1. Nature Commun.: 用于氫燃料電池的烯烴連接共價有機骨架的綠色合成用于能量相關應用的結晶性多孔材料的綠色合成具有重要意義，但非常具有挑戰性。COFs主要由可逆共價鍵連接而成，其在強酸或強堿條件下穩定性較差，嚴重限制了COFs在燃料電池中的實際應用。有鑒于此，南開大學張振杰等人，創建了一種綠色策略，以在無溶劑條件下制造具有高強度和孔隙率的高結晶烯烴連接吡嗪基共價有機框架(COF)。1）首次提出了一種新型的基于Aldol縮合反應制備乙烯基COFs的綠色合成策略，突破了傳統溶劑熱合成的局限。利用苯甲酸酐作為催化劑，無需任何添加劑的條件下，實現均苯三甲醛和2,5-二甲基吡嗪聚合，制備獲得高結晶性、高化學穩定性的乙烯基COF(NKCOF-10)。2）豐富的氮位，高親水性和結構明確的一維納米通道使所得的COF成為通過氫鍵相互作用將H3PO4網絡限制和穩定在孔中的理想平臺。所得材料在很寬的相對濕度（10–90％）和溫度范圍（25–80°C）范圍內都顯示出0.06 eV的低活化能（Ea）和超高質子導電率。3）使用烯烴連接的COF作為固體電解質的質子交換膜燃料電池可達到135 mW cm?2的最大功率和676 mA cm-2的電流密度，這超過了所有報道的COF材料。Wang, Z., Yang, Y., Zhao, Z. et al. Green synthesis of olefin-linked covalent organic frameworks for hydrogen fuel cell applications. Nat Commun, 2021.DOI: 10.1038/s41467-021-22288-9https://doi.org/10.1038/s41467-021-22288-9
2. Nature Commun.：銀孿晶界上直接電合成52%的濃CO
由直接電化學CO2還原（CO2RR）獲得的氣體產物濃度通常受到電極的法拉第效率、電流密度以及不可避免地與未反應的CO2混合的限制。而具有高純度的濃縮氣體產物將大大降低大規模CO2固定和后續工業使用的障礙。有鑒于此，復旦大學孫正宗研究員報道了開發了一種合成具有可控孿晶邊界（TB）密度的Ag納米孿晶（Nt-Ag）高性能CO2RR催化劑的簡易策略。1）研究人員采用脈沖電化學沉積法制備了高致密的TBs。在脈沖電流密度為1 A cm?2的條件下，制備了孿晶寬度為10 nm（Nt-10）的納米孿晶催化劑。為了控制TB的密度，將Nt-10在300 ℃和800 °C退火2 h，得到Nt-18和NT-730，然后從隨機選擇的TEM圖像中用統計方法測量了它們的TB寬度和TB密度。結果顯示， Nt-Ag催化劑的TB密度可在0.3~1.5×104 cm?1范圍內調節，退火降低了TB密度。2）實驗結果顯示，具有較長而纏繞孿晶界的Nt-Ag催化劑，在?1.0 V時，法拉第效率可達92%，CO2轉化為CO的周轉頻率為127 s?1。此外，通過串聯電化學化學氣相沉積（CVD）系統，研究人員成功地制備了體積百分比高達52%的CO，并進一步將其轉化為單層石墨烯薄膜。這項工作進一步完善了人們對具有可控TB缺陷的CO2RR催化劑的認識，同時進一步促進了電化學CO2RR向工業化生產的發展。Tang, C., Gong, P., Xiao, T. et al. Direct electrosynthesis of 52% concentrated CO on silver’s twin boundary. Nat Commun 12, 2139 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-22428-1https://doi.org/10.1038/s41467-021-22428-1
3. Matter：仿生共價有機骨架膜中離子傳導路徑的構建用于高效鋰提取
