1. Nature Commun.：氫氧化鎳納米帶中的電子離域用于高效甲醇氧化
功能齊全、經久耐用的非鉑族金屬基甲醇氧化（MOR）電催化劑是實現高性價比直接甲醇燃料電池（DMFCs）的關鍵。雖然Ni(OH)2作為甲醇氧化催化劑已得到廣泛研究，但將Ni(OH)2氧化成NiOOH的初始過程需要1.35 V vs. RHE的高電位。而陰極氧還原反應的理論電位為1.23V。
近日，新加披國立大學Junmin Xue教授，Stephen Pennycook，新加坡科技研究局Zhi Gen Yu，布魯克海文國家實驗室Yonghua Du報道了四配位的鎳原子能夠通過費米能級附近的電子離域形成電荷轉移軌道。而具有應變穩定的4/6配位Ni(OH)2納米帶結構(NR-Ni(OH)2)可作為一種潛在的功能性MOR催化劑。
本文要點：
1）結果表明，NR-Ni(OH)2在堿性電解質中的起始電位明顯低于RHE（0.55V），接近鉑陽極的MOR活性。理論和實驗結果表明，這種高效的MOR活性是由四配位和六配位交替的Ni原子引起。
2）研究人員通過測定組裝好的DMFC的開路電壓(OCV)來評估NR-Ni(OH)2的可操作性。與傳統Ni(OH)2組裝的DMFC不同，NR-Ni(OH)2組裝的DMFC的OCV可達0.58V，和傳統Pt組裝的DMFC（OCV為0.65 V）和PtRu組裝的DMFC（OCV為0.70V）比較接近。據了解，這是第一次非PGM MOR催化劑可以在DFMC裝置中實現可操作的OCV。
3）在DFMC裝置中對NR-Ni(OH)2的初步評估表明，該裝置能夠在無CO中毒的情況下實現持久運行。
基于DFMC可操作性的這些積極指標，隨著更深入的研究，NR-Ni(OH)2有望進一步優化，成為DFMC中重要的非PGM MOR催化劑。
Wang, X., Xi, S., Lee, W.S.V. et al. Materializing efficient methanol oxidation via electron delocalization in nickel hydroxide nanoribbon. Nat Commun 11, 4647 (2020)
DOI：10.1038/s41467-020-18459-9
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18459-9
2. Nature Commun.: 原子精度過渡金屬雙鹵化物超材料的可擴展制造
石墨烯、單分子層過渡金屬雙鹵化物(TMDs)以及其他重要的二維材料的發現都是由于可以提取只有幾個原子厚度的材料。促進對二維平面物理學的理解和實用性的下一步是研究這些二維材料的一維邊緣以及控制邊緣平面比。邊緣通常表現出獨特的特性，并且與平面和塊體的特性明顯不同。因此，通過控制邊緣，可以設計出兼具邊緣-平面-體塊特性和可控特性的材料，即TMD超材料。然而，高精度探索這種超材料的技術尚未開發出來。
有鑒于此，查爾姆斯理工大學的Timur O. Shegai等人，報告了一種簡便且可控的各向異性濕法蝕刻方法，該方法可實現具有原子精度的TMD超材料的可擴展制造。
本文要點：
1）該工藝將標準的自上而下的光刻納米加工方法與各向異性濕法蝕刻相結合，可以在接近原子銳度極限的情況下，精確控制各種TMD的邊緣和邊緣平面比。這種各向異性的濕法蝕刻工藝的參數范圍很廣，從大塊晶體到雙膜層，并允許制造各種尺寸和形狀的納米結構，從單個孤立的六邊形納米孔到排列緊密的納米孔陣列，這些納米孔的橫向間距窄至約3nm。
2）證明了TMDs可以沿著一定的晶體軸進行蝕刻，這樣所獲得的邊緣幾乎是原子銳利的，并且完全是鋸齒形終止的。這就產生了有序且復雜的六邊形納米結構，包括幾納米薄的納米帶和納米結。
3）值得注意的是，該方法可以在環境條件下大面積使用，并且只使用大量的化學物質，如過氧化氫(H2O2)和氨(NH4OH)的水溶液。因此，可以以高度可控和可擴展的方式制造各種未開發的TMD納米結構和超材料，例如半導體平面金屬邊緣復合材料和超薄納米帶。
總之，該工作提出的策略可以通過原子級別上結構的精確控制實現對TMD超材料的廣泛研究。
