1. Chem. Soc. Rev.: 共價有機框架(COFs)的電化學應用
共價有機骨架材料是一類具有高比表面積和可調節孔徑的獨特結構的結晶有機材料。自2005年首次發現拓撲框架以來，COFs作為一種很有前途的材料在分離純化、傳感和催化等領域得到了廣泛的應用?？紤]到對可再生能源和清潔能源生產的需求，最近許多研究工作集中在將多孔材料應用于電化學能量存儲和轉化上。在這方面，已經投入了大量的精力來設計和合成用于電化學應用的COF基材料，包括用于燃料電池，超級電容器和電池的電極和膜。
有鑒于此，德國柏林工業大學Arne Thomas教授和Pradip Pachfule等人，著重介紹了COFs的設計原理和合成策略，并重點介紹了其在電化學領域的應用潛力。討論了近年來提出的混合COF材料或具有分層孔隙率的COF，這可以減輕這些應用中COF最具挑戰性的缺點。最后，概述了電化學應用中COF材料的主要挑戰和未來發展趨勢。
本文要點：
1）自Yaghi及其同事于2005年發現共價有機框架以來，一系列的COFs被設計和合成以實現廣泛的應用。由于其結構可控、高孔隙率和高表面積等優點，COFs是一種很有前途的能量轉換和存儲材料。的確，COFs具有一定的優勢，這與該領域使用的其他典型材料不同。與碳和石墨烯基材料相比，首先具有非常好的結構控制。通過選擇合適的結構單元，可以制備出化學結構明確、孔徑大小和結構可調、密度低的材料，這是其他典型碳基電極材料所沒有的。例如，COFs中的金屬配位基團可以作為明確的電催化活性位點或氧化還原活性位點。另一方面，排他性共價鍵連接可產生完全π共軛的COF，從而實現增強的電荷傳輸。為了獲得高而穩定的電催化性能，需要增加活性位點的數量和每個活性位點的固有活性，這是由于COF的高表面積而實現的。同時，由于電催化中的氧化還原反應一般發生在電解質和電極之間，伴隨著離子傳輸和電子交換，因此基于COF的電催化劑的新型合成方法集中于在電催化過程中促進質量遷移和提高電導率。因此，在COFs中引入分層多孔結構和導電材料是創建更高級電催化劑的有前途的選擇。
2）一般來說，為了設計和制造高效的COF基材料用于電化學應用，已經開發了不同的策略，包括:(i)化學修飾:根據所需的電催化應用，可以通過開發不同的策略來控制COF結構，包括主鏈修飾、官能團修飾和合成后修飾。(ii)在所有長度尺度上控制COF結構：在宏觀長度尺度上，COF可以將其晶體結構與設計具有明確形態和雜化組分的體系結構相結合，使它們具有良好的傳質和高導電性。
3）基于COF的材料已用作HER，OER，ORR和CO2RR的電催化劑，超級電容器和可充電電池中的電極以及電池和燃料電池中的固體電解質或質子導電膜。然而，COFs在能源應用方面仍然存在一些挑戰。首先，低穩定性或有限的耐久性很大程度上限制了COF材料在能源相關器件中的實際應用。此外，COFs的可加工性差可能是它們在電催化中的另一個主要問題。這使得將COF材料集成到與能源相關的設備中具有挑戰性。
Xiaojia Zhao, et al. Covalent organic frameworks (COFs) for electrochemical applications. Chem. Soc. Rev., 2021.
