1. Nature Materials：揭示鋰枝晶的成因盡管鋰電池具有最高的理論容量 (3,860 mAh g?1) 和最低的電勢 (0 V vs Li/Li+)，但鋰金屬負極目前不適合實現(xiàn)安全、能量密集的全固態(tài)電池，因為固體電解質(zhì)在重復循環(huán)過程中不能抑制鋰枝晶生長和相關的短路。解決上述問題十分具有挑戰(zhàn)性，因為它既需要足夠的空間分辨率，又需要實時觀察的能力。有鑒于此，中國科學技術(shù)大學的Cheng Ma，密歇根大學的Jeff Sakamoto和橡樹嶺國家實驗室的Miaofang Chi等通過將幾種先進的電子顯微鏡技術(shù)與原位透射電子顯微鏡 (TEM) 相結(jié)合，為這兩個問題提供了答案。該研究為在未來的固態(tài)電池設計提供了更加明確的方向，晶界電子電導率必須是優(yōu)化的首要考慮因素。
Liu, X., Garcia-Mendez, R., Lupini, A.R. et al. Local electronic structure variation resulting in Li ‘filament’ formation within solid electrolytes. Nat. Mater. (2021).
DOI:10.1038/s41563-021-01019-x
https://doi.org/10.1038/s41563-021-01019-x
2. Nature Materials：單原子催化新進展！開發(fā)具有明確結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定且導電的載體材料是一項關鍵挑戰(zhàn)，該材料可以在沒有強雜原子配位的情況下穩(wěn)定單金屬原子催化位點。有鑒于此，馬克斯·普朗克固體研究所的Yi Wang，四川大學的Chong Cheng和柏林工業(yè)大學的Arne Thomas等介紹了利用過渡金屬碳化物 (TMC) 作為載體材料來穩(wěn)定原子或雙原子金屬（Fe、Ni 和 FeNi）以生產(chǎn)高效單原子OER 催化劑。并揭示了單金屬原子在碳化鎢上的穩(wěn)定作用，無需借助雜原子配位來有效催化析氧反應 (OER)。我們建議廉價且耐用的 WCx 載體的應用為開發(fā)用于電化學催化反應的進一步單原子催化劑開辟了一條有希望的途徑。
Li, S., Chen, B., Wang, Y. et al.Oxygen-evolving catalytic atoms on metal carbides. Nat. Mater. (2021).
DOI:10.1038/s41563-021-01006-2
https://doi.org/10.1038/s41563-021-01006-2
3. Nature Materials：確定無序體系的有序結(jié)構(gòu)！對于無定形材料在中程狀態(tài)中的情況仍缺乏深入理解，目前人們對無定形材料的中程規(guī)律性沒有明確的認識。此外，通常無定形材料在晶化過程中經(jīng)常形成含有多種組成的晶相，構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元表現(xiàn)出明顯區(qū)別，導致無定形結(jié)構(gòu)更加復雜。有鑒于此，南京理工大學蘭司、香港城市大學王循理、阿貢國家實驗室任洋等報道了Pd-Ni-P無定形合金材料的立方中間晶相，揭示了這種中間晶相的中程有序排列，12.5 ?的六元三帽三棱柱簇狀結(jié)構(gòu)（6M-TTP, six-membered tricapped trigonal prism cluster），同時這種6M-TTP能夠以周期性堆疊形成數(shù)十納米并且形成立方相。作者通過實驗揭示了無定形和晶化結(jié)構(gòu)之間表現(xiàn)出6M-TPP簇連接而成的中程結(jié)構(gòu)，展示了無定形結(jié)構(gòu)中的規(guī)則原子排列狀態(tài)的中程納米結(jié)構(gòu)。
