1. Science Advances：皮膚貼合的無線傳感器，可客觀量化瘙癢癥狀
瘙癢是廣泛醫學狀況下常見的臨床癥狀，也是與疾病相關的發病率的主要驅動因素。對瘙癢的客觀、準確的測量是一個尚未滿足的重要需求。于此，美國西北大學Shuai Xu和John A. Rogers等人提出了一種非侵入性技術，可以通過柔軟、靈活和無線的傳感器，捕捉從手背抓撓聲機械特征客觀量化抓撓行為。1）研究人員通過對健康受試者（n=10）采集的數據進行驗證的機器學習算法表明，與基于智能手表的方法相比，該算法具有出色的性能。2）在一組以中度至重度特應性皮炎為主的小兒患者（n = 11）中的臨床驗證包括46個晚上的睡眠，總計378.4小時。數據表明，相對于視覺觀察的，該傳感器準確性為99.0％（靈敏度為84.3％，特異性為99.3％）。綜上所述，這項工作提出了與應用相關的廣泛功能，從評估藥物對引起瘙癢的條件的療效到監測疾病的嚴重程度和治療反應。Keum San Chun, et al., A skin-conformable wireless sensor to objectively quantify symptoms of pruritu. Science Advances 2021.DOI: 10.1126/sciadv.abf9405https://advances.sciencemag.org/content/7/18/eabf9405
2. Science Advances：卵巢球體血管化水凝膠介導的激素自分泌治療卵巢功能障礙
植入式器官模型水凝膠的再生潛能可用于治療絕經期和或癌癥治療期婦女的卵巢內分泌功能喪失。大鼠卵巢切除模型用于收獲自體卵巢細胞，同時隨后產生一層一層的卵泡球體。于此，韓國延世大學Young Sik Choi和Hak-Joon Sung等人將具有細胞球體的微通道網絡水凝膠[具有卵巢球體的血管化水凝膠（VHOS）] 通過卵巢小球的血管化水凝膠介導荷爾蒙自分泌，以挽救卵巢功能障礙。1）將VHOS植入去卵巢大鼠的缺血后肢，通過激素釋放顯著幫助內分泌功能的恢復，導致子宮內膜完全再生。2）VHOS植入有效地抑制了用合成激素治療觀察到的副作用（即組織過度生長、增生、癌癥進展、深靜脈血栓形成）到正常水平，同時有效地防止了絕經期的典型后遺癥（即增加脂肪重量、誘發骨質疏松）。這些結果強調了植入式VHOS對絕經期的前所未有的治療潛力，并提示它可以作為標準激素治療的替代方法。Hormone autocrination by vascularized hydrogel delivery of ovary spheroids to rescue ovarian dysfunctions. Science Advances 2021.DOI: 10.1126/sciadv.abe8873https://advances.sciencemag.org/content/7/18/eabe8873
3. Nature Commun.：鈣鈦礦光伏發電中的介電篩選
鈣鈦礦光伏電池的性能從根本上受到不希望有的缺陷的影響，這些缺陷會導致器件內的非輻射損耗。盡管許多鈍化策略已廣泛報道了減輕這些損耗的方法，但對器件內部損耗起源的詳細了解仍然難以捉摸。北京大學Rui Zhu，薩里大學Wei Zhang，馬薩諸塞大學安姆斯特分校Thomas P. Russell等人證明了通過改變介電響應降低了缺陷俘獲概率（由俘獲截面估計的），從而在鈣鈦礦中產生了介電屏蔽效應。1）所得鈣鈦礦還顯示出減少的表面復合和較弱的電子-聲子耦合。對于具有高1.25 V的開路電壓和0.37 V的低壓差（帶隙?1.62 eV）的倒置鈣鈦礦太陽能電池，所有這些都將功率轉換效率提高到22.3％。該研究結果不僅提供了對鈣鈦礦中載流子捕獲過程的深入了解，而且為通過介電調節實現高效器件提供了有希望的途徑。