1. Joule: 由二氧化碳生產醇：甲醇作為燃料和化學原料
科學家和工程師在研究CO2轉化技術時，了解關鍵基礎化學品的CO2衍生生產方法是很重要的，而可再生酒精生產是工業規模上部署的為數不多的CO2利用技術之一。酒精是我們每天遇到的材料的基礎：在醇類中，甲醇是生產聚合物、塑料、纖維和樹脂的關鍵化學中間體，有望成為一種潛在的可再生液體燃料。目前，大多數甲醇是使用天然氣衍生的合成氣生產的。其使用二氧化碳，水和可再生電力的替代生產為將整個行業推向碳中和提供了機會。有鑒于此，Air Company的Stafford W. Sheehan等人，通過對其發展現狀的分析，提出了進一步利用CO2轉化為甲醇技術的研究和開發目標。1）由空氣，水和陽光生產可再生醇提供了一種利用捕獲的二氧化碳生產基本化學品并將可再生能源存儲在液體燃料化學鍵中的途徑。在直接利用CO2的技術中，CO2電解以及將CO2加氫與H2O電解相結合的技術，其優點是，僅需將CO2，H2O和可再生電力作為輸入，而O2是唯一的副產品。在醇類中，可再生甲醇在化學工業中得到了最廣泛的開發和分析，因為它目前是一種合成氣衍生的產品，可以直接用于CO2的利用。2）從這個角度出發，通過分析最近的文獻來確定可進一步擴大規模的研究目標，從成本和CO2生命周期的角度，比較了以可再生能源為動力的CO2電解和CO2加氫與現有的合成氣甲醇生產方法，以確定進一步擴大規模的研究目標。3）對該行業的調查表明，CO2加氫是目前最接近大規模應用的CO2利用技術之一。進一步討論了這些CO2加氫系統和驅動它們的催化劑，并提出了進一步發展和擴大規模的建議。
納米催化學術QQ群：256363607Seda Sarp et al. Alcohol Production from Carbon Dioxide: Methanol as a Fuel and Chemical Feedstock. Joule, 2020.DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.005https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.005
2. National Science Review：用于太陽能水分解的n-Si光電陰極中光吸收和反應位點的空間解耦
金屬-絕緣體-半導體（MIS）光電陰極可以替代p-n結光電陰極用于光電化學水分解。然而，MIS結中催化劑和金屬層的寄生光吸收，以及缺少與p-Si形成大帶偏移的低功函數金屬，嚴重限制了它們的性能。近日，天津大學鞏金龍教授報道了設計并制作了一種光照反應解耦的MIS光電陰極，采用n-Si來防止寄生光吸收，同時構建了較大的帶偏移。1）n-Si（電子）的大部分載流子用于析氫反應，使光吸收區域和反應位點在空間上解耦，從而消除催化劑的光屏蔽。此外，n-Si的采用使多種金屬材料能夠形成MIS結，其中ITO被用來解決光吸收和金屬層完全覆蓋之間的權衡。2）得益于ITO的高透光性和抗反射性，n-Si獲得了35.2 mA cm-2的高光電流密度，而高功函數的ITO與n-Si之間的大帶偏移則實現了高達570 mV的光電壓。所得n-Si MIS光電陰極的ABPE值為10.26%，超過了傳統的p-Si MIS光電陰極。3）研究人員構建了n-Si MIS-BiVO4 PEC串聯電池，在沒有外加偏壓的情況下，獲得了1.71%的太陽能-氫轉換效率。同時，開發的n-Si/Al2O3/ITO MIS結作為OER的光陽極具有很好的通用性，其ABPE值為1.6%。這項工作為消除p-Si MIS光電陰極的光吸收和催化活性之間的矛盾提供了一種簡便的策略，有望進一步提高其他使用透光率較差的催化劑的光還原體系的PEC性能。
光電器件學術QQ群：474948391Shujie Wang, et al, Spatial decoupling of light absorption and reaction sites in n-Si photocathodes for solar water splitting, National Science Review, nwaa293, 2020https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa293
