1. Nat. Rev. Mater.綜述：用于滲透能轉換的納米流體
河水和海水之間的滲透壓差形成的滲透能是一種極有前途的可再生能源。然而，由于商業離子交換膜的低性能，目前的滲透能量轉換顯示出有限的功率輸出。具有定制離子傳輸動力學的納米流體通道可以實現高性能反向電滲析，從而高效收集可再生滲透能。近日，中科院理化技術研究所江雷院士，聞利平研究員綜述了新興的基于納米流體的滲透能量轉換系統的研究進展。
本文要點：
1）作者首先簡要總結了生物和生物激發的納米流體通道的研究歷史、結構和性能，然后總結了具有可電離表面基團的材料和沒有可電離基團的材料，它們在水中可以通過不同的機制充電，包括離子吸附、離子溶解、離子置換、氧摻雜和外部刺激誘導充電。所選定的功能性材料可以進一步加工并組裝成具有集成功能的先進膜，用于不同的應用。
2）作者著重總結了最大化能量轉換性能的策略（優化薄膜厚度、設計異質結和弱化孔隙間的相互作用），此外，總結了納米流體膜在其他類型的能量轉換系統（光電、液電、熱電和熱滲透能量轉換）的研究進展，并總結了集成滲透能量轉換器件與其他技術（如海水淡化和水裂解）相結合的應用潛力。
3）作者最后指出了納米流體在滲透能量轉換方面仍面臨的挑戰和未來的發展前景。
Zhang, Z., Wen, L. & Jiang, L. Nanofluidics for osmotic energy conversion. Nat Rev Mater (2021).
DOI：10.1038/s41578-021-00300-4
https://doi.org/10.1038/s41578-021-00300-4
2. Acc. Chem. Res.: 由CO2和H2通過C–C鍵形成合成C2+化合物
由于全球變暖的嚴重性，迫切需要采取減少二氧化碳排放的戰略。值得注意的是，CO2是一種廉價、豐富、可再生的碳資源，其化學轉化已引起社會廣泛關注。由于CO2處于C原子的最高氧化態，CO2的氫化反應是將其轉化為有機化學品的基本手段。隨著可再生資源水力發電制氫技術的迅速發展，利用CO2和H2的反應變得越來越重要。近幾十年來，CO2加氫的研究進展主要集中在C1產物的合成上，如CO、甲酸及其衍生物、甲醇和甲烷。在許多情況下，含有兩個或兩個以上碳的化學物質(C2+)更為重要。然而，從CO2和H2合成C2+化學物則要困難得多，因為它涉及到可控的氫化和同時形成C-C鍵。顯然，對這一問題的研究具有重要的科學和現實意義。
有鑒于此，中國科學院化學研究所韓布興院士和錢慶利等人，介紹了近年來課題組在成功地合成羧酸、醇、液態烴等基本C2+化合物等方面的研究進展，同時介紹了發現的幾個重要的新反應和新反應途徑。
本文要點：
1）發現了一個由甲醇、CO2和H2合成乙酸的反應，這與熟知的甲醇羰基化反應不同。還發現了一個C3+羧酸合成反應，用醚與CO2和H2反應，該反應通過烯烴作為中間體進行。在新的反應之后，通過引入不同的胺實現了乙酰胺的合成，這可能會啟發進一步開發以二氧化碳為基礎制備各種特殊化學品的催化方案。
2）設計了一系列均相催化劑，以通過CO2加氫來加速C2+醇的生產。在非均相催化的CO2加氫中，發現了水在增強C2+醇合成中的作用。還開發了一系列使用CO2和H2與某些底物（例如甲醇，二甲醚，芳基甲基醚，木質素或多聚甲醛）反應生成乙醇的路線。
3）設計了一種催化劑，可以在200℃下直接將CO2加氫成C5+碳氫化合物，而不是通過傳統的CO或甲醇中間體。還設計了一種耦合均相和異相催化的途徑，在180°C時表現出出色的性能。
Bernard Baffour Asare Bediako et al. Synthesis of C2+ Chemicals from CO2 and H2 via C–C Bond Formation. Acc. Chem. Res., 2021.
DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00091
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00091
3. Acc. Chem. Res.: 闡明和調整穩定的金屬有機框架中含鋯和鋁節點上的催化位點
金屬有機骨架(MOFs)是一類巨大的、快速發展的晶體多孔材料，由通過有機骨架連接的無機節點組成。一些MOFs具有熱穩定性和高密度活性位點的優點，是催化和分離應用的良好候選材料。這類MOFs包括那些具有金屬氧化物簇（例如Zr6O8、Hf6O8和Zr12O22）和長棒（例如[Al(OH)]n）節點的MOFs。這些納米結構的金屬氧化物經常被拿來與塊狀金屬氧化物進行比較，但它們本質上是不同的，因為它們的結構是不一樣的，而且由于MOFs具有高度的均勻性，這為深入了解反應活性提供了可能。
有鑒于此，加利福尼亞大學Bruce C. Gates和Dong Yang等人，總結了調整穩定的MOFs中含鋯和鋁節點上的催化位點的研究進展。
本文要點：
1）描述了（1）識別和定量節點配體的方法（特別是通過紅外光譜和核磁共振氫譜分析在NaOH/D2O溶液中消化的MOFs）；（2）以反應網絡表示的節點配體表面化學；（3）催化作用，由密度泛函理論(DFT)和光譜學確定機理和能量學；（4）MOF通過連接劑羧酸配體與反應物(如醇)的反應進行解鏈，打破了節點-連接劑的鍵合，是催化劑失活的原因，也是節點-連接劑鍵合強度和MOF穩定性的指標。
2）除連接體外，MOF節點表面上的不定成分也是至關重要的。這些配體來自MOF合成溶液中的調節劑，溶劑或溶劑分解產物，并且由于它們是次要成分，通常不規則地置于缺陷上，因此它們可能不會出現在X射線衍射（XRD）晶體結構中。節點上的羥基（如大塊金屬氧化物上的羥基）被認為是由溶劑水產生的天然官能團，但最初可能幾乎不存在，而是常見的配體是由甲酸和乙酸調節劑形成的甲酸酯和乙酸酯。（甲酸酯也來自二甲基甲酰胺（DMF）溶劑的分解。）
3）節點配體的替換和控制可通過合成后反應(例如與醇或HCl/H2SO4水溶液)或高溫分解的結果來實現。在催化中，不定式的節點配體可以是（a）阻止節點上活性位點的反應抑制劑（例如，甲酸鹽阻斷Zr，Hf或Al Lewis酸位點）；（b）反應中間體；或（c）活性位點本身（例如叔丁醇（TBA）脫水中的末端OH基）。出人意料的是，鑒于這類配體在塊狀金屬氧化物上的催化重要性，僅在最近才確定了它們在MOF節點上的精細化學作用。
Dong Yang et al. Elucidating and Tuning Catalytic Sites on Zirconium- and Aluminum-Containing Nodes of Stable Metal–Organic Frameworks. Acc. Chem. Res., 2021.
DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00029
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00029
4. Nature Commun.：無缺陷六氰合鐵酸錳鉀正極材料助力高性能鉀離子電池
鉀離子電池（KIBs）具有成本低、能量密度高等優點，是一種極有前途的電化學儲能技術。然而，由于缺乏高性能的正極材料，KIBs的實際發展受到了嚴重阻礙。近日，北京航空航天大學朱禹潔教授，郭林教授，張千帆副教授報道了通過一種簡單實用的螯合劑輔助沉淀法，成功制備出K2Mn[Fe(CN)6]。所得到的樣品接近化學計量比，缺陷和水分含量極低，可用于高效的高壓K離子存儲。
本文要點：
1）作為K-金屬電池的正極材料，K2Mn[Fe(CN)6]表現出優異的電化學性能。可逆容量為154.7 mAh g?1，平均放電電壓為3.941 V（vs.K+/K），比能量高達609.7 Wh kg?1，往返效率高達96%。此外，K2Mn[Fe(CN)6]在低比電流和高比電流下均表現出良好的循環穩定性。更令人振奮的是，其容量在7800次循環后仍能保持80%以上的容量，這是迄今為止，所有已報道的KIBs正極材料中具有的最佳的長期循環壽命。
2）實驗研究和理論計算相結合表明，K2Mn[Fe(CN)6]中消除的缺陷和可以忽略的水分對其循環性能的穩定起著至關重要的作用。
3）由所得到的K2Mn[Fe(CN)6]正極和石墨負極組成的鉀離子全電池樣機在300次循環后比能量高達331.5 Wh kg?1（以正負極材料的總質量計），容量損失可以忽略不計，并且具有顯著的倍率性能（6.67 C時容量保持率為58%），從而使得KIBs作為一種低成本、穩定的儲能技術具有廣闊的實際應用前景。
