1. JACS：具有固有疏水性的分級銅可緩解電解質溢出用于高速CO2電還原制多碳產品
銅電催化劑是目前最有希望的催化劑用于二氧化碳（CO2）還原制增值多碳（C2+）化合物。然而，當碳基氣體擴散層（GDLs）電極上的Cu催化劑在高電流密度下運行時，氣體擴散層的疏水性降低會導致電解質溢出，從而降低了Cu催化劑的穩定性。近日，中科大高敏銳教授報道了一種在GDLs上的仿生銅催化劑，其模仿了狗尾草疏水性葉子獨特的層次結構。1）這種分級的銅結構賦予了CO2還原電極足夠的疏水性，以建立堅固的氣-液-固三相邊界，從而不僅可以將更多的CO2捕獲到活性銅表面，而且即使在高速運行下也能有效地抵抗電解質溢出。2）實驗結果顯示，具有分級結構的銅催化劑實現了較高的C2+產率（255±5.7 mA cm?2）和64±1.4%的法拉第效率，以及在流動反應器中電流密度為300mA cm?2時，超過45 h的出色穩定性，大大超過了濕潤銅催化劑的性能。Zhuang-Zhuang Niu, et al, Hierarchical Copper with Inherent Hydrophobicity Mitigates Electrode Flooding for High-Rate CO2 Electroreduction to Multicarbon Products, J. Am. Chem. Soc., 2021DOI: 10.1021/jacs.1c01190https://doi.org/10.1021/jacs.1c01190
2. JACS：雙熒光比色探針用于對碳青霉烯酶進行快速廣譜檢測
碳青霉烯類是重要的抗生素之一。然而，碳青霉烯酶數量的增加和迅速傳播會嚴重影響它們的療效。因此，對這些酶進行快速檢測對于實現有效的抗菌治療以幫助控制感染而言十分重要。有鑒于此，香港大學楊丹教授報道了首個可有效檢測泛碳青霉烯酶的探針CARBA-H，它具有很好的廣譜適用性。1）實驗利用化學生物學方法證明了碳青霉烯酶核心1β取代基的缺失是識別泛碳青霉烯酶的關鍵，這對于探針的設計和開發來說也十分重要。實驗結果表明，CARBA-H對碳青霉烯酶介導的水解具有雙比色熒光響應性。2）實驗利用CARBA-H對一組產生碳青霉烯酶的腸桿菌科(CPE)臨床分離株進行測試時，它可在15分鐘內獲得清晰的目測讀數。此外，該研究也證明了CARBA-H可用于對加入了CPE的尿液樣品中的碳青霉烯酶活性進行檢測分析。Chi-Wang Ma. et al. Rapid Broad Spectrum Detection of Carbapenemases with a Dual Fluorogenic-Colorimetric Probe. Journal of the American Chemical Society. 2021DOI: 10.1021/jacs.1c00462https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c00462
3. JACS：金剛石相甲酸鈷選擇性D2/H2吸附
蔚山大學Sung Gu Kang、淑明女子大學Kyung Min Choi、慶尚國立大學Hyunchul Oh等報道了狹窄孔道吸附劑的適應性分離用于分離氫原子同位素，具體通過甲酸鈷材料進行分離，能夠實現D2響應，其中具有D2選擇性的吸附位點。通過這種材料，在吸附D2和H2中表現了顯著的區別。1）該材料中產生了對D2額外的位點，能夠通過D2密堆積產生更好的D2吸附。DFT計算結果發現，這種響應性D2吸附為選擇性吸附效應提供了一種有效的方法，能夠在25 K 1 bar中實現高達44的D2/H2選擇性。2）合成的甲酸鈷具有金剛石結構，其中含有一維開孔之字形鋸齒結構孔道，本文工作是第二次相關選擇性氘吸附的相關研究工作，在25 K和1 bar的D2：H2為1：1時，最高的D2/H2選擇性達到26，D2吸附達到7 mmol/g，達到目前最高水平之列。當進一步使用三步選擇性吸附，能夠實現對D2的獨特選擇性吸附。該材料能夠以克級的量進行合成，因此在商業化領域中存在廣泛的前景。Raeesh Muhammad, et al, Exploiting the Specific Isotope-Selective Adsorption of Metal–Organic Framework for Hydrogen Isotope Separation, J. Am. Chem. Soc. 2021DOI: 10.1021/jacs.1c01694https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c01694