Su, R., Xu, Z., Wu, J. et al. Dielectric screening in perovskite photovoltaics. Nat. Commun. 12, 2479 (2021).https://doi.org/10.1038/s41467-021-22783-z4. Angew：靜電相互作用對高效供體-受體光伏混合物中體形貌的影響由混合供體（D）和受體（A）材料混合組成的體異質結被證明是有機光伏（OPV）電池最有效的器件結構。這種電池的體形貌在電荷產生、復合和傳輸過程中起著至關重要的作用，從而決定了器件的性能。盡管大量研究已經討論了這些電池的形態-性能關系，但設計具有所需形態的OPV材料的方法仍然充滿挑戰。近日，中科院化學研究所侯劍輝研究員，姚惠峰副研究員，天津大學葉龍教授報道了通過考慮分子靜電勢（ESP），建立了化學結構-形貌關系，用于指導高效OPV材料的分子設計。1）研究人員采用了著名的PBDB-TF（PM6）和BTP-4Cl（一種氯化的Y6衍生物）的D-A光伏混合物作為模型體系，并對非鹵化聚合物供體PBDB-T和非富勒烯受體BTP0Cl進行了比較。氟和氯（F和Cl）的強吸電子性能導致分布在PBDB-TF和BTP-4Cl主鏈上的ESP值分別高于分布在PBDB-T和BTP-0Cl上的ESP值。結果表明，分子間相互作用強度大小順序為：PBDB-T：BTP-4Cl>PBDB-TF：BTP4Cl>PBDB-TF：BTP-0Cl，采用量子計算和實驗結果均證實了這一點。2）一方面，PBDB-T：BTP-4Cl組合中較強的分子間相互作用有助于提高電荷的產生。然而，雜化狀態下較高的電荷轉移比會導致更嚴重的非輻射復合損失，而PBDB-T和BTP-4Cl之間的相容性增強（較低的χ值）會導致較低的疇純度。另一方面，PBDB-TF：BTP-0Cl的結合表現出最弱的分子間相互作用強度，有利于獲得最低的非輻射復合損耗和最純凈的電疇。然而，電荷產生效率低極大地限制了器件的參數。3）采用PBDB-TF：BTP-4Cl組合，分子間相互作用的強度滿足平衡電荷產生和復合的合適形貌的要求。實驗結果表明，PBDB-TF：BTP-4Cl的PCE效率最高，達到了17.7%。因此，精細地調節OPV材料的ESP分布可以使它們作為有效的工具來修飾D：A光伏混合物的形貌，從而實現平衡的電荷產生和復合過程。這項研究通過ESP調制來設計OPV材料，使其具有最佳的體相結構，從而有望將器件的PCEs推向一個新的高度。
Lijiao Ma, et al, Impact of electrostatic interaction on bulk morphology in efficient donor-acceptor photovoltaic blends, Angew. Chem. Int. Ed., 2021DOI: 10.1002/anie.202102622https://doi.org/10.1002/anie.202102622
5. AM: 界面共價鍵調節的缺電子二維黑磷用于電催化氧反應
開發資源豐富且可持續的無金屬雙功能氧電催化劑對于鋅-空氣電池（ZAB）的實際應用至關重要。二維黑磷(BP)具有完全暴露的原子和活性孤對電子，是一種很有前途的氧電催化劑，但其催化活性低，電化學穩定性差。有鑒于此，德累斯頓工業大學馮新亮教授和Minghao Yu等人，報道了首個通過將BP與石墨氮化碳（g-C3N4）共價鍵合的，BP基無金屬雙功能氧電催化劑(BP - CN - c)。1）在密度泛函理論(DFT)計算的指導下，通過將BP納米片與石墨氮化碳(記為BP - CN - c)共價鍵合，證明了一種高效的無金屬電催化劑。2）BP - CN - c中極化的P-N共價鍵可以有效地調控電子從BP向石墨氮化碳的轉移，顯著促進了OOH*在磷原子上的吸附。令人印象深刻的是，BP - CN - c的析氧反應性能(10 mA cm?2下過電位為350 mV，運行10 h后保持率為90%)是目前報道的BP基無金屬催化劑中最先進的。