1. Nature Materials：分子篩種晶合成
目前人們發現合成納米結構的分子篩能夠顯著降低分子篩內部擴散過程限制，改善催化和吸附性能，但是合成粒徑低于100 nm的分子篩具有一定難度，通常需要使用結構復雜的有機分子模板劑，并且產率較低。有鑒于此，休斯頓大學Jeffrey D. Rimer等報道了一種策略，能夠有效的改善分子篩材料的傳質性能，該方法通過使用鰭狀突起的種晶，通過外延生長方法合成。作者將這種合成策略用于兩種常見具有分子篩材料的合成，通過晶體上含有晶化的鰭狀突起的種晶，并且能確保二次生長過程中不會阻礙分子篩微孔結構。作者通過分子建模和時間分辨滴定實驗對鰭狀結構分子篩的內部擴散作用進行表征，驗證了較大程度改善了傳質過程，同時在實驗中驗證了這種作用提高了傳質性能。作者認為該合成方法能夠拓展到合成其他種類的分子篩和硅鋁材料中。1）在傳統合成方法中，通常難以得到10~80 nm大小的ZSM-5、ZSM-11，同時通常＜10 nm的二維晶體酸位點濃度較少，無法用于工業碳氫催化反應中。此外，超小晶體的分子篩難以在合成過程中通過正常方法收集產物。作者發現合成得到的鰭狀結構分子篩，內部擴散路徑距離降低，抑制了積碳生成，延長了催化劑的壽命，同時對反應產物的選擇性起到調控作用。這種鰭狀結構的引入降低了分子篩的擴散缺點。2）種晶法合成方法：以10 DAO (1,8-二氨基辛烷):10 K2O:100SiO2:1Al2O3:4000H2O的比例，常溫攪拌均勻，在160℃中反應3天，合成ZSM-11種晶；隨后以27.3 DAO (1,8-二氨基辛烷):11.9 K2O:90SiO2:0.5Al2O3:3588H2O的比例常溫攪拌均勻，隨后加入ZSM-11種晶，隨后在120 ℃中反應2天。
Heng Dai, et al. Finned zeolite catalysts. Nat. Mater. (2020).DOI: 10.1038/s41563-020-0753-1https://www.nature.com/articles/s41563-020-0753-1
2. Nature Nanotechnology: MoS2中層內、層間激子性質和調控
過渡金屬二硫化物能夠作為原子層厚度的光電器件和自旋-波谷存儲器等。在單層過渡金屬二硫化物材料中，光吸收性能較強，但是躍遷能無法進行調控，這是因為中性激子并沒有面外靜態電偶極子（static electric dipole）。相比而言，異質雙層過渡金屬硫化物材料中的層間激子能夠在電場作用中進行調控，但是其和光的耦合作用降低。有鑒于此，圖盧茲大學Bernhard Urbaszek等報道了對層間激子在大于120 meV的范圍內調控，并且在雙層MoS2中通過量子限域的Stark效應產生非常強的振子強度。1）作者通過光學檢測方法區分和驗證了層內或層間的激子，這是因為這兩種激子的能量能夠調諧為共振情況。層間激子和層內的B激子產生了較強的相互作用，展現出明顯的免于交叉現象。相比而言，層間激子和層內的A激子的相互作用較弱。2）作者通過DFT計算對該實驗現象進行驗證，并探討了其激子相互作用產生的原因。在三層MoS2中，作者在實驗中發現兩種分別為具有和沒有內建電偶極子的層間激子。這種激子躍遷和振子強度高度可調的內建偶極子能產生較強的激子-激子相互作用，并且可能應用于非線性極化子的光學器件領域中。Leisgang, N., Shree, S., Paradisanos, I. et al. Giant Stark splitting of an exciton in bilayer MoS2. Nat. Nanotechnol. (2020).DOI: 10.1038/s41565-020-0750-1https://www.nature.com/articles/s41565-020-0750-1
3. Nature Sustainability：光照響應的MOF用于可持續海水淡化
具有高吸附能力和太陽光觸發可再生性的光響應材料因其低成本和環境友好的工業分離過程而備受關注。近日，澳大利亞莫納什大學王煥庭教授報道了一種聚螺吡喃丙烯酸酯（PSP）功能化的MOF（PSP-MIL-53）作為一種可在陽光下再生的離子吸附劑用于可持續的海水淡化。1）研究發現，在黑暗條件下，兩性離子異構體能在30 min內快速吸附水中多種陽離子和陰離子，NaCl 離子吸附量高達2.88 mmol g-1。同時在陽光照射下，中性異構體在4 min內迅速釋放這些被吸附的鹽。2）單柱脫鹽淡化實驗表明，PSP-MIL-53對海水脫鹽效果良好。22323 ppm合成微咸水的淡水產量為139.5l kg-1d-1，能耗為0.11Wh l-1。