南開大學物理科學學院、泰達應用物理研究院陳志剛、許京軍教授帶領的課題組與克羅地亞薩格勒布大學、希臘克里特大學、德國羅斯托克大學的課題組合作研究，在國際上首次建立了一個非線性非厄米拓撲光子學平臺，從而實現了利用非線性在光學體系對宇稱時間對稱性和非厄米拓撲態的調控。研究團隊還發現了非厄米體系中拓撲態在接近決定PT對稱破損的奇異點時，敏感性和魯棒性的拮抗效應，以及通過局域非線性對系統整體PT對稱性的操控原理。這一創新成果改變了人們對開放拓撲體系中非線性效應的認識，為非線性拓撲光子學及其相關前沿領域的研究開辟了新方向。（來源南開大學官網）Shiqi Xia, et al. Nonlinear tuning of PT symmetry and non-Hermitian topological states. Science, 2021.DOI: 10.1126/science.abf6873https://science.sciencemag.org/content/372/6537/72
2. Nature Energy：電荷增強型離子選擇膜可實現長壽命和低成本的多硫化物基氧化還原液流電池
多硫化物由于其固有的安全性、高能量和低成本等優點，是極具發展前景的電網儲能水系氧化還原化學材料之一。然而，由于多硫化物交換而導致的較差的循環壽命阻礙了其商業化進程。為了開發低成本、高容量、具有工業循環穩定性的多硫化物液流電池，香港中文大學Yi-Chun Lu等人開發了一種電荷增強的離子選擇膜，以保留多硫化物/碘化物，抑制膜溶脹并防止水/OH-遷移。1）多硫化物/多碘化物靜態電池在100％的荷電狀態下，在2.9個月（1200個循環）中顯示出較低的容量衰減率（每天0.005％和每個循環0.0004％）。含有4.0 M KI/2.0 M K2S2的液流電池在17.9 Ah l?1posolyte+negolyte的條件下能夠穩定循環超過3.1個月（500個循環）。2）小角度X射線散射和原位傅里葉變換衰減全反射紅外光譜/固態核磁共振顯示，與商業Nafion膜相比，電荷增強離子選擇性膜中的水簇尺寸減小，并抑制了水的運動。技術經濟分析表明，開發的多硫化物液流電池有望為長期能量存儲提供具有競爭性的，均衡的存儲成本。Zhejun Li et al. Polysulfide-based redox flow batteries with long life and low levelized cost enabled by charge-reinforced ion-selective membranes. Nat. Energy 2021.DOI: 10.1038/s41560-021-00804-xhttps://www.nature.com/articles/s41560-021-00804-x
3. Nature Chemistry：一種羰基化合物的電化學脫飽和反應
電化學技術長期以來一直被認為是實現氧化還原反應的有效方法。羰基去飽和作為一種基本的有機氧化反應，是一種常用的通過去除兩個氫原子來釋放相鄰反應性的轉化反應。迄今為止，實現這一看似微不足道的反應的最可靠方法依賴于過渡金屬（Pd或Cu）或基于I、Br、Se或S的化學計量試劑。有鑒于此，美國斯克里普斯研究所的Phil S. Baran等研究人員，揭示了一種羰基化合物的電化學脫飽和反應。1）研究人員報告了一種操作簡單的途徑，使用電子作為主要試劑從烯醇硅烷和磷酸鹽中獲得此類結構。2）這種電化學驅動的去飽和反應在一系列羰基衍生物中表現出廣泛的范圍，易于擴展（1–100g），并且可以通過實驗或計算得出的核磁共振位移預測地實現到合成途徑中。3）與最新技術的系統比較表明，這種方法是唯一地可以使大量羰基脫飽和的方法。Samer Gnaim, et al. Electrochemically driven desaturation of carbonyl compounds. Nature Chemistry, 2021.DOI：10.1038/s41557-021-00640-2https://www.nature.com/articles/s41557-021-00640-2
4. Science Advances：口服糖螯合納米復合物治療碳水化合物代謝紊亂
