1. Angew：用于水系鋅電池的固體電解質界面設計
由于缺乏致密的鋅離子導電固體電解質界面（SEI）來抑制副反應析氫反應（HER），水系鋅電池的發展面臨著水分解和枝晶生長的嚴重挑戰。近日，美國馬里蘭大學王春生教授報道了一種低濃度Zn(OTF)2-Zn(NO3)2水溶液電解質，以原位形成穩健的無機ZnF2-Zn5(CO3)2(OH)6-有機雙層SEI，其中無機內層促進Zn-離子擴散，而有機外層抑制水滲透。1）綜合表征結果顯示，Zn負極表面首先通過NO3-與HER生成的Zn2+和OH-發生自端化學反應生成絕緣Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O層，然后轉變為Zn離子導電Zn5(CO3)2(OH)6，進而促進ZnF2內層形成。而有機控制外層則是由OTF-還原形成。2）實驗結果顯示，原位形成的SEI使Ti||Zn電池在200 h內的庫侖效率（CE）高達99.8%，同時在低Zn/MnO2容量比為2：1的Zn∥MnO2電池中，高能量密度（168?Wh?kg-1）在700次循環中的保持率為96.5%。Dan Li, et al, Solid Electrolyte Interphase Design for Aqueous Zn Batteries, Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202103390https://doi.org/10.1002/anie.202103390
2. Angew：四丁基銨陽離子插層修復CsPbI3鈣鈦礦
通過合成后離子交換原位形成尺寸減小的鈣鈦礦層是鈍化有機-無機雜化鈣鈦礦的有效方法。相反，具有強離子結合能的Cs基無機鈣鈦礦中的銫離子不能與那些眾所周知的有機陽離子交換而形成尺寸減小的鈣鈦礦。上海交通大學趙一新等等人證明了四丁基銨（TBA+）陽離子可以插入CsPbI3晶格，從而在TBAI后處理中有效取代Cs陽離子形成一維（1D）TBAPbI3層。1）這種TBA陽離子插入導致原位形成TBAPbI3保護層，以修復無機CsPbI3鈣鈦礦表面的缺陷。TBAPbI3-CsPbI3鈣鈦礦表現出更高的穩定性和更低的缺陷密度。對比照組的15.85％效率，TBAPbI3-CsPbI3的鈣鈦礦太陽能電池的效率提高到了18.32％。該發現將推動對無機鈣鈦礦降低尺寸的鈣鈦礦保護策略的進一步研究和開發。Liu, X., Wang, X., Zhang, T., Miao, Y., Qin, Z., Chen, Y. and Zhao, Y. (2021), Organic Tetrabutylammonium Cation Intercalation to Heal Inorganic CsPbI3 Perovskite. Angew. Chem. Int. Ed.. 2021.https://doi.org/10.1002/anie.202102538https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202102538
3. Angew：二茂鐵基金屬-有機骨架納米片作為高性能析氧電催化劑
基于過渡金屬的OER電催化劑的設計越來越得到人們的重視。特別是NiFe基材料由于其高的OER活性和低成本而引起了廣泛的關注。NiFe層狀雙氫氧化物（LDHs）具有獨特的層狀結構和優異的穩定性，被認為是堿性環境下最有前途的OER電催化劑之一。近日，大連理工大學劉進軒教授，香港大學Edmund C. M. Tse報道了通過組裝六水合氯化鎳和1，1-二茂鐵二甲酸在泡沫鎳（NF）上，成功合成了一種二維（2D）金屬有機骨架（MOF）納米片（NiFc-MOF/NF）。1）TEM圖像顯示，NiFc-MOF/NF中平均橫向尺寸約為600 nm的致密均勻納米片垂直生長在NF骨架上。TEM和AFM圖像進一步揭示了其平均厚度為30 nm的納米片的2D形貌。EDS能譜證實了O，Fe和Ni元素在納米片中的均勻分布。2）實驗結果顯示，在堿性條件下，NiFc-MOF/NF表現出優異的電催化析氧反應（OER）性能，在10和100 mA cm-2時的過電位分別為195和241 mV。