1. Science：材料–結構–性能一體化激光金屬增材制造
南京航空航天大學顧冬冬教授提出了“材料–結構–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）這一整體性概念，其概念性創新在于：變革傳統的串聯式增材制造路線，發展新的材料–結構–工藝–性能一體化“并行模式”，在復雜整體構件內部同步實現多材料設計與布局、多層級結構創新與打印，以主動實現構件的高性能和多功能。
同期Science主編以“跨尺度調控”為題，對論文做了亮點評述，認為“激光增材制造有望變革零部件的設計方式。顧等人建議將串聯式設計和成形構件的增材制造策略，變革至更為整體性的方法來優化金屬構件。這種更為綜合的方法將有助于減少制造所需的工序數量，并擴大可用于最終應用零部件的結構類型。”
Dongdong Gu, et al. Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing.
DOI: 10.1126/science.abg1487
https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487.full
來源于南京航空航天大學官網
2. Nature Commun.：ZrTe5中準量子化霍爾效應的起源
量子霍爾效應（QHE）傳統上被認為是一種純粹的二維現象。然而，最近在Dirac半金屬ZrTe5中報道了一個三維（3D）版本的QHE。它被認為是由磁場驅動的費米表面不穩定性引起的，將原始的三維電子系統轉化為二維薄片堆疊。有鑒于此，馬克斯·普朗克固體化學物理研究所S. Galeski和J. Gooth等人報道了這種ZrTe5樣品的熱力學、光譜、熱電和電荷傳輸測量。
本文要點：
1）所測量的性質：磁化、超聲傳播、掃描隧道光譜和拉曼光譜、未顯示費米表面不穩定性的跡象，這與現場單晶X射線衍射一致。相反，將實驗數據與基于有效三維Dirac哈密頓量的線性響應計算進行直接比較表明，觀察到的霍爾響應的準量子化來自于ZrTe5電子結構的固有性質及其Dirac型半金屬特性的相互作用。
2）該模型提供了一種方法來推導和理解真正的三維電子系統的霍爾電導率，當只有最低的幾個朗道帶被占用時，量子電導可以按特征長度縮放。然而，這種長度尺度與二維空間限制無關，而是與三維電子系統的固有動量矢量有關，這是由電子能帶結構給出的——耦合量子霍爾層的堆疊也得到了同樣的結果。
3）因此，作者期望在一般三維金屬和半金屬的量子極限下，只要不嚴格保留導帶電子的粒子數，就能觀察到霍爾電導率的準量子化特征，無論精確能帶結構、費米能級或純度如何。事實上，該結果與之前關于ZrTe5樣品表現出不同EF的報道是一致的。這一發現有望解釋在霍爾測量中出現的令人困惑的平臺現象（如在許多其他低載流子半金屬（如NbP或HgSe）和輕微摻雜的半導體（如InAs和InSb)）。
S. Galeski et al. Origin of the quasi-quantized Hall effect in ZrTe5. Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3197.
DOI: 10.1038/s41467-021-23435-y.
