1. Nature Catalysis：高效穩(wěn)定的階梯狀銅表面促進CO2電化學還原為C2H4
將CO2電化學還原為增值化工原料，在減少由于人類活動引起的CO2排放的同時，對可再生能源儲存和可再生能源發(fā)電具有重大意義。銅是將二氧化碳還原為碳氫化合物或含氧物的有效催化劑，但其受到低產品選擇性和長期穩(wěn)定性有限的嚴重困擾。近日，加州大學洛杉磯分校黃昱教授，加州理工學院William A. Goddard III報道了通過電化學活化具有{100}表面Cu納米線（CuNW）的預生長，成功制備出具有高活性臺階狀表面的CuNWs。
本文要點：
1）通過離心收集合成的CuNWs（Syn-CuNWs），并用己烷/乙醇混合物洗滌五次。Syn-CuNWs的低分辨率TEM圖像顯示，其具有一維導線結構，表面光滑。為了產生表面階梯，將Syn-CuNW在與CO2RR相似的環(huán)境中進行電化學活化。在0.1 M KHCO3電解質溶液中，在高還原偏壓(V=?1.05 V)下活化30 min以上。電化學活化后， CuNW（A-CuNW）表面高度不平整。此外，A-CuNW表面上的HRTEM圖像顯示出表面臺階的形成，其中一些臺階的形式為[n(100)×m(111)]。
2）電化學CO2RR研究表明，該催化劑具有非常高的C2選擇性以及高C2H4法拉第效率（FE） （FEC2H4>70%），并且在~200 h內具有極高的穩(wěn)定性。
3）高C2H4選擇性歸因于CuNWs具有獨特的臺階狀位點的獨特表面結構。DFT研究表明，在CO2RR條件下，Cu(511)面[3(100)×(111)]的臺階狀面在熱力學上優(yōu)于Cu(100)或Cu(111)面，這解釋了長時間下的實驗所觀察到的催化劑長期穩(wěn)定性。計算結果還顯示，與C2相比，C1路徑的勢壘更高，Cu(511)面上的HER較緩慢，這導致對C2H4的選擇性大大提高。
該研究發(fā)現提出了一種有效的方法來設計催化劑表面以在實際條件下實現高反應性，高選擇性和高穩(wěn)定性。
Choi, C., Kwon, S., Cheng, T. et al. Highly active and stable stepped Cu surface for enhanced electrochemical CO2 reduction to C2H4. Nat Catal (2020)
DOI：10.1038/s41929-020-00504-x
https://doi.org/10.1038/s41929-020-00504-x
2. Nature Catalysis：堿性電解液中CO電氧化過程中Cu電極的自活化
開發(fā)用于清潔能源生產的低溫燃料電池以替代化石燃料技術具有重要意義。CO是載能燃料電氧化的關鍵中間體，然而由于它與最先進的鉑電極有很強的相互作用，因此被認為是一種有毒物質。近日，奧地利因斯布魯克大學Julia Kunze-Liebh?user?報道了證明了Cu確實是一種有效的CO電氧化催化劑。
本文要點：
1）基于經典電化學和電化學紅外反射吸收光譜（EC-IRRAS），研究人員發(fā)現單晶Cu（111）電極在堿性介質中的高電流密度超過0.35 mA cm-2。雖然這一結果本身及其對低溫FC催化的技術具有顯著影響，但通過基于比例關系的最先進的第一原理微動力學建模發(fā)現，這一結果受到了神秘的影響。除了誤差之外，這個模型持續(xù)預測Cu(111)的催化活性可以忽略不計，因為晶體表面實際上與CO的結合比OH弱，因此在堿性條件下遭受OH中毒。
2）研究人員通過原位電化學掃描隧道顯微鏡（EC-STM）解決了這一難題，它在反應過程中顯示出強烈的表面形貌變化和高度的質量傳輸。這與在CO和OH存在下不斷形成新的低配位活性銅中心有關。密度泛函理論(DFT)計算證實，在共生的Cu吸附原子上，兩種反應中間產物的吸附都有利于向高催化性能轉變。此外，該微觀動力學模型，考慮了修正的吸附能，給出了電流密度和過電位，與實驗數據很好地吻合。
3）銅表面可通過準可逆的高能結構的形成而自活化。同時，類似的CO誘導的自活化在鑄幣金屬的氣相表面反應中也有報道，證明了多相熱催化和多相電催化之間的強烈相似之處。