3）電化學結果表明，NiFc-MOF/NF的出色OER性能源于二茂鐵單元作為有效的電子轉移中間體。密度泛函理論（DFT）計算結果表明，MOF晶體結構中的二茂鐵單元提高了整體的電子轉移能力，從而導致理論過電位為0.52 eV，低于目前最先進的NiFe雙氫氧化物的理論過電位（0.81 eV）。這項工作突出并強化了設計合適的MOF結構以促進高效OER催化劑開發的重要性。Jing Liang, et al, Ferrocene-Based Metal-Organic Framework Nanosheets as Robust Oxygen Evolution Catalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202101878https://doi.org/10.1002/anie.202101878
4. Angew：鐵催化N-雜芳基二氟甲基砜合成二氟甲基芳烴
Fe催化砜類、芳基硼酸酯之間的烷基-芳基偶聯反應具有較高挑戰，有鑒于此，中科院上海有機所胡金波、倪傳法等報道了首例Fe催化反應方法學，通過芳基硼酸酯對N-雜芳基二氟甲基砜反應，合成二氟甲基芳烴。鐵催化劑和N雜芳烴砜分子的氮原子之間配位，這種分子間的單電子轉移能夠有效的克服砜的還原電位，能夠將氟烷基修飾的N-芳雜環砜、非含氟的烷基N-雜芳基砜用于有效的烷基化試劑。1）反應實施。以芳基二氟甲基砜、苯硼酸叔丁酯鋰鹽作為反應物，以FeCl2作為催化劑，加入TMEDA，MgBr2，在THF溶劑和50 ℃中進行反應，合成二氟甲基苯。2）該方法學中，低配位的Fe和N-雜芳基砜底物分子的N原子之間配位，促進了砜能夠有效的進行自由基交叉偶聯反應，為有機合成提供了一種新反應方法學。Zhiqiang Wei, et al, Iron‐Catalyzed Fluoroalkylation of Arylborates with Sulfone Reagents: Beyond the Limitation of Reduction Potential, Angew. Chem. Int. Ed. 2021DOI: 10.1002/anie.202102597https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202102597
5. AM：四元鈣鈦礦中溶劑輔助的動力學捕集
通過合金化工程化鈣鈦礦鹵化物，可以合成具有可調電子和光學性能的材料；然而，由于熱力學不穩定的晶體結構而形成的混合相阻礙了許多這類合金的合成。已經開發了制造此類合金的方法，例如固相反應，化學氣相沉積和機械研磨。但是這些與低溫溶液處理和單片集成不兼容，從而排除了這些材料的許多重要應用。多倫多大學Edward H. Sargent等人開發了溶劑相動力學捕集（SPKT），一種能夠合成新型熱力學不利的鈣鈦礦合金的方法。
1）SPKT用于合成Cs1-xRbxPbCl3，并首次報告多晶鈣鈦礦薄膜中紫外線發射。與相同前軀體的非動力學捕獲材料相比，SPKT導致材料具有優異的熱穩定性和光穩定性。動力學捕集材料的瞬態吸收光譜顯示出改善的光學性能：更大的吸收，以及更長的基態漂白劑壽命。SPKT可以應用于其他鈣鈦礦，以實現改進的材料性能，同時受益于簡便的溶液處理。Parmar, D. H., Pina, J. M., Choubisa, H., Bappi, G., Bertens, K., Sargent, E. H., Solvent‐Assisted Kinetic Trapping in Quaternary Perovskites. Adv. Mater. 2021, 2008690.https://doi.org/10.1002/adma.202008690https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008690
6. AEM：熔融NaCl輔助合成的具有高密度的可及的FeN4催化活性位點和出色氧還原反應性能的多孔Fe-N-C電催化劑
