1. EES：高重量能量密度鋰硫電池
鋰硫（Li-S）電池的研究隨著硫正極和鋰金屬負極在富電解質(zhì)條件下性能的提高而得到蓬勃發(fā)展。然而，由于鋰硫電池只有在較低的電解質(zhì)/硫（E/S）比下才能獲得高的重量能量密度，貧電解質(zhì)條件下的嚴重性能退化正成為制約鋰硫電池發(fā)展的瓶頸。有鑒于此，廈門大學鄭南峰教授，方曉亮教授等人報道了一種新型的以鈦氧簇（TOC）為增強劑的凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE），開發(fā)了具有低E/S的電池，本研究為開發(fā)高能量密度鋰硫電池提供了一條新的途徑。1）研究人員選擇聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVFH）作為聚合物基體，所選TOC具有環(huán)狀的{Ti32O16}主干，呈輪狀，直徑為2.69 nm，高度為1.04 nm。{Ti32O16}簇的EGH配體首先在室溫下與聚乙二醇（PEG-400）在二氯甲烷（CH2Cl2）中交換，得到TOC-PEG。然后，將TOC-PEG的CH2Cl2溶液與PVFH丙酮溶液按TOC-PEG/PVFH為5/95（重量/重量）比例混合，猛烈攪拌。將均勻的混合物進一步澆鑄在聚四氟乙烯板上，固化后得到PVFH-TOC-PEG薄膜。最后，在充滿氬氣的手套箱中，將定制的PVFH-TOC-PEG膜浸入電解液中，得到了GPE膜。2）實驗結(jié)果顯示，所開發(fā)的電解質(zhì)具有良好的機械性能和高的鋰離子導電性，并具有良好的抑制多硫化物效應和鋰枝晶形成的性能，從而使低E/S電池具有更高的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。值得注意的是，低E/S（3 μL?mgS-1）電池在高硫負載量（10 mgScm-2）和低正負容量比（1/1）下具有423?Wh?kg-1的重量能量密度，并可持續(xù)運行100次。Fei Pei, et al, Titanium-oxo clusters reinforced gel polymer electrolyte enabling lithium-sulfur batteries with high gravimetric energy densities, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D0EE03005H
2. EES：硒化鈷鐵納米框架的局域自旋態(tài)調(diào)諧用于促進OER
電化學水分解制氫是實現(xiàn)高純度氫氣規(guī)模化生產(chǎn)的有效途徑之一，然而，遲緩的陽極析氧反應（OER）嚴重限制了陰極制氫效率，導致電解水的總成本和能耗急劇增加。盡管，諸如Ru/Ir化合物等貴金屬電催化劑具有優(yōu)異的OER催化性能。然而，其高昂的價格和有限的穩(wěn)定性無法實現(xiàn)大規(guī)模應用。近日，華中科技大學夏寶玉教授，西安交通大學丁書江教授，蘇亞瓊教授報道了通過在硒化鈷納米框架中摻入鐵（Fe）來改變Co物種的局域自旋態(tài)，以提高其OER活性。1）研究人員通過對Co-Fe PBAs前驅(qū)體進行簡單的固態(tài)硒化處理，制備了Fe0.4Co0.6Se2納米框架。2）研究發(fā)現(xiàn)，適量的Fe摻雜優(yōu)化了Co原子的局域自旋態(tài)，使其與t2g5eg2電子組態(tài)相對應，獲得了較高的價態(tài)，有利于促進電荷轉(zhuǎn)移和含氧物種的形成，從而增強了水氧化性能。3）實驗結(jié)果顯示，F(xiàn)e0.4Co0.6Se2納米框架在270 mV的低過電位下就可以提供10 mA cm-2的析氧電流密度，表現(xiàn)優(yōu)于商用釕氧化物（RuO2）和大多數(shù)最近報道的OER電催化劑。穩(wěn)定性測試結(jié)果顯示，在Fe0.4Co0.6Se2納米框架上發(fā)現(xiàn)了表面含氧物種，即潛在的OER活性中心。
