮（N2）-水反應合成電化學NH3的研究。然而，由于惰性N≡N鍵和N2的超低溶解度，這種低成本工藝的未來受到產率低和選擇性差的影響。而直接從非N2來源獲得NH3可以規避這些挑戰。近日，華南理工大學Haihui Wang，美國阿貢國家實驗室Jun Lu等報道了一種含有銅的晶體3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride催化劑(PTCDA)，可將硝酸鹽（NO3?）直接八電子電還原為NH3。1）實驗表明，該催化劑在-0.4 V（與可逆氫電極相比）的條件下，NH3生成率為436±85 μg h-1 cm-2，并且最大法拉第效率為85.9％。2）進一步研究發現，該催化劑高的性能歸因于其具有能夠抑制HER和促進H–N結合的獨特的Cu電子結構，以及有助于將質子和電子傳導至活性Cu位的PTCDA結構。Gao-Feng Chen, et al. Electrochemical reduction of nitrate to ammonia via direct eight-electron transfer using a copper–molecular solid catalyst. Nat. Energy, 2020DOI: 10.1038/s41557-020-0654-1https://www.nature.com/articles/s41560-020-0654-1
2. Nature Energy：基于C60/SnO2-x互連結構的全鈣鈦礦串聯太陽能電池
全鈣鈦礦串聯設備的效率正在迅速提高。但是，它們的復雜互連層（ICL）結構（通常具有四層或更多層通過不同的工藝沉積）限制了它們的應用前景。北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松團隊報道了一種僅由富勒烯層和SnO2-x（0 <x <1）ICL層組成的全鈣鈦礦串聯電池。1）C60層無意地被鈣鈦礦中的碘離子進行n-摻雜，因此作為有效的電子收集層。由于錫的不完全氧化而形成的SnO2-x層（x = 1.76）具有很大的Sn2+密度，從而具有雙極性載流子傳輸特性。C60/ SnO1.76 ICL與寬禁帶鈣鈦礦和窄禁帶鈣鈦礦亞電池形成歐姆接觸，接觸電阻率低。2）ICL將小面積串聯電池（5.9 mm2）和大面積串聯電池（1.15 cm2）的效率分別提高到24.4％和22.2％。連續照射1000 小時后，串聯電池仍保持其初始效率的94％。Zhenhua Yu et al. Simplified interconnection structure based on C60/SnO2-x for all-perovskite tandem solar cells，Nature Energy，2020https://doi.org/10.1038/s41560-020-0657-y3. Nature Materials：用于高性能可充電鋰電池的鋰金屬玻璃負極盡管有關鋰的成核和生長過程仍然是個謎，尤其是在納米級，但鋰一直被認為是高能可充電鋰電池的理想負極。為了探索鋰金屬的電沉積行為，已經開發了各種實驗技術來捕捉鋰金屬在不同階段和條件下的動力學過程，并探索其結構演變。雖然利用原位，Operando顯微鏡可以讓我們實時觀察到微觀結構的演變，但仍然很難捕捉到鋰金屬開始形核并隨后生長成穩定的微觀結構時鋰沉積的初始階段。為了將探測極限提高到納米甚至原子尺度，冷凍保護具有重要意義，以最大限度地減少束流損傷，同時保持鋰鍍層的固有結構。近年來，冷凍透射電子顯微鏡(Cryo-TEM)已被證明可用于研究鋰金屬的納米結構，揭示其結晶度和固體電解質中間相的變化。有鑒于此，加州大學圣地亞哥分校Ying Shirley Meng，愛達荷州國家實驗室Boryann Liaw報道了利用冷凍透射電子顯微鏡研究了鋰金屬鍍層在形核和生長過程中不同瞬態下納米結構的演變，觀察到了隨電流密度和沉積時間變化的無序-有序相變(DOPT)。1）反應分子動力學(r-MD)模擬描述了原子在空間和時間尺度上的相互作用，以幫助理解動力學。2）與晶態鋰相比，玻璃態鋰具有更好的電化學可逆性，是高能可充電鋰電池理想的結構。研究發現將晶核的結晶度與隨后納米結構和形貌的生長聯系起來，并為控制和塑造鋰金屬的介觀結構以實現高性能的二次鋰電池提供了策略。