生物膜作為最復雜的分離系統，由于其特殊的離子通道的存在，提供了高滲透性和溶質選擇性，已成為人工膜設計的天然原型。然而，開發穩定和選擇性的人工離子通道仍然極具挑戰性。近日，浙江大學孫琦研究員，美國北德克薩斯大學馬勝前教授報道了通過在二維共價有機骨架（COFs）中構建鋰納米通道，開發了一種仿生膜。Li離子與醚基的快速可逆配位加速了Li離子的遷移，從而將Li離子與其他離子區分開來。1）研究人員通過理論和光譜研究揭示了基于寡醚（oligoethers）與鋰離子相互作用和動態交換的選擇性萃取效率。密集的親鋰位點和一維（1D）通道之間的協同效應大大加快了離子的傳輸速度，而且可以使用較厚的薄膜。2）研究人員通過反轉電位測量來表示離子通道特性，結果表明，相對滲透率按Li+>K+>Na+>Ca2+>Mn2+的順序遞減。Li+離子的轉移得到增強，而其它離子被阻擋，從而具有較高的選擇性和滲透性。此外，Li+/Mg2+分離因子達到64，證實了Li的高親和性。這項研究可作為開發用于有效分離離子的選擇性人工膜的設計原則。Bing et al., Bio-inspired construction of ion conductive pathway in covalent organic framework membranes for efficient lithium extraction, Matter (2021)DOI：10.1016/j.matt.2021.03.017https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.0174. EES: 高穩定性鈣鈦礦太陽能電池的鈍化和工藝工程方法鹵化物鈣鈦礦薄膜的表面，界面和晶界由于在其整個過程中固有的缺陷性質，在實現以及維持高太陽能電池性能方面擔負著關鍵任務。鈍化材料和合適的工藝工程方法對所得的鈣鈦礦薄膜有很大的影響，太陽能電池的整體宏觀特性決定了結構和光電特性。浦項工科大學Abd. Rashid bin Mohd Yusoff, 法國國家科學研究院(Maria Vasilopoulou，物質和能量的柏林亥姆霍茲中心Antonio Abate, 洛桑聯邦理工學院Mohammad Khaja Nazeeruddin等人總結概述了許多缺陷工程方法，旨在提高鈣鈦礦型太陽能電池的性能和穩定性，尤其是針對在濕度，連續照明和熱等條件下的。1）本文首先從鈣鈦礦材料的基本結構特性入手，然后通過微調材料化學設計參數來誘導鈣鈦礦型太陽能電池具有更高的穩定性。我們根據分子實體的應用總結缺陷鈍化策略，包括適當的官能團，這些官能團可實現足夠的表面，主體和晶界鈍化，形態和結晶度控制。2） 還提出了通過改變處理條件，溶劑退火和溶劑工程方法，氣體輔助沉積方法，使用自組裝單層膜以及膠體工程和配位表面化學來控制缺陷密度的方法。最后，研究人員給出對材料化學方面和鈍化機理的綜合理解將如何進一步發展高效和穩定的鈣鈦礦太陽能電池的觀點。Abdul Rashid Bin Mohd Yusoff et al. Passivation and process engineering approaches for high stability perovskite solar cells，Energy Environ. Sci., 2021https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00062d#!divAbstract5. EES：碳納米纖維負載的碳涂層WS2納米片用于高倍率鉀離子電容器鉀離子電容器（PICs）因其高能量/功率密度和豐富的鉀元素而受到越來越多的關注。然而，實現與電容型正極匹配的高倍率電池型負極仍然是一個巨大的挑戰。近日，山東理工大學周晉教授，周通，中科院金屬研究所李峰研究員報道了通過在碳納米纖維（CNFs）上負載碳涂層WS2納米片（C-WS2@CNFs），設計了一種用于PIC的獨立負極。1）研究人員首先通過靜電紡絲和碳化工藝制備了具有柔韌性的聚丙烯腈基CNFs膜。通過水熱法在CNFs基底上生長了多層WS2納米片，得到WS2/CNFs雜化材料。進行隨后的硫化過程以提高WS2的純度并獲得WS2@CNFs。利用聚多巴胺(PDA)涂覆WS2@CNFs并進行退火處理，從而獲得柔性C-WS2@CNFs。