Munkhbat, B., Yankovich, A.B., Baranov, D.G. et al. Transition metal dichalcogenide metamaterials with atomic precision. Nat Commun 11, 4604 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-020-18428-2
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18428-2
3. Nature Commun.: 替代陽極OER的醇氧化機制研究進展
發展可再生的和環境友好的途徑以實現燃料生產的必要性變得越來越緊迫。水還原(光)電化學反應作為一種有望實現這一目標的途徑受到了廣泛關注。這些反應包括將水還原為氫氣，將二氧化碳還原為碳燃料以及將氮氣還原為NH3。（光）電化學燃料的生產具有多種優勢，包括在環境溫度和壓力下進行的能力，使用水作為氫源以及由可再生能源驅動的能力（直接由陽光進行光電化學反應或通過可再生的電能進行電化學反應）。另外，在不將水預先還原為H2的情況下實現了N2和CO2的（光）電化學還原，從而省去了H2的存儲，輸送和使用所涉及的步驟。在（光）電化學電池中，在陰極處所需燃料的生產必須與在陽極處的氧化反應配對。傳統上，通過析氧反應（OER）進行的水氧化被用作該陽極反應。這種選擇的優點是簡單，因為它不需要添加任何其他物種，并且所產生的O2在環境上是無害的。但是，OER在動力學上很慢，并且需要很大的超電勢。這導致電池的工作電壓增加（當電池電流固定時）或燃料生產速率的降低（當輸入電壓固定時）。另外，盡管氧氣是良性的，但它并不是一種高價值的產品。因此，近年來人們關注于尋找一種更有吸引力的氧化反應，這種反應可以形成與還原反應配對的增值產物。
有鑒于此，威斯康星大學麥迪遜分校Kyoung-Shin Choi教授等人，討論了醇氧化作為一種替代反應，并分析了醇氧化電催化劑的一般機理。
本文要點：
1）如果酒精氧化的脫氫只是通過M(III)OOH/M(II)(OH)2對介導的氫原子轉移來實現的，則MOOH上的醇氧化速率應與電勢無關，因為M(III)OOH對酒精的化學氧化是速率決定步驟。
2）然而，最近的一些研究表明，還有另一種AOR機制可以處于比將M(OH)2氧化為MOOH的電勢更大的電勢上。在這個新的機制中，AOR的速率似乎與電位有關。這是有利的，因為它可以提高酒精的氧化速率，超過使用M(III)OOH/M(II)(OH)2對通過電位獨立的氧化所能達到的速率。
3）然而，在使這種替代性AOR機制成為可能的電勢下，OER也會發生。因此，進一步研究闡明這一新機制中涉及的脫氫步驟是很重要的。通過進一步研究，可以制定出在OER之上提高AOR的策略。這些策略可能包括優化催化劑表面以促進醇的吸附，并找到在OER所需的含氧和過氧物種形成過程中促進將活性位點用于醇脫氫的方法。更好地理解兩種不同的AOR機理還可以調節催化劑的組成和結構以及操作條件，以最大限度地提高AOR的速率。
總之，該工作不僅有利于使用AOR作為（光）電化學燃料生產電池生產商品化學品的替代陽極反應，而且有利于涉及AOR的各種水溶液電化學有機合成。
Bender, M.T., Yuan, X. & Choi, K. Alcohol oxidation as alternative anode reactions paired with (photo)electrochemical fuel production reactions. Nat Commun 11, 4594 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-020-18461-1
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18461-1
4. Nature Commun.：具有擴展光吸收能力的直接生長的均勻氮化碳層用于光陽極高效水分解
