1. Nature Commun.：Pt在Pd納米晶上成核和生長的原子學見解
盡管人們已經報道了大量膠體納米晶體的研究，但對其原子級成核和生長的機理細節知之甚少。有鑒于此，美國加州大學歐文分校Xiaoqing Pan，威斯康星大學麥迪遜分校Manos Mavrikakis，佐治亞理工學院夏幼南教授，橡樹嶺國家實驗室Miaofang Chi報道了以雙金屬核殼納米晶為例，將原位液室透射電子顯微鏡與第一性原理計算相結合，揭示了Pt在Pd立方晶種上成核和生長的原子細節。1）研究人員闡明了關鍵的合成參數，包括封頂劑和前驅體濃度，在控制Pt原子的形核位置、擴散路徑和生長模式方面所起的作用。當立方晶種的表面被Br?覆蓋時，Pt原子優先從角落成核，然后擴散到邊緣和表面，形成均勻的殼層。直到在拐角沉積的Pt達到閾值厚度，才會發生擴散。在較高的前驅體濃度下，發生自成核，然后Pt團簇隨機附著在種子表面，形成不均勻的殼層。這些原子水平的見解為合理合成具有不同組成、結構、形狀和相關性質的納米晶體提供了一般指導。Gao, W., Elnabawy, A.O., Hood, Z.D. et al. Atomistic insights into the nucleation and growth of platinum on palladium nanocrystals. Nat Commun 12, 3215 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-23290-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-021-23290-x
2. AM：陽離子團簇調節與可見光照射的協同效應促進CO2電還原
引入外加光場可以提高電化學CO2還原的本征活性和能量效率。近日，清華大學王訓教授報道了通過在PCN-224團簇（Zr-NC-Co）中注入陽離子Ti，合成了一種高效穩定的催化劑Zr/Ti-Nb-Co。1）Zr/Ti-Nb-Co的形貌是基于類似的Kirkendall效應由納米立方體轉化而成的分級空心納米盒。2）得益于Ti基團簇、卟啉基光開關和Co單原子位點錨定的優點，Zr/Ti-Nb-Co的CO法拉第效率(FECo)提高了93.6%，與在黑暗條件下測得的值相比有100 mV的正移。此外，當與可見光耦合時，在?1.1 V（vs.RHE）下獲得了546 mmol g?1 h?1的CO產生率，超過了Zr-NC-Co（398 mmol g?1 h-1），比在黑暗條件下測得的CO產生率高2倍。這些結果表明，Zr/Ti-Nb-Co的出色CO2RR性能與Ti組分的注入和可見光的輻照具有很強的關系。3）催化動力學研究表明，由于可見光驅動的光敏組分的激發導致更多的活性中心暴露和對電子轉移途徑的調節，對于促進初始電子轉移到CO2形成*COO?極有利。Yue Zhou, et al, Boosting CO2 Electroreduction via the Synergistic Effect of Tuning Cationic Clusters and Visible-Light Irradiation, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202101886https://doi.org/10.1002/adma.202101886
3. AM：電流均勻化、幾何約束和化學吸附效應的協同耦合助力均勻鎂電沉積
鎂（Mg）電沉積的不均勻分布已成為鎂金屬電池發展的主要障礙。近日，青島科技大學李桂村教授，中科院青島能源所崔光磊研究員報道了提出了一種用于3D親Mg主體的綜合設計矩陣策略，它通過均勻電流分布、幾何約束和化學吸附相互作用的協同耦合來調節均勻的Mg電沉積。作為概念驗證，研究人員在碳布上開發了一種垂直排列的摻氮和摻氧碳納米纖維陣列（記為“VNCA@C”）。1）均勻排列的短納米陣列結構有助于均勻表面電流密度，而這種3D主體中的微通道由于其幾何限制效應使得Mg優先成核。此外，第一性原理計算結果表明，氮/氧摻雜的碳物種對Mg原子表現出很強的化學吸附作用，提供了優先成核位。2）電化學分析揭示了Mg金屬獨特但高度可逆的微通道填充生長行為，這使得精心設計的VNCA@C主體在10.0 mA cm?2電流密度下的成核過電位低至429 mV，在10.0 mA cm?2的大電流密度下延長了鍍鎂/剝離循環壽命（110個循環）。這項工作為用于高能電池潛在應用的金屬負極（如鋰和鋅）的主體設計提供了詳細的指導。
