1. Nature Communications：液滴型微生物微反應器在有氧條件下的光合作用制氫
在生物技術和合成生物學中，多細胞群體自發地自組裝成具有協同結構和功能的生物材料仍然是一個相當大的挑戰。近日，哈工大黃鑫教授，英國布里斯托大學Stephen Mann報道了利用葡聚糖- PEG乳液微滴的雙水相分離來捕獲、空間組織和固定藻細胞或藻類/細菌細胞群落，以獲得能夠在白天空氣中進行有氧（產氧）和低氧（產氫）光合作用的離散的多細胞球體。1）大量的小球藻細胞自發地被BSA穩定的w/w葡聚糖-PEG乳滴捕獲，然后通過高滲收縮和原位形成BSA/葡聚糖水凝膠基質被壓實成緊密堆積的球狀聚集體。2）根據球體的大小，隨著內部微環境含氧量的減少和氫酶活性的增加，聚集體核心內的細胞從有氧光合作用轉變為低氧光合作用。結果顯示，當暴露在空氣中的日光下時，藻細胞微反應器產生了相當數量的氫氣。3）鑒于氧氣和氫氣的產生分別由分布在外殼和核心微生態位之間的小球藻（Chlorella）細胞數量決定，研究人員通過使用液滴方法自發地將緊密堆積的藻細胞包裹在連續的非光合細菌層中，提高了微反應器中的低氧光合作用水平。4）通過這一方式，研究人員協同地將有氧呼吸和低氧光合作用結合起來，從空間組織的微生物群落中制氫，其氫產率高于所報道的自然界中的瞬時生物質燃料產量。重要的是，富含大腸桿菌的外殼不僅充當光源的屏蔽層，而且還消耗了球狀體核心中藻類細胞光合作用產生的氧氣，只要不耗盡細胞存儲化合物，這兩者都有助于氫的生物合成。此外，由于持續的細胞增殖，球體并未分解。在后一種情況下，多細胞球體中水凝膠基質的交聯導致連續制氫延長到168小時。
生物材料學術QQ群：1067866501Xu, Z., Wang, S., Zhao, C. et al. Photosynthetic hydrogen production by droplet-based microbial micro-reactors under aerobic conditions. Nat Commun 11, 5985 (2020)DOI：10.1038/s41467-020-19823-5https://doi.org/10.1038/s41467-020-19823-5
2. JACS：鋅基3D半導體金屬有機骨架中的高熱功率
導電金屬有機框架（c-MOFs）因其在能源相關應用中的出色性能而受到越來越多的關注。但是，目前所報道的c-MOFs大多數都是基于2D結構。而3D c-MOFs的合成策略尚未得到充分研究，因此在其結構和屬性上均未實現進一步的功能。有鑒于此，美國斯坦福大學鮑哲南教授，瑞典斯德哥爾摩大學Zhehao Huang報道了一種Zn-HAB，由六氨基苯和Zn(II)組成的3D c-MOF。1）通過選擇Zn(II)作為四面體金屬節點，Zn-HAB表現出具有srs拓撲的預測3D結構。2）Zn-HAB在室溫下的帶隙為1.82 eV，電導率為0.86 mS cm-1。研究人員進行了在沒有添加摻雜劑的3D MOF的熱電性能研究。結果顯示，在210至300 K的溫度范圍內，Zn-HAB獲得了195- 220 μV K-1的大塞貝克系數，功率因數（PF =σS2）達到了3.44 nW m-1 K-2。將3D Zn-HAB及其合成方法添加到已報道的c-MOFs中，有望通過摻雜以及各種結構和組成變化進一步優化其電和熱電性能。
多孔材料學術QQ群：813094255Jihye Park, et al, High Thermopower in a Zn-Based 3D Semiconductive Metal?Organic Framework, J. Am. Chem. Soc.DOI: 10.1021/jacs.0c09573https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c09573
3. JACS：調節COF的激子效應用于光催化分子氧活化
由電子和空穴之間的庫侖相互作用引起的激子效應在光催化中起著微妙而重要的作用，但長期以來的研究中一直被忽略。近日，中科大江海龍教授報道了在卟啉中心不存在或存在不同金屬的情況下，證明了卟啉共價有機骨架（COF，特別是DhaTph-M）是調節激子效應的理想模型。1）研究發現，在COF中摻入Zn2+（DhaTph-Zn）可以促進單重態激子向三重態激子的轉化，而引入Ni2+（DhaTph-Ni）則可以在光激發下促進激子解離為熱載流子。因此，在可見光照射下，DhaTph-Zn和DhaTph-Ni的判別激子行為分別使O2活化為1O2和O2?-，從而導致截然不同的光催化萜品烯氧化的活性和選擇性。2）得益于上述結果，DhaTph-Ni在O2?-參與的硼酸羥基化反應中表現出出色的光催化活性，而DhaTph-Zn在1O2介導的有機硫化物的選擇性氧化中具有優異的性能。這項工作提供了對分子氧活化的深入見解，并為調節基于COF的激子效應開辟了一條途徑。