碳水化合物攝入過多與糖尿病、非酒精性脂肪肝（NAFLD）和肥胖的發病率不斷上升有關。α-葡萄糖苷酶抑制劑是美國食品和藥物管理局（FDA）批準的唯一一種用于限制多糖和雙糖吸收的藥物，而對單糖無效。鑒于此，上海交通大學張詩宜等人開發了一種含硼酸的聚合物納米復合物（Nano-Poly-BA），當其二醇/硼酸的摩爾比遠高于1時候，可以將將所有糖類吸收到納米復合物中，以防止糖在腸道中的吸收。1）口服的Nano-Poly-BA是不可吸收且無毒的。當測試四種碳水化合物和三種真實食物（可樂、藍莓果醬和粥）時，Nano-Poly-BA在野生型、1型和2型糖尿病小鼠模型中顯示出顯著的餐后血糖降低。2）在果糖誘導的NAFLD小鼠模型中，Nano-Poly-BA顯示肝脂肪生成顯著減少。綜上所述，口服糖螯合聚合物納米復合物可能有助于糖尿病前期，糖尿病，超重，甚至健康的人管理糖的攝入量。Xin Zhao, Orally administered saccharide-sequestering nanocomplex to manage carbohydrate metabolism disorders. Science Advances 2021.DOI: 10.1126/sciadv.abf7311https://advances.sciencemag.org/content/7/14/eabf7311
5. Science Advances：一種新型微創電導管
管腔缺損的外科修復與圍手術期的發病率和死亡率有關。使用組織粘合劑進行血管內修復可以減少宿主組織的損傷，但目前的生物粘附設計并不支持微創部署。電壓激活組織粘合劑為腔內修復提供了一種新的策略。為了促進電壓激活粘合劑的臨床應用，南洋理工大學Terry W. J. Steele和麻省理工學院Ellen T. Roche等人開發了一種與帶可伸縮電極的微創導管（CATRE）相結合的電化學貼片（ePATCH），以用于在體內和體外管腔缺損修復。1）ePATCH/CATRE平臺演示了在濕組織基質上實現密封直徑達2毫米的管腔缺陷。水密密封具有柔韌性和回彈力，能夠承受20000多次生理相關的應力/應變循環。2）當心臟搏動時，ePATCH被電激活，而且沒有觀察到電信號中斷。ePATCH/CATRE平臺具有多種潛在應用，范圍從假性動脈瘤/瘺的血管內治療到生物電極再到電生理標測。Manisha Singh, et al., Minimally invasive electroceutical catheter for endoluminal defect sealing. Science Advances 2021.DOI: 10.1126/sciadv.abf6855https://advances.sciencemag.org/content/7/14/eabf6855
6. Angew：用于集成固態鋰電池的鹽中聚合物電解質和全滲透3D電極
固態鋰電池（SSLBs）具有安全性高、能量密度高等優點，具有廣闊的應用前景。但由于固態電解質的離子導電性較低、電解質-電極界面電阻較大等缺點嚴重阻礙了SSLBs的發展。近日，武漢理工大學劉金平教授報道了首次設計了一種以PVDF-HFP為基質的鹽中聚合物固體電解質（PISSE），并將其組裝成具有全PISSE滲透3D正極的集成化SSLB。1）與傳統的SSLBs相比，所開發的集成化SSLB具有兩個主要優點：i）PVDF-HFP基PISSE，含有結晶的PVDF用于保持電解質的機械性能，并且含有大量用于溶解大量鋰鹽的F基團，盡管沒有任何填料、交聯劑和特殊的微觀結構調整，但在沒有游離溶劑的情況下，在RT下表現出高的離子導電性（1.24×10-4 S cm-1）。此外，由于PISSE具有寬的電化學穩定窗口（4.7 V vs Li+/Li），因此可以使得最先進的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）正極進行高壓操作；ii）將PISSE完全滲透到3D電極中，不僅可以實現與液體電解質（LEs）類似的最大界面接觸，而且有助于保持電極和整個器件的穩定性。2）得益于低成本，無毒，易于制備，三維結構，以及優異的電化學穩定性等特點，研究人員選擇了TiO2作為模型電極材料。此外，通過簡單地將兩個TiO2//Li電池串聯封裝，就可以獲得與商用鋰離子電池相當的高電壓。3）實驗結果顯示，這種集成化SSLB在0.1 C下具有250 mAh g-1的高可逆放電容量，優異的倍率性能和良好的循環穩定性，綜合性能甚至接近液體鋰電池的同類產品，遠遠好于相應的三明治結構的固態鋰電池。其面積和體積性能也可媲美商用薄膜鋰微電池。由兩個單元串聯而成的軟包電池具有3.7 V的電壓平臺，可以在不同的彎曲狀態和濫用測試（切割、穿孔和折疊）下正常工作，從而突出了其良好的安全性。Wenyi Liu, et al, Designing Polymer-in-Salt Electrolyte and Fully Infiltrated 3D Electrode for Integrated Solid-State Lithium Batteries, Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202101537https://doi.org/10.1002/anie.202101537