碳氮（CN）材料由于其在惡劣條件下的穩定性，以及適合于水分解和其他化學轉化的能帶邊，在過去的十年里已經成為光電化學（PEC）電池的一種很有前途的廉價和良好的半導體材料。然而，與最先進的半導體及其潛在理論價值相比，CN材料的PEC性能仍然較低。CNs中固有的中等捕光性能和較差的電荷分離性能，加上有限種類的生長方法和單體，可以用來生長與襯底緊密接觸的連續CN層等，嚴重阻礙了其在PEC的應用。
近日，以色列本·古里安大學Menny Shalom報道了一種簡單而通用的方法，通過從飽和溶液中直接快速生長單體，然后在高溫下煅燒，生長出具有擴展的光吸收，改善了照明下的電荷分離性能，并與襯底緊密接觸的多孔CN薄膜。此外，為了改善電荷分離、與基板的連接和整體PEC性能，在鍍層生長過程中引入了三聚氰胺蒸汽。
本文要點：
1）PEC研究結果顯示，CN膜的空穴提取效率高達62%，同時在600 nm的可見光范圍內具有良好的光響應（450 nm時，入射光子-電流轉換效率（IPCE）>12%）。
2）以硫脲為起始單體CNTM制備的CN膜具有較高的光電流密度（353 μA cm-2），H2光電流密度為53±1%，O2光電流密度為51±1.5%，在400 nm處的堿性（0.1 M KOH）水溶液中的IPCE值為18%，為CN光陽極材料的制備提供了基準。值得注意的是，H2和O2的析出速率分別為1.88 μmol h-1 cm-2和0.91 μmol h-1 cm-2。
Qin, J., Barrio, J., Peng, G. et al. Direct growth of uniform carbon nitride layers with extended optical absorption towards efficient water-splitting photoanodes. Nat Commun 11, 4701 (2020)
DOI：10.1038/s41467-020-18535-0
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18535-0
5. Nature Commun.：開環聚合誘導結晶驅動的聚-L-丙交酯-嵌段聚乙二醇嵌段共聚物的自組裝(ROPI-CDSA)
嵌段共聚物自組裝成一維、二維和三維納米和微結構具有廣泛的應用前景。其關鍵挑戰在于使用可擴展的一鍋法獲得對所有維度的分子結構和層級結構的獨立控制。近日，加州大學歐文分校Joseph P. Patterson報道了聚-L-丙交酯-嵌段-聚乙二醇嵌段共聚物的開環聚合誘導結晶驅動自組裝(ROPI-CDSA)，形成一維、二維和三維納米結構。
本文要點：
1）研究人員以L-丙交酯為單體，單官能團聚乙二醇(MPEG45)為引發劑，甲苯為溶劑，三氮二環癸烯(TBD)為催化劑，進行了ROPI-CDSA實驗。研究發現，ROPI-CDSA的一個重要特點是聚合時間遠短于自組裝弛豫時間，導致了一個非平衡的自組裝過程。
2）研究人員通過低溫透射電子顯微鏡、廣角X射線散射、傅里葉變換紅外光譜跟蹤了自組裝的結構和形貌演變，揭示了一維→2D→3D層次化生長機制。分析結果表明，嵌段共聚物（BCPs）的自組裝機理既依賴于聚合物的分子結構，又依賴于聚合物的濃度。
基于自組裝機理的了解，使捕獲具有不同結構和維度的材料成為可能。
Hurst, P.J., Rakowski, A.M. & Patterson, J.P. Ring-opening polymerization-induced crystallization-driven self-assembly of poly-L-lactide-block-polyethylene glycol block copolymers (ROPI-CDSA). Nat Commun 11, 4690 (2020)
DOI：10.1038/s41467-020-18460-2
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18460-2
6. Matter：熔融鋰-黃銅/氯化鋅體系用于高性能低成本電池
