1. Nature Nanotechnol.: 鈷酸鋰高壓不穩定性的結構成因
層狀鈷酸鋰（LiCoO2，LCO）是鋰離子電池中最成功的商業正極材料。然而，當電位高于4.35 V(相對于Li/Li+)時，其結構不穩定性是阻礙其實現274 mAh g-1理論容量的主要障礙。盡管已經發現了幾種高壓LCO（H-LCO）材料并將其商業化，但其穩定性的結構起源仍然難以確定。有鑒于此，北京大學潘鋒教授和Cong Lin，北京大學孫俊良研究員和美國陸軍研究實驗室許康研究員等人，使用高分辨率透射電子顯微鏡輔助的三維連續旋轉電子衍射方法作為主要表征工具來研究兩種商用LCO正極的結構在不同的截止電壓下原子水平上的結構差異：正常LCO（N-LCO）和高壓LCO（H-LCO）。1）使用結合cRED和HRTEM的表征揭示了兩種商業化LCO材料在原子水平上的結構差異。由于電化學性能與具有相同成分和結構的兩種LCO材料幾乎無關，因此采用了cRED技術進行表征。2）在表面附近出現的氧化鈷層的曲率決定了材料在高電勢下的結構穩定性，進而決定了電化學性能。彎曲的LCO層會破壞材料的結構穩定性，從而導致高電壓下的電化學性能較差。3）這種原子層面的理解不僅提供了對LCO正極的理解，而且在更廣泛的范圍內，還為其他層狀氧化物正極（如Li(NixCoyMn1-x-y)O2和Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2）建立了精確的結構-性能關系。總之，在理論計算的基礎下，這種對層狀LCO材料的結構-性能關系的原子理解為未來設計高電壓下具有優越結構穩定性的新型正極材料提供了有用的指導。
電池學術QQ群：924176072Li, J., Lin, C., Weng, M. et al. Structural origin of the high-voltage instability of lithium cobalt oxide. Nat. Nanotechnol. (2021).DOI: 10.1038/s41565-021-00855-xhttps://doi.org/10.1038/s41565-021-00855-x
2. Nature Energy: 開發可充電電池的無鈷富鎳陰極
當前鈷（Co）供應的瓶頸已對商用電池生產產生了負面影響，并激發了對鈷的依賴性較小的正極材料的開發。但是，由于缺乏鈷對陰極容量和結構穩定性影響的基本了解，以及在實踐中缺乏有效的替代元件，因此無法完全消除鈷。有鑒于此，美國阿貢國家實驗室Khalil Amine，陸俊和北京大學潘鋒教授等人，發現Co在陰極快速的容量和/或結構退化中起著不可否認的作用，而且Co在高電位下比Ni更具破壞性，這為Co的消除提供了確鑿的證據和令人鼓舞的前景。1）研究了在有意設計的系統中，包括富鈷和錳取代的無鈷陰極中Co的作用。Co雖然有效地抑制了Li/Ni無序的形成，但也引發了單個顆粒中巨大的晶格參數變化和晶間微裂紋。另外，Co持續激活不穩定的O氧化還原，導致氧釋放和不可逆的從層狀結構向尖晶石狀結構的相變。2）Li/Ni無序，晶間微裂紋和不可逆相變不存在無鈷陰極中，因此表面由層狀結構向巖鹽相的轉變與Co、Mn成分無關。此外，適當數量的Li/Ni無序(一個近似范圍3-7%)能提高富鎳正極材料的結構穩定性。3）Mn取代能有效緩解Co的破壞作用，并且能夠抑制氧氣釋放，并使其具有較高的電壓。還證明了一系列LiNiαMnβXγO2(X =單一或多種摻雜劑)是一種很有希望的無鈷陰極候選材料。
電池學術QQ群：924176072Liu, T., Yu, L., Liu, J. et al. Understanding Co roles towards developing Co-free Ni-rich cathodes for rechargeable batteries. Nat Energy (2021).DOI: 10.1038/s41560-021-00776-yhttps://doi.org/10.1038/s41560-021-00776-y
3. Nature Mater.：一種通過振動誘導交聯的仿生機械適應材料
