1. Nature Energy：碳納米管上分散的鎳酞菁鎳的分子工程用于選擇性CO2還原
電化學二氧化碳還原（CO2RR）是可持續生產燃料的有希望的途徑。目前，CO2RR面臨的巨大的挑戰是開發低成本，高效的電催化劑，以實現其高轉化率和高產品選擇性。最近，具有原子分散的嵌入在氮摻雜的碳基體的過渡金屬（M-N-C），已成為一種用于CO2RR的極有效電催化劑。有鑒于此，南方科技大學梁永曄教授，王陽剛副教授，俄勒岡州立大學Zhenxing Feng教授開發了一系列以碳納米管為載體的酞菁鎳分子（NiPc）的分散型電催化劑（MDE），其在高電流密度下的CO2RR實現了對CO的超過99%的選擇性和長期穩定性，在穩定性、活性和選擇性等方面均優于聚集態分子催化劑。1）研究人員合成了一個具有供電子甲氧基取代的NiPc（鎳(II)2,9(10),16(17)，23(24)-四(甲氧基)酞菁，NiPc-OMe）和一個具有吸電子氰基-基團取代的NiPc（鎳(II),2,3,9,10,16,17,23,24-十八烷酞菁，NiPc–CN）以研究NiPc側基官能化的作用。通過在酞菁上修飾側基，可以鑒定出具有甲氧基官能團的穩定的NiPc-OMe MDE。然后通過π-π堆積將原始的和取代的NiPc分子錨定在碳納米管的側壁上，以實現NiPc在導電碳納米管側壁上的分子分散，這防止了分子聚集，并促進了有效的電荷轉移到活性位點。2）研究發現，將NiPc–OMe MDE組裝在氣體擴散電極（GDE）裝置中，在?150 mA cm-2和0.50 V過電位下表現出穩定的性能，在40 h內對CO的選擇性超過99.5％，比先前報道的分子電催化劑更具活性，選擇性和穩定性。3）原位/Operando XAS和DFT計算研究結果表明，吸電子CN基團降低了鎳中心的電子密度，有利于還原活性中心的形成，從而提高了NiPc-CN MDE在低過電位下的電催化活性。但由于高過電位下的結構不穩定，其仍然存在衰減。與吸電子CN基團相比，供電子OME基團增強了Ni-N4位的Ni-N鍵強度，加速了CO的脫附，從而提高了催化劑的穩定性。此外，OME取代還穩定了*COOH中間體，進一步提高了對CO2RR的選擇性。
Zhang, X., Wang, Y., Gu, M. et al. Molecular engineering of dispersed nickel phthalocyanines on carbon nanotubes for selective CO2 reduction. Nat Energy (2020)DOI：10.1038/s41560-020-0667-9https://doi.org/10.1038/s41560-020-0667-9
2. Nature Energy：通過電解質和形態分析檢測和解決無負極電池故障
無負極鋰金屬電池的單位體積儲能比傳統鋰離子電池多60%。如此高的能量密度可以使電動汽車的續航里程增加約280 km，甚至有望用于城市電氣化。然而，這些電池一般具有快速的容量衰減和短循環壽命等問題。此外，關于金屬鋰的安全性問題仍未得到有效解決。近日，加拿大達爾豪斯大學J. R. Dahn報道了基于雙鹽碳酸鹽電解質的長壽命無負極電池，表征了具有稀薄液體電解質的無負極電池（2.6 g Ah-1）的降解。1）研究人員使用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線層析成像觀察最初的原始鋰形態的惡化，并使用核磁共振波譜（NMR）消除正負電極串擾對電解質降解的影響。此外，使用超聲透射圖，研究人員觀察到隨著鋰孔隙率的增加電解質消耗的減少的現象。由于鋰電極的孔隙率隨鹽耗盡而增加，因此電解質必須填充更大的體積，最終導致電解質耗盡和阻抗增大。這些因素最終導致無負極電池的容量衰減和耗盡。2）對于安全特性測試，研究人員利用釘子測量滲透過程中的電池溫度，并將其與文獻中報道的使用其他電解質的電池進行比較。3）研究人員基于上述結果開發一種優化的電解質，即雙鹽LiDFOB和LiBF4電解質，將無負極電池的壽命延長至200個循環。Louli, A.J., Eldesoky, A., Weber, R. et al. Diagnosing and correcting anode-free cell failure via electrolyte and morphological analysis. Nat Energy (2020).DOI：10.1038/s41560-020-0668-8https://doi.org/10.1038/s41560-020-0668-8