2）得益于WS2的獨特納米結構和高純度，C-WS2@CNFs在50 mA g?1時表現出319 mAh g?1的高可逆容量，在10 A g?1時表現出168 mAh g?1的高倍率性能。3）研究人員利用原位拉曼、原位XRD、非原位XRD和TEM證實了C-WS2@CNFs中K2S5中間相插層轉化反應機理，即由初始插層（WS2→KxWS2）和中間相K2S5轉化為最終產物K2S和W（KxWs2→K2S5→W+K2S）。此外，第一性原理計算結果顯示，C-WS2@CNFs具有快速的K+擴散動力學和高K吸附能力。4）由C-WS2@CNFs負極和活性碳納米纖維正極組裝而成的PIC具有高達180.4 Wh kg?1的高能量密度、出色的倍率性能和長循環壽命。S. Geng, T. Zhou, M. Jia, X. Shen, P. Gao, S. Tian, P. Zhou, B. Liu, J. Zhou, S. Zhuo and F. Li, Carbon-coated WS2 Nanosheets Supported on Carbon Nanofibers for High-rate Potassium-ion Capacitors, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE00193K
6. AM: 基于氨的能量儲存和轉換的新材料和新方法
有效儲存和轉換可再生能源對人類社會的可持續發展至關重要。氨具有高氫含量、高能量密度、易于儲存和運輸以及零碳排放等特點，近年來被認為是一種有前景的長期和大規模能量儲存的能量載體。在這種情況下，氨的合成、儲存和利用是實現氨介導能源系統的關鍵組成部分。與化石燃料不同，可再生能源通常具有間歇性和可變性，這就要求改進現有技術，同時開發氨合成和儲存的替代方法和材料。另一方面，從氨中有效釋放能量對于實現可持續的能源供應和完成氮循環是至關重要的。有鑒于此，中科院大連化物所陳萍研究員和郭建平研究員等人，綜述了近年來熱催化、電催化、等離子和光催化合成氨、氨的儲存或分離、氨的熱/電化學分解和轉化等方面的研究進展，重點介紹了用于這些過程的新方法和新材料(催化劑、電極和吸附劑)的最新進展。討論了挑戰和可能的解決方案。1）隨著可再生能源利用成本的降低，能源的儲存和轉換成為一項非常緊迫的任務。氨是人類重要的化學營養物質，它還具有維持能源系統的能量載體的作用。現有的合成氨生產、分離和轉化技術和原料不能完全適應這種新作用。氨能的實施需要新材料和新方法，這為研究界尋求解決相關科學技術挑戰的方案提供了強大的動力。材料和方法的進一步研究和開發無疑將旨在提高能源效率，降低合成，利用和分離，儲存或去除氨的能源和資本成本。2）未來的挑戰和研究方向包括：1）氨合成催化劑和方法。盡管熱催化氨合成已經進行了一個世紀，但在較低的溫度和壓力（T≤400°C，P≤5 MPa）下具有足夠高的活性和穩定性的催化劑尚未得到很好的開發。計算研究為尋找高效熱催化劑提供了新的思路。2)氨轉化為氫氣、電力或動力的新技術。氨的利用包括熱的和電化學的氨分解生產氫氣，直接氨燃料電池發電，和氨燃燒發電。氨分解催化劑的開發幫助研究人員積累了大量的知識，使氨分解過程相對接近實際應用。熱催化氨合成領域的進展將反過來指導氨分解的催化劑設計。相比之下，直接氨燃料電池和氨燃燒技術仍處于研究階段。除了尋找活性和穩定的催化劑，電極和電解質的艱巨任務外，另一個挑戰是應避免或減少對環境有害的NOx副產物的形成。3）氨的分離，存儲和去除在未來的氨介導的能源系統中也是非常重要的方面，但現在受到的關注較少。隨著可再生氨合成和利用技術的發展，應開發用于氨分離，儲存和去除的替代技術。在這方面，固體和液體吸附劑，例如金屬鹵化物，多孔材料，深共熔溶劑，離子液體等，顯示出一定的前景，需要引起更多關注。Fei Chang et al. Emerging Materials and Methods toward Ammonia‐Based Energy Storage and Conversion. Advanced Materials, 2021.DOI: 10.1002/adma.202005721https://doi.org/10.1002/adma.202005721