在自然界中，生物骨骼能夠適應其所遭受的機械力，從而使其自身增強以適應其上所處的環境。近日，芝加哥大學Aaron P. Esser‐Kahn報道了一種仿生復合材料，這種仿生復合材料能適應它所處的機械環境，其模量隨力、時間和機械攪拌頻率的變化而變化。1）為了利用中頻振動能量(500-5000 Hz)并將其用于材料的自適應強化，研究人員設計了一種復合有機凝膠，其由甲基纖維素（MC）基體、動態反應材料（硫醇-烯“點擊成分”）和被動傳感器（壓電ZnO）組成。2）研究發現，這種復合材料的適應性由機械響應型ZnO控制，其控制聚合物復合凝膠中硫醇和烯烴之間的交聯反應，從而導致機械驅動的66倍模量增加。由于化學能的量是機械能輸入的函數，因此材料沿應力分布感測并調整其模量，類似于材料可以相應地適應加載位置的骨骼重塑行為。這種仿生復合材料設計有望用于開發從粘合劑到與生物系統接觸材料。
仿生材料學術QQ群：111658060Wang, Z., Wang, J., Ayarza, J. et al. Bio-inspired mechanically adaptive materials through vibration-induced crosslinking. Nat. Mater. (2021).DOI：10.1038/s41563-021-00932-5https://doi.org/10.1038/s41563-021-00932-5
4. Nature Catal.：一種用于高效催化無添加劑的純甲酸脫氫系統
甲酸（FA）是一種極有前途的氫載體，可以在氫經濟的整體應用中發揮巨大作用。在這一點上，重要的是實現從純凈的FA制氫，而不需要任何溶劑或添加劑，這也是目前現有FA制氫系統所面臨的挑戰。近日，以色列魏茨曼科學研究院David Milstein報道了釕-9H-吖啶配合物（1）對純 FA無添加劑進行脫氫具有顯著的活性。與大多數FA脫氫系統相反，該催化系統無需任何添加劑或溶劑即可催化純凈FA脫氫，從而完全釋放FA的儲氫性能。甚至在環境溫度下，配合物1也會催化FA的脫氫，并且催化速率隨溫度的升高而提高（經測試，最高可達95 °C）。1）該催化劑可在FA中保持長期穩定，耐熱性，同時可選擇性催化純FA脫氫（TON超過170萬，TOF高達3067 h-1）。此外，該催化體系即使在封閉系統中也很極具活性，可以實現從純凈FA產生高壓的H2/CO2，甚至還可以催化市售85％FA（最低成本的低質量FA）進行脫氫反應。2）機理研究和密度泛函理論（DFT）研究結果顯示，通過順式可用配位點的催化途徑是配合物1催化純FA脫氫的主要途徑。此外，還發現了一條生成雙羰基9H-吖啶配合物（1e）的催化劑路徑，其同樣參與催化FA脫氫反應。總體而言，通過進一步優化，該催化系統可滿足或有可能實現美國能源部的許多技術性能目標，包括H2的可用比能量、H2的可用能量密度、儲氫系統成本、儲氫系統的最小輸送壓力等。此外，鑒于吖啶類配體具有很高的可調節性，其進一步的研究有望產生更具活性的吖啶類化合物，用于催化純FA脫氫。
納米催化學術QQ群：256363607Kar, S., Rauch, M., Leitus, G. et al. Highly efficient additive-free dehydrogenation of neat formic acid. Nat Catal (2021).DOI：10.1038/s41929-021-00575-4https://doi.org/10.1038/s41929-021-00575-4
5. Nature Chem.：通過碳酸酐酶催化氫化鋅非生物還原硅烷類酮
盡管在合成的過渡金屬催化劑的反應中存在這樣的中間產物，但是通過單核金屬氫化物進行的酶促反應在自然界中是未知的。如果金屬酶可以通過這些非生物的中間產物進行反應，那么酶催化反應的范圍就會擴大。有鑒于此，美國加州大學伯克利分校的John F. Hartwig等研究人員，報道了通過碳酸酐酶催化氫化鋅非生物還原硅烷類酮。1）研究表明含鋅碳酸酐酶催化氫化物轉移從硅烷到酮具有很高的對映選擇性。2）研究報告的力學數據提供了強有力的證據，證明該過程涉及一個單核氫化鋅。3）研究表明，非生物硅烷可以作為酶催化過程中的還原當量物，而電正金屬單體氫化物在質子環境中通常是不穩定的，可以作為酶催化過程中的催化中間體。本文研究填補了分子催化和生物催化轉化類型之間的空白。