4. Angew：一種基于雙層凝膠電解質的高能量密度鎂空氣電池
鎂空氣電池被認為是可穿戴和植入式電子產品的下一代電源技術，其可以在中性電解質中穩定工作，并且具有生物相容性。然而，鎂負極的高腐蝕率和低利用率極大地影響了鎂空氣電池的性能，包括放電電壓低、比容量差、能量密度低等。近日，南京大學張曄副教授，復旦大學彭慧勝教授報道了首次提出了一種雙層凝膠電解質來同時解決鎂空氣電池存在的問題。1）雙層凝膠電解質由聚氧乙烯（PEO）有機凝膠和交聯的聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠組成。這種雙層凝膠電解質防止了鎂負極的腐蝕和致密鈍化層的產生，避免了副反應對鎂負極的消耗，提高了鎂在放電過程中的利用率，從而提高了電池的容量和能量密度。2）實驗結果顯示，基于雙層凝膠電解質的鎂空氣電池的平均比容量達到了2190 mAh g-1（以鎂負極總重量計），能量密度達到了2282 Wh kg-1（以負極和空氣電極重量計），性能均遠遠超過現有的鎂空氣電池。此外，這種鎂空氣電池還可以制成纖維形狀，具有極高的柔性，可以承受各種變形，且輸出功率穩定。
Luhe Li, et al, High-energy-density Magnesium-air Battery Based on Dual-layer Gel Electrolyte, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202104536https://doi.org/10.1002/anie.202104536
5. Angew：混合電解質工程助力安全寬溫度的氧化還原液流電池
電解質是氧化還原液流電池（RFBs）的重要組成部分，其決定了電池的電容量、電位窗口和安全性，但目前用于RFBs的水系和非水系電解質都存在固有的局限性。近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授報道了通過將水與適當的有機溶劑按特定比例混合制備了混合電解質，其具有寬的電位窗口、寬的溫度范圍以及不可燃性等特點，為實現安全、寬溫、高性能的RFBs開辟了新的機遇。1）研究人員以DMF-H2O雜化體系為模型，與水溶液相比，其具有更高的電化學穩定性，并在-35 ℃的低溫下保持了17 mS cm-1的離子電導率。更重要的是，大量有希望的氧化還原物種在DMF-H2O中可以發生可逆反應，其中碘化鋰（LiI）的溶解度高達7.2 M。2）由于混合設計有效地抑制了水的分解，采用LII和鋅負極的Zn/LiI RFB實現了800次超穩定循環，庫侖效率（CE）高達99.9%以上。此外，在-20 ℃的低溫下，仍然可以很容易地實現150次以上的穩定循環。這項研究突出了混合電解質化學在寬溫度范圍內實現安全高效的大規模儲能技術（如RFBs）中的巨大應用潛力。Leyuan Zhang, Guihua Yu, Hybrid Electrolyte Engineering Enables Safe and Wide-Temperature Redox Flow Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202102516https://doi.org/10.1002/anie.2021025166. EES綜述：可在極端條件下工作的電化學儲能器件的研究進展儲能系統（ESSs）革命蓬勃發展了下一代個人電子產品、電動汽車/混合動力汽車和固定儲能。隨著先進儲能技術的迅速應用，儲能系統的用途越來越廣泛，不僅在正常情況下，而且在極端條件下（高/低溫、高拉伸/壓縮等），給儲能領域的研究帶來了新的挑戰。