Deng, L., Qu, J., Niu, X. et al. Defect-free potassium manganese hexacyanoferrate cathode material for high-performance potassium-ion batteries. Nat Commun 12, 2167 (2021)
DOI：10.1038/s41467-021-22499-0
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22499-0
5. Nature Commun.: 生物質電重整與綠色制氫的耦合
盡管有機電氧化與混合電解制氫耦合的研究取得了巨大的進展，但由于生物質的剛性聚合物結構，將生物質電重整與綠色制氫耦合的研究尚未見報道。有鑒于此，新加坡南洋理工大學Li Hong教授、Bo You和Yan Zhou等人，采用幾丁質氧化反應（COR）替代了傳統堿性水電解（AWE）中的OER，將HER與幾丁質的電氧化耦合以生產氫和乙酸。
本文要點：
1）通過混合電解將最豐富的天然氨基生物聚合物甲殼素電氧化為乙酸鹽，收率超過90％。由于液態陽極產物和析氧的抑制作用，太陽能驅動的幾丁質和含幾丁質蝦殼廢料的電重整與安全的綠色氫生產相結合。
2）由于甲殼素氧化在熱力學和動力學上都優于水氧化，因此電解的總能耗可降低15％。甲殼素的豐度使新型氧化反應具有良好的可擴展性，這與作為陽極反應物的小型有機物形成了明顯的對比。
3）首先，混合電解具有出色的可擴展性，在陰極（水）和陽極（幾丁質）上都有豐富的反應物，并且由于COR的反應比傳統AWE中的OER更好，因此可以獲得更高的效率。其次，由于陽極產生的副產物溶解在液體電解質中，新的氧化還原電偶完全消除了部分負載問題，使AWE與間歇性的可再生能源兼容。第三，陽極上產生了更有價值的產品（可以進一步升級為蛋白質的有機酸），可以部分收回運營成本。由于陽極上的產物幾乎是純乙酸鹽，因此無需復雜的分離過程，并且不需要萃取過程。
總之，該工作展示了一個資源可循環利用和綠色氫生產的可擴展且安全的過程，以實現可持續的能源未來。
Zhao, H., Lu, D., Wang, J. et al. Raw biomass electroreforming coupled to green hydrogen generation. Nat Commun 12, 2008 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-22250-9
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22250-9
6. Nature Commun.：單個鈣鈦礦納米晶體的共振激發揭示了激子-聲子聲子耦合
鈣鈦礦納米晶體由于其潛在的量子信息應用而在最近引起了極大的研究關注，這在很大程度上取決于強大的光學技術的發展，以解決精細的激子光物理。南京大學Xiaoyong Wang, Min Xiao和華盛頓州立大學Zhi-Gang Yu &等人已經實現了單個鈣鈦礦CsPbI3納米晶體的共振和近共振激發，而散射的激光僅占總收集信號的10％。
本文要點：
1）這使我們能夠為單個CsPbI3納米晶體的發射態估計約11.32 μeV的超窄光致發光激發線寬，對應于?116.29 ps的激子移相時間。同時，可以從單個CsPbI3納米晶體解析尺寸量化的聲子，該晶體與激子的耦合被認為是由壓電勢引起的。從單個CsPbI3納米晶體收集共振熒光的能力，以及隨后的激子-聲子聲子耦合的揭示，標志著邁向穩定地發展為高級量子光源的關鍵一步。
Lv, Y., Yin, C., Zhang, C. et al. Exciton-acoustic phonon coupling revealed by resonant excitation of single perovskite nanocrystals. Nat. Commun. 12, 2192 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22486-5
7. Nature Commun.：高性能大面積準2D鈣鈦礦發光二極管
有效面積的增大會嚴重影響鈣鈦礦發光二極管（PeLED）的性能。南開大學Mingjian Yuan等人研究了鈣鈦礦發光層制造方法的失效機理。理清了嚴重的相分離是其穩定性差的原因。并引入了L-正纈氨酸以構建低形成焓的COO-配位中間相。新的中間相改變了結晶途徑，從而抑制了相分離。