重要的是，這種吸附劑具有出色的穩定性和循環性能。該研究工作為設計直接利用可再生太陽能來減少能源需求和提高海水淡化的可持續性功能材料提供了一條新途徑。此外，對陽光敏感的MOFs可以進一步功能化，有望用于低能耗、環境友好和選擇性地提取礦物，以供可持續采礦和其他相關應用。A sunlight-responsive metal–organic framework system for sustainable water desalination. Nat Sustain (2020)DOI:10.1038/s41893-020-0590-xhttps://www.nature.com/articles/s41893-020-0590-x
4. Joule：用于高速率CO2電解制多碳的Cu-Ag串聯催化劑
串聯電催化通過多組分催化劑設計，將復雜化學途徑中的各個步驟解耦。這一概念對高速率CO2電還原為多碳（C2+）產物具有極大的吸引力。近日，針對串聯策略是否可用于高速率的CO2還原，加州大學伯克利分校楊培東教授報道了一種在堿性電解液中以商業銅粉和銀粉為原料的雙組分催化體系模型。1）與單獨的Cu相比，串聯催化劑在CO2電解過程中，流向C2+產物（C2H4、C2H5OH和CH3COOH）的部分電流顯著增加，同時選擇性向C2H4上的含氧化合物轉移。2）與先前的Cu-Ag研究不同，電解后表征和CORR的控制實驗結果表明，Cu和Ag在該體系中可獨立工作，從而使Ag產生的局部CO與Cu上的C-C鍵合在一起，是高速率生產C2+的關鍵。3）對C2+產物的歸一化內在活性表明，對于Cu催化的C2+生產，在CO2RR串聯生產中Ag產生的微環境優于純CO2和CO氣氛。Chen et al., Cu-Ag Tandem Catalysts for High-Rate CO2 Electrolysis toward Multicarbons, Joule (2020)DOI：10.1016/j.joule.2020.07.009https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.009
5. Chem：揭示CO2輔助選擇性裂解乙烷中C–C / C–H鍵的界面活性位點
通過干式重整（C-C鍵斷裂）或乙烯通過氧化脫氫（C-H鍵斷裂）。可以實現利用溫室氣體CO2選擇性提純頁巖氣中未充分利用的乙烷以生產合成氣。然而，由于負載型催化劑的復雜性，確定乙烷中選擇性鍵斷裂的活性位點仍然具有挑戰性。近日，布魯克海文國家實驗室陳經廣教授，佛羅里達農工大學Shyam Kattel報道了采用動力學分析、原位技術（XRD、XAS、AP-XPS和DRIFTS）和密度泛函(DFT)計算相結合的方法，揭示了CeO2負載的Pd和PdFe催化劑上不同類型的界面含氧構型。1）CeO2的還原性隨著Pd納米顆粒的沉積而增加，這反過來又在Pd集合體上產生了高活性和非選擇性的氧，破壞了C-C和C = C鍵，從而產生了合成氣。2）由于柯肯德爾（Kirkendall）效應，在反應條件下，Fe物種傾向于從FeOx/Pd界面分離到Pd納米顆粒上，通過選擇性地破壞C–H鍵并削弱所形成的乙烯的吸附來提高乙烯的產量。3）盡管FeOx/CeO2界面不是CO2或乙烷活化的主要活性位，但由于具有很強的Fe–O–Ce界面，因此可通過降低CeO2的可還原性來減輕非選擇性氧的供應并限制金屬團簇。這項工作不僅揭示了頁巖氣中人為CO2和未充分利用的乙烷的結構-功能關系，而且為選擇性C–H/C–C鍵裂解的其他反應化學的催化劑設計策略提供了指導。
Xie et al., Interfacial Active Sites for CO2 Assisted Selective Cleavage of C–C/C–H Bonds in Ethane, Chem(2020)DOI：10.1016/j.chempr.2020.07.011https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.07.011
6. Nature Communications：有機-無機雜化鈣鈦礦中受空間電荷限制的電子和空穴電流