DOI: 10.1039/D0CS01569E
https://doi.org/10.1039/D0CS01569E
2. Nature Mater.：由工程化的生物分子馬達構建的可打印有源網絡執行器
以受控的方式利用單個分子馬達的運動和力來執行宏觀任務，可以為包括機器人技術在內的許多應用帶來實質性的好處。然而，盡管毫米尺度的運動已經在合成和生物分子馬達上得到了證明，但將它們有效地集成到執行宏觀任務的工程系統中仍然具有挑戰性。有鑒于此，日本北陸先端科學技術大學院Yuichi Hiratsuka等人描述了一個具有宏觀驅動能力的有源網絡，該網絡由工程驅動蛋白、生物分子馬達和微管分層組合而成，類似于肌肉的收縮單元。
本文要點：
1）這些收縮材料可以通過圖案化的紫外線照射在所需區域中形成，從而允許將它們結合到機械工程系統中，并與印刷技術兼容。由于驅動蛋白的絲狀組裝設計，產生的力達到微牛頓范圍，從而可以驅動毫米級的機械組件。這些特性可能對制造具有先進功能的軟機器人系統很有用。
2）利用計算機模擬研究了通過雙向運動蛋白實現有源網絡可逆收縮和擴展的可行性。有源網絡表現出與雙向運動蛋白運動一致的反復收縮和伸展周期。有趣的是，在進行力測量之前，反復的收縮和伸展使有源網絡變得均勻，并因此具有抗破裂的彈性，從而增加了最大的力，與雙網絡水凝膠的“肌肉訓練”相似。
通過將執行器和機器人框架同時進行三維打印，可以將有源網絡精確集成到工程系統和宏觀驅動中，從而為制造具有獨特功能（包括高生物相容性、高生物降解性和潛在可食用性）的機器人打開了大門。
Takahiro Nitta et al. A printable active network actuator built from an engineered biomolecular motor. Nat. Mater. 2021.
DOI: 10.1038/s41563-021-00969-6.
https://www.nature.com/articles/s41563-021-00969-6
3. Nature Nanotechnol.：具有輔助軌道自由度的納米力學拓撲絕緣體
離散的自由度，如自旋和軌道，提供了操縱電子、光子和聲子的工具。拓撲絕緣子引起了凝聚態物理學、光學、聲學和力學等領域的廣泛關注，其中自旋自由度是研究的重點。然而，軌道自由度是晶體的另一個基本屬性，但在拓撲絕緣體中研究較少。有鑒于此，香港中文大學Xiankai Sun等人演示了在納米力學平臺上具有輔助軌道自由度的拓撲絕緣體。
本文要點：
1）從理論上提出并通過實驗證明了具有輔助軌道自由度的拓撲絕緣體。利用這個額外的自由度，作者已經實現了不同邊緣狀態之間的片上絕熱拓撲轉換，從而克服了進一步開發具有增強功能和可擴展性的拓撲集成電路的重大挑戰。
2）還實現了具有強非線性的納米力學狄拉克渦態，這些納米力學的狄拉克渦態表現出很強的二階和三階非線性。這為研究可重構拓撲納米力學晶體和拓撲納米力學超材料中的壓縮態和孤子等奇異現象提供了實驗依據。
盡管該實驗是在納米力學平臺上進行的，但利用軌道自由度的概念可以很容易地推廣并應用到其他領域的二維拓撲電路中，如光子學和聲學。
Jingwen Ma et al. Nanomechanical topological insulators with an auxiliary orbital degree of freedom. Nat. Nanotechnol. 2021.
DOI: 10.1038/s41565-021-00868-6.