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23435-y
3. Angew：一種新型TiSe2-石墨雙離子電池：具有快速的鈉離子插入速度和出色的穩定性
鈉雙離子電池（Na-DIBs）技術被認為是固定式電化學儲能裝置中很有前途的鋰離子電池的替代儲能技術。然而，其負極材料的極緩慢的反應動力學嚴重阻礙了Na-DIBs的實際應用。近日，比利時那慕爾大學蘇寶連教授，寧波大學舒杰教授首次報道了一種新型的TiSe2-石墨NaDIB。與其他Na-DIB相比，新型TiSe2-石墨NaDIB顯著提高了Na+離子的插入動力學，同時具有更好的循環穩定性。
本文要點：
1）研究人員利用原位X射線衍射(XRD)揭示了在鈉化過程中的四個可逆相（Na0.25TiSe2←→Na0.75TiSe2←→Na0.8TiSe2←→NaTiSe2）的Na+離子存儲機理。
2）TiSe2負極具有較大的層間距和良好的金屬行為，其Na+離子擴散系數（DNa+)為3.21×10-11~1.20×10-9 cm2 s-1，遠高于Na3V2(PO4)3（5.01×10-12 cm2 s-1）、Na0.3MoO2（7.90×10-13 cm2 s-1）和NaFePO4（8.7×10-17 cm2 s-1）。同時，它的Na離子擴散能壘也很低，僅為0.50 eV，遠低于TiS2（1.20 eV）、Na2MnO3（1.33 eV）和TiO2（2.20 eV）。
3）研究人員利用電化學動力學分析揭示了TiSe2的主要贗電容貢獻，以適合于高功率存儲應用。研究人員設計和制造了一種新型的TiSe2-石墨Na-DIBs原型電池，該電池在100 mA g-1電流密度下的放電容量為81.8 mAh g-1,200次循環后的容量保持率為83.52%，顯示了其在EESS中的潛力。此外，與其它Na-DiB相比，TiSe2-石墨Na-DIB具有體積變化小、成本低、導電性好等優點。
這項工作為大規模固定儲能提供了一種非常有前途的候選Na-DIB，具有快速的鈉離子插入、高性能和長期穩定的特點。
Runtian Zheng, et al, A Novel TiSe2-Graphite Dual Ion Battery: Fast Na-Ion Insertion and Excellent Stability, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202105439
https://doi.org/10.1002/anie.202105439
4. Angew：MoS2在非均相Fenton反應中構建酸性微環境用于污染物控制
盡管Fenton或類Fenton反應在環境、生物、生命科學等領域得到了廣泛的應用，但在宏觀條件下它們的活性急劇下降仍然是一個很大的問題。近日，華東理工大學邢明陽教授報道了一種MoS2共催化多相Fenton（CoFe2O4/MoS2）體系，該體系能夠在常量緩沖溶液中可持續降解苯酚等有機污染物。
本文要點：
1）通過與MoS2的化學鍵合，成功在CoFe2O4滑動面構建了酸性微環境。這種微環境不受周圍pH的影響，保證了在中性甚至堿性條件下Fe3+/Fe2+在CoFe2O4/MoS2表面的穩定循環。
2）CoFe2O4/MoS2可以一直暴露出分解H2O2和生成1O2的“新鮮”活性中心，有效地抑制了鐵泥的產生，并促進了有機污染物的修復，即使在實際廢水中也是如此。
研究工作不僅首次從實驗上驗證了多相催化劑表面酸性微環境的存在，而且消除了Fenton反應對污染物修復的pH限制，從而擴大了Fenton技術的適用性。
Qingyun Yan, et al, Constructing an Acidic Microenvironment by MoS2 in Heterogeneous Fenton Reaction for Pollutant Control Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202105736
https://doi.org/10.1002/anie.202105736
5. Angew：具有最佳孔的超微孔金屬-有機骨架用于基準相反的CO2/C2H2分離
通過CO2選擇性吸附劑從乙炔（C2H2）中分離CO2是一種節能、環保的C2H2提純技術具有重要意義，但由于C2H2和CO2這兩種氣體在形狀、大小和物理化學性質上的相似之處，這又極具挑戰性。目前還沒有具體的方法來開發比C2H2具有優先吸附CO2能力的吸附劑。近日，新加坡國立大學趙丹教授報道了展示了一種有效的策略來構建基于Ce(IV)的超微孔金屬-有機骨架Ce(IV)-MIL-140-4F，用于高效反向分離CO2/C2H2。