近年來，混合有機-無機鈣鈦礦已成為有前途的半導體材料。其顯示出巨大的潛力，尤其是在光電設備中，例如太陽能電池、發光二極管、激光器、和光電探測器等。然而，由于這些半導體具有復雜的混合的電子-離子傳導特性，因此對于其電子和空穴的基本電流-電壓行為仍然知之甚少。近日，德國馬克斯·普朗克聚合物研究所Mohammad Sajedi Alvar, Paul W. M. Blom，Gert-Jan A. H. Wetzelaer報道了深入分析了典型的鈣鈦礦型甲基碘化鉛銨（MAPbI3）中的空間電荷限制電子和空穴電流。1）研究發現，介電常數的頻率依賴性在空間電荷限制電流（SCLCs）及其對電壓掃描速率和溫度的依賴性分析中具有至關重要的作用。并利用基于實驗確定的參數設計了混合電子-離子器件模型，精確地再現了單載流子器件的電流-電壓特性。2）結果表明，在溶液加工的MAPbI3薄膜中，電子的傳輸在空穴上占主導地位。此外，利用電流-電壓特性中的滯后方向揭示了主要遷移的離子物種。Mohammad Sajedi Alvar, et al, Space-charge-limited electron and hole currents in hybrid organic-inorganic perovskites,DOI：10.1038/s41467-020-17868-0https://doi.org/10.1038/s41467-020-17868-0
7. Nature Communications：一種用于固定式PEDOT超級電容器的儲能磚
幾千年來，燒結磚一直作為建筑材料，很少用于其他用途。近日，美國圣路易斯華盛頓大學的Julio D’Arcy報道了使用含赤鐵礦微結構的燒結磚作為反應物，通過氣相沉積導電聚合物聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）的納米原纖維涂層，成功開發出一種超級電容器。1）氣相合成導致PEDOT涂層具有高電子電導率和快速的電荷轉移，使其成為生產電極的理想途徑。同時，燒結磚的開放式微結構和熱穩定性，使酸和單體蒸氣在160 °C的溫度下通過孔滲透控制α-Fe2O3的溶解和伴隨氧化自由基聚合作用的Fe3+水解。2）研究人員構建了兩電極體系，在1 V工作電壓窗口下，1 M H2SO4水溶液中，基于對稱燒結磚的超級電容器在0.5 mA cm-2的電流密度下的面積比容量為1.60 F cm-2，能量密度為222 μWh cm-2。3）為了模仿“磚-砂漿-磚”結構，研究人員使用了一種準固態電解質（聚乙烯醇/ 1 M H2SO4）對超級電容器進行了改性，該電解質也起著粘合劑和隔膜的作用。同時，由于涂有一層環氧密封層，因此器件具有防水性能，從而實現在-20至60 °C的溫度范圍內進行電荷存儲。結果顯示，超級電容器在經歷10,000次充放電循環的環境條件下可保持穩定，庫侖效率約為100%，電容保持率約為90%。此外，通過串聯三個器件，生產出了具有3.6 V電壓窗口的超級電容模塊。
Hongmin Wang, et al, Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors, Nat Commun, 2020DOI：10.1038/s41467-020-17708-1https://doi.org/10.1038/s41467-020-17708-1
8. EES: 具有分級納米結構的Co(OH)2修飾原子分散Pt電催化劑，用于高效析氫反應
單原子催化劑(SACs)具有最大的原子利用效率和通過金屬-載體的相互作用而具有獨特的電子態，表現出優異的催化性能。通過結構工程在原子水平上合理地設計SAC對于高效的析氫反應（HER）具有重要意義。有鑒于此，北京工業大學Changhao Wang和Changbao Han等人，將單原子鉑固定在生長在Ag納米線上的二維(2D)Co(OH)2納米片上(PtSA-Co(OH)2@Ag NW)，通過金屬Co@Ag NW的電化學相變，構建了一種無縫導電網絡雜化催化劑。1）Ag NW網絡通過金屬活性位點提供了連續的電子傳輸路徑，從而導致極低的電荷轉移電阻（Rct，0.7Ω），并且分級的納米結構具有較大的電化學表面積，可實現高原子利用效率和豐富的質量傳輸路徑用于氫的產生和釋放。2）此外，模擬表明合成的催化劑顯示出較強的金屬-載體相互作用，并且與Co(OH)2載體配合后，Pt位點的電荷密度和電子結構發生重構，從而在Pt位點附近產生了一個局部尖端增強電場區。3）因此，合成的PtSA-Co(OH)2@ Ag NW催化劑顯示出出色的HER活性，在1.0 M KOH中達到10 mA cm-2的電流密度僅需要29 mV的超電勢，并且其質量活性比市售Pt/C催化劑高22.5倍。Kai Ling Zhou et al. Seamlessly conductive Co(OH)2 tailored atomically dispersed Pt electrocatalyst with a hierarchical nanostructure for an efficient hydrogen evolution reaction. Energy Environ. Sci., 2020.https://doi.org/10.1039/D0EE01347A