Andrea Auer, et al, Self-activation of copper electrodes during CO electro-oxidation in alkaline electrolyte, Nat Catal (2020)
DOI：10.1038/s41929-020-00505-w
https://doi.org/10.1038/s41929-020-00505-w
3. Nature Energy：使用氫緩沖催化體系將木質素生物油在常壓和低溫下轉化為烴
催化加氫脫氧（HDO）是生物油提質的重要步驟。但是，由于C–O鍵的良好穩(wěn)定性，HDO通常需要較高的氫壓和高溫。近日，美國佐治亞理工學院鄧渝林教授報道了利用由具有低氧化還原電位的多金屬氧酸鹽H4SiW12O40（SiW12）和懸浮Pt/C顆粒組成的協同催化劑體系在低溫（＜100 ℃）和低氫壓（＜1 atm）的條件下，實現了對木質素生物油的有效多相加氫脫氧。
本文要點：
1）在雙功能催化體系中，SiW12在生物油加氫脫氧中起著三個關鍵作用。首先，在Pt/C存在下，其迅速氧化H2氣體生成還原的SiW12；其次，它將電子和H+離子轉移到體相，在Pt/C表面形成活性H*或H2；第三，SiW12超強酸溶液中氧離子的形成降低了脫氧能。
2）密度泛函理論計算結果表明，SiW12的超酸性極大地降低了通過質子締合脫水反應進行脫氧的活化能。因此，即使在極低的氫壓(<1atm)和同時較低的反應溫度(<100°C)下，也能成功地實現高效的HDO，苯酚及其衍生物經過HDO可獲得高達90%的碳氫化合物（環(huán)己烷、苯及其衍生物）的收率。
Liu, W., You, W., Sun, W. et al. Ambient-pressure and low-temperature upgrading of lignin bio-oil to hydrocarbons using a hydrogen buffer catalytic system. Nat Energy (2020)
DOI：10.1038/s41560-020-00680-x
https://doi.org/10.1038/s41560-020-00680-x
4. Nature Protocols: 沸石中孤立金屬原子和亞納米金屬團簇的結構表征
多相金屬催化劑可以簡單地分為三種類型: 負載型孤立原子、金屬團簇和納米顆粒?？紤]到化學成分，雙金屬和多金屬實體也廣泛參與基礎研究和工業(yè)應用。當將固體載體更改為多孔材料（例如沸石和MOF）時，金屬實體將穩(wěn)定在密閉空間中，其中金屬實體被框架包圍。在這種情況下，金屬實體的結構(電子結構和幾何結構)及其可及性將受到金屬實體位置的影響。以封裝在MFI沸石結構中的Pt團簇為例，Pt團簇可以位于三個可能的位置：相交空隙，直通道和正弦通道。在沸石等多孔材料中封裝亞納米金屬實體(孤立的金屬原子和幾個原子的金屬團簇)是穩(wěn)定這些金屬的一種有效策略，因此可以進一步用于各種催化反應。然而，由于沸石結構的復雜性和其在電子束下的低穩(wěn)定性，獲取包裹在沸石晶體中的亞納米金屬物種的原子級結構信息具有挑戰(zhàn)性。
有鑒于此，西班牙瓦倫西亞理工大學Avelino Corma教授等人，展示了掃描透射電子顯微鏡(STEM)技術的應用，該技術同時記錄了高角度環(huán)形暗場(HAADF)圖像和積分微分相襯（iDPC）圖像，用于MFI沸石中亞納米Pt和Sn物種的結構表征。
本文要點：
1）該方法依賴于使用一個計算模型來模擬在不同條件下得到的結果，其中金屬存在于沸石中的不同位置。這種成像技術可以同時獲取重元素(Pt和Sn)和沸石框架結構的空間信息，從而可以直接確定亞納米金屬的位置。
2）此外，還介紹了其他光譜技術的組合，作為STEM–iDPC成像技術的補充工具，以獲得對沸石結構中亞納米金屬物種的空間分布的整體理解和見識。
總之，這些結構上的見解可以為合理設計用于催化應用的均勻金屬沸石材料提供指導。
Lichen Liu et al. Tutorial: structural characterization of isolated metal atoms and subnanometric metal clusters in zeolites. Nat. Protoc., 2020.