3）BP - CN - c在氧還原反應中表現出390mv的小半波過電位，代表了首個雙功能BP基無金屬氧氣催化劑。此外，與Pt/ c +RuO2‐基ZABs (101.3 mW cm?2)相比，結合了BP-CN-c陰極組裝而成的ZABs的峰值功率密度(168.3 mW cm?2)顯著提高。總之，該工作獲得的對界面共價鍵的見解為合理設計新型廉價的無金屬催化劑鋪平了道路。Xia Wang et al. Interfacial Covalent Bonds Regulated Electron‐Deficient 2D Black Phosphorus for Electrocatalytic Oxygen Reactions. Advanced Materials, 2021.DOI: 10.1002/adma.202008752https://doi.org/10.1002/adma.202008752
6. AEM: 基于金屬有機框架的核殼復合材料的研究進展
將活性客體化合物封裝在金屬有機框架(MOFs)結構中，是達到超越裸MOF和/或客體物種性能的最有希望的途徑之一。與傳統的將客體物質封裝到MOF腔體中的主體/客體復合物相比，核殼復合材料顯示出對孔的更好可及性，從而確保襯底的最佳擴散，同時呈現獨特的結構，防止活性物種的聚集，并確保核殼之間的緊密相互作用，從而產生協同效應。有鑒于此，巴黎高等師范學校Christian Serre和Antoine Tissot等人，討論了基于金屬有機框架的核殼復合材料的主要的合成策略，然后重點介紹了其潛在的應用，如多相環境催化、氣體分離和傳感等，并簡要介紹了其他一些應用(生物應用……)。1）總結了MOF基核殼復合材料領域的最新進展，主要包括封裝的無機納米顆粒，金屬氧化物和MOF中的MOF。大量的MOF外殼和無機材料核提供了幾乎無限可能的組合，使這些化合物具有廣泛的應用前景。這些核-殼復合材料可以結合核材料（殼MOF中不存在的特性）和殼MOF（可設計的孔徑大小/形貌，物理/化學特性）的優勢，最終導致協同效應。2）盡管迄今為止在該領域已經取得了巨大的成就，但是仍然存在一些挑戰/缺點。例如，使用具有有限化學穩定性的MOF作為外殼是滿足實際應用要求的明顯限制，特別是當暴露于水和/或腐蝕性物質時。因此，一個重要的挑戰是將這些核-殼結構進一步擴展到化學/熱穩定性的MOF，這需要冒險進入更復雜的化學過程，在某些情況下，這些化學過程與脆弱的活性物種不相容。此外，控制核-殼形成的合成參數通常仍然不清楚，盡管很少有報告指出其中一些的關鍵作用（例如，封端劑，陰離子，金屬/配體的比例等等）。目前還缺乏對合成參數的系統探索，限制了理想核殼結構的成功制備。確實，控制殼的厚度，控制內核的空間分布/含量仍然非常具有挑戰性。3）在催化應用方面，金屬節點與NPs之間的電荷轉移行為可以看作是協同效應的顯著特征。然而，最大化這種界面交互仍然需要很多努力。例如，尚不清楚允許宿主與客體之間有效協同作用的結構參數，需要額外的計算和實驗工作來建立結構-活性關系，從而指導具有“改進”性能的固體的設計。最后，一鍋合成策略的使用應該進一步發展。與此同時，仍然需要開發先進的表征技術來理解活性NP與MOF在催化中的協同作用，以便更好地了解材料的性能并指導下一代固體的設計。Shan Dai et al. Recent Progresses in Metal–Organic Frameworks Based Core–shell Composites. Advanced Energy Materials, 2021.DOI: 10.1002/aenm.202100061https://doi.org/10.1002/aenm.202100061
7. AEM：碳納米管微球對本征晶格缺陷的“桑拿”活化助力高能量持久鋰硫電池
