1. Chem. Soc. Rev.綜述：催化劑-電解質界面化學用于電化學還原二氧化碳
電化學還原二氧化碳可以將間歇性可再生能源儲存在有價值的材料中，如化學品和運輸燃料，同時最大限度地減少碳排放，促進碳中性循環。最近的技術經濟報告提出了二氧化碳電還原的經濟可行目標產品以及在實際工業規模應用中，關鍵性能參數如法拉第效率(FE)、電流密度和過電位的相對影響。同時，應該考慮與電化學CO2還原性能相關的基本因素，如有效的反應途徑、中間產物、競爭析氫反應、中間結合能和CO2的傳質限制等。目前大量的研究工作致力于設計和開發先進的電催化劑，同時提高對機理的理解。由于界面區域可以精細地調節催化活性，最近的研究重點已擴展到催化劑環境的影響，并提出有效的解決方案來應對材料開發研究中未完全解決的挑戰。有鑒于此，韓國科學技術院（KIST）Ung Lee ，Yun Jeong Hwang綜述了目前對催化劑-電解質界面的研究及其對CO2RR性能的影響，包括FE、過電位和電流密度，以及控制界面的策略。1）作者首先在前期技術經濟分析報告的基礎上對CO2電還原技術的經濟可行性進行了評估。技術經濟結果有助于確定實際實施中應優先考慮的關鍵操作參數，如FE、操作電位、過電位和電流密度（即產率），具體取決于CO2電還原條件。2）作者隨后總結了與電化學CO2RR相關的基本原理和面臨的挑戰。3）作者基于催化劑材料對活性/選擇性的影響，詳細討論了配體化學、電解質工程、傳質動力學、三相邊界和氣相轉化等方面控制催化劑-電解質界面的策略。
Young Jin Sa, et al, Catalyst–electrolyte interface chemistry for electrochemical CO2 reduction, Chem. Soc. Rev., 2020https://doi.org/10.1039/D0CS00030B
2. Chem. Soc. Rev.綜述：新興2D Mxene用于超級電容器的研究現狀，挑戰和前景
MXene是指具有豐富化學性質的2D過渡金屬碳化物/氮化物族，并于2011年首次報道了MXene家族的第一位成員Ti3C2Tx。MXenes憑借其固有的電子導電性、優異的親水性、豐富的表面化學和層狀結構，開辟了二維無機功能材料的一個令人興奮的新領域，而關于MXenes的論文數量呈指數級增長。其獨特的性能和易于加工性使其成為一種極有前途的材料，可用于儲能，特別是超級電容器。有鑒于此，青島科技大學李鎮江教授、中科院金屬所王曉輝研究員綜述了近年來MXenes在超級電容器方面的研究進展。1）作者首先概述了不同的MXenes制備路線以及對其結構和表面化學的影響。然后總結了各類層狀Mxenes的結構、性質、穩定性和種類。接著重點總結了關于Mxenes電容性儲能機制以及決定超級電容器中電化學行為和性能的因素。2）作者總結了各種類型的基于MXene的超級電容器，以突出MXene在構建能量存儲器件中的重要性。3）最后，為促進基于Mxene的超級電容器中的進一步發展，作者指出了其仍面臨的挑戰和前景。Minmin Hu, et al, Emerging 2D MXenes for supercapacitors: status, challenges and prospects, Chem. Soc. Rev., 2020https://doi.org/10.1039/D0CS00175A
3. Nature Electron.：一種可從紅外到紫外光發射的通用型電致發光器件
由于材料加工挑戰和能帶對準問題，可用于電致發光器件的發光材料的范圍有限。這阻礙了在極端波長下開發電致發光器件以及將電致發光光譜作為一種分析技術。有鑒于此，加州大學伯克利分校Ali Javey報道了使用碳納米管陣列作為源觸點的兩端器件可以激發不同材料的電致發光，而與材料的化學組成無關。1）通過施加交流電產生的瞬態能帶彎曲柵極電壓可實現跨不同能帶對準的電荷注入。2）結果表明，該器件可以產生從長波紅外（0.13eV）到紫外光（3.3eV）的電致發光，這取決于滴在納米管陣列頂部的發射材料，并且起始電壓接近發射材料的光能隙。3）研究發現該器件可以通過電致發光光譜來探測液滴中的化學反應，并且可以作為電致發光傳感器來檢測有機蒸氣。Zhao, Y., Wang, V., Lien, D. et al. A generic electroluminescent device for emission from infrared to ultraviolet wavelengths. Nat Electron (2020)DOI：10.1038/s41928-020-0459-zhttps://doi.org/10.1038/s41928-020-0459-z
4. Nature Commun.：氧化鈰表面的銅原子(I/II)位用于吸附和活化O2