7. AM：可調的海綿狀分層多孔水凝膠，同時具有增強的擴散性和力學性能
交聯聚合物和凝膠在軟機器人、太陽能蒸汽發電、能量儲存、藥物輸送、催化和生物傳感方面都很重要。然而，它們引人注目的質量輸運和體積變化能力受到擴散的限制，需要小型化以避免響應遲緩。改善水凝膠擴散的典型方法是通過增加孔隙度來犧牲力學性能，或者通過定向限制孔隙來限制總體積流量。盡管付出了巨大的努力，但同時增強水凝膠的擴散和力學性能仍然是一個長期存在的挑戰，阻礙了水凝膠更廣泛的實際應用。有鑒于此，加州大學洛杉磯分校Ximin He等人開發了一種適用于各種材料的通用、簡便、快速的光聚合技術來克服這種溶脹-力學性能的折衷。1）共溶性光聚合技術是一種通用的、可調的、可擴展的、一鍋兼容技術，可用于合成分層結構的開放孔水凝膠，這種水凝膠同時具有增強溶脹性和力學性能。將PNIPAM作為一種典型材料進行了系統地研究，其溶脹率和楊氏模量提高了兩倍，而消溶脹率提高了六倍。2）孔結構不僅可以通過控制溶劑組成來調節，還可以通過控制反應溫度來調節。通過這種方法合成的PNIPAM水凝膠具有在空氣中應用的潛力，因為水的傳輸速度非常快。3）該方法與3D打印技術兼容，并已推廣到其他聚合物體系。通過將技術擴展到聚（N-叔丁基丙烯酰胺-共聚丙烯酰胺）和聚丙烯酰胺水凝膠、非溫度響應性聚合物體系，證明了該方法的通用性，并驗證了當前的假設，即共溶性是競爭性吸附驅動的一般現象。盡管同時增強擴散和力學性能有利于多孔材料，但要將該技術推廣到化學結構與PNIPAM顯著不同的更理想的聚合物體系，仍然存在重大挑戰。Yousif Alsaid et al. Tunable Sponge-Like Hierarchically Porous Hydrogels with Simultaneously Enhanced Diffusivity and Mechanical Properties. Adv. Mater. 2021, 2008235.DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202008235.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008235
8. EnSM：陽離子/陰離子共摻雜的Ni3N/N摻雜的CNT集成電極的快速析氧助力快充鋅空氣電池
尋找高活性、低成本、具有快充性能的可充電鋅空氣電池電催化劑是其商業化應用的關鍵。近日，南京工業大學邵宗平教授，廖開明副教授報道了將Fe，Cl共摻雜的Ni3N納米顆粒（FC-Ni3N）與觸角狀的N摻雜碳納米管（NCNT）相結合，采用陽離子/陰離子共摻雜的方法制備了一種具有3D交聯結構的無貴金屬雙功能電催化劑（FC-Ni3N/NCNT）。FC-Ni3N原位生長在NCNT，是一種性能優異的OER催化劑，具有電荷轉移阻抗低、充電速度快、循環壽命長等優點。1）FC-Ni3N/NCNT優異的OER性能源于FC-Ni3N具有良好的反應物化學吸附和本征體電導率以及具有三維交聯結構的FC-Ni3N/NCNT電極具有快速的電子轉移和產物解離性能，從而保證了良好的電荷轉移和傳質動力學。2）實驗結果表明，FC-Ni3N/NCNT在電流密度為10 mA cm-2時的過電位為260 mV，Tafel斜率為46 mV dec-1，遠遠優于RuO2基準催化劑的337 mV的過電位和91 mV dec-1的Tafel斜率。正如預期的那樣，基于FC-Ni3N/NCNT電極的ZABs在20 mA cm-2的恒定充電電位為1.96 V以及超過700次循環的優異耐久性，而RuO2基ZAB只能運行80次循環。具體地說，在50 mA cm-2的超高充電倍率和4 mAh cm-2的高面容量下，采用FC-Ni3N/NCNT的可充電ZAB仍然顯示出2.02 V的低充電電位，超過了最先進的RuO2基準的2.75 V。