Zihao Song, et al, Uniform Magnesium Electrodeposition via Synergistic Coupling of Current Homogenization, Geometric Confinement, and Chemisorption Effect, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202100224https://doi.org/10.1002/adma.202100224
4. AM：一種新穎的具有壓電離子效應的電化學發光皮膚
在早期致力于實現電子皮膚卓越靈敏度的研究工作之后，這些設備的最新設計方案已集中于將空間分辨的傳感數據轉換為直接的用戶自適應視覺信號的策略。在此，韓國西江大學Moon Sung Kang、韓國漢陽大學Do Hwan Kim等人提出了一種能將機械刺激轉換為視覺讀出的材料平臺。1）該材料層包括在熱塑性聚氨酯基體內的離子過渡金屬復合物發光團和離子液體(能夠產生電化學發光(ECL))的混合物。2）該材料平臺在機械應力作用下表現出粘-多孔彈性響應，引起薄膜中離子發光團分布的變化，稱為壓電-離子效應。利用這種壓電離子效應開發了一種簡單的器件，該器件包含夾在兩個電極之間的復合層，稱為“ECL皮膚”。3）檢測ECL皮膚的發射，它隨著施加的法向/拉應力而增加。此外，局部施加于ECL皮膚的應力在空間上被解析和可視化，而無需使用空間分布的壓力傳感器陣列。ECL皮膚的簡單制作和獨特操作有望為人機交互電子皮膚材料的設計提供新的見解。Jong Ik Lee, et al. Visco-Poroelastic Electrochemiluminescence Skin with Piezo-Ionic Effect, Adv. Mater., 2021.DOI: 10.1002/adma.202100321https://doi.org/10.1002/adma.202100321
5. AM：超薄而堅固的單鋰離子導電準固態聚合物刷電解質助力超長壽命無枝晶鋰金屬電池
準固態聚合物電解質是最有前途的長壽命鋰金屬電池候選電解質之一。然而，在室溫下引入高離子電導率的增塑劑不可避免地會降低機械強度，并且需要很厚的電解質膜，這對電池的安全性和能量密度是不利的。近日，中山大學吳丁財教授報道了利用聚合物刷拓撲工程的方法，設計了在增塑劑存在下具有高電導率和優異力學性能的超薄（10 μm）單鋰離子導電準固態聚合物刷電解質（SLIC-QSPBEs）。1）SLIC-QSPBEs的靈感來自于軟硬結合的管刷，這是一種清潔工具，由堅硬的鋼絲主干和許多柔軟的聚合物邊纖維組成，用于清理各種形狀的玻璃器皿。同樣，這種超結構聚合物刷同時具有堅硬的納米纖維主干和柔軟的功能聚合物側鏈，能夠很好地平衡QSPE的機械強度和離子導電性。2）作為概念演示，研究人員通過表面引發原子轉移自由基聚合（SI-ATRP）從細菌纖維素（BC）納米纖維中接枝聚(4-苯乙烯磺酰亞胺)（PLiSTFSI）和聚二甘醇單甲基醚甲基丙烯酸酯（PEGM）兩嵌段共聚物合成了聚合物“瓶刷”（BC-g-PLiSTFSI-b-PEGM）。然后在BCG-PLiSTFSI-b-PEGM膜中加入25 wt%的增塑劑，制備出具有良好鋰離子導電性和力學性能的SLIC-QSPBEs（BC-g-PLiSTFSI-b-PEGM/P）。3）對于所制備的SLIC-QSPBEs，BC納米纖維骨架提供了良好的機械特性，形成了高度多孔的三維納米網絡結構，具有豐富可移動鋰離子的PLiSTFSI塊保證了單一的鋰離子導電行為，而PEGM塊則提供了鋰離子傳輸基質。此外，由于BC-g-PLiSTFSIb-PEGM的硬核（BC納米纖維骨架）和軟殼（PLiSTFSI-b-PEGM刷）的混合，即使在有增塑劑存在的情況下，這種SLIC-QSPBEs也可以在保證機械性能的前提下薄至約10 μm。這種超薄多孔電解質可以縮短離子傳輸距離，加速離子遷移。4）得益于上述獨特的納米拓撲結構和多功能組分的協同效應，SLIC-QSPBEs可以消除濃差極化，增強離子導電性，提高力學性能，降低界面阻抗。實驗結果顯示，所構建的鋰-金屬對稱電池具有超長循環穩定性，因此通過調節高分子納米結構可以顯著提高QSPEs的電化學性能。Minghong Zhou, et al, Ultrathin Yet Robust Single Lithium-Ion Conducting Quasi-Solid-State Polymer-Brush Electrolytes Enable Ultralong-Life and Dendrite-Free Lithium-Metal Batteries, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202100943https://doi.org/10.1002/adma.202100943