Wang, X., Pawar, G., Li, Y. et al. Glassy Li metal anode for high-performance rechargeable Li batteries. Nat. Mater. (2020)DOI：10.1038/s41563-020-0729-1https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-14. Nature Materials：超快熱空穴注入對Au/p-GaN異質結中熱電子動力學的影響金屬納米結構對光的吸收會在金屬中產生熱電子和熱空穴的非平衡分布。以超快的時間尺度收集這些熱載流子對于非平衡光電和光催化具有廣闊的前景，但要有效地做到這一點，需要對光吸收后隨之產生的載流子動力學有一個完整的了解。盡管對熱電子的超快動力學進行了大量研究，然而迄今為止，關于金屬-半導體異質結構中熱空穴的時間演化仍然未知。有鑒于此，美國加州理工學院Harry A. Atwater?，瑞典烏普薩拉大學Jacinto Sá報道了從Au納米粒子向p型GaN的價帶進行超快（t <200 fs）熱空穴注入的研究。1）研究人員觀察到從Au 費米能級以下去除熱空穴會實質上改變熱電子的熱化動力學，從而降低峰值電子溫度和Au納米粒子的電子-聲子耦合時間。2）第一性原理計算表明，通過在與電子-電子散射相稱的時間尺度上調節金屬的電子結構，熱空穴注入可以改變Au納米顆粒中熱電子的弛豫動力學。這些結果促進了對金屬-半導體異質結中熱空穴動力學的理解，并為在超快時間尺度上操縱熱載流子動力學提供了有效策略。
Tagliabue, G., DuChene, J.S., Abdellah, M. et al. Ultrafast hot-hole injection modifies hot-electron dynamics in Au/p-GaN heterostructures. Nat. Mater. (2020).DOI：10.1038/s41563-020-0737-1https://doi.org/10.1038/s41563-020-0737-1
5. Nature Nanotechnology：通過Cu-Si合金形成控制層控單晶石墨烯薄膜堆疊順序
多層的石墨烯及其堆疊順序是其具有有趣的特性和在技術工程領域的應用的關鍵。目前已有報道幾種控制堆疊順序的方法，但是仍然缺少一種精確控制具有所需堆疊順序的層數的方法。近日，韓國基礎科學研究院Young Hee Lee，西班牙國家研究委員會Maria C. Asensio等報道了一種使用直接化學氣相沉積通過Cu-Si合金形成來控制晶圓級多層石墨烯薄膜的層厚度和晶體學堆疊順序的方法。1）作者在高溫下升華在Cu基底表面上的SiC合金的Si原子，實現了多層石墨烯精確控制，其厚度可達到四層，并具有確定的晶體學堆疊順序。2）作者用H2對Cu基底進行熱處理，在Cu表面引入Si，從而精確控制Cu膜中C的溶解度。均質SiC合金的形成對獲得于晶圓級層控制的石墨烯薄膜非常重要。3）作者通過納米角分辨光發射光譜確定了獲得的單晶或均勻取向的雙層（AB），三層（ABA）和四層（ABCA）石墨烯的晶體結構，并且結果與理論計算，拉曼光譜和傳輸測量相吻合。該工作對石墨烯和其它二維材料的層控制生長具有重要的意義。
Van Luan Nguyen, et al. Layer-controlled single-crystalline graphene film with stacking order via Cu–Si alloy formation. Nat. Nanotechnol., 2020DOI: 1038/s41563-020-0743-0https://www.nature.com/articles/s41565-020-0743-0
6. Angew：效率超21%的無電子傳輸層鈣鈦礦太陽電池
在過去的十年里，由于有機-無機鹵化鉛鈣鈦礦材料獨特的光電性能，如顯著的光吸收系數、可調的帶隙和易于溶液加工等，使得鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）取得了令人矚目的成就。由于透明導電氧化物（TCO）/鈣鈦礦界面發生了嚴重的界面電荷復合，其中TCO中的光電子可以返回并與鈣鈦礦層中的空穴復合。因此目前已報道的無電子傳輸層（ETL）PSCs的性能仍遜于含ETL的太陽能電池器件。近日，中山大學吳武強教授，澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授，美國北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松教授報道了用原子尺度的薄的非晶態氫氧化鈮(a-NbOH)層修飾TCO襯底，使得高性能、無ETL的PSCs具有超過21%的效率、可忽略的滯后以及增強的工作穩定性。這是迄今為止，經過簡化的器件結構的PSCs的記錄效率。1）嵌入在TCO和鈣鈦礦之間的a-NbOH過渡層不僅起到了降低界面電荷復合損耗的絕緣勢壘作用，而且還起到了促進電子提取和加強空穴阻擋的電子隧穿接觸的作用。2）a-NbOH層的表面富含羥基，促進了晶體的生長，從而獲得具有結晶度高、晶粒大、陷阱密度低的高質量鈣鈦礦薄膜。3）值得注意的是，這種薄、密、非晶、無機層間修飾策略有望用于制造大面積、無ETL的PSCs，對于孔徑為1.1 cm2的無ETL器件，顯示出相當高的效率，接近20.0%。Wu-Qiang Wu, et al, Suppressing Interfacial Charge Recombination in Electron Transport Layer-Free Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 21%, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI：10.1002/anie.202005680https://doi.org/10.1002/anie.202005680