電催化學術(shù)QQ群：740997841Jun-Ye Zhang, et al, Local Spin-State Tuning of Cobalt-Iron Selenide Nanoframes for Boosted Oxygen Evolution, Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D0EE03500Ahttps://doi.org/10.1039/D0EE03500A
3. Angew：局部有序石墨化碳正極助力高容量雙離子電池
由于典型石墨正極的陰離子存儲容量不足，雙離子電池（DIBs）固有的能量密度有限。近日，中科院深圳先進技術(shù)研究院唐永炳研究員，澳大利亞格里菲斯大學張山青教授報道了一種非常規(guī)的設計策略，采用與無序碳互連的局部有序石墨碳（LOGC）作為陰離子嵌入型正極，以解決上述問題。1）密度泛函理論（DFT）計算表明，層尺寸減小的LOGC碳材料可以有效削弱相鄰石墨烯片之間的范德華相互作用，從而降低石墨膨脹引起的陰離子插層電壓；同時，無序碳不僅使分散的納米石墨相互連接，而且部分緩沖了嚴重的陰離子排斥，并提供了額外的電容陰離子儲存位點。2）為了驗證這一新的設計策略，選擇具有典型LOGC結(jié)構(gòu)的商用科琴黑（KB）作為鉀基DIB（KDIB）的正極材料，并選擇全無序活性炭（AC）和全有序石墨作為對照正極。實驗結(jié)果顯示，采用KB正極的KDIB在50 mA g-1下的比容量達到了前所未有的232 mAh g-1，與對照樣品（如商用天然石墨和AC）相比，有了顯著的提高。此外，300 mA g-1下，具有高達1000次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，沒有明顯的容量衰減，優(yōu)于其他兩種正極。這項工作對進一步研究LOGC碳材料以開發(fā)用于DIBs的大容量陰離子存儲正極具有指導作用。
電池學術(shù)QQ群：924176072Kai Yang, et al, Locally ordered graphitized carbon cathodes for high-capacity dual-ion batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202016233https://doi.org/10.1002/anie.202016233
4. Angew：具有2.58 W cm-2優(yōu)異堿性膜燃料電池性能的聚(烷基三聯(lián)苯哌啶鎓)離聚體和膜
陰離子交換膜（AEM）燃料電池（AEMFCs）在使用無Pt族金屬（PGM）催化劑方面具有良好的功率密度和顯著的成本優(yōu)勢，近年來受到燃料電池界和美國能源部（DOE）的廣泛關(guān)注。然而，迄今為止，AEMFCs的耐久性和功率密度不足問題仍沒有得到有效解決。無芳醚陰離子交換離聚體（AEIs）和膜（AEMs）已經(jīng)成為解決AEMFC耐久性和功率密度不足問題的重要基準。近日，韓國漢陽大學Young Moo Lee報道了采用超酸縮合法合成了一種含脂肪鏈的聚（二苯基三聯(lián)苯哌啶鎓）（PDTP）共聚物，以降低AEIs的苯含量和吸附量，并提高AEMs的機械性能。1）研究發(fā)現(xiàn)，PDTP AEMs具有優(yōu)異的機械性能（儲能模量＞1800 MPa，拉伸強度＞70 MPa）、氫燃料阻隔性能（＜10 Barrer）、良好的離子導電性和ex-situ穩(wěn)定性。2）低苯基含量和高透水性的PDTP AEIs表現(xiàn)出優(yōu)異的峰值功率密度（PPDs）。在80 ℃的H2-O2和H2-空氣中，AEMFC的PPDs分別達到2.58W cm-2（>7.6A cm-2）和1.38 W cm-2，比功率（PPD/催化劑負載量）超過8 W mg-1，這是迄今為止Pt基AEMFC的最高紀錄。
電池學術(shù)QQ群：924176072
Nanjun Chen, et al, Poly(alkyl-terphenyl piperidinium) ionomers and membranes with outstanding alkaline membrane fuel cell performance of 2.58 W cm-2, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202013395https://doi.org/10.1002/anie.202013395