Lan, S., Zhu, L., Wu, Z. et al. A medium-range structure motif linking amorphous and crystalline states, Nat. Mater. (2021).DOI: 10.1038/s41563-021-01011-5https://www.nature.com/articles/s41563-021-01011-5
4. Acc. Mater. Res.: 用于可見光CO2還原的分子/半導體雜化材料: 設計原理與界面工程
由于對能源枯竭和隨之而來的二氧化碳排放量增加的擔憂日益增加，碳捕獲和利用技術(shù)受到了極大的關注。在提出的各種方法和方案中，可見光驅(qū)動的 CO2 還原與水氧化相結(jié)合，是人工光合作用的代表性模型之一，是一種有吸引力的解決方案，因為它可以利用豐富的水和取之不盡的太陽能來生產(chǎn)增值化學品。有鑒于此，東京工業(yè)大學Kazuhiko Maeda教授和Osamu Ishitani等人，總結(jié)了用于可見光CO2還原的分子/半導體雜化材料的研究進展。1）描述了開發(fā)用于 CO2 還原的混合光催化劑和光電極的方法。已經(jīng)分別開發(fā)了分子(光)催化劑和半導體光催化劑，其中半導體光催化劑也被設計用于可見光水分解。例如，在單個分子中同時具有光敏劑和催化劑單元的超分子光催化劑可以在均相系統(tǒng)中將 CO2 還原為甲酸鹽或 CO，對所需產(chǎn)物具有高選擇性，且量子產(chǎn)量高達數(shù)十個百分點。然而，非氧化物半導體如 C/N 基聚合物和混合陰離子化合物在可見光下表現(xiàn)出很強的光氧化能力。精心設計的分子/半導體雜化材料即使在二氧化碳濃度低但質(zhì)子濃度高的水性環(huán)境中，也能在可見光下以高產(chǎn)品選擇性和穩(wěn)定性實現(xiàn)二氧化碳還原。通過構(gòu)建包括分子光電陰極和n型半導體光電陽極的光電化學電池，可以將可見光CO2還原與H2O氧化相結(jié)合。2）分子金屬配合物和半導體是很有前途的光催化劑候選材料，可以將二氧化碳還原為CO、甲酸鹽、甲醛或其他碳氫化合物。盡管分子金屬配合物和半導體都有優(yōu)缺點，但它們的弱點(低氧化能力和低還原反應選擇性)可以通過構(gòu)建合適的分子/半導體雜化材料來克服。然而，在抑制不利的反向電子轉(zhuǎn)移事件的同時促進分子/半導體結(jié)處的電子轉(zhuǎn)移是具有挑戰(zhàn)性的。因此，盡管開發(fā)了大量可見光驅(qū)動的半導體和分子光催化劑（或催化劑），但顯示出合理水平的可見光光催化活性的分子/半導體混合系統(tǒng)的數(shù)量是有限的。Akinobu Nakada, et al. Molecule/Semiconductor Hybrid Materials for Visible-Light CO2 Reduction: Design Principles and Interfacial Engineering. Acc. Mater. Res., 2021.DOI: 10.1021/accountsmr.1c00060https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00060
5. Angew：共價連接的多金屬氧酸-有機硼酸聚合物的高質(zhì)子電導率
金屬氧化物主鏈聚合物的可控自底向上設計是材料設計中的一大挑戰(zhàn)，因為它可以對由此產(chǎn)生的化學性質(zhì)進行獨特的控制。有鑒于此，河南師范大學的Xuenian Chen等研究人員，報道了共價連接的多金屬氧酸-有機硼酸聚合物的高質(zhì)子電導率。1）研究人員報道了一種具有純無機主鏈的一維有機官能化多金屬氧酸鹽聚合物。2）聚合物由兩種單體自組裝而成，即無機Wells-Dawson型多金屬氧酸鹽和芳香族有機硼酸酯。3）它們的共價鍵形成一維聚合物鏈，將無機氧化物主鏈（基于B-O和Nb-O鍵）與功能性有機側(cè)鏈結(jié)合在一起。在90℃、98%RH條件下，聚合物的體質(zhì)子電導率高達1.59×10-1 S cm-1。本文研究的合成方法可以產(chǎn)生一類新的功能可以通過單體單元的可控調(diào)節(jié)來設計的有機-無機聚合物。