風能和太陽能固有的波動性和間歇性嚴重限制了它們在電力系統中的應用，在將可再生能源廣泛并網之前，迫切需要具有電網規模的儲能以穩定可再生能源的輸出。電化學儲能是重要的電網儲能技術之一，具有高安全性、低成本、能量密度合理的電池是實現電網級電化學儲能的必要條件，但目前仍難以實現。
近日，斯坦福大學崔屹教授，清華大學伍暉副教授，鄭州大學金陽副教授報道了一種基于固體電解質的液態鋰黃銅/氯化鋅（SELL-brass/ZnCl2）電池，解決了長期困擾高性能和低成本ZEBRA型電池開發的問題。
本文要點：
1）研究人員采用國產石榴石型LLZTO固體電解質管，其具有高離子導電性、高相對密度、高穩定性等優點，可實現鋰離子在正負極間的快速遷移，同時實現了兩個電極的物理和電子隔離。LLZTO管內部是鋰金屬負極。為便于鋰離子的遷移，同時，在管內加入少量熔點為215 ℃的LiI-CsI共晶混合物作為負極。此外，還插入了一卷不銹鋼網，作為負極集電器的一部分，有助于在LLZTO管內壁表面形成一層LiI-CsI熔體，從而擴大和穩定了管與負極之間鋰離子遷移的活躍區。在LLZTO管的外部是正極，由LiCl、黃銅（45 wt% Zn、55 wt% Cu）和LiAlCl4粉末組成，分別用作Li源、Zn源和正極。
2）SELL-brass/ZnCl2電池具有高的理論能量密度，分別為750 Wh kg-1和2250Wh L-1。通過采用內徑大于6.0 cm的LLZTO管，單元級電池實際能量密度可高于250Wh kg-1和750Wh L-1，足以滿足柵極儲能要求。
3）SELL-brass/ZnCl2電池的電池材料（包括電極、LLZTO管、集電器和電池盒）的成本估計為$16 kWh-1，比ZEBRA型電池低50%以上，此外，通過優化電池材料和電池結構可以進一步降低成本。
由于Sell-Brass/ZnCl2電池的全電池性能和可擴展性，并考慮到其合理的能量密度、低成本和高安全性，該電池有望在網格規模的儲能應用得到廣泛應用。
Liu et al., Molten Lithium-Brass/Zinc Chloride System as High-Performance and Low-Cost Battery, Matter(2020)
DOI：10.1016/j.matt.2020.08.022
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.08.022
7. Angew：導電MOF上原位生成的Cu2O單型位點用于高選擇性將CO2電還原為CH4：用氫鍵穩定關鍵中間體
由于存在還原電位相似的潛在產物，CO2活化動力學緩慢。使得在CO2電還原反應（CO2RR）中實現CH4的高選擇性仍然是一個很大的挑戰。研究發現，以多孔導電材料為載體的具有單一活性位點以穩定關鍵反應中間體是實現甲烷等單一產物高選擇性的關鍵。近日，中科院福建物構所曹榮研究員，柴國良研究員報道了對含有周期性排列的Cu-O4結點的導電Cu-MOF進行電化學處理，成功在CuHHTP上沉積了均勻的Cu2O（111）量子點。
本文要點：
1）由于CuHHTP的晶體結構，CuHHTP中的部分Cu2+中心轉變為平均尺寸為3.5 nm的活性Cu2O量子點，并暴露出高暴露的(111)晶面，而來自非配位HHTP配體的羥基則不受約束。
2）所獲得的Cu2O@HHTP在電還原CO2以產生CH4時表現出良好的電導率和出色的活性，其法拉第效率非常高，為73％，分電流密度為10.8 mA cm-2，優于大多數報道的催化劑。
3）研究發現，具有非常小的尺寸和唯一（111）晶面的均勻Cu2O量子點以及釋放的HHTP配體的豐富羥基（-OH）有助于提高對CH4的選擇性。而CuHHTP載體的高電導率加速了電子向活性位點和基材的轉移，從而提供了大電流密度。
4）利用Operando ATR-FTIR的CO2RR測量和吉布斯自由能計算闡明了CH4反應途徑的中間體與釋放的HHTP配體之間氫鍵相互作用的重要性。
