1. Acc. Chem. Res.: 卟啉衍生物的生物啟發應用
卟啉衍生物在自然界中廣泛存在，在光捕獲、氧氣轉運和催化等方面具有重要的生物學作用。由于其固有的π共軛結構，卟啉衍生物表現出獨特的光物理和電化學性能。在生物系統中，卟啉衍生物通過非共價的相互作用與各種蛋白質分子聯系在一起。例如，在大多數脊椎動物中負責氧氣運輸的血紅蛋白，由帶有鐵卟啉衍生物輔基的球狀蛋白的四個亞基組成。此外，非共價排列的卟啉衍生物是用于植物和藻類光合作用的光捕獲系統中的基本發色體。這些重要的生物學作用源于卟啉衍生物的功能多功能性。特別地，卟啉是優良的主體化合物，與多種金屬離子形成配位絡合物，從而增加了卟啉單元的功能性，例如氧化還原活性和在中心金屬離子處的附加配體結合。此外，卟啉具有平坦對稱的分子結構，是功能超分子組裝的重要組成部分，并且其優異的光物理性能通常被用于制備生物活性功能材料。
有鑒于此，延世大學Woo-Dong Jang等人，總結了過去十年中使用生物啟發方法開發基于卟啉衍生物的功能材料的努力。
本文要點：
1）在第一部分中，討論了幾種合成受體，它們充當人工變構宿主系統，它們可以用于選擇性檢測各種化學物質，如氰化物、氯化物和氨基酸。在第二部分中，介紹了多卟啉陣列，作為自然光捕獲配合物的模擬物。還介紹了通過附加的客體結合來主動控制能量轉移過程以及使用卟啉衍生物制造有機光伏器件的方法。在
2）第三部分中，介紹了幾種類型的卟啉基超分子組裝體。通過非共價相互作用，例如金屬-配體相互作用，氫鍵作用和π-π相互作用，卟啉衍生物形成纖維或環狀組裝體的超分子聚合物。
3）最后介紹了卟啉衍生物在生物醫用納米器件制備中的應用。盡管卟啉是光動力治療的良好候選光敏劑，但由于在水介質中的聚集，它們在生物醫學應用方面有局限性。建議使用離子樹突狀大分子卟啉，它們顯示了良好的光動力治療(PDT)療效。
Jong Min Park et al. Bioinspired Applications of Porphyrin Derivatives. Acc. Chem. Res., 2021.
DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00114
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00114
2. AM：自下向上準外延生長，通過模板引導結晶實現高效太陽能電池
外延生長為光電子器件提供了最高質量的晶體半導體薄膜。香港理工大學李剛和香港中文大學的路新慧等人報道了通過兩步法對高取向α-FAPbI3鈣鈦礦薄膜進行普遍的固溶自下而上的準外延生長。并通過甲基氯化銨和大有機陽離子丁基溴化銨的協同作用來精確控制α-FAPbI3薄膜的晶體取向。
本文要點：
1）GIWAXS可以在薄膜的底部可視化丁基溴化銨相關的中間相的形成，并作為后續退火過程中自下而上的準外延生長的指導模板。模板引導外延生長的BAFAMA鈣鈦礦薄膜具有更高的結晶度，更好的晶體學取向和更少的缺陷。此外，BAFAMA鈣鈦礦太陽能電池獲得了超過23%的效率，并表現出良好的穩定性，在2600 h的環境存儲后，仍保持其初始功率轉換效率的95％；并提高了4倍的工作條件壽命。
Zhang, H., et al, Bottom‐Up Quasi‐Epitaxial Growth of Hybrid Perovskite from Solution Process—Achieving High‐Efficiency Solar Cells via Template‐Guided Crystallization. Adv. Mater. 2021, 2100009.