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00868-6
4. Nature Commun.: 用于印刷電子產品的高導電性n型聚合物油墨
導電聚合物具有通用的化學合成工藝，低成本的溶液可加工性以及獨特的機械堅固性，使其在可再生能源，傳感和醫療器械等行業中具有廣泛的應用前景。在許多光電和生物電子設備中使用的一種典型的導電聚合物是摻雜有聚苯乙烯磺酸鹽PEDOT：PSS的聚（3,4-乙撐二氧噻吩）。PEDOT：PSS每年生產的產品超過100噸，是最成功的空穴傳輸（p型）導電聚合物。這種混合的離子電子導體的成功之處在于它具有高的電導率（> 1000 S cm-1），出色的環境穩定性以及作為水分散溶劑的商業可用性，通過傳統的涂布和印刷技術即可進行加工。然而，為了使這些技術真正達到普及，穩定且易于加工的程度，還需要對導電聚合物進行n摻雜。基于此，瑞典林雪平大學Simone Fabiano教授等人報告了作為乙醇基n型導電油墨的聚苯并咪唑苯并菲咯啉：聚乙烯亞胺（BBL：PEI）的制備及其應用。
本文要點：
1）開發了具有優異性能和穩定性的高導電性乙醇基n型導電墨水，在印刷電子器件，能源技術和生物電子領域都具有廣闊的前景。
2）共軛聚合物BBL上的負電荷被胺基絕緣聚合物PEI上的正電荷所補償，制備了一種n摻雜的聚合物-聚合物油墨，可通過簡單的噴涂在空氣中進行處理。
3）BBL：PEI薄膜的電導率高達8 S cm-1，并且具有出色的熱穩定性，環境穩定性和溶劑穩定性。
4）探討了OECTs中BBL：PEI的混合離子電子導體性能，并展示了與基于PEDOT：PSS的OECTs耦合n溝道耗盡型邏輯器件。
Yang, CY, et al. A high-conductivity n-type polymeric ink for printed electronics. Nat Commun 12, 2354 (2021)
DOI: 10.1038/s41467-021-22528-y
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22528-y
5. Nature Commun.: 原子級厚度的PtTe2中單原子Te空位的有序聚集以促進析氫反應
能源需求的增加，環境污染和地球資源逐漸枯竭等問題目前正在威脅著人類的可持續發展。利用先進的材料和綠色技術（例如電催化）將可持續資源（例如H2O，CO2，N2和太陽能）轉化為高附加值產品（例如H2，O2，碳氫化合物和NH3）有望解決這些問題。然而，到目前為止，其實際應用仍然需要合理設計和制備出具有高活性和穩定性的先進電催化劑，特別是對于Pt基催化劑，其在電催化中起著多種作用，例如醇氧化反應，析氫/氧化反應（HER/HOR）和氧還原反應（ORR）。暴露未配位的Pt位點以及優化反應中間體是大幅提高電催化活性的理想策略，但同時實現未配位的Pt位點的暴露和穩定化，以及優化原子級Pt的電子結構，吸附能和催化性能之間的關系仍然是一個巨大的挑戰，為了應對這一挑戰，近日，深圳大學蘇陳良教授，新加坡國立大學呂炯和新加坡南洋理工大學劉彬教授等人報告了一種二維PtTe2納米片，其中具有良好分散的單原子Te空位（Te-SAVs）和原子定義明確的未配位的Pt位作為典型電催化劑，表現出優異的性能。
本文要點：
1）受控的熱處理驅動Te-SAVs遷移以形成熱力學穩定的有序Te-SAV簇，這既降低了費米能級附近未配位的Pt位點的態密度，又降低了Pt位點的相互作用軌道體積。
2）開發了一種簡單的剝離技術，然后進行熱退火方法，在原子級尺寸厚度的PtTe2 NSs中設計缺陷并作為典型的催化劑，以研究原子定義的Pt位點的電子結構，吸附能和析氫活性之間的相關性。
3）得益于原子級尺寸厚度的PtTe2中未配位Pt位點的強配位能力，與商用Pt/C催化劑相比，所得催化劑對HER表現出優異的活性和穩定性。有效地降低了Pt活性位點與H中間體的結合強度，這使得PtTe2納米片在析氫反應中具有很高的活性和穩定性。
Xinzhe Li, et al. Ordered clustering of single atomic Te vacancies in atomically thin PtTe2 promotes hydrogen evolution catalysis. Nat Commun 12, 2351 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-22681-4
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22681-4
6. Matter：一種數據融合方法可優化鹵化物鈣鈦礦的組成穩定性