N摻雜的碳微孔中的鐵單原子催化劑（FeN4）具有優異的氧還原反應（ORR）催化性能。然而，迄今為止，實現具有高密度ORR可及的FeN4催化位點仍然極具挑戰性。近日，新西蘭奧克蘭大學Geoffrey I. N. Waterhouse，中國科學院理化技術研究所張鐵銳研究員報道了一種簡單的表面NaCl輔助制備微孔N摻雜碳電催化劑的策略，所獲得的催化劑具有豐富的可極的FeN4催化位點。1）研究人員首先將微孔沸石咪唑骨架-8和NaCl的粉末混合物在N2中加熱到1000 °C，在800 °C以上的溫度下，NaCl熔化，生成具有高孔隙率的N摻雜碳產物（NC-NaCl）。然后鐵離子（Fe3+）被吸附到NC-NaCl上，在900 °C的N2氣氛中進行第二次熱解，得到了多孔的Fe/NC-NaCl電催化劑（BEI比表面積為1911 m2 g?1)，具有良好的分散性和高密度可及的表面FeN4活性位點（26.3×1019 g?1）。2）實驗結果顯示，Fe/NC-NaCl電催化劑在0.1 m HClO4中表現出優異的ORR性能，半波電位高達0.832 V（與可逆氫電極相比）。當用作1.0 bar H2-O2燃料電池的ORR陰極催化劑時，Fe/NC-NaCl的峰值功率密度高達0.89 W cm?2，是迄今為止，所報道的催化活性最高的M-N-C材料之一。Qing Wang, et al, Molten NaCl-Assisted Synthesis of Porous Fe-N-C Electrocatalysts with a High Density of Catalytically Accessible FeN4 Active Sites and Outstanding Oxygen Reduction Reaction Performance, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202100219https://doi.org/10.1002/aenm.202100219
7. AEM：無空穴傳輸層的碳基鈣鈦礦太陽能電池
可印刷的介觀鈣鈦礦太陽能電池（PSC）由于其高穩定性和簡單的制造工藝而引起了廣泛的研究關注。然而，在沒有空穴傳輸層的情況下，電池遭受了嚴重的潛在損失。華中科技大學韓宏偉和榮耀光等人通過進行后處理，降低了介孔碳電極中鈣鈦礦吸收層的尺寸，進而提高其性能
1）二維鈣鈦礦具有寬帶隙并形成II型能帶排列，有利于定向電荷傳輸，從而提高了器件性能。對于使用MAPbI3（MA =甲基銨）作為光吸收層的電池，后處理后的開路電壓（VOC）從0.92 V顯著提高到0.98 V，總體效率為16.24％。對于基于FAPbI3（FA = 甲脒）的電池，VOC為1.02 V時可達到17.47％的高效率，這都是可印刷的介觀PSC的最高報道值。該策略為調節基于介觀鈣鈦礦的光電器件的能級對準提供了一種簡便的方法。Chen, X., et al, Tailoring the Dimensionality of Hybrid Perovskites in Mesoporous Carbon Electrodes for Type‐II Band Alignment and Enhanced Performance of Printable Hole‐Conductor‐Free Perovskite Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2021, 2100292.DOI：10.1002/aenm.202100292https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100292
8. AFM：薄層的約束毛細效應用于促進太陽能驅動的水蒸發
實現超薄水層，并在光熱材料的互連孔隙中產生豐富的水/空氣界面，是提高太陽能驅動的水蒸發速率的有效途徑，但同時是一個巨大的挑戰。近日，南昌大學李越湘教授，何芳報道了在多孔海綿上形成光熱薄膜的約束毛細現象（CC），從而顯著提高太陽能驅動的水蒸發速率。1）薄層由大量聚集化的黑色/親水納米顆粒（BHNPs）組成，BHNPs之間的通道對水的傳輸具有很強的毛細作用。水可以自發地在凝聚的納米顆粒之間被限制和運輸，而不是填充海綿的相互連接的孔隙。因此，可以在海綿骨架的外/內表面上實現超薄水層，而無需精確控制供水。