Highly Selective CO2 Electroreduction to CH4 by In Situ Generated Cu2O Jun-Dong Yi, et al, Single-Type Sites on Conductive MOF: Stabilizing Key Intermediates with Hydrogen Bond, Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI：10.1002/anie.202010601
https://doi.org/10.1002/anie.202010601
8. Angew：開發可被激活的NIR-II熒光探針用于體內高對比度生物成像
基于有機染料的NIR-II熒光探針由于具有高的信噪比和更深的穿透性，非常適用于對體內的深部組織進行高對比度的成像。然而，由于缺乏合適的染料，如何設計可被激活的NIR-II熒光探針仍然是一個很大的研究挑戰。湖南大學張曉兵教授設計了一類新穎的多甲基染料(NIRII-RTs)，其具有明亮(量子產率高達2.03%)、穩定和抗溶劑猝滅的NIR-II發光性能以及大的Stokes位移等優勢。
本文要點：
1）與大多數之前報道的、具有不可控熒光的NIR-II熒光團所不同的是，該新型的、具有羧酸基團的NIRII-RT3和NIRII-RT4染料可作為一種NIR-II平臺以實現高對比度的、可被激活的生物成像。
2）為了證明該探針的有效性，實驗合成了一系列可被激活的NIRII-RT探針(NIRII-RT-pH, NIRII-RT-ATP和NIRII-RT-Hg)，并將它們用于對pH值、三磷酸腺苷(ATP)和金屬離子進行檢測。與此同時，實驗也證明了該NIRII-RT探針可以成功地實現對藥物導致的肝毒性的實時監測。
Tian-Bing Ren. et al. A General Strategy for Development of Activatable NIR-II Fluorescent Probes for in vivo High-Contrast Bioimaging. Angewandte Chemie International Edition. 2020
DOI: 10.1002/anie.202009986
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202009986
9. Angew：原位構建聚合物電解質用于無液體全固態鋅電池和無封裝柔性電池
在追求柔性/可穿戴電能儲存與轉換(EESC)技術的過程中，固態電池（SSBs）備受關注。鋅電池通常被認為是安全的水體系，并很有希望成為柔性電池。另一方面，任何液體，包括水，封裝在可變形電池中的時候存在潛在的安全隱患。因此發展無液體全固態鋅電池需要高質量的固體電解質（SSEs）。
近日，香港城市大學支春義教授報道了一種原位聚合的無定形固體聚(1，3-二氧戊烷)電解質，其在室溫下表現出19.6 mS cm-1的高鋅離子電導率，低界面阻抗，超1800 h的可逆鍍鋅/剝離循環，均勻無枝晶鋅沉積以及非干性。
本文要點：
1）結果顯示，該聚合物電解質可以完全暴露在開放大氣中的in-plane交指結構器件中并穩定工作30天以上，幾乎沒有重量損失和電化學性能衰減。此外，夾層結構裝置在發生火災的情況下可正常工作40 min以上。同時，使用原位形成的SPE的界面阻抗和容量在經過各種彎曲測試后幾乎保持不變，這是柔性/耐磨器件的關鍵指標。
研究工作展示了一種滿足實用型固態鋅電池對無液體和機械穩健性要求的SSE策略。
Longtao Ma, et al, Liquid-free all-solid-state Zn batteries and encapsulation-free flexible batteries enabled by in-situ constructed polymer electrolyte, Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI: 10.1002/anie.202011788
https://doi.org/10.1002/anie.202011788
10. AM: 納米約束水分子通道通過團簇蒸發形式提高蒸汽產生速率