5. Angew.: 銅（II）位點修飾沸石高效分離乙炔和二氧化碳
由于乙炔和二氧化碳的分子大小和揮發(fā)性幾乎相同，使得它們在工業(yè)上的分離極具挑戰(zhàn)性。有鑒于此，曼徹斯特大學楊四海教授和南開大學李蘭冬研究員等人，報道了在環(huán)境條件下，用原子分散的銅（II）位點修飾的八面沸石分子篩中乙炔和二氧化碳的高效分離（v/v = 2/1，與工業(yè)裂解流相關(guān)）。1）原位中子粉末衍射和非彈性中子散射證實，受限的銅（II）位點顯示出對乙炔的化學選擇性但可逆的結(jié)合，而吸附的二氧化碳分子由于主體-客體與骨架氧中心的弱相互作用而穩(wěn)定下來，因此在流動條件下有效分離這兩種氣體。2）通過在FAU沸石中引入配位不飽和的Cu（II）位，Cu@FAU在環(huán)境條件下顯示出高的C2H2動態(tài)吸附能力和出色的C2H2/CO2混合物分離能力。通過在環(huán)境溫度下吹掃，可以很容易地除去Cu@FAU上吸附的CO2分子，同時保留大多數(shù)結(jié)合的C2H2分子。3）結(jié)果表明，通過常規(guī)的變溫解吸法再生吸附劑，可以獲得純度為98-99％的C2H2。通過原位中子粉末衍射(NPD)和非彈性中子散射(INS)，充分闡明了Cu@FAU中C2H2和CO2的潛在吸附機制，揭示了C2H2分子在Cu(II)位點上的特殊幾何結(jié)構(gòu)。總之，該工作提出了一種很有吸引力的策略，即利用修飾沸石，通過化學選擇性吸附C2H2，從C2H2/CO2的混合物中輕松地生產(chǎn)高純度C2H2。
Shanshan Liu et al. Efficient separation of acetylene and carbon dioxide in a decorated zeolite. Angew., 2020.DOI: 10.1002/anie.202014680https://doi.org/10.1002/anie.202014680
6. Angew：一鍋有機催化N-磺酰氮雜環(huán)丙啶與環(huán)酸酐的陰離子開環(huán)共聚制備結(jié)構(gòu)精準的聚(酯酰胺)基均聚物和嵌段共聚物
近年來，由于可以將聚酯的生物降解性/生物相容性與聚酰胺優(yōu)異的熱性能和力學性能結(jié)合在一起，聚(酯酰胺)受到越來越多的關(guān)注。被廣泛應用于藥物傳遞系統(tǒng)、水凝膠、非病毒基因載體、復合材料以及組織工程等領(lǐng)域。聚(酯酰胺)通常是由含酯二胺與二羧酸或其衍生物縮聚而成。然而，這將產(chǎn)生廣泛分布的副產(chǎn)物和低分子量聚合物。近日，受環(huán)氧化物與環(huán)酸酐開環(huán)交替共聚（ROAP）合成聚酯的啟發(fā)，阿卜杜拉國王科技大學Nikos Hadjichristidis報道了一種由N-磺酰氮雜環(huán)丙烷與環(huán)酸酐的ROAP反應合成聚(酯酰胺)的新方法。1）研究發(fā)現(xiàn)，商業(yè)有機磷腈催化劑可以在沒有任何競爭副反應(兩性離子機理和交換轉(zhuǎn)酰化)的情況下促進高活性、可控和選擇性的交替共聚。實現(xiàn)了，節(jié)能（低于50℃）條件下，獲得了具有完美交替的序列分布、高度受控的分子量和窄分子量分布（D< 1.10）的聚(酯酰胺)。2）機理研究表明，N-磺酰氮雜環(huán)丙烷和磷腈對共聚反應速率呈一級依賴關(guān)系，環(huán)酸酐對共聚反應速率呈零級依賴關(guān)系。這種“一鍋法”不僅可以得到聚(酯酰胺)基均聚物，還可以得到嵌段共聚物。研究人員提出了N-磺酰氮雜環(huán)丙烷與環(huán)酸酐交替開環(huán)共聚和N-磺酰氮雜環(huán)丙烷開環(huán)聚合兩個催化循環(huán)，揭示了一鍋法合成聚(酯酰胺)基均聚物和嵌段共聚物的方法。