薄的水層不僅可以通過增加水蒸氣逸出通道來盡可能多地暴露蒸發面積，還可以防止太陽能加熱多余的水。2）得益于CC，大大提高了太陽能蒸汽的產生率。此外，具有CC的光熱材料可以在全天保持其高蒸發速率，并且可以在夜間去除鹽，突出其可回收性和抗鹽積聚性。此外，CC可以很容易地擴大到實際應用。Zhenxing Wang, et al, Confinement Capillarity of Thin Coating for Boosting Solar-Driven Water Evaporation, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202011114https://doi.org/10.1002/adfm.202011114
9. AFM：凝膠正極的水分限制助力高性能準固態鈉空氣電池
與鋰空氣電池相比，可充電鈉空氣電池因其理論比能量密度高、成本低、充電電位低等優點而備受關注。然而，鈉空氣電池通常需要高純度O2工作環境來實現其高性能，這無疑阻礙了將其用于高能量密度電池。盡管水系鈉空氣電池可以在空氣中工作，但由于水系電解質的揮發性，導致長循環和高安全性仍然是水系鈉空氣電池發展面臨的挑戰。近日，昆明理工大學梁風教授，德國伊爾梅瑙工業大學雷勇教授，加拿大西安大略大學孫學良教授報道了一種利用單壁碳納米管（SWNTs）和室溫離子液體（IL）組成的凝膠正極（SWNTs/IL）準固態鈉空氣電池，其在0.1 mA cm?2的電流密度下，實現了高安全性和125次循環的長循環壽命（528 h），性能遠遠高于準固態Na-O2電池。1）由于IL在凝膠中的良好潤濕性促進了物理界面的接觸，因此與IL/固體電解質界面相比，凝膠和固體電解質之間形成了更相容的界面。此外，在鈉空氣電池中使用凝膠正極有兩個明顯的結構優勢：1）凝膠正極具有良好的三維連續的電子、離子和氧氣通道，提供了充足的三相正極反應場所，沒有任何液體電解質擴散；2）納米管束的物理交聯形成的凝膠為不溶性放電產物的沉積提供了足夠的空間。同時，凝膠還具有良好的熱穩定性，初始剪切粘度為668.4 Pa·s，可避免自身在環境空氣中揮發和泄漏。2）原位XRD表征表明，環境空氣中的水逐漸沉積在凝膠正極的表面形成水層，在熱力學上有利于高電導率NaOH可溶性放電產物的生成，從而顯著提高了鈉空氣電池的放電容量。這項工作對開發和推廣鈉空氣電池的實際應用具有重要意義，為固態金屬-空氣電池的設計開辟了一條新的途徑。Shilei Chang, et al, High-Performance Quasi-Solid-State Na-Air Battery via Gel Cathode by Confining Moisture, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202011151https://doi.org/10.1002/adfm.202011151
10. Small：具有高強度、耐水性和用于可降解吸管的纖維素-木質素基增強復合材料
一次性塑料吸管的大量消費帶來了一個長期的環境問題。目前替代塑料吸管的紙質吸管仍存在一些缺點，例如耐水蠟層的高成本，以及由于蠟層容易分層而導致的較差水穩定性。因此，開發一種高性能的替代材料來緩解塑料吸管帶來的環境問題具有重要意義。近日，受天然木材中纖維素和木質素增強原理的啟發，美國馬里蘭大學胡良兵教授，李騰教授開發了一種全天然、可降解的基于纖維素-木質素的增強型復合吸管。1）研究人員將由均勻混合的纖維素超細纖維、纖維素納米纖維和木質素粉末卷成濕膜，然后在150 °C的烘箱中烘烤而形成由纖維素-木質素增強的復合吸管。烘烤時，木質素熔化并滲透到微納米纖維素網絡中，作為多酚粘合劑來提高最終吸管的機械強度和疏水性能。2）與紙質吸管相比，所開發的復合吸管具有幾個優點：i）優異的機械性能，ii）高水穩定性，iii）低成本。此外，這種基于纖維素-木質素的復合吸管的自然降解性使其有望成為替代塑料吸管的極有前途的候選材料。Xizheng Wang, et al, Strong, Hydrostable, and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites, Small 2021DOI: 10.1002/smll.202008011https://doi.org/10.1002/smll.202008011