多孔材料學術QQ群：813094255Yunyang Qian, et al, Photocatalytic Molecular Oxygen Activation by Regulating Excitonic Effects in Covalent Organic Frameworks, J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c09727https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c09727
4. JACS：無創原位NMR研究揭示全電池鋰金屬電池中“死鋰”形成和鋰腐蝕
基于其最高的理論比容量，金屬鋰（Li）被認為是下一代電池的最有希望的未來負極材料。鋰金屬電池（LMB）的循環需要在充電過程中沉積鋰金屬，并在放電過程中剝離。目前，LMB商業化的最大挑戰是與電沉積Li的枝晶生長相關的安全性問題，以及其較低的低容量保持率和短循環壽命。近日，英國劍橋大學Clare P. Grey報道了一種7Li原位NMR計量技術，以研究“無負極”鋰金屬電池，其中鋰直接從LiFePO4（LFP）正極電鍍到裸銅集流體上。1）將LFP被選為穩定的正極材料，其電壓分布在3.5 V vs Li/Li+，原則上，可以選擇使用任意鋰化正極材料。2）該技術可以追蹤全電池鋰金屬電池中鋰的電鍍和剝離過程中無活性或“死鋰”的形成，即可以通過NMR量化死鋰和SEI的形成，并在碳酸鹽和醚電解質中比較它們的相對形成速率。研究發現，FEC添加劑有利于電鍍和剝離鋰，導致Li?Cu電池中更高的CE和Li?NMC電池中更好的容量保持率。3）研究人員利用順磁金屬鋰的體磁化率（BMS）效應，對7Li NMR位移進行仔細分析，以揭示表面覆蓋和鋰沉積形態。原位NMR監測在間歇期間發生的Li金屬腐蝕實驗結果顯示，Li的總腐蝕（化學SEI形成和電腐蝕）仍然是可充電LMB的一個關鍵問題。4）研究發現，高腐蝕率歸因于鋰金屬和銅的SEI形成（以及Cu+，Cu2+的還原）。研究人員隨后研究了銅表面處理，電解質和聚合物涂層對銅集流體（PEO，PVDF和PMMA）的影響，以此作為減輕Li腐蝕的方法。結果表明，聚合物涂層和銅表面化學修飾都有助于穩定金屬鋰表面。
電池學術QQ群：924176072Anna B. Gunnarsdo?ttir, et al, Noninvasive In Situ NMR Study of “Dead Lithium” Formation and Lithium Corrosion in Full-Cell Lithium Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c10258https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c10258
5. JACS：石墨共軛有機酸的界面場驅動質子耦合電子轉移
界面質子偶聯電子轉移（PCET）反應對于操作多種能量轉換技術至關重要，但是，目前人們對界面PCET的分子水平的了解有限。研究發現，在碳表面上，可以通過芳族吩嗪鍵將有機酸官能團與石墨邊緣結合，從而引入界面PCET的設計位點。在這些帶有有機酸部分的石墨共軛催化劑（GCCs）上，PCET由復雜的界面靜電和電場梯度驅動，這些梯度很難通過實驗進行探測。近日，美國耶魯大學Sharon Hammes-Schiffer報道了利用周期性密度泛函理論（DFT）來研究GCCs有機酸的電子結構以及相應的界面靜電勢和電場與施加電勢的關系。1）研究人員開發了第一性原理建模策略，用于探索這些體系中恒定電極電勢下的PCET熱力學。并使用這種策略來計算GCC吩嗪橋和有機酸的質子耦合氧化還原電勢，同時分析這些位點處的界面靜電電勢與PCET反應之間的關系。2）研究人員將計算結果與先前通過循環伏安法（CV）實驗測量的三種GCC有機酸的質子偶聯氧化還原電勢進行比較。此外，該計算方法還可以用于預測另外兩種GCC有機酸的質子偶聯氧化還原電勢，然后通過實驗進行驗證。3）該計算策略為缺乏在兩種特定的GCC有機酸上PCET的實驗觀察結果提供了合理的解釋。最重要的是，這些計算突出了連續共軛和牢固的電子耦合對于在酸性部位實現界面場驅動的PCET的重要性。基于這類電催化劑的界面化學研究可用于加深人們對非均相催化劑和均相催化劑之間結合的理解，并進一步開發石墨上的分子活性位點作為自下而上的催化劑設計策略。