分子O2是燃燒，氧化和電化學反應中最簡單，含量最豐富的氧化劑。O2活化途徑取決于催化活性位點的性質，由于d-嵌段金屬具有豐富的氧化態和不同的配位幾何結構，因此催化活性位點通常包括d-嵌段金屬。在電化學氧還原反應中，對于O2的吸附和O=O鍵的斷裂，都需要金屬d帶中心的最佳位點。與團簇中的連續能帶結構相比，表面原子金屬位點具有離散的電子結構。精確控制這些位點的能量是獲得具有優異選擇性的新型反應途徑的關鍵。近日，英國倫敦大學學院Feng Ryan Wang、Bolun Wang報道了通過利用鈰（Ce）離子的骨架來降低孤立銅原子（Cu）位的3d軌道能量用于實現選擇性O2活化。1）Operando X射線吸收光譜、電子順磁共振和密度泛函理論結果表明，在298K時，[Cu(I)O2]3?位選擇性地吸附了分子O2，形成了罕見的親電η2-O2物種。在相鄰Ce(Ⅲ)陽離子的輔助下，η2-O2最終還原為兩個O2-，在453 K時形成兩個氧橋接的Cu-O-Ce。2）研究發現，孤立的的Cu(I)/(II)原子位點在CO氧化中的活性是CuO團簇的十倍，在373 K和0.01 bar PCO下的周轉頻率為0.028±0.003 s-1。因此，具有獨特電子結構的[Cu(I)O2]3-位在選擇性氧化中具有極大應用潛力。
Kang, L., Wang, B., Bing, Q. et al. Adsorption and activation of molecular oxygen over atomic copper(I/II) site on ceria. Nat Commun 11, 4008 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-17852-8https://doi.org/10.1038/s41467-020-17852-8
5. Nature Commun.：吸附物可降低金屬有機骨架的導熱系數
目前，有關吸附物的存在是增加還是降低金屬有機骨架(MOF)的導熱系數仍然是一個懸而未決的問題。近日，美國匹茲堡大學Christopher E. Wilmer報道了在存在各種液體吸附物：水、甲醇和乙醇的情況下，金屬有機骨架HKUST-1中的熱傳輸結果。1）研究人員在單晶和薄膜上進行了實驗性熱反射率測量，并使用分子動力學模擬進行了理論預測。結果顯示，隨著吸附物的不同，HKUST-1的導熱系數降低40-80%，這一結果不能用有效介質近似理論來解釋。2）研究結果表明，吸附物在HKUST-1中引入了額外的聲子散射，導致了低頻聲子模壽命的縮短。結果，系統導熱系數降低到比開始附加熱傳遞通道所預期的更大增加程度。3）研究表明，通過吸附，熱擴散率比熱導率降低得更多。Babaei, H., DeCoster, M.E., Jeong, M. et al. Observation of reduced thermal conductivity in a metal-organic framework due to the presence of adsorbates. Nat Commun 11, 4010 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-17822-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-17822-0
6. Angew：有機聚合物納米粒子用于生物體缺氧熒光檢測
缺氧現象和多種疾病有相關性，成比例的缺氧檢測通常基于O2敏感的聚合物中的膦、對O2不敏感的熒光基團結合，該探針分子通常需要價格高昂和相當復雜的合成過程。該兩生色團缺氧探針通過存在含有非期望的能量傳輸過程，并且螢光團的穩定性有所區別。有鑒于此，中科院物理化學技術研究所吳驪珠院士、陳玉哲等報道了呈比例的缺氧檢測，通過萘二甲酰亞胺的脲基嘧啶酮BrNpA‐UPy（naphthalimide ureidopyrimidinone）橋基將單色螢光團和芐基基團相連。1）通過這種四重氫鍵、脲基嘧啶酮骨架結構、溴修飾的萘二甲酰亞胺協同作用，實現了非常強的磷光強度（FP=7.7 %, tP=3.2 ms）和熒光納米顆粒。并實現了對Ksv=189.6 kPa-1敏感度的氧探測性能，并且測試不僅僅對溶液相兼容，同樣兼容活體Hela細胞。2）通過同時具有熒光、磷光的探針組成超分子結構，通過微乳液法合成由Ph-bisUPy和BrNpA-UPy以不同比例組成的有機缺氧檢測材料，通過在氯仿中的四重氫鍵相互作用，UPy組分發生二聚反應，隨后有機液滴在水中自組裝為單個納米粒子。通過調控Ph-bisUPy和BrNpA-UPy的比例，作者發現當Ph-bisUPy：BrNpA-UPy=5：1時，磷光量子產率達到最高值7.7 %，同時磷光壽命達到最高（3.2 ms）。Xiao-Qin Liu, et al. Monochromophore‐Based Phosphorescence and Fluorescence from Pure Organic Assemblies for Ratiometric Hypoxia Detection, Angew. Chem. Int. Ed. 2020DOI：10.1002/anie.202007039https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202007039