本文要點：
1）Ce(IV)離子的低位空位4f軌道和四氟對苯二甲酸鹽鍵（4個吸電子的F原子）促進了配體到金屬的團簇電荷轉移，從而為匹配CO2，提供了一個完美的孔隙環境，具有顯著的相反CO2/C2H2選擇性。另一方面，Zr(IV)-MIL-1404F同系物表現出常規的C2H2選擇吸附行為。
2）Ce(IV)-MIL140-4F對CO2的高吸收率（151.7 cm-3），以及對CO2/C2H2混合氣體的高分離選擇性（大于40），為相反CO2/C2H2分離樹立了新的基準。
3）研究人員通過原位粉末X射線衍射實驗、傅立葉變換紅外光譜分析和分子計算，揭示了CO2的獨特識別機理。模擬和穿透實驗結果證明了Ce(IV)-MIL-140-4F在反向CO2/C2H2分離中的巨大潛力。
Zhaoqiang Zhang, et al, Optimal Pore Chemistry in An Ultramicroporous Metal-Organic Framework for Benchmark Inverse CO2/C2H2 Separation, Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202106769
https://doi.org/10.1002/anie.202106769
6. Angew：陰離子受體調節形成一種SEI助力超穩定鋰金屬電池
盡管鋰金屬負極具有極高的的比容量（3860 mAh g?1），但由于循環性能較差，鋰金屬負極在可充電電池中的應用仍然受到嚴重阻礙。近日，南京航空航天大學張校剛教授，Sheng Bi報道了在碳酸氟乙烯（FEC）、碳酸乙酯（EMC）和碳酸二甲酯（DMC）組成的混合溶劑中，研制了一種由1.5 M LiPF6和1 wt%陰離子受體三(三甲基硅基)硼酸鹽（TMSB）組成的電解質。FEC、EMC和DMC在溶劑中的質量分數分別為34.6%、57.2%和8.2%。
本文要點：
1）研究人員將含有TMSB和沒有TMSB的電解質標記為FEDB和FED。其中FEDB電解質循環500次（1 mAh cm-2）后具有穩定的循環性能，Li/Cu電池的Li庫侖效率（CE）為97.94%。此外，基于FEDB電解質的Li-NMC811紐扣電池中具有優于基于FED的倍率性能。
2）實驗表征測試和分子動力學模擬結果顯示，得益于TMSB陰離子親和力減弱了Li+和PF6-的耦合，FEDB電解質具有比FED電解質更強的Li+離子動力學和遷移數。此外，研究人員發現在鋰金屬表面形成了一層堅固的無機SEI膜，這改善了負極的循環性能并具有低阻抗。通過X射線光電子能譜（XPS）區分了電解質和空白電解質在SEI組分上的差異，并通過對Li金屬/電解質界面的分子洞察力進行了合理的解釋。
3）所制備的2.5 Ah鋰離子軟包電池（Li/NMC811-FEDB）比能量密度高達357 Wh kg-1，可穩定運行50次，容量保持率高達90.90%。
Kangsheng Huang, et al, Regulation of SEI Formation by Anion Receptors to Achieve Ultra-Stable Lithium Metal Battery, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202104671
https://doi.org/10.1002/anie.202104671
7. Angew：快慢動力學疊加交聯聚合物網絡的粘彈性控制
根據交聯的動力學，聚合物網絡可以具有從粘性液體到堅硬固體的不同體積力學行為。有鑒于此，山東大學的陳浩等研究人員，實現了快慢動力學疊加交聯聚合物網絡的粘彈性控制。
本文要點：
1）研究人員通過可變分子動力學設計交聯劑，對聚合物網絡的粘彈性進行了廣泛的定量控制。
2）HIQ@CB[7]交聯劑表現為質子化和脫質子化狀態的組合，具有相似的締合親和力，但分子動力學不同。
3）該交聯劑的分子性質是由兩種狀態下的參數線性組合而成的，可以通過pH值精確調節。
4）利用這種交聯劑，研究人員在5個數量級上實現了準理想網絡粘彈性的定量控制，并展示了機械響應的可逆控制，如剛度、強度和延展性等。
本文研究的策略提供了一種在分子水平上定制聚合物網絡力學性能的方法，并為工程化“智能”響應材料鋪平了道路。
Hao Chen, et al. Control Viscoelasticity of Polymer Networks with Crosslinks of Superposed Fast and Slow Dynamics. Angewandte Chemie, 2021.