碳材料學術QQ群：485429596Robert E. Warburton, et al, Interfacial Field-Driven Proton-Coupled Electron Transfer at Graphite-Conjugated Organic Acids, J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c10632https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c10632
6. JACS：二維導電金屬有機框架中光誘導電荷傳輸機制的直接證據
導電金屬有機骨架（MOFs）是一類有前景的多孔晶體材料，在光電和光催化中具有重大應用潛力。但是，對電荷傳輸（CT）機理以及CT機理與電荷傳輸結構的相關性缺乏基本的了解阻礙了它們的進一步發展。近日，馬凱特大學Jier Huang等結合時間分辨光學光譜和X射線吸收光譜以及太赫茲光譜這三種先進的光譜方法，研究了二維Cu-THQ MOFs中CT機制的直接證據以及電荷載流子的時空行為及其光電導性的相關性 。1）除了Cu-THQ，還研究了摻入Zn2+客體金屬后的Cu/Zn-THQ中的CT，以揭示通過空間途徑的貢獻，因為氧化還原惰性的3d10 Zn2+的存在會擾亂遠距離 平面CT。2）研究表明，光激發后Cu-THQ中生成的熱載流子具有很高的移動性，電子占據Cu中心和配體空穴，快速定位到低能態（冷載流子）。3）具有超長壽命（> 17 ns）的冷載流子負責Cu-THQ的長期光電導性，并通過O-Cu-O結構進行傳輸，而層間配體π-π堆疊的作用很小。Cu-THQ中Zn2+的存在大大降低了光電導率。該工作報道的結果不僅證明了通過實驗手段探測CT機理的可能，而且還為光電子和光催化應用的2D MOFs的合理設計提供了重要的見解。
二維材料學術QQ群：1049353403James Nyakuchena, et al. Direct Evidence of Photoinduced Charge Transport Mechanism in 2D Conductive Metal Organic Frameworks. J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c09000https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09000
7. JACS：(GeTe)1-2x(SnSe)x(SnS)x的超低導熱系數、高機械穩定性和高熱電性能
熱電能量轉換要求高性能的晶態無機固體具有極低的導熱系數、高的機械穩定性和良好的熱電器件性能。無鉛碲化鍺（GeTe）基材料近年來在中溫TE發電方面引起了極大的關注，但原始GeTe的晶格熱導率（κlatt）明顯高于其理論最低熱導率（κmin），即～0.3 W/mK。近日，印度賈瓦哈拉爾尼赫魯高級科學研究中心（JNCASR）的 Kanishka Biswas報道了κlatt非常接近其κmin 的(GeTe)1-2x(SnSe)x(SnS)x。1）(GeTe)1-2x(SnSe)x(SnS)x體系是點缺陷富固溶體和相分離共存的體系。首先，由于過量的點缺陷和豐富的微觀結構，在GeTe中加入等摩爾SnSe和SnS后，通過有效的聲子散射降低了其κlatt。然后，引入Sb摻雜會導致其他聲子散射中心，并優化p型載流子濃度。2）10mol% Sb摻雜(GeTe)0.95(SnSe)0.025(SnS)0.025在300 K下表現出極低的κlatt（約0.30 W/mK）。隨后，10 mol%Sb摻雜的(GeTe)0.95(SnSe)0.025(SnS)0.025在710 K下表現出1.9的高TE品質因數（zT）。高性能樣品的顯微維氏硬度（機械穩定性）值約為194 HV，明顯高于原始的GeTe和其他最先進的熱電材料。此外，研究人員還在10 mol%Sb摻雜的(GeTe)0.95(SnSe)0.025(SnS)0.025的單管TE器件中獲得了高功率輸出在462K的溫差下，約為150 mW。研究結果有望進一步促進(GeTe)1-2x(SnSe)x(SnS)x體系各種組成的結構和熱電性能的研究，以期在中溫無鉛發電方面實現其巨大的應用價值。