本文要點：
1）基于此方法，獲得了具有期望特性的高質量大面積準2D膜。在此基礎上，研究人員進一步合理地調整了薄膜的復合動力學。結合多種策略，制備了一系列高效的綠色準2D PeLED，其有效面積為9.0 cm2。在n = 3時達到了16.4％的峰值外量子效率，代表了迄今為止最有效的大面積PeLED。同時，在= 10膜中實現了亮度高達9.1×104 cd m-2的高亮度器件。
Sun, C., Jiang, Y., Cui, M. et al. High-performance large-area quasi-2D perovskite light-emitting diodes. Nat. Commun. 12, 2207 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22529-x
8. Nature Commun.: 使用水模型電化學電池評估析氧催化劑穩定性的局限性
最近的研究表明，析氧反應催化劑在水模型體系中的溶解與膜電極組件之間存在著嚴重的差異。這就對廣泛應用于現實世界的水測試的相關性提出了質疑。有鑒于此，德國赫爾姆霍茲可再生能源研究所(IEK-11) Serhiy Cherevko教授和Julius Kn?ppel等人，旨在揭示導致水模型系統（AMS）和PEMWEs之間觀察到的OER催化劑溶解差異的實驗因素。
本文要點：
1）膜電極組件中Ir OER催化劑的實際溶解速率通過專門開發的專用設置進行測量。陽極催化劑層中的酸度過高和實際設備中的時間穩定性都被認為是造成溶解差異的主要因素。
2）評估了在催化劑負載、傳質條件、Nafion粘結劑含量和電解質pH值等系統之間的不同參數如何影響Ir溶解。采用掃描流通池和電感耦合等離子體質譜聯儀研究了水模型體系的Ir溶解。
3）此外，通過定制的全電池設置來確定PEMWEs的MEAs的實際溶解速率，該設置旨在防止在OER操作下催化劑溶解物的電沉積。
總之，該工作為模擬實際電解槽運行條件的陽極電催化劑測試參數提供了明確的指導方針。
Julius Kn?ppel et al. On the limitations in assessing stability of oxygen evolution catalysts using aqueous model electrochemical cells. Nat Commun, 2021.
DOI: 10.1038/s41467-021-22296-9
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22296-9
9. Nat Commun: SAPO-34和SAPO-18沸石中原子晶格的真實空間成像
催化劑材料的微觀結構基本上會影響其宏觀結構和催化性能。沸石催化劑在甲醇轉化過程中得到了廣泛的應用，對其微觀結構的原子解析將使我們更深入地了解其結構與性能的關系。然而，由于電子束敏感性的局限性，通過電子顯微鏡對硅鋁磷酸鹽沸石進行原子成像仍然具有挑戰性。有鑒于此，清華大學魏飛教授、王垚副教授、陳曉等人，通過集成差分相襯掃描透射電子顯微鏡(iDPC-STEM)實現了SAPO-34和SAPO-18沸石中的原子晶格(包括Al-O-P原子和鍵)的真實空間成像。
本文要點：
1）使用iDPC-STEM實現SAPO-34和SAPO-18晶格的原子成像。基于這些觀察，從原子角度解析了用于MTO催化的SAPO-34/18共生結構。直接成像揭示了這些催化劑中SAPO-34和SAPO-18結構域的具體分布和序列。
2）內部產物擴散距離的減小大大改善了兩種催化劑在甲醇轉化中的催化性能。基于觀察到的這些催化劑中晶格和元素的分布，可以對SAPO-3/18共生催化劑的合成條件與結構之間的相關性有一個初步的了解，從而可以基于獨特的結構進一步改進其性能。
3）SAPO-34和SAPO-18結構域在SAPO-34/18共生體中的空間分布清晰。通過改變進料中硅的含量和模板，得到了兩種SAPO-34/18催化劑，分別是分層催化劑和夾心催化劑，分別具有高度混合和分離的SAPO-34和SAPO-18晶格。
總之，該工作有助于在沸石催化劑中建立清晰的結構-性能相關性，并為進一步改進催化劑結構提供了堅實的基礎。
Boyuan Shen et al. Resolving atomic SAPO-34/18 intergrowth architectures for methanol conversion by identifying light atoms and bonds. Nat Commun, 2021.