為了滿足世界日益增長的能源需求，高效、低成本的儲能技術一直是人們不斷追求的目標。近年來，得益于硫的高比容量、儲量豐富和環境相容性，鋰硫（Li-S）電池已經成為一種極有前途的候選儲能技術。然而，Li-S電池的實際應用仍面臨一些挑戰，尤其是多硫化鋰（LPS）中間體的穿梭效應，以及硫氧化還原反應固有的反應動力學遲緩。近日，華南師范大學王新副教授，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授報道了通過碳基硫載體材料的本征晶格缺陷工程來解決上述問題。即通過可擴展的噴霧干燥，然后在高溫下進行臨界水蒸氣刻蝕，成功制備出一種多孔碳納米管微球（ePCNTM）。1）研究發現，這種“桑拿”活化在碳晶格中構建了豐富的固有拓撲缺陷，從而使ePCNTM具有更強的硫吸附能力和硫氧化還原反應的催化活性。此外，交織和高度多孔的結構提供了良好的導電性、均勻的硫分布和大量的主客體交互表面。2）實驗結果顯示，這種ePCNTM基硫電極具有出色的循環性能，在500次循環中，實現了每循環僅0.046%的超低容量衰減率，高達3 C的優異倍率性能，以及在高硫負載下50次循環后3.2 mAh cm-2的良好面容量。
Yongguang Zhang, et al, “Sauna” Activation toward Intrinsic Lattice Deficiency in Carbon Nanotube Microspheres for High-Energy and Long-Lasting Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202100497https://doi.org/10.1002/aenm.202100497
8. AFM：人工正極-電解質界面助力超快充電和穩定循環的雙離子電池
低成本、環保的雙離子電池（DIBs）具有快速充電的特點，促進了大功率儲能設器件的發展。然而，高壓下正極與電解質的不相容性導致DIBs的庫侖效率(CE)較低，壽命短。近日，香港城市大學Denis Y. W. Yu教授報道了將一種極有前途的鋰鹽型添加劑二氟(草酸)硼酸鋰（LiDFOB）引入到DIBs的塊體電解質中，從而顯著提高了其充電容量和長循環性能。1）在最佳添加量（0.5 wt%）下，在石墨正極上原位形成了一種堅固導電的CEI層，其有利于陰離子儲存反應，抑制副反應，穩定石墨結構。在低電流速率下（1 C，1 C=100 mAg?1），可實現高達422.7 Wh kg?1的能量密度。即使在500 mA g?1（5 C）下循環4,000次后，LiDFOB修飾的CEI層也能顯著提高DIB的容量保持率達到87.5%。此外，降低的活化能和快速的擴散動力學使得DIB在40 C時的超快充能力達到88.8%，功率密度高達18.8 kW kg?1，相應的能量密度為318.8 Wh kg?1（相對于石墨正極的質量）。2）研究人員闡明了正極上保護性陽離子交換膜的特性，并進一步建立了其與DIBs中PF6-的脫/嵌性能的關系。3）作為概念證明，所開發的雙石墨（石墨||石墨）電池在10、20、30和40 C的電流下分別具有97.6、92.8、88.7和85.4 mAh g?1的高放電容量。基于石墨負極和正極的總質量計算，樣機的能量密度高達179.8 Wh kg?1，功率密度高達7.8 kW kg?1，循環壽命長達6500次，容量保持率為92.4%，1 A g?1時的平均CE為99.4%。這項工作為保護石墨正極提供了一種有效的界面穩定策略，也為開發高功率DIBs提供了一條很有前途的途徑。Yao Wang, et al, Ultrafast Charging and Stable Cycling Dual-Ion Batteries Enabled via an Artificial Cathode–Electrolyte Interface, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102360https://doi.org/10.1002/adfm.202102360