Jiaxi Xu, Nikos Hadjichristidis, Well-defined poly(ester amide)based homo- and block copolymers by one-pot organocatalytic anionic ring-opening copolymerization of N-sulfonyl aziridines and cyclic anhydrides, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202015339https://doi.org/10.1002/anie.202015339
7. Angew：具有燃料電池超穩(wěn)定氧還原性能的共面Pt/C納米結(jié)構(gòu)
開發(fā)具有高穩(wěn)定性、高效的氧還原反應（ORR）催化劑對質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）的長期運行具有重要意義，但仍具有挑戰(zhàn)性。近日，中科大吳宇恩教授，洪勛副教授報道了一種由高度扭曲的Pt網(wǎng)絡（線寬為2.05±0.72 nm）和C組成的二維共面PtC納米網(wǎng)格（NMs）的簡便合成方法。1）研究人員將乙酰丙酮鉑（Pt(acac)2）與氯化鉀（KCl）以1:10的重量比分散在乙醇/水（1/1）中。然后，將混合物干燥，然后轉(zhuǎn)移到瓷船，在N2氣氛，543 K下，退火2 h。通過簡單的熱還原反應，研究人員得到了均勻的與原位碳共面形成的Pt網(wǎng)絡。最后用去離子水洗滌KCl，漂洗、離心后得到產(chǎn)物（Pt/C NMs）。2）SEM圖像顯示了典型的共面Pt/C納米復合材料具有二維形貌，橫向尺寸約為1 μm。TEM圖像進一步證實了其片狀結(jié)構(gòu)，高透明度和褶皺表明共面Pt/C NMs具有超薄的特征。AFM圖像顯示共面Pt/C NMs的厚度約為10 nm。進一步，HAADF-STEM圖像顯示，超細互連的Pt網(wǎng)絡分布均勻。此外，研究人員利用x射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜揭示了共面Pt/C NMs中Pt的金屬態(tài)。3）燃料電池測試結(jié)果表明，共面Pt/C NMs催化劑在H2/O2電池中具有良好的活性，在0.80 V時，其峰值功率密度為1.21 W cm?2，電流密度為0.360 A cm?2。此外，共面Pt/C NMs催化劑在3萬多次循環(huán)的電極測量中表現(xiàn)出較好的抗聚集穩(wěn)定性，且在H2/O2單電池操作中，120 h的工作電壓損失可以忽略不計。4）密度泛函理論（DFT）計算結(jié)果顯示，共面Pt/C NMs中Pt原子空位形成能增加，抑制了Pt的溶解和聚集傾向。
電催化學術(shù)QQ群：740997841Yanmin Hu, et al, Coplanar Pt/C Nanomeshes with Ultrastable Oxygen Reduction Performance toward Fuel Cells, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202014857https://doi.org/10.1002/anie.202014857
8. Angew：聚合物同時內(nèi)外修飾金屬有機骨架的物理纏結(jié)策略
MOF的功能復雜性不僅存在于MOF孔中，而且還存在于MOF表面。與孔隙改性相比，MOFs的表面改性具有挑戰(zhàn)性。在各種表面改性劑中，聚合物因其豐富的化學性質(zhì)和廣泛的性能而引起了廣泛的關(guān)注。利用聚合物，通過后合成改性（PSM）可以對MOF表面進行改性。近日，上海科技大學李濤研究員報道了一種非共價鏈纏結(jié)方法，同時內(nèi)部和外部修飾MOFs。1）研究人員首先利用MOF顆粒內(nèi)部相互連接的納米通道，通過濕法浸漬將活性單體2-異氰酸乙酯（IEM）引入MOF孔中。加熱后，IEM在原位聚合成線型聚合物鏈。由于限域作用，聚合物通過與骨架的物理纏結(jié)被牢牢地包含在MOF孔隙中。此外，研究人員利用沿聚合物主鏈排列的反應性異氰酸酯基團，通過三乙基四胺(TETA)進一步功能化MOF孔，在空腔中形成伯胺和仲胺基團。2）研究發(fā)現(xiàn)，胺基的存在不僅增加了MOF對CO2的親和力，而且允許端酸酐聚酰亞胺（PI）低聚物通過共價鍵連接到MOF表面糾纏在MOF孔中的客體聚合物。在引入PI基體后，PI改性MOF顆粒在混合基質(zhì)膜（MMMs）中的分散性得到提高，同時與PI基體的界面相容性得到增強。此外，，胺修飾的MOF提高了MMM的孔隙度和CO2溶解度，從而顯著提高了CO2/N2和CO2/CH4膜的分離性能。