Qian Lu , et al, Tailoring Charge and Mass Transport in Cation/Anion-codoped Ni3N/N-doped CNT Integrated Electrode toward Rapid Oxygen Evolution for Fast-Charging Zinc-Air Batteries, Energy Storage Materials (2021)DOI：10.1016/j.ensm.2021.04.013https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.0139. AFM: 具有強2D/2D異質界面相互作用的Ni1-xCoxSe2-C/ZnIn2S4雜化納米籠可實現高效光催化析氫可再生氫具有能量密度高、環境友好等特點，因此是很有前途的能源載體和化石燃料的替代品。基于半導體光催化劑的光催化水分解是一種令人信服的將太陽能轉化為氫的有趣途徑。然而，仍然迫切希望開發出具有穩定的析氫功能的無貴金屬且高效的多相光催化劑。目前，光催化析氫(PHE)過程普遍受到太陽吸附范圍窄、電荷載流子分離效率低、析氫反應動力學緩慢等因素的限制。因此，設計和構造合適的帶隙、高導電性和快速動力學的光催化劑是非常需要的。設計一種基于半導體的異質結構光催化劑，以實現光生電子空穴對的有效分離，對于增強析氫光催化作用非常重要。有鑒于此，北京大學郭少軍教授等人，設計并合成了一類具有豐富致密的ZnIn2S4納米片/Ni1?xCoxSe2-C納米片2D/2D異質界面的新型Ni1?xCoxSe2-C/ZnIn2S4納米籠。1）構造的異質結構光催化劑暴露出豐富的異質結，為電荷載流子提供了寬而短的轉移路徑。這兩種納米片的緊密接觸誘導了ZnIn2S4和Ni1?xCoxSe2-C之間的強烈相互作用，從而改善了光生電子-空穴對的分離和轉移。2）結果表明，Ni1?xCoxSe2-C/ZnIn2S4分級納米籠在不使用其他貴金屬助催化劑的情況下，在可見光照射下，析氫速率為5.10 mmol g?1 h?1，具有顯著的光催化活性。與ZnIn2S4納米片和裸露的Ni1?xCoxSe2-C納米籠相比，分別高出6.2倍和30倍。3）光譜表征和理論計算表明，ZnIn2S4與Ni1?xCoxSe2-C的2D/2D異質界面之間的強相互作用能有效促進光生電荷載流子的分離和電子從ZnIn2S4向Ni1?xCoxSe2-C的轉移。Yuguang Chao et al. Ni1?xCoxSe2-C/ZnIn2S4 Hybrid Nanocages with Strong 2D/2D Hetero‐Interface Interaction Enable Efficient H2‐Releasing Photocatalysis. Advanced Functional Materials, 2021.DOI: 10.1002/adfm.202100923https://doi.org/10.1002/adfm.20210092310. AFM：穩定的中空結構低氧化硅基負極助力高性能鋰離子電池硅被認為是下一代鋰離子電池（LIBs）極具吸引力的大容量負極材料。然而，硅負極在循環過程中體積變化很大，這對電池的穩定運行構成了嚴峻的挑戰。與Si相比，Si低氧化物（SiOx）具有較低的體積膨脹和高循環穩定性，是高能量密度鋰離子電池最有前途的候選負極材料之一。然而，SiOx負極的低電導率和低(初始)庫侖效率嚴重阻礙了LIBs的實際應用。近日，悉尼科技大學汪國秀教授，Hao Liu，中科院大連化物所劉健研究員首次報道了一種以金屬有機骨架（MOF）為前驅體原位生長CNTs的中空SiOx@CNTs/C復合材料的制備策略。1）研究人員利用自催化生長工藝，輔以化學氣相沉積（CVD）工藝，在相對較低的溫度下制備了SiOx@CNTs/C復合材料。