Shujun Li, et al. High Proton-Conductivity in Covalently Linked Polyoxometalate-Organoboronic Acid-Polymers. Angewandte Chemie, 2021.DOI：10.1002/anie.202104886https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104886
6. Angew：修飾硒酚的高性能不對稱有機聚合物電池
雖然目前非富勒烯型小分子受體聚合物太陽能電池取得了重要進展，為了實現(xiàn)進一步太陽能電池的發(fā)展，合適的參數(shù)選取仍非常困難。有鑒于此，北京理工大學王金亮、Qiaoshi An等首次報道了一種新穎的策略，通過在分子核心結(jié)構(gòu)中構(gòu)建不對稱骨架結(jié)構(gòu)、同時修飾硒酚基團，從而實現(xiàn)了一系列不對稱結(jié)構(gòu)A-DA′D-A型結(jié)構(gòu)NF-SMAs，分別為S-YSS-Cl、A-WSSe-Cl、S-WSeSe-Cl幾種含有不同數(shù)目的硒酚取代基。1）當骨架結(jié)構(gòu)分別為S-YSS-Cl改變?yōu)锳-WSSe-Cl變化為A-WSSe-Cl，光吸收情況發(fā)生紅移，同時在薄膜結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)逐漸提高的電子遷移率。作者通過對其單晶進行研究，發(fā)現(xiàn)A-WSSe-Cl、S-WSeSe-Cl表現(xiàn)了比S-YSS-Cl更強和更顯著的分子間π-π堆疊相互作用，分子間的苯并噻二唑結(jié)構(gòu)中的S…N非共價相互作用、排列更加規(guī)則的3D互穿電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。2）作者發(fā)現(xiàn)PM6:A-WSSe-Cl材料薄膜的電池器件的電池效率達到17.51 %（這個效率比對稱結(jié)構(gòu)S-WSeSe-Cl材料電池的效率更高（16.01 %）），該電池的效率是目前基于硒酚結(jié)構(gòu)的NF-SMAs二元電池中能夠達到的最高性能。A-WSSe-Cl表現(xiàn)了最好的光吸收、能級、結(jié)晶情況之間的平衡，因此PM6:A-WSSe-Cl在形成的薄膜中實現(xiàn)了最好的面取向晶化和最小的分子間堆疊距離，形成納米纖維結(jié)構(gòu)非常有利于合適的相分離。3）本文結(jié)果展示了通過設計不對稱分子結(jié)構(gòu)、精確調(diào)控硒酚的位置，能夠顯著改善電流密度和填充因子，同時保持電池的開路電壓。Can Yang, et al. Synergistic Strategy of Manipulating the Number of Selenophene Units and Asymmetric Central Core of Small Molecular Acceptors Enables Polymer Solar Cells with 17.5% Efficiency, Angew. Chem. Int. Ed. 2021DOI: 10.1002/anie.202104766https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202104766
7. AM綜述：Cu基等離激元催化的最新進展與未來展望
等離激元金屬具有誘導強電磁場、高能載流子和光熱效應的能力，為光的高效利用和化學轉(zhuǎn)化提供了獨特的機會。儲量豐富的低成本Cu具有從紫外-可見光到近紅外區(qū)域強烈且可調(diào)諧的局域表面等離激元共振（LSPR）。此外，由于Cu具有耐人尋味的物理化學性質(zhì)，其對各種反應表現(xiàn)出顯著的催化性能。等離激元Cu結(jié)合了捕光能力和催化功能，從而為高效光驅(qū)動化學反應提供了一個很有前途的平臺。近日，針對Cu基等離激元光催化，中南大學王梁炳教授，中科大曾杰教授系統(tǒng)地總結(jié)了Cu基材料在等離激元輔助光催化方面的最新研究進展。1）作者首先概述了LSPR的基本原理和Cu金屬的等離激元特性。系統(tǒng)總結(jié)了具有各種形貌Cu納米材料的傳統(tǒng)合成方法和新興合成方法。