均相催化與酶催化學術QQ群：871976131
Pengfei Ji, et al. Abiotic reduction of ketones with silanes catalysed by carbonic anhydrase through an enzymatic zinc hydride. Nature Chemistry, 2021.DOI：10.1038/s41557-020-00633-7https://www.nature.com/articles/s41557-020-00633-7
6. Nature Commun.：水誘導的甲烷在金單原子催化劑上溫和氧化制甲醇
甲烷直接氧化制甲醇是一個具有100%原子經濟的過程，但由于甲烷的活化和甲醇的過氧化之間的矛盾，甲烷直接氧化制甲醇仍然是一個巨大的挑戰。近日，中科大曾杰教授，李微雪教授，李洪良報道了在光照射下，水能夠使甲烷在黑磷納米片上的Au單原子（Au1/BP）上溫和地氧化成甲醇，選擇性超過99%。1）實驗結果顯示，在90 °C光照（1.2 W）、33 bar混合氣體（CH4:O2=10:1）加壓的水中，Au1/BP納米片的質量活性達到113.5 μmol gcatal?1，活化能為43.4 kJ mol?1。2）機理研究表明，在光照射下，水有助于O2的活化，產生反應性羥基和·OH自由基。羥基與甲烷在Au單原子上反應生成水和CH3*物種，然后CH3*通過·OH自由基氧化生成甲醇。考慮到整個過程中水的循環利用，這里的水也可以當作催化劑。
納米催化學術QQ群：256363607
Luo, L., Luo, J., Li, H. et al. Water enables mild oxidation of methane to methanol on gold single-atom catalysts. Nat Commun 12, 1218 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-21482-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-021-21482-z
7. Nature Commun.：表面鈍化的鹵化物鈣鈦礦單晶用于高效光電合成二甲氧基二氫呋喃
鹵化物鈣鈦礦型單晶由于具有高的捕光能力和優異的電荷傳輸性能而在光伏領域具有極具吸引力的性能，近年來受到廣泛關注。然而，尚未有報道其在光電化學中的應用。近日，中山大學匡代彬教授報道了甲胺基溴化鉛單晶薄膜MAPbBr3在光電化學有機合成2,5-二甲氧基-2,5-二氫呋喃中的潛在應用。1）研究發現，沉積超薄Al2O3層能有效鈍化MAPbBr3鈣鈦礦表面缺陷。因此，得益于MAPbBr3單晶薄膜/ Al2O3的抑制性陷阱輔助復合，隨著飽和電流從1.2 增加到5.5 mA cm-2，其光電化學性能幾乎提高了5倍。此外，富Ti3+物種的鈦沉積不僅可以作為保護膜，還可以作為催化層，以進一步提高性能和穩定性。2）實驗結果顯示，MAPbBr3單晶薄膜/Al2O3/Ti基光陽極在連續6 h的二甲氧基二氫呋喃析出實驗中，光電化學性能和穩定性均有顯著提高，法拉第效率高達93%。
光電器件學術QQ群：474948391
Wang, XD., Huang, YH., Liao, JF. et al. Surface passivated halide perovskite single-crystal for efficient photoelectrochemical synthesis of dimethoxydihydrofuran. Nat Commun 12, 1202 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-21487-8https://doi.org/10.1038/s41467-021-21487-8