https://doi.org/10.1002/adma.202100009
3. AM: 冷凍電鏡直接觀察鋰負極SEI膜中穩定性差的Li2CO3
一直以來，體心立方（BCC）相中的鋰金屬（LiBCC）因其高比容量（3860 mAh g-1）和低氧化還原電勢（-3.040 V vs. SHE）而被認為是最合適的鋰離子電池負極材料。固體電解質中間相（SEI）的結構，化學，電子和機械性能在決定負極的穩定性方面起著至關重要的作用。SEI是伴隨著電池循環而形成的鈍化層，它覆蓋負極表面并使電解質與負極產生電絕緣，并同時保持對Li+離子的導電性。聚陰離子化合物，例如鋰碳酸鹽Li2CO3和鋰硫酸鹽Li2SO4長期以來一直認為是SEI中直接接觸LiBCC的組分，起著電子絕緣的作用。基于此，深圳南方科技大學谷猛，鄧永紅和麻省理工李巨教授等人使用冷凍透射電子顯微鏡實現了SEI相成分及其空間排列的直接原子成像。
本文要點：
1）使用球差冷凍電鏡拍攝了SEI的原子級圖片，顯示了鋰金屬負極上SEI成分的組成和確切分布。
2）HRTEM顯示，Li2O或過鋰化的非晶相（LiOx，LiCx，LixS）始終能夠保持Li2CO3和Li2SO4使其不與鋰金屬負極直接接觸。添加劑和生成的Li2SO4晶體中的硫含量對于鋰金屬上的穩定SEI來說是至關重要的，這決定了電池的循環性能。
3）如果沒有添加劑，外部SEI層中裸露的Li2CO3會與電解液持續反應，從而導致不良的循環性能。但是，添加含硫的DTD添加劑會產生大量的Li2SO4，它與過分堆積的Li2O，無定形LixS和LixO一起將Li2CO3牢固地夾在中間，從而提高了SEI的粘度并延長了電池的壽命。
Bing Han, et al. Poor Stability of Li2CO3 in the Solid Electrolyte Interphase of a Lithium‐Metal Anode Revealed by Cryo‐Electron Microscopy. Adv. Mater. 2021, 2100404.
DOI: 10.1002/adma.202100404
https://doi.org/10.1002/adma.202100404
4. AM：集光伏和發光功能于一個器件中的新型共軛聚合物
探索有機半導體的雙功能性質以及研究制造雙功能器件的可行性對用一種器件實現各種應用具有重要意義。近日，中科院化學所Jianhui Hou，Huifeng Yao等設計了一種新型寬帶隙聚合物PBQx-TCl（結構式如下圖，其光學帶隙為2.05 eV），并研究了它在光伏和發光器件中的應用。
本文要點：
1）通過非富勒烯受體BTA3和BTP-eC9制備的器件，在AM 1.5G的光照條件下具有高達18.0％的功率轉換效率（PCE）；1 cm2的器件具有28.5％的PCE；10 cm2的器件在1000 lux發光二極管的照射下PCE為26.0％。
2）此外，基于PBQxTCl：BTA3的器件具有良好的有機發光二極管性能，電致發光外部量子效率接近0.2％，且發射范圍很寬，為630-1000 nm。
該工作表明，聚合物PBQx-TC1是制備室內和室外OPV電池和OLED顯示器的有前景的候選材料。
Ye Xu, et al. A New Conjugated Polymer that Enables the Integration of Photovoltaic and Light‐Emitting Functions in One Device. Adv. Mater., 2021
DOI: 10.1002/adma.202101090
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101090
5. AM綜述：用于調控CO2電化學還原的先進電催化劑結構與組成工程策略的最新進展
電化學二氧化碳（CO2）還原（CO2RR）已被認為是應對人類社會能源和環境挑戰的一種極有前途的解決方案。近年來，先進電催化劑的快速發展極大地提高了CO2RR反應的效率，加速了該技術的實際應用。近日，香港科技大學邵敏華教授綜述了為獲得CO、甲酸鹽、甲烷、甲醇、乙烯和乙醇等不同產品在調節CO2RR選擇性和電催化活性方面具有代表性的先進催化劑結構和組成工程策略的研究進展。
本文要點：
1）作者首先總結了決定某一CO2RR產品（CO、甲酸鹽、甲烷、甲醇、乙烯和乙醇）的催化選擇性和活性的關鍵因素。在此基礎上，總結和討論了結構、組成、復合等對這些因素的影響，并提出了解決這些問題的一些有前景的策略。
2）作者接下來集中總結了于光譜表征和計算模擬工具在解決用于CO2RR電催化劑結構/組成-性能關系、闡明機理和催化劑設計/優化等方面的應用。在此基礎上，提出了該領域目前仍面臨的一些挑戰和進一步的研究機遇，包括：i）對CO2RR機制的進一步認識；ii）進一步闡明催化劑結構和組成參數與催化性能之間的關系；iii）高性能催化劑和電極的大規模生產；iv）獲得高濃度產品。