為了打破ESSs在正常條件下的電化學限制，迫切需要開發新的方法/概念，揭示不同場景下新的電化學反應和現象的機理以解決ESSs在極端條件下工作的關鍵挑戰。近日，福州大學 Yuxin Tang，澳大利亞伍倫貢大學侴術雷教授綜述了可以極端條件下工作的ESSs的研究進展。1）作者首先概述了極端條件下電化學ESSs相關關鍵科學問題（如電化學熱力學和動力學、機械設計等），以及保持良好性能的研究方向。2）作者總結了在極端條件下（高/低溫、高拉伸/高壓力/高剪切、貧/高濃度電解質、高水分/高濕度、高鹽度、超高負載質量、超長循環和超高倍率）應用現有ESSs存在的主要障礙，并總結了解決這些障礙的相應辦法，以及提高其電化學性能的有效策略。3）作者最后進一步強調了在極端條件下應用ESSs仍然面臨的的關鍵挑戰和未來研究方向。M. Chen, Y. Zhang, G. Xing, S. Chou and Y. Tang, Electrochemical Energy Storage Devices Working in Extreme Conditions, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE00271F
7. AM：黑色二氧化鈦中的無定型域
盡管氧空位（Ovs）在金屬氧化物的許多應用中起著關鍵作用，但各向異性Ovs的可控合成仍然是巨大的挑戰。近日，北京航空航天大學郭林，Li-Min Liu等提出了一種新的策略，通過構造無定型域在TiO2的表面和內部構造具有各向異性Ovs的區域二元結構。1）實驗發現，所制備的具有無定形域的黑色TiO2在降解羅丹明B（RhB）溶液中表現出卓越的活性，該溶液只需搖動即可立即分解RhB。2）第一性原理模擬表明，TiO2中的次表面Ovs能量較高，這使得表面形成的Ovs擴散進入次表面，在內部區域形成無定型域。TiO2中穩定的Ov誘導的無定型域具有增強的催化性能，為功能性金屬氧化物的Ov工程提供了可擴展的策略。
Jianxin Kang, et al. Amorphous Domains in Black Titanium Dioxide. Adv. Mater., 2021DOI: 10.1002/adma.202100407https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100407
8. Adv. Sci.：用于可充電金屬離子電池的離子液體基電解質的研究進展
從基礎研究到工業過程，電池儲能技術在現代人類社會的信息化、移動化、智能化進程中發揮了巨大的作用。鋰、鈉、鉀、鎂、鋅、鋁等潛在的可充電電池體系在保持社會進步和可持續發展方面備受關注。電解質作為電池的組成部分之一，對電池技術的升級和突破起著重要作用。室溫離子液體（ILs）具有高導電性、不可燃性、不揮發性、高熱穩定性和寬電化學窗口等特點，在提高電池穩定性、動力學性能、能量密度、使用壽命和安全性等方面顯示出巨大的潛力，并在各種電池系統中得到了廣泛的應用。近日，香港城市大學張其春教授，燕山大學黃葦葦副教授綜述了各種ILs的組成、分類及其作為電解質在各種可充電金屬離子電池（Li、Na、K、Mg、Zn、Al）中的應用，以提高電池的性能。1）ILs電解質與普通有機電解質相比，具有不燃性、液體溫度范圍寬、安全性高等優點，這些優點在實際應用中是必不可少的。不同的ILs電解質、ILs添加劑、PILs和ILs基固體/凝膠電解質對電池的電化學性能有不同的貢獻。將ILs引入金屬離子電池可以確保高安全性和優異的循環穩定性（超過數千次甚至數萬次）。目前對ILs的研究主要集中在各種ILs的工作機理及其兼容性，以及改善各種電池技術的固有缺陷等方面。2）盡管ILs在解決目前電池存在的問題方面具有巨大的應用前景，但其高昂的成本已經成為其大規模應用的障礙。此外，電池中可選擇的電解質也是有限的。因此，開發低成本、高性能的新型ILs至關重要。值得注意的是，ILs的一些缺點可以通過ILs基電解質帶來的電池的額外功能來彌補，包括超長的耐久性、高的安全性和廣泛的適用溫度范圍。隨著技術的逐漸成熟，ILs基電解質有望在實際的可充電電池中得到廣泛的應用。Wenjun Zhou, et al, Recent Advance in Ionic-Liquid-Based Electrolytes for Rechargeable Metal-Ion Batteries, Adv. Sci. 2021DOI: 10.1002/advs.202004490https://doi.org/10.1002/advs.202004490