DOI：10.1002/anie.202105112
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202105112
8. Nano Letters：一種溴鉛銫鈣鈦礦基鋰氧（Li?O2）電池
鋰-氧（Li-O2）電池面臨的主要挑戰是其緩慢的析氧反應（OER）動力學和由具有較差導電性放電產物過氧化鋰（Li2O2）造成的高充電過電位。近日，北京大學郭少軍教授報道了首次使用一種溴鉛銫鈣鈦礦（CsPbBr3）納米晶作為Li?O2電池的先進正極催化劑。
本文要點：
1）具有CsPbBr3正極的Li-O2電池在容量為1000 mAh g?1，電流密度為0.5 A g?1的條件下，充電過電位為0.5 V，循環性能為400次，是已報道的鈣鈦礦型正極材料中性能最好的。
2）X射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）和拉曼光譜表明，基于CsPbBr3正極的Li?O2電池具有良好的可逆性。紫外?可見光（UV?vis）吸收光譜表明，在充電過程中，Li2O2的氧化可分為兩個關鍵步驟：i）Li2O2氧化生成LiO2和Li+；ii）LiO2進一步氧化生成O2和Li+。
3）密度泛函理論（DFT）計算進一步表明，Li2O2充電過程中的限速步驟是LiO2氧化生成Li+和O2，而LiO2和CsPbBr3表面之間的弱吸附是CsPbBr3基Li?O2電池具有低充電過電位的主要原因。
研究工作首次展示了CsPbBr3在金屬?空氣電池中的良好應用潛力。
Yin Zhou, et al, Cesium Lead Bromide Perovskite-Based Lithium?Oxygen Batteries, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01631
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01631
9. Nano Letters：柔性全被動多級膜蒸餾裝置用于太陽能海水蒸餾
太陽能輔助蒸餾技術被認為可以解決離網地區的淡水供應問題。近日，香港理工大學王鵬教授報道了設計了一種被動式柔性多級膜蒸餾裝置（F-MSMD），利用太陽能蒸餾產生淡水，并回收水蒸氣冷凝潛熱，從而提高了裝置的能效。
本文要點：
1）通過設計虹吸效應，源水不斷進入蒸發層，濃縮海水在達到飽和之前流出裝置，成功地解決了裝置內鹽分積聚的挑戰。
2）為了實現這種虹吸式流動，研究人員從廢棄復印紙中制備了具有大孔徑和高親水性的再生紙用作高效輸水的蒸發層。
3）在新設計的虹吸流模式下，八級F-MSMD裝置的凈水產量穩定在3.61 kg m?2 h?1。
該工作為太陽能輔助蒸餾裝置的設計提供了一條綠色途徑。
Wenbin Wang, et al, Solar Seawater Distillation by Flexible and Fully Passive Multistage Membrane Distillation, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00910
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00910
10. AM：使用2D材料進行高級數據加密
高級數據加密要求使用真隨機數生成器（TRNGs）來生成不可預測的比特序列。可以通過使用由極化金屬/絕緣體/金屬（MIM）器件產生的隨機電報噪聲（RTN）電流信號作為熵源來制造具有高度隨機性和低功耗的TRNG電路。然而，由傳統絕緣體制成的MIM器件（如HfO2和Al2O3之類的過渡金屬氧化物）產生的RTN信號由于缺陷簇的形成和橫向擴展而不夠穩定，導致不希望的電流波動和RTN效應的消失。有鑒于此，阿卜杜拉國王科技大學Mario Lanza等人通過使用多層六方氮化硼（h-BN）制成的MIM器件，可以制造出具有低功耗、高隨機度（即使是224-1位的長字符串）和1 Mbit s-1高吞吐量的高穩定性TRNG電路。
本文要點：
1）觀察到由極化為0.1 V的Ni/h-BN/Au器件驅動的面外電流信號在兩個穩定能級之間表現出隨機波動，也稱為隨機電報噪聲。通過CVD生長的h-BN堆疊的RTN電流信號的穩定性似乎比金屬氧化物好得多。
2）通過使用各種各樣的實驗和計算方法證明RTN在CVD生長的h-BN中增強的穩定性與以下事實有關：h-BN中的固有缺陷（泄漏電流的原因）被二維層狀h-BN材料包圍，這是非常穩定的，避免了缺陷團簇的橫向擴展。最后，使用Ni/h-BN/Au器件構建了一個高性能的真隨機數生成器，并使用它生成了用于高級數據加密的一次性密碼。
Chao Wen et al. Advanced Data Encryption using 2D Materials. Adv. Mater. 2021, 2100185.