3. National Science Review：液態金屬上大面積自對準石墨烯納米帶陣列的原位生長
本征石墨烯具有半金屬特性，限制了其在電子器件中的應用，而石墨烯納米帶（GNRs）由于其帶隙開放特性，是一種很有前途的半導體材料。然而，高質量GNR陣列的可控合成仍然是一個重大挑戰。特別是，目前尚無法通過無模板化學氣相沉積（CVD）原位生長GNR陣列。近日，中科院化學研究所于貴研究員，清華大學余志平教授報道了一種無模板的原位生長方法，在液態銅表面制備了大規模的自對準GNR陣列。1）獨特的稀薄氫流和液態銅的設計使得梳狀刻蝕圖案能夠調節石墨烯的生長，實現了GNR陣列形成的準一維生長模型。通過對生長條件的精確調整，實現了對GNR陣列寬度、邊緣結構和取向的精細控制。2）所生長出的GNR的寬度可以優化到10 nm以下，長徑比達到387，高于已報道的CVD-GNR，為探索高質量GNR陣列開辟了一條道路。同時，GNR陣列的直接生長簡化了工藝過程，避免了雜質和粗糙邊緣的引入。研究工作為制造晶圓規模、高質量和自對準的GNRs陣列提供了一條可靠的途徑，有望推動石墨烯基電子產品的發展。
二維材料學術QQ群：1049353403Le Cai, et al, In situ growth of large-area and self-aligned graphene nanoribbon arrays on liquid metal, National Science Review, 2020https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa298
4. Angew：揭示用于光電化學水氧化中空穴存儲的水鐵礦的水合結構
在光電催化體系中，水鐵礦（Ferrihydrite，Fh）起到了空穴存儲層（HSL）的作用。然而，目前仍不是很清楚具有空穴存儲功能的Fh的內在結構。有鑒于此，中科院大連化物所李燦院士，施晶瑩研究員報道了通過對FH進行仔細的煅燒后熱處理，使其脫水，將其空穴存儲容量與結構變化進行了關聯，旨在揭示用于空穴存儲的FH本征活性結構。1）通過TGA、XPS和穆斯堡爾光譜學譜分析Fh的結構，研究人員發現，Fh具有三種結晶水分子，每丟失一種結晶水就會導致相應的HSL功能減弱。結晶水分子的丟失導致了化學結構的演變，即從最初的六線Fh (Fe5H8·3H2O)最終相變為α-赤鐵礦。同時發現，FH的空穴儲存功能與鐵離子的配位環境密切相關。2）研究人員提出了Fh脫水過程的結構演化，確定了用于HSL的Fh的一級活性結構為與兩個或三個結晶水分子成鍵的 [FeO6] 多面體單元。隨著結晶水的不斷流失，[FeO6]水合單元的配位對稱性發生突變，形成了更有序的結構，結果導致在PEC水氧化反應中難以儲存光生空穴。這項工作揭示了Fh材料水合結構與其空穴存儲性能之間的關系。
光催化學術QQ群：927909706Pengpeng Wang, et al, Unveiling the Hydration Structure of Ferrihydrite for Hole Storage in Photoelectrochemical Water Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202014871https://doi.org/10.1002/anie.202014871
5. Angew: 金屬有機骨架和共價有機骨架膜材料的研究進展