7. Angew：光誘導的自逃逸球形核酸用于實現高效的非陽離子基因遞送
開發非陽離子基因載體和實現功能核酸在胞漿內的有效內體/溶酶體逃逸是基因遞送領域所面臨的兩大挑戰。新加坡國立大學劉斌教授提出了一種自逃逸球形核酸(SNA)概念，其具有內體/溶酶體逃逸能力，可以實現光控的非陽離子基因遞送。1）在該體系中，實驗將Bcl-2反義寡核苷酸(OSAs)偶聯于聚集誘導發光(AIE)的光敏劑(PS)納米顆粒的表面以形成核-殼SNA。一旦SNA被腫瘤細胞吸收，在光照下，AIE PSs產生和累積的1O2會破壞溶酶體結構，從而實現OSA的逃逸。2）體外和體內實現結果表明，基于AIE的核-殼SNA可在不需要任何轉染試劑的情況下顯著下調抗凋亡蛋白(Bcl-2)，進而誘導腫瘤細胞發生凋亡。
Leilei Shi. et al. Light Induced Self-Escape of Spherical Nucleic Acid from Endo/Lysosome for Efficient Non-Cationic Gene Delivery. Angewandte Chemie International Edition. 2020DOI: 10.1002/anie.202006890https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006890
8. Angew：負壓熱解誘導分散在3D石墨烯骨架上的高度可及的單位點以增強氧還原
載體的表面結構與催化中心的性質有關，其空間結構對催化過程中的傳質也起主導作用。近日，中科大吳宇恩教授，武漢理工大學Daping He報道了一種負壓熱解來獲得致密的單金屬中心(Co，Fe，Ni等)。三維（3D）石墨烯骨架（GFS）上，金屬有機骨架（MOF）內外的壓差促進了衍生碳層的解理和中孔的逐漸膨脹，具有很高的可及性。1）以鋅和鈷離子為金屬節點，以2-甲基咪唑為有機連接基，以甲醇為溶劑，首先通過溶劑法合成了一種雙金屬ZnCo-MOFs菱形十二面體。隨后將獲得的ZnCo-MOFs轉移到陶瓷皿中，并密封在剛玉石英管中，在其中用氮氣反復洗滌后，內外部壓差保持在ΔP= -0.02 MPa。然后將樣品迅速加熱至900 ℃，并在該溫度下保持3 h。在退火過程中，熱解過程將加速MOF內部氣體的產生，擴大MOF的腔體。這個過程就像一個“氣球效應”，內部和外部氣壓之間的差異決定了氣球的膨脹和破裂。同時，由于低沸點（bp 907 ℃），通過有機連接基碳化而還原的Zn節點被蒸發。相反，由于高沸點，Co節點仍保留在3D GFs（Co SAs / 3D GFs）上的原子分散。2）原位透射電子顯微鏡和Brunauer-Emmett-Teller測試表明，所形成的3D GFS具有增強的介孔和外比表面積，這極大地有利于金屬中心的傳質和利用。這有助于實現出色的氧還原反應活性（半波電位為0.901 V，vs. RHE)。3）通過原位透射電子顯微鏡（TEM）和密度泛函理論（DFT）計算進行的機理研究表明，負壓可促進在設計溫度下碳層的選擇性裂解和不穩定原子的蒸發，這會誘發鄰近金屬中心的缺陷，從而降低了總體ORR過電位。這項工作發現了結構-性質的相互關系，從而為設計用于實際應用的催化劑提供了一種思路。
Dr.Huang Zhou, et al, Negative pressure pyrolysis induced highly accessible single sites dispersed on 3D graphene frameworks for enhanced oxygen reduction, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI：10.1002/anie.202009700https://doi.org/10.1002/anie.202009700
9. Angew：電催化CO2還原過程中超薄鈀納米片的表面重構
電催化二氧化碳還原（CO2ER）制備增值化學品和燃料是一種有前景的方法，可以存儲可再生能源并減少人為的CO2排放。近日，新南威爾士大學Chuan Zhao等發現了富含缺陷的超薄鈀納米片催化劑用于電解還原CO2時的表面重構現象。1）原始的Pd納米片主要含（111）晶面位點，在電催化CO2ER過程中轉變為含電催化活性（100）位點的皺折片狀結構。2）Pd納米片的重構增加了活性位點的密度，并降低了Pd表面上的CO結合強度，從而顯著提高了CO2還原為CO的性能。3）重構的50 nm的 Pd納米片，在590 mV的過電勢下，具有6.6 mA cm-2的位點比活性，并實現了93％的高CO法拉第效率。4）實驗和理論研究表明，CO中間體是驅動CO2還原過程中Pd納米片結構轉變的關鍵因素。該工作突出了有缺陷的金屬納米片在反應條件下的動力學性質，并提出了二維金屬納米結構表面工程調節電催化性能的新機會。