太陽能驅動界面蒸發技術是有效生產淡水的一種很有前途的方法。然而，自然光照下的蒸汽量不足限制了其實際應用，并且基本的蒸發機理不足，難以合理設計蒸發器結構。有鑒于此，清華大學王訓教授等人，展示了疏水性納米約束水分子通道（NCWMC），它可以降低水蒸發的蒸發焓，并在0.5陽光照射下達到創紀錄的1.25 kg m-2 h-1的蒸汽產生速率。
本文要點：
1）設計了納米約束水分子通道（NCWMC），以在較弱的光照下獲得高產量的SVG。通過一鍋溶劑熱法合成了一維摻雜O的MoS2-x納米片組裝結構（1D-OMoSNSA）。在1D-OMoSNSA的結構中，在堆疊過程中形成的間隙有利于快速的水輸運，，而超薄O-MoS2-x納米片之間3.5 nm間距的NCWMC可通過促進水分子以團簇形式蒸發，從而降低了水蒸發焓。
2）經過熱損失管理后，該蒸發器在1個陽光下的SVG速率為2.50 kg m-2 h-1，能量效率為89.6％。此外，在較弱的自然光照射下（0.5個太陽光下），SVG速率可能達到1.25 kg m-2 h-1，超過了報道的最高值，并且與大多數報道的在1個太陽光下的蒸汽產量相當。
3）分子動力學(MD)模擬表明，這種獨特的性能可以歸因于NCWMC系統中的團簇-蒸發過程。
總之，帶有NCWMC系統的蒸發器可以使用這種環保策略有效地凈化海水和廢水樣品。
Qichen Lu et al. Nanoconfined Water‐Molecule Channels for High‐Yield Solar Vapor Generation under Weaker Sunlight. Advanced Materials, 2020.
DOI: 10.1002/adma.202001544
https://doi.org/10.1002/adma.202001544
11. AM綜述：結晶多孔有機鹽：從微孔到層次孔
結晶多孔有機鹽（CPOSs）作為一類新興的多孔有機材料，結合了均勻的微孔體系和清晰的極化通道，已成為當前研究的熱點領域。CPOSs獨特的離子鍵賦予受限通道高極性，使CPOSs有別于其他有機骨架。同時，由于高度極化的客體分子和主體骨架之間的相互作用，CPOSs表現出許多獨特的性質，如質子導電性和極性分子的快速傳輸。目前，CPOS的合成和應用已取得實質性進展。
有鑒于此，武漢理工大學蘇寶連教授，陳麗華研究員，吉林大學賁騰教授概述了CPOSs的合成方法，結構特征和最新應用的研究進展，以及在CPOSs骨架內構建層次化多孔的見解。
本文要點：
1）作者總結了經典結晶多孔有機鹽的最新進展，包括其常規合成方法、結構特點以及在結晶有機鹽中制造多個微孔的策略。揭示其結構崩潰、合成方法、對結晶有機鹽骨架與極性客體分子(如水)之間的主客體相互作用以及結構-功能相關性具有重要意義，它們是這一領域進一步發展的指導原則。基于此，作者還對幾種典型的、有代表性的無永久孔隙率的結晶有機鹽進行了比較和討論，以期對CPOSs的合成起到啟發作用。
2）作者詳細總結了結晶多孔有機鹽的最新應用，包括質子導電性、CO2擴散、極大負線性壓縮性和分子轉子。同時，以無永久孔隙率的結晶有機鹽在熒光調制、電子轉移、分子交換和物種包覆等方面的應用為例進行了討論，并說明了CPOSs材料在這些領域具有更高性能的巨大應用潛力。然后，討論了這些CPOSs不斷增長的結構優化需求背后的機理，重點是對傳質性能的持續需求。
3）作者最后對分層多孔結晶有機鹽（HCPOSs)。作為可能是有機材料中第一個同時具有極性和分級孔隙率的材料，HCPOSs可用于氣體吸附，界面催化和涉及有機分子親和力的分子識別。目前關于HCPOSs的研究才剛剛開始，其設計和合成仍然面臨包括：合成策略，結構調節，應用開發，結構對質量或電荷傳輸的影響等有關的挑戰。
Shen Yu, et al, Crystalline Porous Organic Salts: From Micropore to Hierarchical Pores, Adv. Mater. 2020
DOI: 10.1002/adma.202003270
https://doi.org/10.1002/adma.202003270