金屬有機骨架材料(MOFs)和共價有機骨架材料(COFs)近年來在氣體分離膜中的應用得到了深入的研究。目前，已經開發出了先進的MOF和COF作為顆粒和薄膜膜以及混合基質膜（MMM）的制備方法。有鑒于此，德國卡爾斯魯厄理工學院Alexander Knebel等人，綜述了金屬有機骨架和共價有機骨架膜材料的研究進展。1）重點介紹了新穎的工藝和成型材料，深入探討了它們在氣體分離膜上的應用。受外部刺激影響的MOF材料為通過原位技術提高性能提供了新的方向。當前，具有大孔的COF在量子篩分應用中得到了廣泛的應用，利用COFs的堆疊行為也使分子篩分COF膜成為可能。同樣，可以使用MOF模板構建多孔聚合物，然后將其用于氣體分離膜中。2）迫切需要諸如氣體分離膜之類的技術，以降低化學工業的能源消耗并減少全球范圍內的溫室氣體排放。MOF和COF是一種具有優異性能的材料，不僅可以幫助石化領域中的分離，例如丙烯/丙烷，而且還可以直接捕獲CO2并可持續生產CH4等。為了在這些過程中利用潛在的最佳材料，至關重要的是進行更深層次的材料開發，而不是合成越來越多的新穎材料。展示了目前已知的MMM中非理想的聚合物-填料效應，但是這種效應經常被忽略。展示了許多非常適合膜科學的材料開發方面的開創性研究，鼓勵人們從事這些研究：多孔液體，包括MOF和COF顆粒對聚合物復合膜的液體加工性能；玻璃分子篩分ZIFs的形成開辟了一個全新的前景，例如無晶界的薄膜或中空MOF玻璃的中空纖維膜生產。3）另一方面，基礎研究、確定材料參數(如用單晶進行擴散研究)和進一步的分離(如量子篩分)是科學的關鍵步驟和主要任務。對于這些過程中的一些應用是相當具有挑戰性的，從根本上來說，還有很多東西需要學習:例如，刺激響應性材料介紹了有關MOF和氣體傳輸刺激的很多知識，而作為“通用”膜如何轉換到所需應用仍然是為知的。
多孔材料學術QQ群：813094255Bahram Hosseini Monjezi et al. Trending Today in Metal‐Organic and Covalent Organic Framework Membrane Materials. Angew., 2020.DOI: 10.1002/anie.202015790https://doi.org/10.1002/anie.202015790
6. Angew：乃春對黑磷的表面功能化：使用同位素標記法鑒定P=N鍵
二維晶體的表面功能化是調節其固有物理和化學性質的關鍵途徑。但是，缺乏用于直接探測改性材料表面化學鍵的系統方案和實驗策略。近日，華盛頓大學Alexandra Velian等報道了一種溫和的，針對特定表面的方法，通過使用相應疊氮化物光解生成的的一系列乃春（RN）化合物來對少黑磷納米片進行表面功能化。1）作者將光譜標簽嵌入有機主鏈中，從而可采用多種表征技術來詳細研究改性納米片的化學結構，包括振動，X射線光電子，固態31P NMR和紫外可見吸收光譜。2）作者通過振動光譜法，15N標記實驗和DFT方法的結合使用，直接探測了引入到表面的官能團，通過確定P=N振動模式確定納米片表面存在磷亞胺單元。該工作報道了如何在2D無機材料的改性和表征中轉化分子合成和表征策略，以提供對化學控制和結構細節的理解。
二維材料學術QQ群：1049353403Kendahl Walz Mitra, et al. Surface Functionalization of Black Phosphorus with Nitrenes: Identification of P=N Bonds Using Isotopic Labeling. Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202016033https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016033
7. Angew.: 氮化硼氣凝膠錨定Pt/MnO2納米花在室溫下高效富集和催化氧化甲醛