Yong Zhao, et al. Surface Reconstruction of Ultrathin Palladium Nanosheets during Electrocatalytic CO2 Reduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202009616https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202009616
10. Angew: 金屬納米孔催化二氧化碳電還原的鉗子機制
具有納米孔的金屬催化劑有利于提高活性和選擇性，而其背后的原因一直不清楚。有鑒于此，天津大學杜希文教授、董存庫和Zhe Li等人，采用多孔鋅納米顆粒（P-Zn）作為模型催化劑研究了金屬納米孔的催化行為，發現了鉗形催化機制。1）首先采用一種新穎的合成技術，即液體脈沖激光燒蝕（PLAL）來生產多孔ZnO納米顆粒（P-ZnO），然后通過電還原將其轉化為多孔Zn納米顆粒（P-Zn）。2）原位光譜和密度泛函理論分析表明，凹形表面的催化位點涉及角鋅原子（CN = 5）和兩個相鄰的平面鋅原子（CN = 4），它們以角原子為軸構成了一個鉗子。平面原子像顎一樣，軸原子可以從下顎原子中吸取電子，從而使下顎原子成為反應物（CO2和H2O）的合適吸附位。此外，獨特的鉗形結構允許CO2和H2O反應物直接相互作用，從而促進后續的CO2電還原。3）因此，鉗形結構結合了電子效應和幾何效應，從而顯著降低了能壘，使P-Zn具有較高的FE（在-0.95 V vs RHE時為98.1％）用于生產CO。DFT計算表明，Co和Cu納米孔也表現出鉗形行為，表明這種機制在金屬納米孔中是普遍存在的。
Xiwen Du et al. Electroreduction of Carbon Dioxide in Metallic Nanopores through a Pincer Mechanism. Angew., 2020.DOI: 10.1002/anie.202008852https://doi.org/10.1002/anie.202008852
11. AM：工程鋼基材上的宏觀超潤滑性
“結構超潤滑性”是現代摩擦學中的一個重要的基本現象，在機械工程中有望大大降低摩擦力，但目前的實驗僅限于納米和微米尺度。近日，中科院蘭州化物所吉利研究員，李紅軒研究員，陳建敏研究員報道了一種將基于無限微觀接觸的結構超潤滑態擴展為大尺度超潤滑態的新原理。1）首先，利用工程鋼表面固有的或結構精致的微凸體，將宏觀表面接觸劃分為微觀點接觸。在每個微尺度的點接觸處，精心設計和進行預磨合期，形成層狀材料的有序逐層滑移結構，并將非均相的共價/離子或離子/離子2D材料結合起來，阻斷層狀滑移界面的強化學相互作用，獲得無公度接觸，從而滿足結構超潤滑性的前提條件。2）然后，將所獲得的每個微觀接觸點的結構超潤滑性擴展為大尺度超潤滑性，從而獲得穩健的大尺度超潤滑性。特別是，在激光毛化鋼基體上噴涂的非均相石墨烯/MoS2二元涂層具有很強的宏觀超潤滑性。此外，在高接觸應力下(1.37 GPa)，宏觀超潤滑狀態還可以擴展到幾種通用的非均質2D材料。3）最后，從結構超潤滑性的角度出發，研究人員提出了在實驗室實現強健的大尺度超潤滑性的通用原則，這對“結構超潤滑性”這一新概念在工業上的應用具有重要意義。
Panpan Li, et al, Toward Robust Macroscale Superlubricity on Engineering Steel Substrate, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002039https://doi.org/10.1002/adma.202002039
12. AM：用于非水Li–O2電池的多孔材料的研究現狀與前景
具有高的表面積，大的孔體積，可調的孔結構，優異的可定制性和尺寸效應的多孔材料已被廣泛用作鋰氧（Li-O2）電池的組件。近日，吉林大學徐吉靜教授綜述了多孔材料在鋰離子電池正極、負極、隔膜和電解液等方面的研究進展，并提出了解決目前存在的關鍵問題的方法。1）作者重點強調了多孔材料的功能化設計與Li-O2電池在加速氧還原反應(ORR)/析氧反應(OER)動力學、提高電極穩定性、控制鋰沉積、抑制溶解的氧化還原介質的穿梭效應和減緩電解液分解等關鍵挑戰之間的相關性。2）作者最后為多孔材料在鋰-氧電池系統中的開發和應用提供了合理的設計和創新方向。Huanfeng Wang, et al, Porous Materials Applied in Nonaqueous Li–O2 Batteries: Status and Perspectives, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002559https://doi.org/10.1002/adma.202002559.