DOI: 10.1038/s41596-020-0366-9
https://doi.org/10.1038/s41596-020-0366-9
5. Nature Materials：鉛基弛豫鐵電體中納米級局部結構的原子分辨電子顯微鏡分析
弛豫鐵電體具有出色的機電耦合性能，是非常重要的功能材料，其應用范圍涵蓋從超聲成像到制動器。然而，它們復雜的納米級化學和結構異質性使其機電性質的起源變得極為難以理解。近日，麻省理工學院James M. LeBeau等采用球差校正掃描透射電子顯微鏡來量化各種類型的弛豫鐵電體的納米級異質性及其與典型弛豫鐵電體系Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3中的局部極化的關系。
本文要點：
1）作者確定了三個主要因素，每個因素均取決于Ti含量：化學順序，氧八面體傾斜和氧八面體變形。
2）作者發(fā)現這些異質性與低角度極性疇壁在空間上相關，表明它們在破壞遠程極化并導致納米級疇形成和弛豫響應中的潛在作用。
3） 作者進一步定位與鈦含量和機電性能直接相關的單斜晶樣變形的納米級區(qū)域。
作者通過這種方法，揭示了化學異質性，結構異質性和局部極化之間的聯系，從而驗證了開發(fā)下一代松弛鐵電體所需的模型。
Abinash Kumar, et al. Atomic-resolution electron microscopy of nanoscale local structure in lead-based relaxor ferroelectrics. Nat. Mater., 2020
DOI: 1038/s41563-020-0794-5
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0794-5
6. Nature Physics：結構決定軟膠體玻璃中的結晶化位置
弄清玻璃化的微觀基礎，玻璃向晶體的轉變，除了對科學研究的許多分支具有根本意義之外，對于大量應用在工業(yè)上的穩(wěn)定玻璃配方也是至關重要。與需要宏觀粒子擴散的傳統過冷液體結晶過程不同，目前，仍然無法闡明在結構上以粒度級阻滯的系統結晶的途徑，這主要是由于動力學的緩慢以及看似隨機的特性。近日，印度科技學院Divya Ganapathi，印度尼赫魯先進科學研究中心Rajesh Ganapathy報道了通過單顆粒分辨成像實驗，揭示了由于凍結（frozen-in）密度不均勻性，軟膠體玻璃具有兩個不同的結晶化途徑。
本文要點：
1）二維（2D）成像實驗中，三維（3D）玻璃樣品的大部分中的水平切片至少包含N≈104個粒子（取決于粒子體積分數?），而在3D實驗中，成像中包含了超過N≈6×104的粒子。
2）由于局部密度的不均勻性，在玻璃的填充不良的區(qū)域中，由于局部顆粒混洗，結晶度平穩(wěn)增長，而在填充良好的區(qū)域中，實驗觀察到由于數十個顆粒的協同重排導致結晶度突然發(fā)生跳躍變化。
3）研究發(fā)現，通過機器學習方法確定的結構順序參數的玻璃柔軟度（softness）不僅可以預測玻璃中結晶的起始位置，而且對結晶路徑也很敏感。迄今為止，關于玻璃的結構和穩(wěn)定性之間的這種因果關系仍然難以捉摸。因此，設計柔軟度參數的策略對于實現長壽命玻璃態(tài)具有重要意義。
該研究所揭示的玻璃結構與穩(wěn)定性之間的明確關系開辟了控制玻璃穩(wěn)定性的新途徑。
Ganapathi, D., Chakrabarti, D., Sood, A.K. et al. Structure determines where crystallization occurs in a soft colloidal glass. Nat. Phys. (2020)
DOI：10.1038/s41567-020-1016-4
https://doi.org/10.1038/s41567-020-1016-4