甲醛催化室溫氧化(HCHO)被廣泛認為是減輕室內有毒HCHO污染的可行方法。有鑒于此，蘇州大學路建美教授等人，制備了錨固在氮化硼氣凝膠上的Pt/MnO2納米花（Pt/MnO2-BN）用于HCHO的催化室溫氧化。1）首先將Pt NP（?30 nm）加載到MnO2納米花上。Pt NP為MnO2納米花提供了獨特的空間特征，從而為結構提供了穩定性，從而避免了聚集的缺點。此后，將制備好的Pt/MnO2復合材料分散并錨固到多孔氣凝膠上，該氣凝膠具有在卷曲的BN納米片上組裝的互連網絡。2）氣凝膠的多孔結構促進了Pt/MnO2-BN界面處HCHO的富集，并隨后促進了所吸附HCHO的完全氧化。優化的Pt/MnO2-BN在室溫下對HCHO（200 ppm）表現出出色的催化活性，在50分鐘后甲醛轉化率達到96％。3）多孔結構有利于反應物和產物的快速轉移，從而加速了HCHO的氧化過程。另外，結合的吸附和氧化性能提高了催化劑降低空氣中HCHO濃度的效率。此外，與粉末狀催化劑相比，作為整體式催化劑的3D Pt/MnO2-BN氣凝膠更易于回收和再利用。總之，該整體多孔復合材料展示了作為一種氧化催化劑的前景，并為設計用于室溫HCHO去除的高性能催化劑提供了有用的見解。
納米催化學術QQ群：256363607
Dongyun Chen et al. Pt/MnO2 Nanoflowers Anchored to Boron Nitride Aerogels for Highly Efficient Enrichment and Catalytic Oxidation of Formaldehyde at Room Temperature. Angew., 2020.DOI: 10.1002/anie.202013667https://doi.org/10.1002/anie.2020136678. Nano Today：組織透明化策略解決深部腫瘤光療效果不佳難題2020年12月20日，納米科學與材料領域頂尖期刊Nano Today (IF=16.907)在線發表華中科技大學生命學院國家納米藥物工程技術研究中心楊祥良/趙彥兵團隊關于活體組織光透明劑實現深部腫瘤有效光療通用策略的研究論文：“A versatile strategy for improving phototherapeutic efficacy on deep-sited tumor by tissue optical clearing technique”癌癥是嚴重危害人類健康的重大疾病之一，傳統的癌癥治療方法如手術、化療和放療等會導致嚴重毒副作用，腫瘤的耐藥、復發和轉移等的發生。相比于傳統的癌癥治療模式，基于多功能納米材料的腫瘤光療（如光熱/光動力治療等）具有非侵入性，遠程操作，時空分辨率高以及毒副作用低等諸多優點，近年來在淺表腫瘤的臨床治療方面取得了極大的成功。然而，由于人體組織對光的高屏障作用，這些高效的光療模式很難實現對深部腫瘤的有效治療。盡管一些長波光源（如遠紅外波段、微波、射頻電磁波等）能提高組織穿透性，但人體組織實質與間質的折光指數錯配，仍然會導致這些光/電磁波在到達深部腫瘤前被強烈散射或吸收。因此如何從根本上解決光源的組織穿透深度問題，進而增強深部腫瘤光治療效果仍然是亟待解決的問題。1）為解決這個問題，本研究另辟蹊徑，將光學成像領域中的組織透明化技術與腫瘤光療結合，發展了一種具有良好生物相容性的高效活體組織透明劑（TGP）。在離體豬皮和活體大鼠腹部皮膚上的實驗表明TGP處理30 min后，皮膚透光率增加了4倍。以載阿霉素金納米籠（DOX@PGNCs）作為光熱化療模型納米藥物，在離體豬皮覆蓋的深部腫瘤動物模型上的抑瘤實驗均表明TGP預處理能顯著增強DOX@PGNCs的光熱/化療效果：14天后腫瘤體積僅為沒有TGP預處理的38%。而且，TGP透明化效應很容易用生理鹽水“可逆擦除”，避免不必要的不良反應。2）TGP透明化技術還能有效增強光熱引導的腫瘤靶向遞送，顯著提高了DOX@PGNCs的腫瘤蓄積，從而實現高度選擇性腫瘤光熱消融和化療。綜上所述，該TGP透明化策略有望從根本上解決治療用激光的組織穿透深度問題，為多種光療模式（如光熱治療和光動力學治療等）用于深部腫瘤治療提供了新的思路。
生物醫藥學術QQ群：1033214008Hao Zhao, et al. A versatile strategy for improving phototherapeutic efficacy on deep-sited tumor by tissue optical clearing technique. Nano Today.https://doi.org/10.1016/j.nantod.2020.101058