此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)將Cu基雜化材料分為Cu基多金屬結(jié)構(gòu)、Cu基核殼結(jié)構(gòu)和負載型Cu基結(jié)構(gòu)。2）作者詳細闡明了Cu基等離激元用于催化的機理，重點總結(jié)了提高Cu基催化劑捕光能力和構(gòu)建活性中心的策略，并介紹了LSPR對反應體系的潛在原位效應。3）作者總結(jié)了Cu基催化劑在等離激元驅(qū)動的催化中的應用（水分解、CO2還原、氧化反應、N2的光固定、NH3分解、染料降解和有機轉(zhuǎn)型等），并對其機理進行了分類。4）作者最后指出了Cu基等離激元催化劑仍面臨的挑戰(zhàn)，并展望了其未來發(fā)展方向。Yue Xin, et al, Copper-Based Plasmonic Catalysis: Recent Advances and Future Perspectives, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202008145https://doi.org/10.1002/adma.202008145
8. AM綜述：用于可充電鋅空氣電池電解質(zhì)材料的設計
可充電鋅空氣電池（ERZABs）以其高理論容量、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)點，成為電動汽車、電網(wǎng)儲能和便攜式電子產(chǎn)品的最佳候選電源之一，并引起了人們極大的研究興趣。然而，具有長循環(huán)壽命、高能量和功率密度的ERZABs的開發(fā)仍然極具挑戰(zhàn)性。電解質(zhì)作為一種離子導體，是ERZABs的核心組成部分之一，在其充放電過程中起著重要的作用，對ERZABs的可充電性、工作電壓、壽命、功率密度和安全性都具有很大的影響。盡管近年來，關于用于ERZABs的電解質(zhì)的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進步，但其目前仍然存在許多挑戰(zhàn)。同時，人們對空氣催化劑和鋅負極進行了大量研究，但對電解質(zhì)的研究還相對較少。有鑒于此，天津大學鐘澄教授重點綜述了用于ERZABs的電解質(zhì)材料目前仍面臨的挑戰(zhàn)和最新研究進展。1）作者首先概述了用于ERZABs的電解質(zhì)機制，ERZAB由鋅電極、電解質(zhì)和空氣電極組成。除了充當離子傳輸介質(zhì)外，電解質(zhì)還會可能遇到與潛在界面反應（例如，鋅腐蝕、鋅鈍化、枝晶生長和析氫）、電解質(zhì)蒸發(fā)和碳化有關的問題。2）作者接下來總結(jié)了用于ERZABs的液態(tài)電解質(zhì)，包括堿性水溶液電解質(zhì)，非堿性水溶液電解質(zhì)和離子液體（ILs）。然后指出在使用液態(tài)電解質(zhì)時，通常需要笨重、剛性的結(jié)構(gòu)以及額外的包裝材料，這給結(jié)構(gòu)設計和尺寸最小化帶來了困難。因此又重點總結(jié)了用于ERZABs的半固態(tài)電解質(zhì)。3）作者最后指出了開發(fā)用于ERZABs的高性能電解質(zhì)仍面臨的挑戰(zhàn)和未來研究方向，包括：i）目前大多數(shù)研究都集中在堿性電解質(zhì)上，而非堿性電解質(zhì)和半固態(tài)電解質(zhì)還處于初級階段。為了開發(fā)適用于ERZABs的電解質(zhì)，需要通過先進的實驗、建模和計算方法，進一步深入研究理論和實驗相結(jié)合的工作；ii）進一步通過理論和實驗研究特別是原位和即時表征技術(shù)，從而加深對離子傳導機理、電解質(zhì)結(jié)構(gòu)-性能關系、特定電解質(zhì)的鋅溶解機理、電解質(zhì)降解機理和失效模式等方面的基本認識；iii）目前仍缺乏評估電解質(zhì)性能和提供ERZABs數(shù)據(jù)的標準方法；iv）對電解質(zhì)材料和制備的ERZABs進行全面的評估，以彌合研究和工業(yè)應用之間的差距；v）目前的ERZABs大多是“手工制造”，不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。