盡管最近為改善用于能量收集和轉化的鹵化鈣鈦礦材料的環境穩定性做出了巨大努力，但傳統的試錯法勘探仍然面臨著在廣闊的化學和成分篩選的瓶頸。麻省理工學院Tonio Buonassisi和Shijing Sun等人報道了一個物理受限的順序學習框架，可以篩選出最穩定的合金化的有機-無機鈣鈦礦。將來自高通量退化測試和相熱力學第一性原理計算的數據融合到使用概率約束的端到端貝葉斯優化算法中。
本文要點：
1）通過僅采樣離散化CsxMAyFA1-x-yPbI3（MA，甲基銨; FA，甲脒）組成空間的1.8％，以Cs0.17MA0.03FA0.80PbI3為中心的鈣鈦礦在溫度，濕度和光照下，比MAPbI3的穩定性提高了17倍。
2）與最新的多鹵化物Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3相比，該組分薄膜的穩定性提高了3倍，從而在不降低太陽能電池效率的情況下提高了器件的穩定性?；谕郊铀倨鞯腦射線散射驗證了使用更少的元素和最多8％的MA抑制化學分解和相變的現象。研究人員期望可以將這種數據融合方法擴展為指導多種多元系統的材料發現。
Shijing Sun et al. A data fusion approach to optimize compositional stability of halide perovskites, Joule, 2021
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.01.008Get rights and content
7. Nano Letters：二維鈀銅合金納米枝晶用于高穩定性和選擇性電化學CO2還原制甲酸鹽
鈀（Pd）是唯一能在接近零的過電位下催化電化學CO2還原（CO2RR）成甲酸鹽的金屬催化劑。不幸的是，其會受到嚴重副產物痕量CO中毒，并且隨著過電位的增加，其穩定性和選擇性開始變差。近日，蘇州大學李彥光教授，Haiping Lin報道了在十八烷基三甲基氯化銨（OTAC）存在下，通過簡單的溶液反應合理地合成了一種2D雙金屬PdCu納米枝晶（nd-PdCu）。
本文要點：
1）研究人員通過仔細調整前驅體比例、反應溫度和表面活性劑濃度等實驗參數，來促進nd-PdCu中雙金屬納米結構的快速面內生長并抑制其面外生長，從而使其產生獨特的2D分形納米枝晶結構。這種奇特的納米結構具有51.0 m2 g-1的大電化學比表面積和豐富的配位不足位點。
2）實驗結果顯示，在0.1 M KHCO3中，性能最佳的nd-PdCu-1即使在?0.4 V的陰極電位下也能選擇性和穩定地催化CO2RR生成甲酸，，這是先前文獻報道水平所無法達到的水平。
3）密度泛函理論（DFT）計算表明，Pd與Cu的合金化使產物具有更強的抗CO表面毒害能力，同時也提高了反應選擇性所必需的*OCHO中間體的吸附。
這項研究為解決用于甲酸鹽生產的Pd催化劑穩定性問題提供了一種可行的策略，并有望在不久的將來找到有用的應用。
Rui Zhou, et al, Two-Dimensional Palladium?Copper Alloy Nanodendrites for Highly Stable and Selective Electrochemical Formate Production, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01113
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01113
8. EnSM：界面誘導的平面鋰生長助力無枝晶鋰金屬負極
鋰金屬因其高比容量（3860 mAh g-1）和低氧化還原電位（3.05 vs. SHE）而成為高能量密度鋰電池的最終負極候選材料。然而，Li離子通量的不均勻性和Li金屬的高活性導致了連續的Li枝晶形成和死Li的生長。近日，南京林業大學陳繼章教授，美國佐治亞理工學院汪正平院士，井岡山大學Bo Liu報道了設計了一種由二維層狀Mxene（Ti3C2-T，T=-O和-F）和固體電解質Li1.3Al0.3Ge1.7(PO4)3（LAGP）改性的隔膜，通過界面誘導平面鍍Li。
本文要點：
1）高度混合的LAGP/MXene的導電特性促進了鋰離子/電子的均勻轉移。-O和-F基團提供了更多的鍍Li位點，降低了Li的初始成核能，從而實現了橫向誘導平面Li沉積。此外，Li原子的重排繼承了Mxene的原子結構，顯著抑制了枝晶Li的形成。同時，由于LAGP的還原，原位生成的Ge、Li3PO4和LiF中間相有助于穩定固體電解質界面（SEI）。