7. Nature Communications：Li2MnO3中位錯和氧釋放驅動的脫鋰
具有過量鋰的層狀正極材料（Li2MnO3）因其高能量密度而備受關注。然而，鋰過量氧化物在實際工充放電循環(huán)中表現出嚴重的降解，即使在第一次或第二次循環(huán)中也是如此。因此，詳細了解Li2MnO3的脫鋰過程具有重要意義。先前的研究發(fā)現，Li2MnO3在充放電循環(huán)過程中可能經歷兩種結構變化：i）氧的釋放(樣品中氧的損失)；ii）Mn遷移到Li位，導致形成Mn/Li無序的類巖鹽結構。然而，由于缺乏高度脫氫控制的樣品制備，如使用單晶，目前還沒有詳細的關于原子缺陷分析的研究。
近日，日本東京大學Yuichi Ikuhara報道了使用原子分辨環(huán)形明場和暗場（ABF/ADF）STEM結合電子能量損失譜（EELS），直接揭示了部分去鋰化Li2MnO3單晶中原始和去鋰化區(qū)域之間的界面原子結構。
本文要點：
1）研究發(fā)現，在界面附近形成了厚度為1-2 nm的部分陽離子混合界面原子結構，界面內和脫氫區(qū)域也有位錯形成。同時，在脫鋰區(qū)表面附近釋放了一定量的氧氣，從而導致體積膨脹。為了補償原始區(qū)域和脫鋰區(qū)域之間的晶格失配，在界面處形成了位錯。在脫鋰過程中，Li和O原子應通過界面，因此位錯的爬升運動和氧釋放過程應控制脫鋰區(qū)域的生長。
2）該脫鋰反應是通過使用NO2BF4氧化劑的化學方法進行，而不是通過電化學反應，這可能會破壞表面結構，并導致不同的結構演變過程。但是，目前的脫鋰反應相當緩慢（16小時內<10 nm厚），因此可以充分抑制表面損傷。此外，關于電化學反應過程的研究也報道了在Li2MnO3中觀察到的氧釋放和陽離子混合。因此，采用該化學方法觀察到的脫鋰過程可以很好地等同于電化學反應過程。
Nakayama, K., Ishikawa, R., Kobayashi, S. et al. Dislocation and oxygen-release driven delithiation in Li2MnO3. Nat Commun 11, 4452 (2020)
DOI：10.1038/s41467-020-18285-z
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18285-z
8. Nature Commun.：透明的近紅外鈣鈦礦發(fā)光二極管
移動和可穿戴設備越來越依賴于近紅外（NIR）隱蔽照明來實現面部識別，眼睛跟蹤或運動和深度感應功能。但是，這些小型設備提供的空間分辨有限，通常已被其全區(qū)域電子彩色顯示器所占據。新加坡國立大學Zhi-Kuang Tan團隊報道了一種透明的鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED），可以將其覆蓋在彩色顯示器上，以提供有效的高強度NIR照明。
本文要點：
1）該透明設備采用ITO/AZO/PEIE/FAPbI3/poly-TPD/MoO3/Al/ITO/Ag/ITO結構構建，在可見光譜范圍內的平均透射率高達55％以上。特別是，Al/ITO/Ag/ITOAl/ITO/Ag/ITO頂部透明電極經過專門設計，可在電極沉積時兼具低薄層電阻和低等離子損壞的特性。
2）這些器件具有120 mm2的大面積，可在799 nm處發(fā)光，在5.3 mA cm-2的電流密度和1.5 W sr-1 m-2的高輻射下，總外量子效率高達5.7％。高效的性能非常適合電池供電的可穿戴設備，并且可以在未來的智能手表，電話，游戲機以及增強或虛擬現實耳機上實現高級安全性和傳感功能。
Xie, C., Zhao, X., Ong, E.W.Y. et al. Transparent near-infrared perovskite light-emitting diodes. Nat. Commun. 11, 4213 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18110-7