2）合理設計的SiOx@CNTs/C結構有幾個獨特的特點：i）原位透射電子顯微鏡（TEM）表征結果顯示，高耐壓的中空結構可以緩沖鋰離子插入/提取過程中的體積膨脹，從而延長循環壽命；ii）CVD制備的均勻C層顯著改善了SiOx的電接觸和電子導電性；iii）原位生長的CNTs可以進一步提高SiOx@CNTs/C復合材料的導電性和機械強度，從而獲得高倍率性能和循環穩定性；iv）單一的鈷（Co）原子促進了富鋰SEI的形成，從而導致了較高的初始庫侖效率。3）實驗結果顯示，SiOx@CNTs/C電極用作鋰離子電池正極時，其表現出優異的循環性能、優異的倍率性能和較高的初始庫侖效率。此外，全LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2//SiOx@CNTs/C LIB電池具有325 Wh kg?1的高能量密度，以及優異的循環穩定性。這項研究表明，SiOx@CNTs/C復合材料是一種極有前途的鋰離子電池負極材料，具有優異的電化學性能。Hao Tian, et al, Stable Hollow-Structured Silicon Suboxide-Based Anodes toward High-Performance Lithium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202101796https://doi.org/10.1002/adfm.20210179611. Materials Today: 用于軟機器人的自修復聚合物軟機器人的內在適應性提供了安全性、對環境的自然適應，允許吸收沖擊并保護它們免受機械沖擊。但是，一項文獻研究表明，用于其構造的軟聚合物易受各種類型的損壞，包括疲勞、過載、界面脫粘以及尖銳物體的切割、撕裂和穿孔。一種經濟和關注生態環境的解決方案是，利用能夠自我修復的聚合物來構建未來的軟機器人系統，并具有修復損傷的能力。于此，荷語布魯塞爾自由大學Seppe Terryn等人提出了一種用于軟機器人應用的自愈合聚合物的評價標準。1）基于這些軟機器人的要求和材料的性能參數，結合機械和愈合性能，對文獻中已有的不同類型的自愈合聚合物進行了嚴格的評估和比較。2）除了對自修復軟機器人技術的最新描述之外，本文還討論了推動自修復聚合物科學與軟機器人技術之間跨學科組合的驅動力和局限性。Seppe Terryn, et al., A review on self-healing polymers for soft robotics. Materials Today 2021.https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.01.009
12. ACS Nano：苯甲脒間隔物用于高效2D/3D鈣鈦礦太陽能電池
有機間隔基在2D/3D混合鈣鈦礦中起著重要作用，可以結合2D鈣鈦礦的高穩定性和3D鈣鈦礦的高效率的優點。南開大學劉永勝等人開發了一類苯甲脒鹽（ArFA）作為2D/3D鈣鈦礦的間隔物。
1）研究發現，在2D/3D鈣鈦礦中較大的ArFA間隔物可以誘導更好的晶體生長和取向，減少缺陷態，并由于ArFA與無機物之間的多個NH··I氫鍵相互作用而延長空間分辨的載流子壽命[PbI6]4層。2）對照組的效率為19.02％，而基于苯甲脒鹽酸鹽（PhFACl）處理的2D/3D鈣鈦礦器件具有22.39％的效率，以及優異的長期熱穩定性，即在80°C下，穩定1400 h。3）通過基于PhFACl的2D/3D鈣鈦礦太陽能電池的整體鈍化工程，進一步實現了23.36％的最高效率。這些結果表明，此類ArFA隔離層在高效2D/3D鈣鈦礦太陽能電池中具有巨大的潛力。Tingting Liu et al. Spacer Engineering Using Aromatic Formamidinium in 2D/3D Hybrid Perovskites for Highly Efficient Solar Cells，ACS Nano，2021.DOI: 10.1021/acsnano.1c02191https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c02191