6. AM綜述：納米結構多孔導電聚合物：從可控合成到高級應用
導電聚合物（CPs）綜合了傳統聚合物的固有特性和金屬獨特的電學特性。由于其高導電性、堅固和靈活的性能、易于制造和成本效益，它們在過去十年中引起了人們極大的興趣。與塊體CPs相比，具有明確納米或微結構的多孔CPs具有開放的多孔結構、高比表面積、更多暴露的反應位點和顯著增強的活性。這些吸引人的特性導致了它們在傳感器、能量存儲和轉換器件、生物醫學設備等方面的應用。有鑒于此，華東師范大學Shaohua Liu等綜述了多孔CPs的不同合成策略，包括無模板法和基于模板法，并強調了調整多孔CPs的形貌和孔結構以優化其功能性能的重要性。1）首先概述了使用硬模板和軟模板的模板引導的多孔CPs制造。總結了具有精確形貌和孔結構控制的CP及CP基復合材料（如CP/金屬、CP/碳材料、CP/生物分子等）的設計合成策略，包括多維構型和不同類型的孔（微孔、介孔、大孔和分級孔）。同時，還討論了多孔CPs及其復合材料在儲能裝置（如超級電容器和電池）、傳感器（如氣體傳感器和生物傳感器）和生物醫學裝置中的功能性應用。2）與非模板法合成的CPs相比，模板輔助法合成的CPs往往表現出有序和可控的孔隙，從而大大增加比表面積，這有利于其在各個領域的實際應用。盡管模板引導法已經成熟，但仍有機會在以下方面進一步開發多孔CP：（i）開發策略以在分子或原子水平上對多孔CP的設計進行微調，以實現實際應用。在分子/原子水平上的設計優化以及對CPs的組成、形貌和孔隙率的精確控制是實現良好的功能性能的關鍵。3）（ii）現有的軟模板可以選擇性地共組裝，以協同制備一系列具有新形貌的多孔CPs。此外，由于中孔CPs的生長機制與無機材料（如金屬氧化物）的生長機制有很大的不同，蒸發誘導自組裝（EISA）等制備中孔CPs的方法尚未被開發。CPs不發生水解和交聯，通常需要引發劑進行聚合，很難同時實現蒸發、自組裝和聚合。因此，通過EISA精確控制孔結構和取向來合成穩定的多孔CP仍然是一個重大挑戰。4）（iii）開發用于合成具有可控形態和孔隙率（孔徑和結構）的多孔CP的大規模工業生產方法仍然是一個巨大的挑戰。為了實現合成CPs的大規模生產和實際應用，需要開發簡單、低成本、可擴展的方法，以在很大程度上控制合成CPs的結構參數。Hao Luo et al. Nanoarchitectured Porous Conducting Polymers: From Controlled Synthesis to Advanced Applications. Adv. Mater. 2021, 2007318.DOI: 10.1002/adma.202007318.https://doi.org/10.1002/adma.202007318
7. AM: 用于可見光驅動水分解的（氧）氮化物的納米結構工程和調制
（氧）氮化物基納米光催化劑被廣泛研究用于太陽能-化學轉化，不僅允許寬光譜利用以實現高理論能量轉換效率，而且還表現出合適的導帶和價帶位置，用于水的還原和氧化。在過去的幾十年中，已經發表了一些關于設計和合成新的可見光響應半導體在太陽能到化學轉化中的各種應用的研究進展的評論。然而，關于它們的本體和復合（表面/界面）納米結構對基本過程以及太陽能分解水析氫性能的影響仍然有限。有鑒于此，中國科學院大連化學物理研究所章福祥研究員等人，綜述了(氧)氮化物的納米結構工程與調控在可見光驅動水分解中的應用研究進展。1）簡要介紹了納米結構光催化性能之間的關系。涉及太陽能水分解的三個主要過程，可以闡明與光催化劑納米結構特性的相關性，例如表面/界面、尺寸、形態和體結構。隨后，詳細總結了用于調節本體和復合結構以提高基本過程（尤其是電荷分離）效率的方法和策略的發展。最后，討論了基于（氧）氮化物的光催化劑在可控合成、一維/二維形貌調控、暴露面調控、異質結構形成、理論模擬、時空分辨光譜等方面的發展前景。2）綜述了目前報道的（氧）氮化物基光催化劑結構的調節策略。首先，通過控制光催化劑本身的結構，系統地改變（氧）氮化物的尺寸、形貌和缺陷密度以提高電荷分離效率。其次，采用異質結構和復合材料的形成等策略來調節(氧)氮化物的界面結構，促進界面電荷分離。所有這些策略都可以集成到一個系統中，進行高效的OWS反應，實現太陽能的高效利用。3）還應在以下方面作出進一步努力：1)應重點研究(氧)氮化物的電子/晶體/表面結構的可控合成，而具有一維和二維形貌的(氧)氮化物的合成仍然是一個需要克服的挑戰。2）隨著互聯網技術的進步，大數據建設可以指導未來（氧）氮化物的調制。