多孔材料學術(shù)QQ群：813094255Dejun Dai, et al, A Physical Entangling Strategy for Simultaneous Interior and Exterior Modification of Metal-Organic Framework with Polymers, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202016041https://doi.org/10.1002/anie.202016041
9. Nano Lett.：具有鐵電轉(zhuǎn)換拓撲狀態(tài)的異質(zhì)雙分子層
多功能納米材料近年來吸引了廣泛的關(guān)注。近日，萊斯大學Boris I. Yakobson等通過第一性原理密度泛函理論計算設計和探索了由具有匹配晶格對稱性的2D材料組件組成的異質(zhì)雙分子層。1）該異質(zhì)雙分子層由β-相銻烯（β-Sb，具有強大的自旋軌道耦合）和鐵電In2Se3單層組成。研究表明，In2Se3單層的鐵電極化在雙層中可引起明顯不同的電子性質(zhì)。2）在極化指向“內(nèi)部”的情況下，該異質(zhì)雙層是一個瑣碎的絕緣體，具有空間間接帶隙（可能有益于光伏）。令人驚訝的是，當雙層“向外”極化時，該異質(zhì)雙層顯示不尋常的拓撲狀態(tài)，Z2 = 1。這表明外部電場可以在這兩種狀態(tài)之間可逆地切換，從而在多功能設備中具有潛在應用。
Jun-Jie Zhang, et al. Heterobilayer with Ferroelectric Switching of Topological State. Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04531https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04531
10. Nano Letters：利用原位電子顯微鏡研究鋰金屬負極與鋰磷氧氮的界面穩(wěn)定性
鋰磷氧氮（LiPON）是目前為數(shù)不多的幾種固體電解質(zhì)之一，其對Li金屬具有很高的穩(wěn)定性，而且循環(huán)時間長，庫侖效率高，適用于全固態(tài)電池（ASSBs）。然而，理論計算表明，LiPON與Li金屬發(fā)生了化學反應。近日，美國威斯康星大學密爾沃基分校Junjie Niu，橡樹嶺國家實驗室Nancy J. Dudney，Miaofang Chi報道了利用原位電子顯微鏡實時高空間分辨率觀察了接觸和偏壓下LiPON-Li界面相的形成。1）結(jié)合LiPON界面形態(tài)演變的原位觀察，以及接觸前后LiPON表面的化學對比，研究人員發(fā)現(xiàn)，在接觸過程中，LiPON-Li界面處形成了一層薄的界面層（約60 nm）。界面層由一種導電二元化合物組成，具有獨特的空間分布，保證了界面的電化學穩(wěn)定性，是一種有效的鈍化層。2）鑒于其優(yōu)異的循環(huán)性能和目前唯一的固體電解質(zhì)不受枝晶生長的影響，LiPON可以作為未來高性能固體電解質(zhì)設計的基礎(chǔ)材料。該研究所獲得的有關(guān)LiPON和Li金屬界面的信息，有望為類似SE體系中調(diào)節(jié)界面層的穩(wěn)定性和厚度提供指導。
電池學術(shù)QQ群：924176072
Zachary D. Hood, et al, Elucidating Interfacial Stability between Lithium Metal Anode and Li Phosphorus Oxynitride via In Situ Electron Microscopy, Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03438https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03438