7. Angew: 硫氰酸鹽熔鹽實現高效穩定的全無機鈣鈦礦太陽能電池
除了廣泛使用的表面鈍化外，工程化薄膜結晶是提高全無機鈣鈦礦太陽能電池性能的重要且更基本的途徑。中國科學院物理所的孟慶波和李冬梅等人開發了一種硫氰酸脲銨鹽（UAT）熔融鹽改性策略，以充分利用SCN的配位活性，輔助沉積高質量的CsPbI3膜，從而獲得高效，穩定的全無機太陽能電池。1）UAT是通過尿素與NH4SCN中的NH4+之間的氫鍵相互作用而得出的。使用UAT，CsPbI3膜的晶體質量得到了顯著改善，并且實現了超過30 ns的長單指數電荷復合壽命。2）基于這些改進，電池效率已提高到20％以上（穩態效率為19.2％），在1000小時內具有出色的工作穩定性。這些結果證明了與CsPbI3相關的光電器件的有前途的開發路線。Yu, B., Shi, J., Tan, S., Cui, Y., Zhao, W., Wu, H., Luo, Y., Li, D. and Meng, Q. (2021), Efficient (>20%) and Stable All‐inorganic Cesium Lead Triiodide Solar Cell Enabled by Thiocyanate Molten Salts. Angew. Chem. Int. Ed..https://doi.org/10.1002/anie.202102466
8. Angew：一種用于變壓吸附分離CO2的大環多孔分子晶體醋酸環四安息香
由于二氧化碳在全球溫室效應和相關氣候變化中所起的作用，減少人為排放是一個緊迫的問題。有鑒于此，中國臺灣成功大學的Teng-Hao Chen等研究人員，報道了一種用于變壓吸附分離CO2的大環多孔分子晶體醋酸環四安息香。1）由大環環四苯偶姻乙酸酯組裝的多孔分子晶體（PMC）是分離CO2的有效吸附劑。PMC的7.1×7.1?及其酯C=O基團對提高其對CO2分子的親和力起著重要作用。2）在低壓下，大環的苯壁與CO2分子發生了明顯的[π··π]相互作用。此外，指向方形通道內部的極性羰基將孔徑減小到5.0×5.0?，這為CO2捕獲提供了動力學選擇性。3）PMC在真空和各種氣體吸附條件下具有耐水性和高的結構穩定性，這在本征多孔的有機分子中是很少見的。最重要的是，適度的吸附質-吸附劑相互作用使PMC易于再生，因此適用于變壓吸附過程。4）適度的吸附質-吸附劑相互作用使PMC易于再生，因此適用于變壓吸附過程。洗脫后的N2和CH4純度分別達到99.9%和99.8%以上，分離性能穩定30個周期。本文研究的醋酸環四安息香具有合成簡單等優點，是一種很有前途的煙氣和天然氣CO2分離吸附劑。Yao-Ting Wang, et al. Cyclotetrabenzoin Acetate: A Macrocyclic Porous Molecular Crystal for CO2 Separations by Pressure Swing Adsorption. Angewandte Chemie, 2021.DOI：10.1002/anie.202102813https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202102813
9. Angew：BNBN環狀新型結構熒光分子合成
圖林根大學Holger Bettinger等報道了一種包括BNBN-丁二烯結構的環加成-脫氫反應，從而在多環芳烴產物中安裝惡二氮二硼烷B2N2CO環（oxadiazadiborinane），合成了具有高熒光效應的有機產物。1）報道了首例BNBN結構修飾的二苯并萘分子，通過非烯醇化的醛合成結構新穎的惡二氮二硼烷B2N2CO環狀結構，該產物的熒光量子產率達到>78 %。Michael Fingerle, et al, Heteroatom Cycloaddition At The (BN)2 Bay Region Of A Dibenzoperylene, Angew. Chem. Int. Ed. 2021DOI: 10.1002/anie.202016699https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202016699
10. Angew：炔烴和烯烴的銅-光催化硼氫化反應策略