3. Nature Materials：用于多孔液體混合基質膜的溶液可加工金屬有機骨架
溶液可加工性對于許多工業過程（從電子到膜制造）至關重要。然而，與其它廣泛應用的合成固體如聚合物相比，金屬-有機骨架(MOF)由于其不分散性，因此很難通過溶液處理。近日，德國漢諾威大學Alexander Knebel，阿卜杜拉國王科技大學Anastasiya Bavykina，Yury Lebedev，Jorge Gascon報道了一種金屬-有機骨架，即高度結晶的多孔固體，可以通過使用N-雜環卡賓配體的外表面官能化來實現其可溶液加工性。1）沸石咪唑骨架ZIF-67的相對較大的納米顆粒（250nm）的選擇性外表面功能化可以穩定具有永久孔隙率的可加工分散體。2）所得的III型多孔液體可以直接用作液體吸附劑，也可以與最先進的聚合物共處理，以產生具有高負荷的混合基質膜，其不僅具有優異的機械性能，而且在具有挑戰性的丙烯和丙烷分離中具有出色的性能。Knebel, A., Bavykina, A., Datta, S.J. et al. Solution processable metal–organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nat. Mater. (2020)DOI：10.1038/s41563-020-0764-yhttps://doi.org/10.1038/s41563-020-0764-y
4. Acc. Chem. Res.綜述：共價有機骨架：孔設計與界面工程
如同水通道蛋白和離子通道，自然界會根據單個孔或通道進化出獨特的分子孔，從而實現相關生物學功能。另一方面，科學家通過探究多孔結構以實現在材料中構建致密的孔隙。在過去的一個世紀里，化學的進步極大地推動了多孔材料合成的發展。包括從無機單元到有機單元，從反復試驗到模塊制造，再到完全可預設計的孔，從苛刻的制備方案到環境合成方法的發展。在過去的15年中，研究人員探索了一種基于有機和高分子化學的分子平臺，用于人造孔的設計以實現不同的孔徑，形狀，壁和界面。這其中包括一類新興的聚合物共價有機骨架（COFs）。COF是一類晶體多孔聚合物，可將有機單元整合到具有周期性有序骨架和輪廓分明的孔的擴展分子框架中。有鑒于此，新加坡國立大學江東林教授通過強調設計原理，合成策略以及獨特的多孔特征及其影響，總結了各種孔界面的通用合成策略。1）研究人員通過突出基于直接聚合和孔表面工程的一般策略來說明孔界面設計，以構建具有不同功能單元的孔壁。通過對官能團進行預先設計和綜合控制，以實現預定的組分，位置和密度，從而將各種特定孔壁界面安裝到每個特定孔中。2）研究人員通過闡明界面、分子和離子之間相互作用來展示具有層次化結構的孔界面，其范圍廣泛，包括從氫鍵到偶極?偶極/四極相互作用、靜電相互作用、酸?堿相互作用、配位和電子相互作用。3）通過揭示功能設計方案和界面功能相關性，研究人員對其獨特的吸附與分離、催化、能量轉換與儲存、質子與金屬離子傳輸等性質和功能進行了詳細的分析。4）研究人員預測了基于COFs孔設計需要解決的基本關鍵挑戰，并指出了以最終功能為目標的人工孔設計的未來研究方向。總之，孔界面工程為多孔材料開發開辟了一條道路，這些材料在結構和功能的預設計中仍然具有挑戰性。
Zhuoer Li, et al, Covalent Organic Frameworks: Pore Design and Interface Engineering, Acc. Chem. Res., 2020DOI：10.1021/acs.accounts.0c00386https://dx.doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00386
5. Chem：金屬連接肽納米結構的折疊和組裝