9. AEM：MXene/PH1000水性混合油墨用于具有前所未有的體積電容和模塊化自供電的噴墨打印微型超級電容器
盡管噴墨打印在可擴展和可定制的電源制造方面已經得到了大力發展，但其存在的一個主要缺點是缺乏合適的不含添加劑（如有毒溶劑、表面活性劑）的環保水性油墨。近日，中科院大連化物所吳忠帥研究員，陜西師范大學劉生忠教授報道了開發了一種可印刷的水性MXene/聚(3,4-亞乙基二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸)（MP）混合油墨，該油墨具有可調節的粘度，可直接用于噴墨打印微型超級電容器（MP-MSCs），具有優異的性能、無縫集成和理想的定制等優點，這對自供電集成系統的可擴展工業化至關重要。1）實驗結果顯示，該MP-MSCs提供了前所未有的754 F cm-3的高體積電容和9.4 mWh cm-3的出色能量密度，優于先前所報道的噴墨打印MSCs。出色的性能部分得益于于高導電性PH1000，其防止了MXene納米片的重堆疊，使電子和離子能夠快速擴散到整個微電極。2）所開發的MP-MSCs具有出色的小型化和卓越的模塊化特征，基于MP-MSCs的60個串聯電池具有高達36 V的高壓輸出和令人印象深刻的5.4 V cm2串聯面電壓。此外，與MP-MSC和柔性太陽能電池集成的可打印溫度傳感器（TS）在沒有任何偏置電壓輸入的情況下具有2%的異常響應和機械靈活性。這種MXene油墨有望為實現可打印電子產品的柔性、自供電、能量收集-儲存-消耗的微型系統的小型化和創新提供各種機會。Jiaxin Ma, et al, Aqueous MXene/PH1000 Hybrid Inks for Inkjet-Printing Micro-Supercapacitors with Unprecedented Volumetric Capacitance and Modular Self-Powered Microelectronics, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202100746https://doi.org/10.1002/aenm.202100746
10. AFM：層狀納米孔銅上的Mo-/Co-N-C雜化納米片作為多功能電催化劑用于高效水分解
以地球儲量豐富的元素為基礎來設計堅固、經濟高效的電催化劑是實現電化水分解大規模制氫的關鍵。近日，吉林大學蔣青教授，郎興友教授報道了一種在層狀納米孔銅支架上無縫定向的氮摻雜的碳錨定的Mo2N/CoN雜化納米片（Mo-/Co-N-C/Cu），并作為堿性析氫反應（HER）的高效電催化劑。1）異質結Mo2N/CoN納米片作為雙功能電催化活性中心，既能解離水，又能吸附/脫附氫中間體，而氮雜碳橋則利用Mo-/Co-N-C鍵和界面上的C/Cu緊密接觸，在電催化活性中心和互連的Cu集流體之間進行電子轉移。2）得益于獨特的結構導致的可及電催化活性位點，自支撐納米多孔Mo-/Co-N-C/Cu雜化電極在1 m KOH中表現出優異的電催化性能，起始過電位可忽略不計，Tafel斜率低至47 mV dec?1。同時只需低至230 mV的過電位即可獲得1000 mA cm?2的電流密度。3）當Mo-/Co-N-C/Cu雜化電極與可有效催化析氧反應（OER）的電氧化衍生物相結合時，在1 m KOH電解液中，在1.622 V的電壓下，可以獲得約100 mA cm?2的電流密度，比用市售的Pt/C和Ir/C納米催化劑固定在納米孔銅電極上構建的電解水器件低0.343 V。Hang Shi, et al, Mo-/Co-N-C Hybrid Nanosheets Oriented on Hierarchical Nanoporous Cu as Versatile Electrocatalysts for Efficient Water Splitting, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102285https://doi.org/10.1002/adfm.202102285