2）得益于協同效應，改性隔膜在半鋰金屬電池和全鋰金屬電池中均表現出優異的電化學性能。在20 mg cm?2LiCoO2 (LCO)的高面負載量下，電池在200次循環后仍表現出穩定的循環性能。此外，這種新型的鋰沉積調控策略和工程SEIs策略簡單易行、效率高，可推廣到其他堿金屬負極。
Xiang Han , Jizhang Chen , Minfeng Chen , Weijun Zhou , Xiaoyan Zhou , Guanwen Wang , Ching-Ping Wong , Bo Liu , Linshan Luo , Songyan Chen , Siqi Shi , Induction of planar Li growth with designed interphases for dendrite-free Li metal anodes, Energy Storage Materials (2021)
DOI：10.1016/j.ensm.2021.04.029
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.029
9. AFM：具有[Al(OTF)]2+存儲機制的高能量密度醌基電極用于可充電水系鋁電池
可充電水系鋁電池（AABs）具有高容量，Al來源豐富等優點，是未來大規模儲能的潛在候選儲能技術。然而，由于Al3+的高電荷密度，導致無機正極材料在放電-充電循環過程中脫/嵌動力學緩慢，結構崩塌，導致AABs具有較低的倍率性能和較差的循環壽命等嚴重問題。近日，南開大學陳軍院士，張凱研究員報道了從醌類化合物中優化了具有大空腔和相鄰羰基結構的calix[4]quinone（C4Q），使其成為用于高能量密度AABs的優異正極材料。
本文要點：
1）實驗結果顯示，C4Q具有400 mAh g?1的高容量、高倍率性能（在800 mA g?1時，容量達到300mAh g?1）和出色的低溫性能（在?20 °C時，容量為224 mAh g?1）。此外，所開發的軟包電池的能量密度到達了93Wh kg?1cell。
2）研究人員通過實驗和理論計算相結合，揭示了在1 m Al(OTf)3電解液中，羰基是醌類化合物的氧化還原中心，Al(OTF)2+離子作為活性離子可與醌正極可逆結合。
本工作可望促進有機正極在AABs中的應用。
Yixin Li, et al, High-Energy-Density Quinone-Based Electrodes with [Al(OTF)]2+ Storage Mechanism for Rechargeable Aqueous Aluminum Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adfm.202102063
https://doi.org/10.1002/adfm.202102063
10. Small: 用于快速充電電池的陣列碳基電極的研究進展
快速充電電池備受關注，并且有望在幾分鐘內為電動汽車和消費電子產品充滿電。但是，電池中的商用電極材料通常具有有限的倍率性能，很難用于快速充電電池。設計具有陣列結構的電極是縮短離子輸運路徑、提高電池倍率性能的有效途徑。碳基電極的出色電子導電性是提高可充電電池倍率能力的另一個關鍵因素。因此，通過將陣列結構和碳基材料的優點相結合，陣列碳基電極（ACBE）可以顯著提高功率密度。
有鑒于此，清華-伯克利深圳學院成會明院士、周光敏副教授等人，綜述了快速充電電池ACBE的機理，優勢和挑戰，然后總結了基于不同尺寸的ACBE的設計和制備方法，并說明了它們在不同電池中的應用。最后，對快速充電電池用ACBEs的發展前景進行了展望。
本文要點：
1）近十年來，手機、電動汽車等快速充電設備發展迅速。他們需要具有高倍率能力和高能量密度的電極。但是，傳統的電極材料（例如石墨陽極）通常具有有限的倍率性能，并且遠遠不能滿足快速充電電池的要求。因此，需要新穎的電極材料和結構來改善電極的倍率性能。ACBEs由于其具有良好的排列結構和碳基骨架結構，因此被認為是快速充電電池中最有前途的電極材料之一。
2）討論了快速充電電池的機理，指出提高快速充電電極的倍率性能是提高快速充電電池性能的必要條件。ACBEs的定向離子轉移路徑的存在和優異的電導率使得充放電過程中電荷快速轉移，保證了可充電電池在高電流密度下的優良電化學性能。為此，人們提出了多種合成ACBEs的方法，并總結了不同尺寸材料(如一維碳納米線、二維碳片和三維碳框架)制備碳電極的方法。還介紹了ACBEs在各種儲能系統中的實際應用，如鋰離子電池、Li–S電池和鋰空氣電池，它們具有出色的快速充電性能。
Qikai Huang et al. Aligned Carbon‐Based Electrodes for Fast‐Charging Batteries: A Review. Small, 2021.