折疊和組裝分別是分子內和分子間的過程，自發地產生預定的、明確的分子結構。雖然這些機理的協同過程已經在螺旋線圈和β-片材上進行過研究，但在合成領域中卻很少同時應用。日本東京大學Makoto Fujita和Tomohisa Sawada等人開發了一種新的折疊和組裝（F＆A）策略，其中通過相互幫助和誘導彼此的過程，同時發生短肽片段的折疊和金屬定向自組裝。1）根據序列設計，每個短肽配體在金屬配位過程中表現出一種特定的構象，并同時組裝成一種先進的納米結構，這在已知的合成方法中是很難實現的。2）從這個角度揭示了F&A策略的概念、實例、所獲得結構的功能以及未來的發展方向。?自下而上的構建超過10 nm大小的、明確定義的分子框架（人工病毒衣殼）Tomohisa Sawada, et al., Folding and Assembly of Metal-Linked Peptidic Nanostructures. Chem 2020.https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.07.002
6. Chem：超小雙金屬納米顆粒和多孔離子交換聚合物復合材料用于氫傳感器
雙金屬納米顆粒（BM-NPs）由于其超高的表面反應活性，在催化、傳感和電子學等領域受到廣泛關注。為了在各種應用中有效利用BM-NPs，需要強有力的合成方法來合成直徑小于幾納米的非聚集功能性BM-NPs。近日，韓國科學技術院Il-Doo Kim，麻省理工學院Timothy M. Swager報道了通過使用多孔離子交換聚合物進行超小BM-NPs的合成，進而設計出能夠進行無線檢測的高性能氫傳感器。1）通過使用多孔離子交換聚合物，使得互補電荷的離子金屬前體能夠均勻擴散和固定到聚合物基質中，進而實現精確調節BM-NP的大小和組成。同時，在剛性多孔基質內進行化學還原以生成NPs會產生具有高氣體滲透性的材料，并抑制NPs的尺寸增長。因此通過一種穩健、方便的方法，實現在多孔聚合物基質中合成尺寸超小(低至1 nm)、分散性良好的BM-NPs（PdPt NPs）。2）由于雙金屬PdPt納米顆粒具有高而獨特的活性，同時表現出吸氫和除氧反應，因此基于PdPt NPs的氫敏傳感器在空氣中具有優異的氫敏特性。氫敏傳感器的檢測限(LOD)為0.4 ppm。此外，傳感器系統可以與射頻識別(RFID)系統配對，用于檢測密封氣頭空間中的氫氣。
Koo et al., Hydrogen Sensors from Composites of Ultra-small Bimetallic Nanoparticles and Porous Ion-Exchange Polymers, Chem (2020)DOI：10.1016/j.chempr.2020.07.015https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.07.015
7. AM：Weyl半金屬 WTe2中非常規的電荷-自旋轉換
拓撲量子材料的一個突出特點是它們的電子能帶結構中具有新穎的自旋拓撲，并具有很高的電荷自旋轉換效率，其在凝聚態物理和自旋電子技術中引起了極大的關注。近日，查爾默斯工業大學Saroj P. Dash等報道了II型Weyl半金屬候選物WTe2中的電荷電流誘導的自旋極化，以及在高達室溫的石墨烯通道中的高效自旋注入和檢測。1）與常規自旋霍爾效應和Rashba-Edelstein效應相反，這些測量表明WTe2中存在非常規的電荷轉自旋轉換，這是系統的晶體對稱性所禁止的。WTe2中如此大的自旋極化可能是由于晶體對稱性降低以及其大的自旋貝里曲率，自旋軌道相互作用以及費米態的新型自旋結構而引起的。2）作者證明了一種可靠且實用的方法，可利用電荷自旋轉換及其逆現象同時創建和檢測這種自旋極化，并利用該方法在室溫的石墨烯通道中高效地自旋注入和檢測。該工作的報道為將拓撲Weyl材料用作全電范德華自旋電子電路中的非磁性自旋源以及低功率和高性能非易失性自旋電子技術提供了機會。
Bing Zhao, et al. Unconventional Charge–Spin Conversion in Weyl‐Semimetal WTe2. Adv. Mater., 2020DOI: 10.1002/adma.202000818https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000818
8. AM：聚合物粘結劑的原位去保護基團用于溶劑型可加工硫化物全固態電池