9. Adv. Sci.：一種自修復無折皺超分子全聚合物超級電容器
傳統的三層結構超級電容器在機械操作的同時，高應力區集中，不可避免地造成層間滑移、折痕形成和電極-電解質界面分層等持續的結構問題。近日，哈工大（深圳）Jun Wei，Yan Huang，香港城市大學支春義教授報道了一種具有高機械可靠性、優異電化學性能的全聚合物、全彈性、非疊層超級電容器。1）研究人員將聚吡咯（PPy）電極層被原位集成到具有廣泛氫鍵和共價鍵的絲素基彈性超分子水凝膠薄膜中，其中非疊層器件在器件級具有結構彈性。非疊層結構可以避免滑移和分層，而彈性可以防止褶皺的形成。2）在更嚴重的機械損傷下，這種超級電容器可以通過非自主的自愈性恢復其電化學性能，其中水凝膠基質中主-客體相互作用的超分子設計使得即使在30次切割/愈合循環后，超級電容器的自愈效率也接近95.8%。3）這種全柔性超級電容器具有0.37 F cm?2的高面電容和0.082 mW h cm?3的高體積能量密度，即使在?20 °C下也能很好地保持比電容，在5次切割/修復循環后保持85.2%以上。總體而言，這種簡單有效的非疊層器件配置組裝可以有效地保證柔性超級電容器在從一般機械操作到嚴重損壞等實際應用中的機械可靠性，這有望為高可靠性超級電容器的廣泛應用提供一定參考。Funian Mo, et al, A Self-Healing Crease-Free Supramolecular All-Polymer Supercapacitor, Adv. Sci. 2021DOI: 10.1002/advs.202100072https://doi.org/10.1002/advs.202100072
10. Adv. Sci.: 硼烯的出現與發展
在元素周期表中，硼與碳相鄰，夾在非金屬和金屬之間，是化學和物理上用途最廣的元素之一，可以操縱它形成具有有趣性質的低維度平面結構(硼烯)。有鑒于此，中山大學梅林教授和姬曉元研究員等人，綜述了硼烯合成的理論研究和實驗進展，以及其優異的性能和在許多領域的應用。1）十年來，研究人員努力研究硼原子團簇的尺寸依賴性結構和硼烯的理論指導合成，包括基于不同基礎的自下而上的方法，以及基于不同剝離方式的自上而下的方法，以及影響合成效果的關鍵因素。由于其優異的化學，電子，機械和熱性能，硼烯在超級電容器，電池，儲氫和生物醫學應用中顯示出了廣闊的前景。此外，突出顯示了在各種生物醫學應用中使用的硼烯納米平臺，例如生物成像，藥物輸送和光子療法。最后，討論了硼烯在大規模生產和其他預期應用中的研究進展，挑戰和未來發展前景。2）在宏觀尺度上，納米級（1–100 nm）材料往往表現出與相同材料不同的特性。這樣，二維納米材料可以表現出類似于人體酶的活性，同時比生物酶具有更高的穩定性和效率。這些材料被稱為納米酶，在疾病診斷和治療領域受到了廣泛的關注。例如，金納米粒子，碳納米管等具有良好的類過氧化物酶催化活性，而MnO2 2D納米片具有葡萄糖氧化酶活性，能夠催化葡萄糖分解為過氧化氫和葡萄糖酸。因此，通過將饑餓療法與其他療法結合使用，MnO2 2D納米片可以有效殺死腫瘤。因此可以推測，同樣具有二維結構且富含表面活性位點的硼烯也可能具有一定的酶活性。3）大規模生產質量可控的硼烯仍然是硼烯進一步應用的主要挑戰。自下而上和自上而下的方法都有其固有的局限性。CDV和PVD是兩種經典的自下而上的制備硼烯的方法，但這兩種方法條件苛刻，成本高，制備的材料表面積小(較大的硼烯表面積更適合在電子設備上進一步應用)。此外，由于硼烯難以從金屬襯底上轉移，并且可能容易發生環境污染，使得其在電子器件上的進一步應用更加困難。雖然自上而下的制備方法更經濟、更簡單，但硼烯的厚度不均勻，很難獲得單層原子厚度。因此，開發一種高效的可控質量硼烯合成方法將有助于硼烯的進一步應用和開發。Meitong Ou et al. The Emergence and Evolution of Borophene. Advanced Science, 2021.DOI: 10.1002/advs.202001801https://doi.org/10.1002/advs.202001801