7. EES：鈰摻雜金屬有機骨架介導層狀雙氫氧化物微膠囊用于促進水分解
微/納米膠囊組裝體具有可修飾的殼層、高暴露表面和大的容納空間，在催化、儲存和藥物輸送方面具有巨大的應用潛力。近日，蘭州大學嚴純華院士，唐瑜教授，香港理工大學黃勃龍教授報道了一種巧妙的一步反應法制備層狀雙氫氧化物（LDHs）微膠囊，其得益于鈰的親氧性和協同配位作用可穩定金屬有機骨架（MOFs）的初始形貌。1）由于具有獨特的超結構，所制備的Ni-Fe-Ce-LDH微膠囊具有優異的析氧反應（OER）活性，在10 mA cm-2時的過電位為242 mV，并且至少具有24 h的長期耐久性。2）密度泛函理論(DFT)結果進一步證實了Ce摻雜對3D LDHs獨特結構和優異的OER性能的電子調節作用。該研究工作不僅揭示了稀土（RE）摻雜介導的MOFs晶體生長和轉變過程，而且利用稀土離子的Lewis酸性質和協同配位作用，為制備所需的微膠囊超結構提供了一條便捷途徑。
Huajie Xu, et al, Fabrication of Layered Double Hydroxide Microcapsules Mediated by Cerium Doping Metal-Organic Framework for Boosting Water Splitting, Energy Environ. Sci., 2020https://doi.org/10.1039/D0EE02113J
8. EES：K+調節K+/空位無序層狀氧化物用于高倍率大容量鉀離子電池
層狀過渡金屬氧化物具有較高的理論容量和適用的工作電壓，是鉀離子電池（PIBs）的潛在正極材料。然而，這些氧化物中的K+/空位有序結構限制了K+的遷移動力學和存儲位點，使得PIBs仍然具有較差的倍率性能和較低的實際容量。近日，武漢理工大學麥立強教授、吳勁松教授報道了通過簡單地調節Mn/Ni基層狀氧化物中的K+含量，設計并合成了具有K+/空位無序的P3型結構。1）研究人員系統地研究了K+含量對KxMn0.7Ni0.3O2（x=0.4-0.7）系列氧化物的影響，研究發現K+/空位有序超結構在低K+含量（x<0.6）時穩定，在高K+含量（x>0.6）時形成完整的K+/空位無序結構，此外，充放電曲線的選區電子衍射和電壓平臺證明了這一點。2）與K+/空位無序K0.4Mn0.7Ni0.3O2相比，K+/空位無序K0.7Mn0.7Ni0.3O2表現出更好的倍率性能和更高的放電容量。3）分子動力學模擬結果表明，K+/空位無序結構具有相互連接的連續K+擴散通道和更活躍的存儲位點。該研究為基于K+/空位無序層狀氧化物正極的下一代高性能PIBs的合理設計提供了依據。
Zhitong Xiao, et al, K+ Modulated K+/Vacancy Disordered Layered Oxide for High-Rate and Capacity Potassium-Ion Batteries, Energy Environ. Sci., 2020https://doi.org/10.1039/D0EE01607A
9. EES綜述：基于海水電解質的金屬-空氣電池的研究進展
得益于高能量密度和固有安全性的優勢，金屬-空氣電池有望用于下一代的能量存儲和供應。作為一種極其豐富的天然能源資源，將海水作為基礎電解質，具有可觀的經濟和環境效益，同時可以補充各種金屬。但是，海水中復雜成分的存在，特別是氯化物離子不可避免地對空氣電極過程帶來復雜的影響，包括氧還原和析出反應（ORR和OER），因此需要開發高效抗氯的電催化劑。與此同時，少數幾種基于海水電解質的金屬-空氣電池的原型已經顯示出巨大的應用潛力，但仍處于起步階段。因此，了解海水電池體系的電催化反應機理，對于開發活性高、穩定性好、性能穩定、選擇性好的海水基金屬-空氣電池電催化劑（或海水基金屬-空氣電池）具有十分重要的意義。有鑒于此，清華大學張強教授綜述了基于海水電解質的金屬-空氣電池的策略設計和應用研究進展。1）作者首先提出了基于海水電解質的金屬-空氣電池的概念，并進行了全面的熱力學和動力學分析。2）作者重點討論了適用于含氯化物和海水基電解質的ORR和OER電催化劑的合理設計策略。3）作者分析了海水基金屬-空氣電池的潛在應用場合和設計原理，并舉出幾個成功的實驗樣機。4）最后，作者展望了未來基于海水電解質的金屬-空氣電池的研究。
J. Yu, B. Li, C. Zhao and Q. Zhang, Seawater electrolyte‐based metal-air batteries: From strategies to applications, Energy Environ. Sci., 2020https://doi.org/10.1039/D0EE01617A