8. Sci. Adv.：B4C超硬材料位錯引發剪切無定形化導致材料失效
超硬材料的失效過程通常和應力導致無定形化過程有關，但是對這種結構變化過程中的機理過程仍難以得到很好的解釋。有鑒于此，約翰斯·霍普金斯大學陳明偉等報道了通過相關實驗對單晶碳化硼中剪切無定形化的起始過程研究，通過納米壓痕、透射電子顯微鏡進行表征。驗證了和加載速率變化（比如突發性加載pop-in）導致通過剪切無定形化導致形成納米尺度無定形帶，表現在納米壓痕載荷-位移曲線上的變化。1）對突發性加載過程中導致結構變化進行隨機分析（Stochastic analysis），發現非常小的活化體積、較低的成核速率、剪切無定形化過程中的低活化能，展示了該過程中引發通過位錯形核（dislocation nucleation）導致高壓結構改變被激活，這種位錯導致無定形化的現象對理解超硬材料在遠低于理論強度的過程中發生失活過程的機理過程非常重要。
Kolan Madhav Reddy et al. Dislocation-mediated shear amorphization in boron carbide, Science Advances 2021, 7(8), eabc6714DOI: 10.1126/sciadv.abc6714https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabc6714
9. Sci. Adv.：表面活性劑系統變溫分離手性碳納米管
大規模獲得鋸齒形和類鋸齒形結構單壁碳納米管（SWCNTs），通過生長或者分離得到具有較高挑戰，因此抑制了對其所具有的性質理解、實際應用的發展。有鑒于此，中科院物理所劉華平等報道了一種通過膽酸鈉SC（sodium cholate）、SDS凝膠色譜法的二元表面活性劑體系在溫度調控手性角度進行分離SWCNTs的方法。1）通過這種方法，能夠對手性角度低于20°的7種單手性SWCNT能夠高效率的進行分離，實現了(7, 3), (8, 3), (8, 4), (9, 1), (9, 2), (10, 2), (11, 1)七種手性結構SWCNT實現了低于毫克劑量進行合成。2）通過光譜學檢測，發現降低溫度實現選擇性吸附，驗證了膽酸鈉/SDS作為共同表面活性劑實現區分不同手性角度，通過與凝膠相互作用進行放大，該方法是實現工業化分離單手性鋸齒結構、近鋸齒結構單壁碳納米管的重要一步。
碳材料學術QQ群：485429596
Dehua Yang, et al. Submilligram-scale separation of near-zigzag single-chirality carbon nanotubes by temperature controlling a binary surfactant system, Science Advances 2021, 7(8), eabe0084DOI: 10.1126/sciadv.abe0084https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabe0084
10. Sci. Adv.：Cs2AgBiBr6鈣鈦礦中形變勢導致自俘獲效應
含Bi雙鈣鈦礦電池Cs2AgBiBr6在實現低毒、高穩定性鈣鈦礦太陽能電池中具有廣泛前景，但是目前Bi基雙鈣鈦礦的性能仍較弱。有鑒于此，南洋理工大學岑子健(SumTzeChien)，華南師范大學吳波、周國富，瑞典林雪平大學高峰等報道發現，雖然其表現為間接能帶半導體材料，其具有較強的發光作用，雙分子復合系數較高（達到4.5±0.1×10?11 cm3 s?1），載流子遷移率較低（0.05 cm2 s?1 V?1）。除了Pd基鈣鈦礦、Cs2AgBiBr6中都具有的Fr?hlich耦合效應，作者通過瞬態反射、時間分辨太赫茲表征、DFT計算，發現Cs2AgBiBr6的聲頻聲子具有的強烈形變勢（deformation potential）。1）通過Fr?hlich耦合效應、形變勢之間的協同作用，自由載流子能夠以超快的速率（數皮秒）發生自俘獲，生成高度定域在晶格中少數原子結構中的極化子；同時打破電子能帶結構、導致高效率的輻射復合。這種Cs2AgBiBr6中具有的較強自俘獲是導致其光伏相關應用中受到限制的原因。