9. Matter：智能3D網絡納米復合材料用于收集輻射誘發(fā)的“垃圾”
開發(fā)具有出色的熱和機械性能以及自修復能力的抗輻射材料，對于先進的核能系統仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。眾所周知，鐵基材料在核工業(yè)中被廣泛用作結構材料。
有鑒于此，武漢大學任峰教授報道了選擇塊狀Fe-CNT納米復合材料作為智能三維網絡納米復合材料的研究模型材料。結果表明，將三維（3D）碳納米管（CNT）網絡引入到鐵納米晶（Fe NCs）中來獲得功能性塊狀FeCNT納米復合材料，在不犧牲強度的情況下表現出比Fe NCs高得多的熱導率和機械性能。
本文要點：
1）研究人員選擇放電等離子燒結(SPS)法制備的Fe-CNT納米復合材料和純Fe NCS作為模型材料進行研究。TEM圖像顯示了不同倍率下具有隨機取向GBs的Fe NCs和Fe-1CNT納米復合材料。同時，無規(guī)則取向的碳納米管均勻分散在多晶Fe納米晶中。特別地，碳納米管沿GBs分布，以構建嵌入在Fe NCs中的3D CNT網絡。HRTEM圖像顯示，GBs和Fe基體與碳納米管緊密相連。壓縮工程應力-應變曲線顯示，Fe-CNT納米復合材料比Fe NCs具有更高的壓縮塑性和加工硬化能力，而強度沒有明顯的損失。
2）在高通量He+離子輻照和高溫高能重Kr3+離子輻照下，研究發(fā)現3D CNT網絡作為“納米垃圾桶”，具有豐富的晶界（GBs），不僅可以直接捕獲和存儲附近的He原子和缺陷，而且可以存儲最初被GBs俘獲的He原子和缺陷，然后將它們沿GBs輸運并卸載到CNTs中。因此，可以大大減少國標的脆化和基體裂紋，以及孔洞膨脹。同時，通過嵌入的碳納米管網絡進行快速的熱傳遞和應力載荷傳遞，可以提高材料的導熱性能和機械完整性。
該塊狀智能3D網絡納米復合材料具有改善的機械完整性、熱傳輸以及高輻射損傷的自愈特性，為結構材料的設計提供了一種變革性的策略，以應對核能應用中的大量變形產物和嚴重的位移損傷以及強烈的熱機械應力。
Tang et al., Smart 3D Network Nanocomposites Collect Irradiation-Induced ‘‘Trash’’, Matter (2020)
DOI：10.1016/j.matt.2020.08.010
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.08.010
10. EES綜述：高性能水系鋅離子電池鋅負極材料以及結構設計面臨的挑戰(zhàn)
在后鋰離子時代，可充電金屬離子電池以其綠色、安全的固有特性作為替代儲能設備，具有廣闊的應用前景。近年來，水系鋅離子電池（ZIBs）以其獨特而突出的優(yōu)點在不同的水系金屬離子電池中得到了廣泛的研究，有望實現大規(guī)模的儲能技術。然而，ZIBs中的鋅負極問題如鋅枝晶和副反應嚴重降低了ZIBs的循環(huán)壽命，從而限制了其實際應用。近日，廣東工業(yè)大學李成超教授系統地總結了高性能鋅負極材料和結構設計的最新研究進展。
本文要點：
1）作者首先概述了鋅電沉積過程的化學熱力學原理，以揭示引起鋅負極問題的微觀原因，這是選擇合適的材料和設計具體結構的理論依據。
2）作者然后從各個方面強調提高鋅負極性能的各種策略，包括鋅電極表面改性技術，鋅本體電極結構優(yōu)化，電解質改性和多功能隔膜設計。作者強調了精準的材料和結構調節(jié)對于獲得理想的增強效果至關重要。這些策略為尋找構建高性能鋅負極的更實用途徑提供了有價值的參考。
3）作者最后指出了開發(fā)具有高性能的實用鋅負極的挑戰(zhàn)。這將有助于理解各種鋅負極增強策略，這些策略將直接有益于ZIBs的未來商業(yè)化。