熱電材料學術QQ群：699166559Paribesh Acharyya, et al, Ultralow Thermal Conductivity, Enhanced Mechanical Stability, and High Thermoelectric Performance in (GeTe)1-2x(SnSe)x(SnS)x, J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c11015https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c11015
8. JACS：機械聯鎖的氮化納米石墨烯
輪烷的形成提供了一種獨特的策略來改善分子、聚合物和材料的性能，而不改變它們的共價結構。納米石墨烯是延伸超過1 nm的多環芳烴（PAHs）。納米石墨烯顯示出高度可調節的光電，氧化還原以及電荷和激子傳輸特性，這些特性隨稠合芳環的數量及其排列以及芳族骨架中嵌入的雜原子的數量和位置而變化。一維延伸的納米石墨烯，例如帶狀納米石墨烯和石墨烯納米帶，由于其獨特的邊緣，寬度和長度相關的電子，光學和機械性能，以及開發電子新材料的潛力而備受關注。有鑒于此，西班牙UPV/EHU的Aurelio Mateo-Alonso報道了分別與苯、蒽和苯并二噻吩側壁機械聯鎖的氮化納米分子1@A、1@B和1@C的合成。在該系列輪烷中，納米石墨烯1既可作為啞鈴，又可作為模板。1）核磁共振和單晶X射線衍射表明，納米石墨烯骨架中的氮原子通過氫鍵相互作用助力大環的剪裁反應（clipping reaction）。與納米石墨烯1相比，機械聯鎖的納米石墨烯1@A、1@B和1@C具有更高的熱穩定性和光化學穩定性，有利說明了大環化合物的穩定作用。2）吸收，熒光和電化學測量表明，大環化合物可以調節納米石墨烯1的光電和氧化還原特性，還可以引入新的納米環。例如，從大環到包封的納米石墨烯，1@B和1@C呈現雙重熒光，1@C呈現輪烷內Forster能量轉移（FRET）。這項工作提供了一種制備機械聯鎖的氮化納米石墨烯的方法，并提供了聯鎖大環化合物對其性能的影響的概念驗證。
碳材料學術QQ群：485429596
Alberto Rian?o, et al, Mechanically Interlocked Nitrogenated Nanographenes, J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c10345https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c10345
9. JACS：[8]-2,6-吡啶環蕃光化學重排
加州大學洛杉磯分校K. N. Houk、Patrick G. Harran等報道，吡啶環蕃N-O化物受到光激發過程中的反應情況，通過考察不同時間中的產物變化情況，同時分離得到光敏感中間體物種，此外通過DFT計算驗證生成的中間體。基于實驗結果和得到的兩種以往未見報道的雜環芳（heterocyclopane）分子，展示了一種光化學反應中競爭性機理。1）通過對[8]-2,6-吡啶環蕃N-氧化物分子的光化學重排過程進行研究，發現Weber在該反應中分離得到0.6 %的ketopyrrolophane（5）產物。通過對反應溶劑、溫度調控、同時將反應更改為流動相，改善了反應中的pyrolophane產率，導致5產物分子的產率提高了40倍，同時該反應中未見副產物生成。DFT計算方法對該反應中光化學重排的能壘。2）通過對光反應的時間進行精確的控制，將該反應中迅速生成的1,2-氧氮雜卓、1,3-氧氮雜卓產物分離。5分子的形成是由4分子經過連續兩個光化學反應步驟進行。通過分析反應過程，作者發現通過1,2-氧氮雜卓過程合成5可能是比較合適的方法。
Evan E. Hurlow, et al, Photorearrangement of [8]-2,6-Pyridinophane N?Oxide, J. Am. Chem. Soc. 2020DOI: 10.1021/jacs.0c09310https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09310
10. JACS：方鈉石結構Zr-MOF的合成
阿卜杜拉國王科技大學Mohamed Eddaoudi等報道了一種結構新穎方鈉石（sod）分子篩Zr基MOF材料，Zr-sod-ZMOF-1、Zr-sod-ZMOF-2。該MOF的合成通過新穎離面(cantellation)方法實現，通過特定結構的有機連接分子構建了12配位的六核Zr結構單元（MBB），將其作為四面體結構二級單元，搭建分子篩類似結構。該MOF材料有≈43 ?的介孔結構，以及≈8 ?的矩形窗口、≈21 ?的六邊形窗口。1）制備方法。通過苯-1,3-間二甲苯甲酸（BDM）、ZrCl4在DMF中進行反應，得到菱形十二面體結構的MOF材料，結構表征結果顯示，首次在MIV-MOF結構中得到sod拓撲結構。2）得到的Zr-sod-ZMOF的介孔達到≈43 ?，孔道體積達到1.98 cm3 g-1，該結果是目前報道的四面體MBB結構組成的MOF材料中最高的結果。