光電器件學術QQ群：474948391
Bo Wu et al. Strong self-trapping by deformation potential limits photovoltaic performance in bismuth double perovskite, Science Advances 2021, 7(8), eabd3160DOI: 10.1126/sciadv.abd3160https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabd3160
11. AFM：氧化石墨烯納米帶上錨定的金屬-有機骨架膜的孔調節
金屬有機骨架（MOFs）的孔結構和氣體傳輸特性一般主要通過修改骨架構件來進行調節。近日，韓國延世大學Dae Woo Kim報道了在氧化石墨烯納米帶（GONR）處理的聚合物襯底上直接生長了孔可調節的分子篩咪唑骨架(ZIF)-8層。1）含氧官能團和GONR懸掛的碳鍵促進了ZIF-8 在GONR表面的(100)晶面自發生長，并通過金屬-碳的化學吸附將ZIF-8層牢牢地錨定，從而提高了其硬度。此外，氣體滲透和分子模擬結果顯示，ZIF-8的有效孔徑被調整為3.6 ?。2）實驗結果顯示，在阻止大分子烴的同時，實現了7.6×10-7 mol m-2 Pa s的超快H2滲透率。特別是，由于氫與大分子烴之間的競爭傳輸，該膜對混合物的選擇性比理想選擇性要高得多，并且分離性能超過了先前在聚合物載體上制備的ZIF膜。
多孔材料學術QQ群：813094255
Eunji Choi, et al, Pore Tuning of Metal-Organic Framework Membrane Anchored on Graphene-Oxide Nanoribbon, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202011146https://doi.org/10.1002/adfm.202011146
12. ACS Nano：顆粒大小決定自潤滑三元液滴中超粒子的形狀
超粒子（supraparticles）是由大量極小膠體粒子組成的大團簇。控制超粒子的形狀和各向異性可以增強其功能，使其應用在光學、磁學和醫學等領域。自潤滑膠體OZO液滴的蒸發是制備超粒子的一種簡單而有效的策略，克服了液滴蒸發過程中的“咖啡污漬效應”問題。然而，人們對控制這種蒸發液滴中形成的超粒子形狀的參數還不完全清楚。近日，德國馬克斯·普朗克聚合物研究所Katharina Landfester，荷蘭特文特大學Xuehua Zhang報道了膠體顆粒的大小決定了超粒子的形狀。1）研究人員比較了由7種具有不同尺寸大小的球形二氧化硅粒子組成的超粒子形狀，即從20到1000 nm，以及由具有不同混合比例的小膠體粒子和大膠體粒子混合物組成的超粒子形狀。2）原位測量表明，超粒子的形成是通過在蒸發液滴的快速移動界面上形成一層柔性的膠體顆粒殼來進行。殼體停止收縮和失去彈性的時間tc0與顆粒的大小密切相關。對于具有較小尺寸的膠體顆粒，tc0較低會導致形成扁平的煎餅狀超顆粒，而較大的膠體顆粒會形成更彎曲的美式足球狀超顆粒。3）研究人員使用大小膠體顆粒混合物得到了在顆粒分布上具有空間變化的超粒子，其中小膠體形成了超粒子的外表面。研究工作為通過簡單的自潤滑填充膠體粒子的三元液滴來控制超粒子的形狀和膠體粒子在超粒子中的空間分布提供了指導。
納米合成學術QQ群：1050846953
Lijun Thayyil Raju, et al, Particle Size Determines the Shape of Supraparticles in Self-Lubricating Ternary Droplets, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.0c06814https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c06814