9. EES：高性能柔性光電轉換熱電組件設計
由于出色的機械耐久性和易擴展的性能，印刷的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）薄膜是一種很有前途的熱電材料。然而，其較低的熱電性能、不合理的器件設計以及不充分的溫度梯度嚴重阻礙了基于PEDOT：PSS的柔性熱電器件的實用化道路。近日，為了克服上述挑戰，澳大利亞昆士蘭大學陳志剛教授，鄒進教授報道了一種新的方法，通過乙二醇預處理、H2SO4后處理和四(二甲氨基)乙烯后處理順序結合在一起來設計印刷柔性PEDOT：PSS薄膜。1）乙二醇預處理可增強對過量非離子化PSS的選擇性去除，從而為進一步的H2SO4后處理創造一條清晰的通道，進而誘發PEDOT：PSS膜中共軛碳鏈的結構構象轉變。最后通過四(二甲氨基)乙烯后處理以調節PEDOT：PSS薄膜的氧化程度，基于以上過程，PEDOT：PSS薄膜在室溫下獲得了224 μW m-1 K-2的高功率因數。2）研究人員采用熱力學數值分析的方法，利用優化后的pedot：pss薄膜對柔性模塊進行了計算設計和組裝。3）該組件在太陽光誘導的溫度梯度為44.5 K時，輸出功率密度達到創紀錄的3μW cm-2，并且經過機械（1000次彎曲循環）、空氣穩定性(30天空氣暴露)和熱穩定性（20次加熱和冷卻循環）測試后，性能沒有發生顯著變化。4）該計算導引的組件具有高效的光-電轉換功能，可廣泛供電于微瓦電子產品。Shengduo Xu, et al, Computation-guided design of high-performance flexible thermoelectric modules for sunlight-to-electricity conversion, Energy Environ. Sci., 2020https://doi.org/10.1039/D0EE01895C
10. Angew：對環境敏感的變色熒光團用于生物成像
馬克斯·普朗克醫學研究所Lu Wang和Kai Johnsson通過分子內的螺旋環化構建了一種可變色的熒光體, 它能在綠色和紅色的熒光形式之間發生了可逆的變化。1）該螺環化的平衡過程是對環境敏感的。因此研究人員可以通過對紅色和綠色熒光的比例進行直接測量,使其作為一種比率熒光探針和生物傳感器。2）實驗也基于此開發了一種比率生物傳感器用于在活細胞中對鈣離子(Ca2+)進行成像,并證明了其可以對不同蛋白質進行比率檢測和對煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸進行定量測定。Lu wang. et al. Environmentally Sensitive Color-Shifting Fluorophores for Bioimaging. Angewandte Chemie International Edition. 2020DOI: 10.1002/anie.202008357https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008357
11. AM：沸石在水或蒸汽條件下的（不）穩定性
沸石是可以百萬噸規模工業生產的最環保的材料之一。沸石可用于諸多商業應用中，特別是在催化，吸附和分離方面。在環境條件下，鋁硅酸鹽沸石暴露于水或水蒸氣時是穩定的。但是，在高溫，高水蒸氣壓或增加的酸度/堿度等極端條件下，它們的晶體骨架可能會被破壞。沸石骨架在含水條件下的穩定性還取決于雜原子（Al除外）的濃度和特性以及沸石的拓撲結構。近日，查爾斯大學Petr Nachtigall，Ji?í ?ejka等對沸石（In）在水或蒸汽條件下的穩定性進行了總結。1）作者從實驗和計算方面回顧了在各種條件下，水存在時，沸石（不）穩定性的關鍵因素。提出了水與沸石的非反應性和反應性相互作用。2）作者對全硅沸石，鋁硅酸鹽以及含有其它雜原子（Ti，Sn和Ge）的沸石與水的接觸進行了比較概述。3）作者還重點介紹了沸石局部水解的情況，例如分層沸石的形成，新沸石的合成或對沸石的催化或吸附特性進行微調等。Christopher James Heard, et al. Zeolite (In)Stability under Aqueous or Steaming Conditions. Adv. Mater., 2020DOI: 10.1002/adma.202003264https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003264