11. AM：紅磷-金屬的超聲界面工程有效根除MRSA感染
聲動力學療法（SDT）由于其深穿透能力和生物安全性，被認為是治療包括癌癥和細菌感染在內(nèi)的多種疾病的潛在治療手段，但其有效性受到深層組織缺氧環(huán)境的限制。在此，天津大學吳水林、湖北大學劉想梅等人提出通過開發(fā)金屬-紅磷（RP）的超聲界面工程技術(shù)來創(chuàng)造一種潛在的解決方案，即聲熱療法，與單獨使用金屬相比，在25分鐘的連續(xù)超聲（US）刺激下，其聲熱能力明顯提高，超過20℃。1）其基本機制為，超聲誘導的電子在RP中的運動可以有效地將US能量以熱和晶格振動的形式傳遞到聲子中，從而使金屬RP對US的吸收更強。2）與US誘導的空化效應的非特異性加熱不同，當US穿透2.5厘米的豬肉組織時，鈦-RP可以原位加熱。3）此外，通過體內(nèi)聲熱治療，在不到20min的超聲時間內(nèi)，成功地消除了由多藥耐藥金黃色葡萄球菌（MRSA）引起的骨感染，而無組織損傷。綜上所述，這項工作為通過US界面工程進行強力聲熱療法對抗MRSA提供了一種新型策略。
生物醫(yī)藥學術(shù)QQ群：1033214008Wei Guan, et al. Ultrasonic Interfacial Engineering of Red Phosphorous–Metal for Eradicating MRSA Infection Effectively. Adv. Mater., 2020.DOI: 10.1002/adma.202006047https://doi.org/10.1002/adma.202006047
12. AEM：固態(tài)鋰金屬電池規(guī)模化發(fā)展之路：實驗室級電池與實際應用電池之間的差距
固態(tài)鋰金屬電池的放大工藝對于提高電池系統(tǒng)的安全性和能量密度具有重要意義。用固態(tài)電解質(zhì)（SSEs）取代傳統(tǒng)的有機液體電解質(zhì)（OLEs）為解決日益增長的能源需求開辟了一條新的途徑。目前，盡管人們已經(jīng)將SSEs成功應用在實驗室級電池中，然而只有少數(shù)成功的研究成果可用于實際應用。有鑒于此，北京理工大學黃佳琦教授報道了實用級電池和實驗室級電池之間存在的差距和挑戰(zhàn)。1）作者首先簡要概述了SSEs及其在SSLMBs中的應用，充分總結(jié)了其實驗室研究和規(guī)模化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和機遇，隨即提出了包括電解質(zhì)制備、層制造、電池設計和組裝工藝在內(nèi)的整體技術(shù)鏈中實驗室級電池和商業(yè)SSLMBs之間的關(guān)鍵差距，并專注于實驗室級電池和商業(yè)SSLMBs在電極和電解質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的差距。然后，提出了適合電池商業(yè)化的實用技術(shù)。2）作者最后指出，盡管人們已經(jīng)開發(fā)出了包括氧化物、硫化物和聚合物離子導體在內(nèi)的大量SSEs，并取得了一些可與液體電解質(zhì)相媲美的巨大進展。然而，將實驗室級的成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)仍然存在挑戰(zhàn)。作者總結(jié)了一些未來可行的策略，并提出了可能的研究方向，為后續(xù)研究提供指導。
電池學術(shù)QQ群：924176072Lei Xu, et al, Toward the Scale-Up of Solid-State Lithium Metal Batteries: The Gaps between Lab-Level Cells and Practical Large-Format Batteries, Adv. Energy Mater. 2020DOI: 10.1002/aenm.202002360https://doi.org/10.1002/aenm.202002360