W. Du, et al, Challenges in Material and Structure Design of Zinc Anode toward High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries, Energy Environ. Sci., 2020
DOI: 10.1039/D0EE02079F
https://doi.org/10.1039/D0EE02079F
11. Angew：Ni摻雜CoSe中引入耦合空位對實現高效電催化產氫
缺陷工程在高性能電催化劑的設計中起著至關重要的作用。四方CoSe被認為是有前途的替代貴金屬用于HER的催化劑，其在費米能級附近具有高態(tài)密度，并且在吸附H *時能量變化低?？瘴粚oSe電子結構的影響尚不明確，而這可能是提高CoSe HER性能的關鍵。近日，臺州學院Wenwu Zhong等報道了通過便捷的拓撲化學插入方法，在摻Ni的CoSe中引入了耦合的陽離子空位對，以提高其HER活性。
本文要點：
1）摻Ni的CoSe中具有熱不穩(wěn)定的雜原子位點，在脫嵌過程中產生了耦合的空位對，兩個相鄰的空位耦合在一起。
2）DFT計算表明，被偶合空位包圍的Se原子是H *吸附的活性位點。相鄰的Co空位對和雜原子Ni摻雜共同促進了Se 4 pz軌道的上移，從而引起Se 4p和H 1s電子云之間更大的重疊。這可以大大降低H吸附自由能。
3）實驗表明，CoSe的電催化HER活性得到了顯著改善，在10 mA cm-2的電流密度下過電勢為185.7 mV，這與先進的電催化劑的性能相當。
該工作為設計高性能的空位富集的電催化劑提供了新的方法。
Wenwu Zhong, et al. Coupled vacancy pairs in Ni‐doped CoSe for improved electrocatalytic hydrogen production through topochemically deintercalation. Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI: 10.1002/anie.202011378
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011378
12. Nano Letters：銀納米線及其觸點的電和熱傳輸：彈性剛度的影響
銀納米線已被廣泛用作用于各種應用的復合材料中的納米填料。這些復合材料的電學和熱學性質對器件的正常運行至關重要，并且高度依賴于納米線及其接觸的傳輸，然而對銀納米線的研究僅限于一兩個樣品，而且關于單個接觸的固體數據尚未有報道。近日，美國范德堡大學Deyu Li報道了直徑從38 nm到84 nm的不同尺寸的銀納米線電學和熱學輸運性質的系統測量，這使得研究彈性硬化對輸運性質的影響成為可能。并在單個納米線水平上的系統研究提供了銀納米線中改變洛倫茲數的直接實驗證據。
本文要點：
1）對于較小的導線，增加洛倫茲數的明顯趨勢主要來自彈性硬化的影響，這導致e-ph散射率降低和德拜溫度升高。這些變化顯著提高了聲子對熱輸運的貢獻，而由于邊界散射有效地限制了銀納米線中的電子MFP，從而抑制了電子對熱輸運的貢獻。
2）該研究提供了銀納米線每單位面積接觸熱導率的實驗數據，約為MWCNTs之間的熱導率的10倍，因此使得銀納米線成為提高納米復合材料導熱性的更有效的納米填料。
該研究揭示了獨特的傳輸機制，為設計銀納米線基復合材料提供了重要的啟示。
Yang Zhao, et al, Electrical and Thermal Transport through Silver Nanowires and Their Contacts: Effects of Elastic Stiffening, Nano Lett., 2020
DOI：10.1021/acs.nanolett.0c02014
https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02014