Shangqian Zhu, et al, Recent Advances in Catalyst Structure and Composition Engineering Strategies for Regulating CO2 Electrochemical Reduction, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202005484
https://doi.org/10.1002/adma.202005484
6. AM綜述：金屬-有機框架增強仿生級聯催化生物傳感
多種酶誘導的生物級聯催化可指導體內有效和選擇性的底物轉化。仿生級聯系統作為一種巧妙的信號傳遞和放大策略，在生物傳感領域有著廣泛的應用。但是，酶的脆弱性極大地限制了其廣泛的應用。在這方面，具有多孔結構、獨特的納米/微環境以及良好生物相容性的金屬有機骨架（MOF）已被巧妙地用作固定化酶的載體，以屏蔽雜散環境，提高催化效率。此外，除了載體，一些MOFs還可以作為納米酶，擴展其在級聯系統中的應用。有鑒于此，華中師范大學朱成周教授等人綜述了近年來在高效MOFs的制備——包括酶/納米酶級聯系統和生物傳感應用方面的最新進展。
本文要點：
1）本文全面總結了涉及MOFs的級聯反應系統在生物傳感中信號放大的設計與構建的研究進展。首先，基于級聯反應催化劑的組成，涉及MOFs的仿生級聯系統主要分為酶、酶-納米酶和納米酶三種類型。討論了級聯催化的效率、選擇性和穩定性，并給出了相應的機理。
2）其次，總結了這些級聯系統與多種信號放大和傳感模式（例如比色法、電化學、熒光、化學發光（CL）和表面增強拉曼散射（SERS））相結合的分析應用。重點介紹了對生物小分子、環境污染物、酶活性、酶抑制劑等各種靶標的靈敏檢測。
3）最后，以作者的觀點展示了MOFs在涉及級聯系統的進一步設計和應用中面臨的挑戰和機遇。
Weiqing Xu et al. Metal–Organic Frameworks Enhance Biomimetic Cascade Catalysis for Biosensing. Adv. Mater. 2021, 2005172.
DOI: 10.1002/adma.202005172.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005172
7. AM：增強光催化的等離子體耦合結構
等離子體光催化是一種很有前途的太陽能轉化方法。與孤立的金屬納米顆粒相比，等離子體耦合結構可以通過對單個納米組件的組成、間距和取向的優化控制，提供進一步增強的局部電磁場和增強的光捕獲能力。因此，當與半導體光催化劑集成時，耦合金屬納米結構可以通過等離子體耦合驅動的電荷/能量轉移顯著促進激子的產生和分離，從而提高光催化效率。有鑒于此，新加坡南洋理工大學Can Xue等人介紹了等離子體耦合效應的原理，綜述了近年來等離子體耦合結構及其與半導體集成增強光催化反應的研究進展。
本文要點：
1）首先介紹了等離子體耦合的概念及其在光催化中的作用，接著闡述了等離子體耦合納米結構的特點，特別是增強的電磁場及其引起的現象。然后描述了不同的等離子體耦合模型，以指導耦合納米結構的設計和操縱。
2）而后基于光吸收、電荷動力學和化學轉化的要點，重點介紹了等離子耦合在太陽能驅動反應中的效率和優勢。
3）此外，還闡述了等離子體耦合結構的合理設計和利用方面尚存在的挑戰，并提出了一些展望，以期為等離子體耦合結構在高效、可持續的光驅動反應方面的發展提供新的機遇。
Dong Liu et al. Plasmonic Coupling Architectures for Enhanced Photocatalysis. Adv. Mater. 2021, 2005738.
DOI: 10.1002/adma.202005738.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005738
8. AEM：一種用于高性能鈉離子電池的新型NASICON型Na4VMn0.5Fe0.5(PO4)3正極
Na+快離子導體（NASICON）型Na3V2(PO4)3正極由于具有高的結構穩定性和快速的Na+遷移率而引起了人們的廣泛興趣。然而，由于釩的成本較高，用低成本的活性元素替代釩仍然勢在必行，以進一步提高其應用的可行性。近日，四川大學郭孝東教授，中科院過程工程研究所趙君梅研究員，中科院物理研究所胡勇勝研究員報道了設計了一種新型的三元NASICON型Na4VMn0.5Fe0.5(PO4)3/C正極材料，該正極具有可逆容量大、電壓高、穩定性好等優點。
本文要點：
1）實驗結果顯示，得到的Na4VMn0.5Fe0.5(PO4)3/C復合材料在20 C下具有96 mAh g-1的優異倍率容量，在20 C循環3000次后循環耐久性達到94%，優于Na4VFe(PO4)3/C和Na4VMn(PO4)3/C。