9. AEM：Li6PS5Cl與鋰負極之間超穩SEI的緩慢形成助力硫化物基固態電池
硫化物固體電解質（SSE）具有優異的離子導電性，是一種很有前途的固態金屬鋰電池（SSLMBs）候選材料。然而，硫化物與鋰金屬的不相容性會導致嚴重的界面電阻，鋰枝晶快速長大，進而嚴重阻礙了其商業化應用。有鑒于此，受生物醫學領域中緩釋藥物載體與活性藥物成分結合時的溫和性和長持續時間的啟發，中科院上硅所溫兆銀研究員報道了選擇聚碳酸亞丙酯（PPC）基聚合物作為引發劑，成功在SSLMBs中的SSE與鋰負極之間形成了超穩定的SEI。1）PPC具有以下幾個不可缺少的優點：i）PPC可以提供易于涂覆的涂層，避免了鋰負極與SSE的直接接觸；ii）PPC逐漸降解生成的碳酸丙烯酯（PC）使涂層膨脹，進而與鋰負極充分接觸，形成均勻的Li沉積；iii）PPC固體緩慢分解為液態聚碳酸酯的過程不僅顯著降低了界面電阻，而且在溶劑化的LiTFSi和多硫化物物種的參與下，有利于形成穩定的富鋰SEI，這非常有利于抑制枝晶的形成和生長。2）實驗結果顯示，所開發的對稱電池在0.1 mA cm?2時，可穩定循環1200 h，在0.5mA cm?2時，可穩定循環300 h。此外，LiFePO4/Li6PS5Cl/Li準固態電池具有較高的放電容量，1 C下的循環容量可達132.8 mAh g?1以上，庫侖效率穩定。
電池學術QQ群：924176072Ya Chen, et al, Sustained Release-Driven Formation of Ultrastable SEI between Li6PS5Cl and Lithium Anode for Sulfide-Based Solid-State Batteries, Adv. Energy Mater. 2020DOI: 10.1002/aenm.202002545https://doi.org/10.1002/aenm.202002545
10. AEM：過渡金屬在聚陰離子鈉離子主體中遷移引起的結構不穩定性
一般來說，聚陰離子材料的結構在儲存/釋放鈉離子時不會發生過渡金屬遷移，并且結構穩定。近日，廈門大學楊勇教授，美國阿貢國家實驗室陸俊教授報道了一種典型的聚陰離子正極Na3VCr(PO4)3（NVCP）在較低溫度(?15 °C vs 30°C)下的循環穩定性得到增強。研究發現，NVCP中釩的可遷移性導致了循環時聚陰離子主體的有害結構的退化。1）通過原位X射線衍射、V-K邊緣的原位X射線吸收精細結構（XAFS）、V-L邊緣的原位軟X射線吸收光譜（sXAS）和原子分辨率電子顯微鏡的強結合，研究人員揭示了由V遷移引起的新的結構退化機制，該機制在Na+深度提取時容易發生。2）隨著溫度的降低，離子的擴散指數下降，因此，通過有效地將V原子“凍結”到它們原來的晶格位置，使NVCP在低溫下具有結構穩定性。此外，由于過量Na+相互作用引起的靜電相互作用，可能會發生陽離子重排。3）研究人員進一步發展了一種更實用的策略，通過室溫深度嵌鈉（<1.7 V）來恢復退化的結構，迫使位錯的V原子返回到它們原來的晶格。這項工作挑戰了長期以來人們對聚陰離子骨架結構穩定性的理解，對于NVCP體系的結構理解以及設計提高性能的策略具有重要意義。
電池學術QQ群：924176072Rui Liu, et al, Counter-Intuitive Structural Instability Aroused by Transition Metal Migration in Polyanionic Sodium Ion Host, Adv. Energy Mater. 2020DOI: 10.1002/aenm.202003256https://doi.org/10.1002/aenm.202003256
11. AFM: 柔性透明超級電容器：材料和器件