DOI: 10.1002/smll.202007676
https://doi.org/10.1002/smll.202007676
11. ACS Catalysis：利用Operando光譜揭示Ag/Al2O3催化劑上的氨選擇催化氧化機理
目前，柴油車后處理泄漏氨已經引起了嚴重的環境污染問題，因此迫切需要開發一種高效的脫氨催化劑。近日，中科院生態環境研究中心賀泓院士報道了利用Operando光譜（DRIFT-MS和DR-UV—vis）研究了Ag/Al2O3催化劑上的氨選擇催化氧化的反應機理。
本文要點：
1）表征結果顯示，具有較低Ag負載量的Ag/Al2O3樣品以Ag離子物種為主，而在10 wt%的Ag/Al2O3樣品上則存在有大量的Ag納米顆粒。Operando DR-UV?vis分析結果表明，Ag納米顆粒是氨氧化的活性中心，而Ag陽離子在該反應中具有惰性。
2）在NH3氧化過程中，Ag納米顆粒上的氧活化導致金屬Ag的氧化，而NH3脫氫又減少了被氧化的Ag物種。值得注意的是，在10 wt% Ag/Al2O3上的NH3-SCO反應可分為三個區域：起燃區（N2+N2O）、高效區（N2）和高溫區（N2+NO）。NH3氧化的反應途徑與Ag納米顆粒上的氧活化密切相關，即緩慢的活化速率會導致N2O的生成，而快速的活化會導致NH3的快速脫氫生成NO。與之相反，適當的O2活化和NH3脫氫速率對于NH3氧化過程中N2的形成至關重要。
Guangyan Xu, et al, Unraveling the Mechanism of Ammonia Selective Catalytic Oxidation on Ag/Al2O3 Catalysts by Operando Spectroscopy, ACS Catal. 2021
DOI: 10.1021/acscatal.1c01054
https://doi.org/10.1021/acscatal.1c01054
12. ACS Nano：蜂窩啟發的多功能石墨烯微結構助力超高性能電磁屏蔽和可穿戴應用
高性能電磁干擾（EMI）屏蔽材料具有超低密度、優異的柔韌性和良好的力學性能，是航空航天領域和可穿戴電子器件應用的迫切需要。近日，清華大學任天令教授，Sheng Zhang，楊軼副教授報道了利用激光劃片技術制備出一種蜂窩多孔石墨烯(HPG)及其在EMI屏蔽和可穿戴領域的應用。
本文要點：
1）由于采用蜂窩結構，在厚度為48.3 μm的HPG的EMI屏蔽效能（SE）可達45 dB，單片HPG的絕對屏蔽效能（SSE/t）達到240123 dB cm2/g，同時具有0.0388 g/cm3的超低密度為，明顯優于已報道的碳基材料、MXene材料和金屬材料。此外，研究人員利用MXene和Ag NWs覆蓋HPG的蜂窩孔以增強表面反射，從而使HPG/AgNWs復合膜的SSE/t達到292754 dB cm2/g。
2）HPG在周期性拉伸和彎曲中表現出優異的機械穩定性和耐用性，可用于監測人體的脈搏、呼吸和喉部運動等微弱生理信號。因此，這種輕質柔性HPG得益于其優異的EMI屏蔽性能和機械性能，成本低，易于大規模生產等優點，從而在EMI屏蔽和可穿戴電子領域具有廣闊的應用前景。
Jiandong Xu, et al, Multifunctional Graphene Microstructures Inspired by Honeycomb for Ultrahigh Performance Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Applications, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c01552
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01552