因此，未來需要加大開發(fā)用于ERZAB和電解質(zhì)制造工藝，以實現(xiàn)它們的可加工性和可制造性。Xiaorui Liu, et al, Mapping the Design of Electrolyte Materials for Electrically Rechargeable Zinc–Air Batteries, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202006461https://doi.org/10.1002/adma.202006461
9. AEM：21.74%效率！錫鉛鈣鈦礦將太陽能電池
錫鉛鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 低于鉛電池，主要是因為開路電壓 (Voc) 損失較高。電氣通信大學Shuzi Hayase和Gaurav Kapil等人揭示了基于路易斯堿乙二胺的后處理，鈣鈦礦表面的 p 型轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型。由于鈣鈦礦層表面費米能級的上升，這種方法形成了梯度帶結(jié)構(gòu)，并將內(nèi)置電位從0.56增加到0.76 V，使Voc增加了100 mV以上。1）結(jié)果表明，EDA 可以通過將鈣鈦礦與氧隔離，并通過與表面配位不足的 Sn 鍵合來降低缺陷密度（Sn4+量）。從降低晶格應變和 Urbach 能量的角度進一步探討了 Br 陰離子在鈣鈦礦晶格中的作用。最后，使用帶隙為 1.25 eV 的鈣鈦礦吸光層獲得了 0.86 V 的高Voc，對應于 0.39 V 的電壓損失，并且實現(xiàn)了迄今為止報道的 Sn-Pb PSC 的最高 PCE（21.74%）。
Kapil, G., et al, Tin-Lead Perovskite Fabricated via Ethylenediamine Interlayer Guides to the Solar Cell Efficiency of 21.74%. Adv. Energy Mater. 2021, 2101069.DOI：10.1002/aenm.202101069https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101069
10. AFM：多硫化物過濾和枝晶抑制劑：高石墨化木質(zhì)骨架對鋰硫電池中多硫化物穿梭和鋰枝晶的抑制作用
基于生物材料的先進材料的設計和制造為解決許多技術(shù)挑戰(zhàn)提供了新的機遇。近日，西安交通大學柳永寧教授，澳大利亞伍倫貢大學郭再萍教授報道了為了提高鋰硫（Li-S）電池的電化學性能，構(gòu)建了一種具有多孔通道結(jié)構(gòu)和微絨毛的高石墨化木質(zhì)骨架（GWF）作為多功能中間層。1）GWF不僅保留了木材的3D運輸網(wǎng)絡，而且通過生長在碳通道內(nèi)表面的微絨毛為多硫化物提供了更多的沉積位置。2）電化學測試表明，GWF能有效地提高Li-S電池0.05 C的首次放電容量至1593 mAh g?1，1C循環(huán)容量下降0.06%。此外，GWF中間層還有效地保護了鋰負極不受Sx2?的腐蝕，即使在長時間的充放電循環(huán)后，它們?nèi)匀槐３种饘俚墓鉂珊颓鍧嵉谋砻妗?/span>3）Li-S電池出色的性能歸功于GWF的高導電性、豐富的微絨毛和通道限制效應，這些效應有效地抑制了多硫化物的穿梭效應，其原理與鼻毛過濾空氣的原理相同。這項工作對仿生/生物材料有了新的認識，為提高鋰硫電池的性能提供了新的策略。Yuanzhen Chen, et al, Polysulfide Filter and Dendrite Inhibitor: Highly Graphitized Wood Framework Inhibits Polysulfide Shuttle and Lithium Dendrites in Li–S Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102458https://doi.org/10.1002/adfm.202102458