隨著柔性透明便攜電子設備的不斷發展，迫切需要與之匹配的電源。柔性透明超級電容器(FTCEs)由于其高透光率、機械柔性強、電化學性能優異、設備配置方便等優點而極具應用潛力。有鑒于此，南京郵電大學黃維院士、趙強教授等人，綜述了用于FTSCs的納米結構電極材料的合理設計。1）首先介紹了FTSC的結構，機理和性能。然后，討論了各種電極材料的設計原理，以實現具有不同優點，機械強度和環境穩定性不同的柔性透明導電電極（FTCE）。還重點介紹了多功能FTSC在薄膜超級電容器，微型超級電容器，電致變色超級電容器，光電超級電容器和類電池超級電容器方面取得的成就。最后，概述了在為便攜式電子設備供電的FTSC的構造中對可行材料的當前挑戰和未來前景。2）金屬氮化物、金屬磷酸鹽、金屬鈦酸鹽、金屬錳酸鹽、金屬鉬酸鹽、黑磷、MOFs、和共價有機骨架等新型電極材料是FTSCs的重要組成部分。特別是，必須研究新興的高電導率電極材料。在未來的市場中，相應的設備結構將被簡化，為小型化的便攜式電子產品節省更多的空間。3）合理設計電極材料是另一個值得探索的方向，因為它可以有效地提高FTCE的光電性能，機械柔韌性和電化學性能。新型電極結構，包括多孔結構、分層結構、核殼同軸/三軸結構等，使FTSCs的快速動力學、穩定的能量存儲和長周期循環穩定性成為可能。電極材料的熱力學穩定性是器件穩定性的前提。活性材料的大比表面積對增加活性位點和縮短電子/離子輸運路徑有重要影響，從而提高超級電容器的電化學性能。從電極材料的結構特性與電化學性能之間的關系，簡要推導了電極材料的基本機理，因此理論模擬和計算也是證明充放電過程中熱動力學和動力學的重要補充手段。柔韌性是評估FTSC的機械穩定性的重要指標，可以通過比較連續彎曲過程中不同曲率半徑或連續拉伸狀態下拉伸長度下的電容值來更準確地判斷柔韌性。
柔性可穿戴器件學術QQ群：1032109706Weiwei Zhao et al. Flexible Transparent Supercapacitors: Materials and Devices. Advanced Functional Materials, 2020.DOI: 10.1002/adfm.202009136https://doi.org/10.1002/adfm.202009136
12. ACS Energy Letters: 低成本無摻雜空穴傳輸層，用于高效鈣鈦礦太陽能電池
開發具有適當分子構型和電荷遷移率的空穴傳輸材料（HTM）對于提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）光伏性能及其商業化可行性是至關重要的。洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel，Zhongjin Shen，Yuhang Liu和天津大學Xianggao Li等人通過擴展基于三苯胺核的π共軛，制備了一種MeOTTVT的新型金字塔形低成本HTM。1）在三苯胺核和對甲氧基三苯胺之間引入了碳碳雙鍵，以改善HTM的平面性，有利于MeOTTVT的分子間堆疊，從而改善相應空穴傳輸層（HTL）的空穴遷移率。甲氧基三苯胺的HTM具有與鈣鈦礦活性層良好排列的最高占據分子軌道，有利于有效的空穴提取。2）基于MeOTTVT的無摻雜添加劑的HTL的PSC的最好效率可達21.30％，這是采用無摻雜小分子HTM的性能最好的PSC之一。此外，基于MeOTTVT的HTL具有出色的熱穩定性和高玻璃化轉變溫度（Tg = 137.1°C），并具有更疏水的表面。基于MeOTTVT摻雜劑的無添加劑HTL的PSC表現出優異的水穩定性，光熱穩定性。
光電器件學術QQ群：474948391Hongwei Zhu et el. Low-Cost Dopant Additive-Free Hole-Transporting Material for a Robust Perovskite Solar Cell with Efficiency Exceeding 21%, ACS Energy Letters, 2020.DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02210https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c02210