DOI: 10.1002/adma.202100185.
https://doi.org/10.1002/adma.202100185
11. AM綜述：可實現有效的能量轉換的非范德華二維電化學催化劑的電子調制
典型的非范德華鍵（non-vdW）2D材料是沒有固有層狀結構的，片層厚度≈0.5或> 10 nm以及有不飽和的表面原子，呈現出高活性和高能量的表面。Non-vdW 2D材料的獨特功能為它們提供了豐富的活性位點，快速的質量傳輸和高電荷轉移，使其非常適合電催化應用。近日，南洋理工大學Jong-Min Lee、電子科技大學肖旭和復旦大學晁棟梁研究員等人報道了提高non-vdW二維材料電化學催化性能的策略和進展。
本文要點：
1）簡要介紹non-vdW二維材料及其最具代表性的合成方法，詳細描述non-vdW二維材料的電子結構工程方法，例如雜原子摻雜，空位工程，孔結構的產生，合金工程和異質結構工程。
2）將基本密度泛函理論（DFT）分析與電化學實驗結果相結合，描述了non-vdW二維材料在電催化反應中的優勢，包括HER，OER，ORR，CRR和NRR。
3）提出未來的研究方向是使用現有或新開發的方法制備更多的non-vdW二維納米材料。考慮到電子結構會極大地影響其理化性質并因此影響電催化劑的性能，因此應提出更有效的精細電子結構操縱方法。另外，對確定電催化劑的電子結構和理化性質之間的關系至關重要的結構特征的鑒定仍然具有挑戰性。可以采用先進的表征技術，例如X射線吸收光譜（XAS），掃描隧道顯微鏡和原位拉曼光譜，以深入了解這些關系。
Hao Wang, et al. Electronic Modulation of Non-van der Waals 2D Electrocatalysts for Efficient Energy Conversion. Adv. Mater. 2021, 2008422.
DOI: 10.1002/adma.202008422
https://doi.org/10.1002/adma.202008422
12. AM：具有超高效率和穩定電流輸出的自供電MXene/GaN范德華異質結紫外光電二極管
UV光電探測器（PDs）是一種基本的光電子器件，能夠將入射的短波長（<400 nm）輻射轉換為電信號進行進一步的處理。幾十年來，為了滿足現代微型化電子工業的要求，在尋找新型材料和器件配置方面的巨大努力仍在繼續。受益于多種優勢，例如強的光-物質相互作用，與厚度相關的帶隙，高平面內載流子遷移率和聲透性，已證明2D材料（2DMs）或層狀材料是在不同響應譜下構建PDs的最佳候選材料之一。有鑒于此，復旦大學方曉生教授等人報道了一種自供電的高性能Ti3C2Tx MXene/GaN范德華異質結（vdWH）型紫外（UV）光電二極管。
本文要點：
1）這種集成產生了比紫外吸收深度更大的肖特基結深度，從而使光誘導電子/空穴對充分分離，在無偏壓的弱紫外光下，使峰值內量子效率超過1，外量子效率超過99%。
2）該Ti3C2Tx/GaN vdWH紫外光電二極管在自供電模式下具有良好的光電性能，包括高響應度(284 mA W?1)、高比探測率(7.06×1013 Jones)和快速響應速度(上升/衰減時間為7.55 μs/1.67 ms)。此外，出色的光伏性能導致在355 nm紫外光照射下實現了令人印象深刻的功率轉換效率（7.33％）。
3）此外，這項工作為制造大面積紫外光光電二極管陣列提供了一種易于處理的噴涂工藝，該陣列具有高度均勻的單元-單元性能。具有高效率和自供電能力的MXene/GaN光電二極管陣列在許多應用中顯示出巨大潛力，例如節能通信、成像和傳感網絡。
Weidong Song et al. Self-Powered MXene/GaN van der Waals Heterojunction Ultraviolet Photodiodes with Superhigh Efficiency and Stable Current Outputs. Adv. Mater. 2021, 2101059.
DOI: 10.1002/adma.202101059.
https://doi.org/10.1002/adma.202101059