2）第一原理計算證實了多金屬離子的協同作用和Na4VMn0.5Fe0.5(PO4)3/C正極促進Na+遷移的作用。此外，非原位軟X射線吸收光譜還揭示了Fe2+/Fe3+、Mn2+/Mn3+、V3+/V4+/V5+氧化還原對的充放電過程。原位X射線衍射表征結果表明，在電化學反應過程中存在可逆的結構演化和較小的體積變化。
Chunliu Xu, et al, A Novel NASICON-Typed Na4VMn0.5Fe0.5(PO4)3 Cathode for High-Performance Na-Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202100729
https://doi.org/10.1002/aenm.202100729
9. AFM：通過在夾層上接種納米催化劑提高催化活性用于抑制鋰硫電池中多硫化物的穿梭效應
可溶性多硫化鋰的穿梭效應是制約鋰硫電池實際應用的主要瓶頸之一。近日，天津大學楊全紅教授，上海師范大學萬穎教授報道了合成了一種均勻負載VN納米催化劑的多孔氮石墨烯網絡，將該網絡用作中間層，不僅可以作為LiPSs穿梭的物理屏障，還可以作為“次正極”重新利用封閉的LiPSs。
本文要點：
1）研究人員通過在N-石墨烯上原位生長VN納米顆粒制備了VN@NG。氧化石墨烯（GO）片上豐富的含氧基團使其帶負電荷，而VN（NH4VO3）前驅體中的VO32-基團也帶負電荷，使GO和NH4VO3難以相互接觸。因此，在隨后的制備步驟中，VN傾向于無序生長并形成大顆粒。三聚氰胺（MA）中的-NH3+起著連接劑的作用，控制著VN顆粒的形成和生長。在整個制備過程中，MA既是連接劑，又是致孔劑。在煅燒步驟中，MA逐漸分解，生成幾種含氮氣體，如氨、氮和氰化物。這種持續的氣體供應起到了致孔劑的作用，形成了一個多孔的和相互連接的網絡。
2）研究發現，VN@NG中間層在VN催化劑、N-石墨烯和電解質之間提供了大量的三相界面，加速了LiPSs的轉化并促進了Li2S的沉積。通過計算活化能、塔菲爾曲線以及理論模擬，研究人員研究了連續硫氧化還原反應的動力學，證實了VN催化劑的高催化活性。此外，高表面積的導電N-石墨烯網絡有利于電子和離子的轉移。
3）由于上述優點，在鋰硫電池中添加VN中間層可有效抑制穿梭效應，并顯著提高電化學性能。實驗結果顯示，具有VN@NG夾層的鋰硫電池在2 C下500次循環后仍保持509 mAh g-1的容量，每次循環的低容量衰減率為0.075%。此外，VN@NG夾層還可承受高硫負載量（7.3 mg cm?2），具有優異的循環穩定性，200次循環后容量保持率為84.5%。
研究工作提供了一種具有良好循環性能的原位合成納米催化劑鋰硫電池夾層的設計，并為實現實用的高能電池鋪平了一條簡單而有效的道路。
Jingyi Xia, et al, Boosting Catalytic Activity by Seeding Nanocatalysts onto Interlayers to Inhibit Polysulfide Shuttling in Li–S Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adfm.202101980
https://doi.org/10.1002/adfm.202101980
10. Small Methods：一種氣相遷移策略來合成用于鋅空氣電池的原子分散的Mn-N-C催化劑
Mn和N共摻雜的碳材料被認為是最有前途的氧還原反應（ORR）催化劑之一，但其在替代Pt催化劑方面仍面臨著許多挑戰。近日，哈工大王振波教授，隋旭磊，趙磊，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授報道了提出了一種新的氣相遷移策略，用于規模化合成原子分散的Mn和N共摻雜的碳材料（g-SA-Mn）作為高效的ORR電催化劑。
本文要點：
1）多孔分子篩咪唑骨架可以作為捕集和錨定含錳氣體物種的合適載體，在同步高溫熱解過程會產生原子分散的Mn-Nx活性位點。與傳統的液相合成法相比，這一獨特的策略顯著增加了Mn的負載量，并使Mn原子均勻分散，促進了Mn-Nx活性位點的暴露。
2）實驗結果顯示，所研制的g-SA-Mn-900催化劑在堿性介質中表現出優異的ORR性能，包括較高的半波電位（0.90 V vs.可逆氫電極）、良好的耐久性和良好的催化選擇性。而在實際應用中，基于g-SA-Mn-900催化劑組裝的鋅空氣電池在放電過程中表現出較高的功率密度和顯著的耐久性，優于商用的Pt/C基準催化劑。
這種氣相合成策略為合成原子分散的催化劑提供了一種有吸引力和指導性的見解。
Qingyan Zhou, et al, A Gas-Phase Migration Strategy to Synthesize Atomically Dispersed Mn-N-C Catalysts for Zn–Air Batteries, Small Methods 2021