多孔材料學術QQ群：813094255Norah Alsadun, et al, Introducing a Cantellation Strategy for the Design of Mesoporous Zeolite-like Metal?Organic Frameworks: Zr-sod-ZMOFs as a Case Study, J. Am. Chem. Soc. 2020DOI: 10.1021/jacs.0c10007https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c10007
11. AM: 準2D鈣鈦礦層間的高效能量傳遞可實現高性能藍光鈣鈦礦發光二極管
雖然已經進諸多研究來調節鈣鈦礦發光二極管（LED）中的準2D鈣鈦礦成分以促進其電致發光，但很少有報道涉及增強薄膜的準2D鈣鈦礦層之間能量轉移的方法，這對于實現高性能鈣鈦礦LED（PeLED）至關重要。香港大學Wallace C. H. Choy和南方科技大學Kai Wang; Rui Chen等人首次將4-（2-氨基乙基）苯甲酸（ABA）陽離子的雙功能配體引入鈣鈦礦中，以減少鈣鈦礦單層之間的弱范德華間隙，從而促進耦合的準二維鈣鈦礦層。1）耦合的準2D鈣鈦礦層之間的相互作用增強，有利于鈣鈦礦薄膜中的有效能量傳遞。引入的ABA還可以通過減少金屬Pb來鈍化鈣鈦礦缺陷，從而減少非輻射復合損失。2）得益于摻入ABA的鈣鈦礦薄膜質量的提高。研究人員制備了藍光準2D PeLED，PeLEDs的外量子效率高達10.11％，工作穩定性為81.3分鐘。因此，這項工作為高性能和穩定的藍光PeLED走向實際應用提供了有效的方法。
光電器件學術QQ群：474948391Zhenwei Ren et al. High‐Performance Blue Perovskite Light‐Emitting Diodes Enabled by Efficient Energy Transfer between Coupled Quasi‐2D Perovskite Layers, Advanced Materials, 2020.DOI: 10.1002/adma.202005570https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202005570
12. AM：相互增強的聚合物-石墨烯雙層膜用于節能聲傳導
石墨烯有望成為薄、超輕、高性能的納米機電換能器。然而，由于懸浮石墨烯薄膜的疲勞和斷裂，純石墨烯器件的尺寸受到嚴重限制。近日，美國弗吉尼亞理工大學Guoliang Liu教授，以色列巴伊蘭大學Doron Naveh，Waves Audio Ltd.公司Gabriel Zeltzer報道了制備了一種輕質、柔韌、透明、導電的聚醚酰亞胺（PEI）和單層石墨烯（SLG）雙層復合材料（PEI/SLG），并以厘米級的尺度將其懸浮，其長徑比達到了前所未有的105。1）研究人員采用化學氣相沉積(CVD)方法在銅箔上生長SLG，制備了一種典型的復合膜。然后，在SLG上旋涂了一層PEI（厚度為350 nm）以形成雙層異質結構。將PEI/SLG膜粘結到一個中空的剛性框架上，并去除銅襯底，得到一種獨立的、高度透明的PEI/SLG膜。2）結果顯示，PEI與SLG這兩個組件的耦合導致相互加強，并形成了超強的PEI/SLG膜，可支撐自身重量的3萬倍。機電致動時，PEI/SLG隔膜會推動大量空氣并產生高質量的聲音。能源效率比最先進的電動揚聲器高出約10–100倍。3）雙層膜優異的導電性，機械強度，光學透明性，熱穩定性和耐化學性的綜合特性將促進其在電子，機械和光學領域的應用。
膜材料學術QQ群：463211614Assad U. Khan, et al, Mutually Reinforced Polymer–Graphene Bilayer Membranes for Energy-Efficient Acoustic Transduction, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202004053https://doi.org/10.1002/adma.202004053