有機硼化合物是有機合成中的關鍵環節，在過去的幾十年里備受關注。有鑒于此，法國INSA魯昂國立應用科學學院的Thomas Poisson等研究人員，報道了炔烴和烯烴的銅-光催化硼氫化反應策略。1）研究人員報道了烯烴和炔烴的光催化硼氫化反應。使用新設計的具有B2Pin2的銅光催化劑可以形成硼酰自由基，用于大面積烯烴和炔烴的硼氫化反應。2）在溫和的條件下，氫硼化產物具有很高的產率、很好的非對映選擇性和很高的官能團耐受性。在連續流動條件下進行硼氫化反應以證明其合成效用。3）通過反應機理研究，研究人員提出了原位生成的硼酸鹽與銅光催化劑在激發態下發生氧化反應生成冰片自由基。Mingbing Zhong, et al. Copper‐Photocatalyzed Hydroboration of Alkynes and Alkenes. Angewandte Chemie, 2021.DOI：10.1002/anie.202101874https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202101874
11. ACS Energy Lett.：酸離解常數：鈣鈦礦太陽能電池中選擇鈍化劑的標準
盡管后處理已被認為是鈍化鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中潛在缺陷的有效方法之一，但如何選擇合適的鈍化劑卻很少受到關注。成均館大學Nam-Gyu Park和Chunqing Ma等人首次報道了光伏性能對鈍化劑酸解離常數（Ka）的依賴性，以指導在PSC中選擇鈍化劑的標準。
1）用高pKa（10.6）環己基氯化銨（CYCl）進行后處理后，功率轉換效率（PCE）得以提高，而低pKa（4.6）的氯化銨（ANCl）則降低了PCE，這是因為ANCl產生了更多的不利陷阱。2）去質子化程度（pKa值）生成缺陷介導的陷阱，其中較低pKa ANCl的相對多去質子化生成游離碘化物，從而導致碘化物缺陷。基于高度透明的FTO基板，經CYC1處理的FAPbI3薄膜的器件顯示24.98％的效率，存儲1300小時后，仍保持91％的初始效率。Sun-Ho Lee et al. Acid Dissociation Constant: A Criterion for Selecting Passivation Agents in Perovskite Solar Cells, ACS Energy Lett. 2021https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00452https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c00452
12. ACS Nano綜述：揭開鋰離子電池層狀氧化物正極材料中晶格氧氧化還原的奧秘
鋰離子電池的實際應用存在能量密度低和難以滿足儲能互聯網日益增長的需求等問題。因此，開發具有高能量密度的新一代電極材料具有極其重要的意義。人們對晶格氧氧化還原（LOR）的開發有很高的期望，這是一種很有前途的正極材料開發策略，因為它可以使比容量增加近一倍。有鑒于此，中南大學紀效波教授等人對誘導LOR活性和晶體結構演化的內在科學進行了廣泛的討論，并提出了用于研究這些行為的各種表征技術。1）作者首先系統地概述了LOR在LIBs中的進展。在典型的層狀氧化物電極材料(如LCO、LNO、NCM)和富鋰層狀氧化物正極材料中，LOR是研究最多的陰離子氧化還原特性。通過總結這些進展，旨在為調節這些有前途的反應特性提供更好的解釋。2）作者總結了以下幾個關鍵結論和展望，不僅為傳統層狀氧化物正極材料的優化提供了解決方案，也為更廣泛的富鋰層狀氧化物電極材料的優化提供了解決方案：（1）不均勻的鋰電鍍/剝離會導致機械應力積累和正極材料粉化，電極材料與集流體失去接觸，許多修飾方法，包括涂層、摻雜和商業化策略，已被用于克服上述挑戰，并促進正極材料在高電壓下的循環穩定性。（2）除了傳統的層狀氧化物正極材料所面臨的挑戰外，對于富鋰的Mn基層狀氧化物正極，富鋰的層狀氧化物電極材料獨特的高比容量主要是由陽離子氧化還原反應和LOR反應共同導致的，比傳統的層狀電極材料更復雜。Jun Chen et al. Demystifying the Lattice Oxygen Redox in Layered Oxide Cathode Materials of Lithium-Ion Batteries. ACS Nano 2021.DOI: 10.1021/acsnano.1c00304.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c00304