11. Adv. Sci.：一種具有保護層策略的可拉伸安全聚合物電解質用于固態鋰金屬電池
柔性電池要求具有彈性、安全的電解質。近日，浙江大學涂江平教授，王秀麗副教授報道了制備了一種由交聯彈性聚合物基體、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）和阻燃性磷酸三乙酯（TEP）組成的可伸縮固體電解質，該電解質具有450%的超高拉伸率、不可燃性和超過1 ms cm?1的離子電導率。1）為了改善電解質與鋰負極之間的界面相容性，穩定固體電解質界面，研究人員設計了一層含有聚氧乙烯（PEO）的保護層，有效地防止了負極與TEP的反應，優化了鋰負極的化學成分，使負極上的固體電解質界面更加堅固和穩定。2）采用該雙層電解質的LiFePO4/Li電池在1 C循環300次后容量保持率達85.0%，此外，研究人員還成功制作了可在拉伸、折疊和扭曲條件下工作的柔性電池。這種可拉伸雙層固體電解質的設計為安全、靈活的固態電池提供了新的概念。Shengzhao Zhang, et al, A Stretchable and Safe Polymer Electrolyte with a Protecting-Layer Strategy for Solid-State Lithium Metal Batteries, Adv. Sci. 2021DOI: 10.1002/advs.202003241https://doi.org/10.1002/advs.202003241
12. ACS Energy Lett.：表面缺陷和未拋光邊緣對鋅箔負極循環穩定性的有害影響
鋅箔或片是用于水系鋅離子電池的最常見負極形式，因為它易于被大規模制造并且易于使用。鋅箔負極上枝晶生長造成的短路會顯著降低循環穩定性，導致電池過早失效。有鑒于此，美國西北大學黃嘉興等人發現，制造過程中產生的缺陷，包括表面粗糙、微裂紋、劃痕或折痕等表面缺陷，以及切割過程中未打磨的邊緣，都會促進局部枝晶生長，從而導致電池的循環穩定性大幅下降。1）這種表面缺陷和未打磨的邊緣在金屬板材制造和加工過程中很常見；因此，在評價和比較器件性能時，應將它們在鋅離子電池中的有害影響考慮在內。制造引起的表面缺陷，例如增加的粗糙度、微裂紋、劃痕或折疊線，以及由于切割而導致的新暴露的，未拋光的邊緣，均不利于使用鋅箔或片作為電極的鋅離子電池的性能，大大降低了它們的循環穩定性。2）這些缺陷容易導致枝晶生長，從而導致電池短路。通過對鋅電極兩側和邊緣的拋光，可顯著提高鋅負極的電化學均勻性，并可將鋅負極的循環壽命延長700%以上。3）研究結果提醒研究人員，由于金屬制造和加工過程中引入的這些非常常見的缺陷所產生的顯著有害影響，在比較鋅電極的性能時應考慮這些缺陷。盡管顯示出在側面和邊緣上進行全面拋光是有效的，但仍應有很大的空間來開發更具可擴展性，易于自動化和快速的表面處理策略，以提高此類缺陷的容忍度。Pan He et al. Detrimental Effects of Surface Imperfections and Unpolished Edges on the Cycling Stability of a Zinc Foil Anode. ACS Energy Lett. 2021, 1990-1995.DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00638.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00638