11. AFM：鎳摻雜提高CsPbBr3納米晶的光學性能和穩定性
在鈣鈦礦發光二極管（PeLED）的制備過程中，控制鈣鈦礦納米晶（PNCs）的質量和形貌是制備高質量鈣鈦礦薄膜的關鍵。近日，高麗大學Soo Young Kim，首爾大學Ho Won Jang報道了為了提高鈣鈦礦量子點的量子效率和穩定性，通過改變CsPbBr3 PNC中Ni的摻雜濃度，從而優化其結構和光學性能。1）隨著Ni摻雜的逐漸增加，在光致發光(PL)光譜上觀察到藍移。與未摻雜的PNCs相比，摻雜Ni的PNCs具有更強的發光強度、更高的量子效率和更長的壽命。研究發現，摻雜的二價元素在鈣鈦礦結構中起到缺陷的作用，降低了電子和空穴的復合速率。2）研究人員通過穩定性測試來評估鈣鈦礦對光和濕度的敏感性。在紫外光照射下，未摻雜的PNCs的熒光強度降低了70%，而Ni摻雜的PNCs的熒光強度降低了18%。在加水實驗中，Ni摻雜PNCs的熒光強度是未摻雜PNCs的3倍。3）對于CsPbBr3和Ni：CsPbBr3 PNC，研究人員采用旋涂法制備了發光二極管。結果顯示，基于Ni：CsPbBr3的效率高于CsPbBr3 PNC，且不同Ni摻雜比例的結果有顯著差異。在最佳效率下（0.3 cd A-1），獲得了833cd m-2的最大亮度。由于所制備的鈣鈦礦薄膜晶體生長均勻，其光致發光（PL）半高寬（FWHM）為20 nm，具有較高的色純度。這項研究首次通過Ni摻雜率來研究顆粒的性能，有望在未來為提高顆粒的性能做出貢獻。Hayeong Kim, et al, Enhanced Optical Properties and Stability of CsPbBr3 Nanocrystals Through Nickel Doping, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102770https://doi.org/10.1002/adfm.202102770.
12. EnSM：連續化學鍵重構硅負極表面結構用于高性能鋰離子電池
開發穩定、高能的鋰離子電池電極材料需要對電極中的活性物質、化學鍵和電子/離子傳輸進行優化。然而，由于電池的固有結構和材料的體積膨脹導致的電化學衰減，提高電池的安全性和可靠性受到了人們的關注。近日，中山大學童葉翔教授，澳大利亞格里菲斯大學張山青教授報道了以硅負極為例，提出了一種通過連續的化學鍵重構表面來穩定這種負極的策略。1）硅納米顆粒通過簡單和可擴展的熱解過程組裝在碳-銅骨架中，以提供短程電子轉移和抑制粉化。與目前的碳涂層方法不同，硅雜化氧化石墨烯（rGO）和雙面膠帶碳復合材料（Si+rGO@DFAT-C）借助Cu-O-C、Si-O-C和Si-C化學鍵，具有高度的結構完整性和抗分層性能。2）實驗結果顯示，這種硅負極具有優異的容量（0.1Ag?1時為1536mAh g?1）、高倍率性能（2 A g?1時為1126 mAh g?1）以及持久穩定性（在0.5 A g?1時循環200次后，容量為968.1 mAh g?1)。這種連續化學鍵重構策略為實現具有結構和結構適應性的硅基組合框架提供了一種很有前途的途徑，可用于各種電化學行為相關的應用。Qiushi Wang, et al, Consecutive Chemical Bonds Reconstructing Surface Structure of Silicon Anode for High-Performance Lithium-ion Battery, Energy Storage Materials (2021)DOI：10.1016/j.ensm.2021.04.043https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.043