10. AM：原位設計Li+梯度捕獲和準自發擴散負極保護層助力長壽命Li-O2電池
金屬鋰目前是唯一能實現Li?O2電池其高理論能量密度（≈3500 Wh kg-1）的負極材料。然而，鋰金屬負極固有的不可控枝晶生長和嚴重的腐蝕導致其降解速度很快，嚴重阻礙了Li?O2電池的實際應用。近日，中科院長春應化所張新波研究員報道了通過熔融Li與聚四氟乙烯（PTFE）的一步原位反應，在鋰金屬負極上成功制備了一種多功能互補LiF/F摻雜碳梯度保護層。1）上層碳原子中豐富的強極性C-F鍵不僅可以充當Li+捕獲位點以預先均勻地注入Li+，還可以調節LiF的電子構型，使Li+準自發地從碳擴散到LiF表面，從而避免了強Li+粘附作用誘導的Li聚集。對于LiF，其不僅可以充當快速的Li+導體，而且可以使鋰上的成核位置均勻化，確保與鋰的牢固連接。2）實驗結果表明，這種精心設計的保護層使得鋰金屬負極在醚基和碳酸酯基電解質中都具有無枝晶生長的鍍層/剝離過程和優異的抗腐蝕性能。即使在Li-O2電池中使用受保護的Li負極，仍可以保持其優異性能，從而使電池具有穩定的循環性能（180個循環）。
Yue Yu, et al, In Situ Designing a Gradient Li+ Capture and Quasi-Spontaneous Diffusion Anode Protection Layer toward Long-Life Li?O2 Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202004157https://doi.org/10.1002/adma.202004157
11. Chem. Sci.：用于實時監測細胞內谷胱甘肽波動情況的比率熒光探針
實時成像細胞內的谷胱甘肽(GSH)濃度波動對于理解與GSH相關的順鉑耐藥性機制來說至關重要。南京大學郭子建院士和沈珍教授設計開發了一種基于GSH與乙烯基功能化的硼-二吡咯甲基烯(BODIPY)之間的可逆邁克爾加成反應的比率熒光探針1。1）該探針可以對順鉑治療后的細胞中的谷胱甘肽水平波動情況進行實時監測。在對順鉑敏感的A549細胞中，GSH濃度會一直上升直到細胞死亡，而在對順鉑耐藥的細胞系中，GSH濃度會先上升到最大值，然后回落到初始濃度，并不會出現明顯的細胞凋亡現象。2）這一研究結果表明，GSH波動的不同趨勢有助于區分對順鉑敏感細的胞和對順鉑耐藥的細胞。探針1也有望用于實時監測細胞內的GSH水平，為研究治療響應提供重要指導.
Hanzhuang Liu. et al. A ratiometric fluorescent probe for real-time monitoring of intracellular glutathione fluctuations in response to cisplatin. Chemical Science. 2020https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sc/d0sc02889d#!divAbstract
12. Chem. Sci.：利用AIE分子同時提高有機熒光團的共軛度、亮度和溶解度
有機近紅外(NIR)發光分子在生物醫學領域中有著廣闊的應用前景。然而，大多數有機近紅外熒光團都有著發射波長短、亮度低、性能不理想以及聚集導致的熒光猝滅等問題。因此，開發有效的分子設計策略來同時改善這些性質是一個重要且非常具有挑戰性的課題。有鑒于此，香港科技大學唐本忠院士和南開大學丁丹教授等人將聚集誘導發光分子 (AIEgens)作為取代基，在延長有機近紅外熒光團的共軛長度的同時，可以提高其熒光量子產率和溶解度，使其更加適用于生物領域。1）實驗合成了一系列具有不同取代基（如氫、苯基和四苯基乙基(TPE)）的供體-受體型化合物。與其他兩個取代基相比，以TPE作為取代基的MTPETP3所產生的熒光信號最紅，其亮度最高，溶解性也最好。2）TPE基團的共軛結構和扭曲構象使得所得到的化合物具有更好的熒光性質，也更加適用于生物醫學領域。體內外的研究結果表明，由該化合物組成的近紅外納米顆粒可以作為一種高效的腫瘤成像探針。綜上所述，這一研究也為提高有機近紅外發光分子的性能提供了新的策略。Ji Qi. et al. Simultaneously boosting the conjugation, brightness and solubility of organic fluorophores by using AIEgens. Chemical Science. 2020
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sc/d0sc03423a#!divAbstract