DOI: 10.1002/smtd.202100024
https://doi.org/10.1002/smtd.202100024
11. Small structures：用于高性能固體電解質的離子傳導電子阻擋層
固態電解質為開發高能量密度鋰金屬電池帶來了更大的希望。然而，其鋰枝晶的生長嚴重限制了固態鋰金屬電池的循環壽命和庫侖效率。近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授，美國天主教大學Chuan-Fu Lin報道了首次在鋰負極和石榴石Li7La3Zr2O12（LLZO）之間構建了一層薄的（<100 nm）電子絕緣、離子導電的鋰磷氮氧化物（LiPON）薄膜。
本文要點：
1）研究人員通過電位階躍計時電流法、恒電流循環、電子顯微鏡和各種光譜技術，揭示了共形LiPON在對稱Li-LLZO電池中作為電子阻擋層的性能。包覆LiPON包覆的LLZO的電子電導率比單獨LLZO低100倍。在0.1mA cm-2 下循環100次的結果表明，這種通過阻止電子進入大塊固體電解質的途徑提高了鋰金屬電池的循環壽命。這些發現表明固態電解質中存在電子傳導效應。
這項研究展示了一種設計薄膜（LiPON）來調節體固態電解質（LLZO）的策略，該電解質能夠保持高離子電導率和電化學穩定性，同時降低有效電子電導率，從而顯著降低枝晶形成，提高循環壽命，并提高電解質和鋰負極之間的界面完整性。
Emily Hitz, et al, Ion-conducting, electron-blocking layer for high performance solid electrolytes, Small structures, 2021
DOI: 10.1002/sstr.202100014
https://doi.org/10.1002/sstr.202100014
12. Mater. Today綜述：用于固態鋰離子電池的無機電解質設計：LGPS和石榴石
固態鋰離子電池（SSLB）是具有高能量密度和增強安全性的下一代儲能器件。固體電解質（SSE）是提供所需的電化學性能特性的關鍵部件。有鑒于此，昆明理工大學梁風教授和美國阿貢國家實驗室陸俊研究員等人綜述了LGPS型和石榴石型鋰離子導體這兩種具有代表性鋰離子導體的發現、合成、結構、離子傳導機理和應用，旨在為今后設計和發現適合SSLB的固態鋰離子電解質提供理論依據。
本文要點：
1）首先對兩種典型電解質LGPS和石榴石的發現、結構、離子傳導機制和穩定性進行回顧，旨在促進對SSLB的SSE設計/發現原則的理解。此外，還討論了基于這兩種電解質系統挑戰策略的最新進展。
2）然存在一些阻礙其實際應用的挑戰，其中包括：（i）具有足夠機械強度和高離子電導率的薄SSE的設計；（ii）實施大規模生產；（iii）提高LGPS的電化學穩定性；（iv）石榴石型SSE與Li之間的界面電阻大，長期循環后Li/石榴石型電解質界面接觸損失。
3）展望未來，作者建議從以下幾個方面加快對晶體固體電解質的研究，即：(i)利用原子尺度表征和建模技術來理解晶體固體電解質的電化學和力學穩定性，突出對晶體固體電解質在多尺度離子輸運中的基本認識；（ii）在較低溫度下穩定高離子傳導性的高溫相；（iii）利用現有結構促進快速離子電導率，并進行新的合成/加工路線，陰離子/陽離子取代和相圖研究；（iv）優化主體結構拓撲，以保持Li的協調性盡可能恒定；（v）結合DFT，基于ICSD數據庫的統計學習，人工智能和機器學習，以幫助發現合適的SSE。
4）此外，還總結了解決與SSLB挑戰有關的策略。考慮到固體/固體界面的相容性和穩定性，一些策略（例如納米化、共燒結、采用復合電解質和表面涂層）是基于LGPS和石榴石SSLB的示例。為了將來實現SSLB的實際應用，推薦以下幾個方面，即（i）需要了解SSE和電極之間的界面反應，動力學和穩定性；（ii）解決SSLB界面工程的簡便策略是有意義的，因為低成本、可擴展的方法是實際應用的先決條件；（iii）有必要使用先進的電池架構設計和組裝策略來優化SSLB的性能；（iv）重視對SSLBs力學環境的研究，對SSLBs的電化學性能有重大影響；（v）開發可靠的SSLB模型，以深入模擬涉及的所有基本物理和電化學過程。
總體而言，為深入了解SSLB中的電解質材料和界面過程的基本機理，還需要做出更多的努力，以促進高能量密度、良好穩定性和長壽命SSLB的應用。
Feng Liang et al. Designing inorganic electrolytes for solid-state Li-ion batteries: A perspective of LGPS and garnet. Mater. Today 2021
DOI: 10.1016/j.mattod.2021.03.013.
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.013