硫化物全固態電池（ASSBs）由于其優越的安全性，可有效替代當前鋰離子電池（LIBs）。然而，由于在漿料制備過程中粘合劑，溶劑和硫化物電解質的極性不兼容，目前尚未建立基于解決方案的可擴展制造方案。近日，韓國首爾大學Kookheon Char，Jang Wook Choi報道了一種基于保護-去保護化學的新穎粘合劑設計，在電極制備過程中通過去除叔丁基保護基團來切換粘結劑的極性，解決了漿液中三個電極成分（溶劑，粘合劑和SE）之間極性兼容的棘手問題。1）去除保護基團時，暴露出極性羧酸基團，這使得與NCM活性材料的氫鍵相互作用能夠顯著提高粘合強度，甚至超過已建立的LIB電極的水平。2）當在全固態半電池和全電池設置下進行測試時，（去除保護基團）聚(丙烯酸叔丁酯)-b-聚(1，4-丁二烯)（TBA-b-BR）電池與丁二烯橡膠（BR）及其受保護類似物電池相比，表現出更優異的循環和倍率性能，揭示了去除保護基團可有效改善關鍵電池性能參數。3）電化學性能和粘附性的改善歸因于顆粒間的緊密接觸以及界面穩定性的改善。
Jieun Lee, et al, In Situ Deprotection of Polymeric Binders for Solution-Processible Sulfide-Based All-Solid-State Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202001702https://doi.org/10.1002/adma.202001702
9. AM：層狀反鐵磁性誘導范德華半導體CrSBr中大的負磁阻
可剝離的范德華（vdW）化合物材料的磁性的發現吸引了人們對該材料的廣泛興趣，無論是用于基礎研究還是技術應用。但是，當前的vdW磁體受到其對空氣的極端敏感性，低溫度和較差的電荷傳輸性能的限制。近日，哥倫比亞大學Cory R. Dean，Xavier Roy等報道了CrSBr的磁性和電子性質，這是一種空氣穩定的vdW反鐵磁半導體，容易垂直于堆疊軸分裂。1）在其Néel溫度以下（TN = 132±1 K），CrSBr具有A型反鐵磁結構，每個單獨的層在內部被鐵磁排列，并且各層沿堆疊方向反鐵磁耦合。2）掃描隧道光譜和光致發光（PL）光譜研究表明，其電子間隙為ΔE= 1.5±0.2 eV，相應的PL峰集中在1.25±0.07 eV。3）作者通過磁傳輸測量證明了CrSBr中磁序和傳輸性能之間的強耦合，從而導致了較大的負磁阻響應，這在vdW材料中是獨一無二的。該工作表明，CrSBr有望成為增加vdW磁體在自旋電子學領域的適用性的有前途的材料平臺。
Evan J. Telford, et al. Layered Antiferromagnetism Induces Large Negative Magnetoresistance in the van der Waals Semiconductor CrSBr. Adv. Mater., 2020DOI: 10.1002/adma.202003240https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003240
10. AM: 通過分子水平柔性界面層減少界面張力的鈣鈦礦薄膜用于光伏應用
在鈣鈦礦結晶過程中，界面應變和晶格畸變是不可避免的問題。硅烷作為偶聯劑是一種流行的界面修飾層，可增強半導體器件中無機材料與有機材料之間的相容性。蘇州大學的Zhaokui Wang等人采用TiO2和鈣鈦礦層之間的質子化胺硅烷偶聯劑（PASCA-Br）界面修飾層，通過形成晶格單元的結構成分來錨定。界面層上方的枕狀烷基溴化銨末端為鈣鈦礦提供了良好匹配的生長位點，從而減輕了界面應變并導致晶格畸變；同時，其優異的化學相容性對修復鈣鈦礦中未配位的Pb原子和鹵素空位具有理想的效果。PASCA-Br界面層還可以用作機械緩沖層，從而在彎曲時產生較少裂紋的鈣鈦礦膜。該分子級柔性界面層為鈣鈦礦型太陽能電池及其柔性應用提供了有前途的界面工程，在剛性和柔性基底分別獲得了超過21.6%和17.4%效率。Zhang, C.‐C., Yuan, S., Lou, Y.‐H., Liu, Q.‐W., Li, M., Okada, H., Wang, Z.‐K., Perovskite Films with Reduced Interfacial Strains via a Molecular‐Level Flexible Interlayer for Photovoltaic Application. Adv. Mater. 2020, 2001479.https://doi.org/10.1002/adma.202001479