DOI: 10.1038/s41467-021-22438-z
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22438-z
10. Nano Lett.: 一種高電磁屏蔽效率的雙網絡結構材料
電磁干擾屏蔽材料具有優異的電磁屏蔽效率、輕質性能和優異的力學性能，對現代社會具有重要意義，但要在一種材料上同時實現這些性能仍然是一個挑戰。
有鑒于此，中國科學技術大學的俞書宏院士等人，報道了一種可持續的仿生雙網絡結構材料，具有優異的比強度(146 MPa g-1cm3)，以及來自纖維素納米纖維(CNF)和CNTs(CNTs)的顯著EMI SE(100 dB)，無論是對典型的金屬材料還是已報道的高分子復合材料都表現出了卓越的性能。
本文要點：
1）CNF被認為是一種很有前途的高性能，高結晶度的全天然納米纖維，并且可以與CNT進行尺寸匹配和組裝，可以通過生物啟發策略形成仿生雙重網絡，以提供卓越的導電性和機械強度。
2）CNF/CNTs雙網絡復合結構材料的制備過程始于CNF/CNTs水凝膠的制備。
通過將一定濃度的鈣離子（Ca2+）水溶液作為交聯劑噴入CNF / CNTs混合物中，通過Ca2+與CNF的羧基形成配位鍵以及納米纖維之間形成豐富的氫鍵，使CNF與自身發生交聯。同時，CNTs也在整個納米纖維網絡中交織、隨機分布，形成大量的節點，這些節點通過形成連續有效的導電網絡來增強電導率。
3）通過這種快速，大規模，環保和低能耗的策略，獲得了具有堅固的三維雙網狀結構的CNF/CNTs水凝膠。隨后，采用簡單的直接壓制工藝來制造最終的結構材料，從而減小了納米纖維之間的間距以致密化網絡，這意味著本體繼承并增強了雙網絡結構。得益于致密的雙網狀結構，由于同時存在增強機械強度的CNF網絡和提供可觀導電性的CNT網絡，因此材料同時實現了高導電性和出色的機械性能。
總之，受生物啟發的雙網絡結構設計同時實現了極高的電導率和機械強度，使其成為一種輕質、高屏蔽效率、可持續的電磁波屏蔽應用結構材料。
Qing-Fang Guan et al. Sustainable Double-Network Structural Materials for Electromagnetic Shielding. Nano Lett., 2021.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c05081
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c05081
11. Nano Lett.：單晶體心FeCo納米八角星：從一鍋化學生長到復雜的3D磁性結構
納米顆粒具有復雜的形狀、高的表面積。納米顆粒的形貌控制對催化應用意義重大，對磁性能的調控也特別重要。近日，法國圖盧茲大學Lise-Marie Lacroix等在溫和條件下使用有機金屬方法制備了單晶磁性FeCo納米星，并研究了其磁性能。
本文要點：
1）通過對實驗條件進行微調可一鍋法反應直接合成具有體心立方（bcc）結構的納米八角星，這與傳統方法使用種子介導的生長相反。
2）合成的FeCo納米星由8個四面體組成；高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）成像和電子斷層掃描（ET）表征表明，該材料具有{311}暴露面；與體相相比，具有高的磁化率(Ms = 235 A·m2·kg–1)。
3）作者還通過電子全息圖揭示了該材料偶極相互作用和交換相互作用之間競爭產生的復雜3D自旋構型。如微磁模擬所證實，這種自旋結構通過納米星的高縱橫比四面體分支得以穩定。
該工作展示了如何通過納米級形貌控制顯著調控材料的磁性能。
Cyril Garnero, et al. Single-Crystalline Body Centered FeCo Nano-Octopods: From One-Pot Chemical Growth to a Complex 3D Magnetic Configuration. Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01087
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01087
12. ACS Sustainable Chem. Eng.: Pt/WOx/Al2O3催化劑中摻雜單原子Au促進甘油選擇性氫解為1,3-丙二醇
近年來，由于甘油作為生物柴油生產的主要副產物而供應過剩，以及1,3-丙二醇（1,3-PDO）作為高質量聚酯聚對苯二甲酸三甲基酯(PTT)的重要單體，選擇性氫解甘油生產1,3-丙二醇引起了廣泛的研究關注，然而這仍是一項重要但具有挑戰性的反應。有鑒于此，中國科學院大連化學物理研究所王愛琴研究員和劉菲、張濤院士等人，開發了一種新型催化劑0.1Au-2Pt/7.5W/Al，該催化劑既具有高甘油轉化率（77.5％），又具有高1,3-PDO選擇性（54.8％），均明顯高于對應的無Au催化劑。
本文要點：
1）在Pt/W/Al催化劑中加入少量的Au(最多為0.1 wt %)，可以顯著提高甘油加氫反應中1，3-PDO的產率。HAADF-STEM研究表明，0.1Au-2Pt/7.5W/Al的結構特征是?2 nm Pt NPs的周圍裝飾有Au-WOx，其中Au添加劑最有可能以單個原子的形式存在。
2）化學吸附和XPS實驗表明，還原后的Pt NPs和WOx之間的SMSI效應使W5+Ox部分覆蓋在Pt表面，使暴露的Pt表面減少。Au的存在通過電子從W轉移到Au減輕了Pt-WOx的SMSI，從而使Pt表面更暴露。
Ben Wang et al. Promoting the Effect of Au on the Selective Hydrogenolysis of Glycerol to 1,3-Propanediol over the Pt/WOx/Al2O3 Catalyst. ACS Sustainable Chem. Eng., 2021.
DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c00880
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c00880