11. ACS Energy Lett.：一種寬工作范圍的摩擦電?電磁混合納米發電機用于風能收集和自供電風速傳感器
由于電磁發電機(EMG)、摩擦電納米發電機(TENG)以及其混合納米發電機等新興技術的出現，風能在緩解化石燃料能源短缺方面發揮著越來越重要的作用，然而，目前只能將部分風能有效地轉化為電能。近日，中科院北京納米能源與納米系統研究所研究人員報道了一種摩擦?電磁混合納米發電機（FTEHG），其具有寬風速工作范圍，可以有效地收集各種風能，如微風和中強風。1）由于TENG在低頻時的高效率和EMG在高頻時的高性能，FTEHG不僅可以有效地獲取高風速能量（通常大于5 m s-1），還可以獲取低風速能量，這大約是大多數地區的年平均風速。特別是，風速范圍從1.55擴大到15 m s-1，從而使微風和中強風得到有效的收集。2）FTEHG由三部分組成，即旗頂摩擦電納米發電機（FT-TENG）、旗體電磁發電機（FB-EMG）、旗面摩擦電納米發電機（FS-TENG）。該一體式電源在風速為6.96 m s?1時，平均輸出功率分別為0.23、0.52、0.07 mW，可單獨使用，也可與電源管理相結合，為溫度計連續供電。此外，由于運動頻率與風速呈線性關系，FTENG被證明是一種有效的實時風速傳感器。這項工作為大工作范圍的風能采集提供了一條有效的途徑，在未來全自動化、全面化的天氣監測中具有應用潛力。Cuiying Ye, et al, A Triboelectric?Electromagnetic Hybrid Nanogenerator with Broadband Working Range for Wind Energy Harvesting and a Self-Powered Wind Speed Sensor, ACS Energy Lett. 2021DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00244https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00244
12. ACS Nano：可修復、可降解和導電的MXene納米復合水凝膠用于多功能表皮傳感器
導電水凝膠由于其與生物組織的相似性、耐磨性好以及信息采集精度高等優點而成為表皮傳感器的候選材料。然而，目前的水凝膠基導電表皮傳感器很難同時獲得長期使用的可靠的健康性能、強健的機械性能、減少電子垃圾的環境可降解性以及對生理刺激和電生理信號的傳感能力。近日，北京化工大學萬鵬博研究員報道了一種由MXene-PAA-ACC水凝膠組裝而成的柔性的、可降解的、可自修復的表皮傳感器。1）具有豐富的表面官能團（?OH, ?F, ?O等）的MXene納米片加入到水凝膠聚合物網絡后，使得水凝膠具有更佳的機械性能和更高的拉伸性能。此外，MXene片層表面的大量官能團（?OH, ?F,?O等）與PAA和Ca2+的羧基之間的超分子相互作用使MXene-PAA-ACC水凝膠具有更好的自愈合性能。2）值得注意的是，MXene-PAA-ACC水凝膠可以用作可穿戴傳感器，分別無線監測多種生理刺激和人體的電生理信號，如肌電和心電圖信號。同時，MXene-PAA-ACC水凝膠良好的生物相容性也使其作為可穿戴式皮膚表皮傳感器具有潛在的應用前景。這項研究為制備傳感性能可靠、響應時間極快（20 ms）、自愈性強、可降解性好的柔性可穿戴多功能表皮傳感器提供了指導，在電子皮膚、個性化健康診斷、人機接口設備等領域具有潛在的應用前景。
Xiaobin Li, et al, Healable, Degradable, and Conductive MXene Nanocomposite Hydrogel for Multifunctional Epidermal Sensors, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c01751https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01751