3）具有特定類型暴露面的（氧）氮化物有利于驅動有效的空間電荷分離，并且應研究晶面對表面反應的影響。4）（氧）氮化物基異質結構仍然是未來研究的熱點，并且仍需要克服其他挑戰，例如在原子水平上形成緊密界面、構建高效的內置電場以及探索新的合成方法。5) 理論模擬、時空分辨光譜和原位表征方法應廣泛應用于（氧）氮化物基半導體領域，以研究結構相關特性并指導他們進行結構調制的合成。Beibei Dong et al. Nanostructure Engineering and Modulation of (Oxy)Nitrides for Application in Visible-Light-Driven Water Splitting. Advanced Materials, 2021.DOI: 10.1002/adma.202004697https://doi.org/10.1002/adma.202004697
8. AM：多功能交聯應變調節結晶，助力高效α-FAPbI3鈣鈦礦太陽能電池
α-FAPbI3代表了鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的最新技術，但由于相變溫度較高，這是一個關鍵的不穩定因素，因此會經歷固有的熱誘導拉伸應變。香港理工大學李剛和Wei Yu等人引入了三羥甲基丙烷三丙烯酸酯 (TMTA) 的原位交聯應變調節結晶 (CSRC) 方法來精確調節鈣鈦礦薄膜的頂部，其中發生最大的晶格畸變。1）在CSRC過程中，TMTA交聯在退火結晶過程中提供了原位鈣鈦礦熱膨脹限制和應變調節，這被證明比傳統的應變補償（后處理）方法更有效。此外，CSRC 與 TMTA 協同實現了多功能性：拉伸應變的調節、鈣鈦礦缺陷鈍化與增強的開路電壓 (VOC = 50 mV) 和增大的鈣鈦礦晶粒尺寸。2）基于CSRC 方法制備的α-FAPbI3 的 PSC 的效率可達 22.39%，而在對照組的效率僅為 20.29%。更重要的是，對照組的不穩定性因素——殘余拉伸應變，通過 TMTA 交聯被調節為 CSRC 鈣鈦礦薄膜中的壓縮應變，不僅產生了最佳的效率，而且在放置超過 4000 小時后，器件仍保留初始值的95%。Zhang, H., et al, Multifunctional Crosslinking-Enabled Strain-Regulating Crystallization for Stable, Efficient α-FAPbI3-Based Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. 2021, 2008487.https://doi.org/10.1002/adma.202008487
9. Adv. Sci.：一種基于擊鍵動力學的混合納米發電機通過人工智能用于用于生物特征認證和身份識別
網絡攻擊是數字世界中的嚴重威脅之一，它涵蓋了與個人信息、健康、財務、知識產權甚至國家安全相關的一切。基于口令的認證是目前應用最廣泛的認證系統，但它容易受到字典攻擊、肩窺攻擊、猜測攻擊等。近日，韓國光云大學Jae Y. Park報道了開發了一種新型的自供電混合納米發電機/傳感器，用于與基于神經網絡的人工智能（AI）相結合的擊鍵動力學驅動的生物特征認證系統。1）這種基于電磁-摩擦電原理的自供電混合傳感器可以有效地從擊鍵過程中的擊鍵動力學中收集用戶的行為信息。基于此，研究人員開發了一套定制的數據采集和信號處理系統，以獲取按鍵信息并進行處理。2）這種基于人工神經網絡的AI用戶識別和認證模型在使用混合傳感器進行用戶認證時，即使在多個用戶之間使用共同的密碼，也可以獲得99%的高準確率，因此是一個極有前途的網絡安全層，克服了密碼漏洞。3）與基于單個傳感器的認證相比，該混合傳感器在相同的密鑰維度下具有較高的準確性和雙重安全性。此外，這種混合傳感器可以使用3D打印機制造，并快速安裝在商用鍵盤上。總體而言，這項工作提供了在計算世界中建立高網絡安全層的新的可行性，基于這套系統，通過使用無電池混合傳感器進行用戶身份識別和認證，密碼泄露可能不再是問題。Pukar Maharjan, et al, Keystroke Dynamics based Hybrid Nanogenerators for Biometric Authentication and Identification using Artificial Intelligence, Adv. Sci. 2021DOI: 10.1002/advs.202100711https://doi.org/10.1002/advs.202100711
10. AFM：一種用于高性能室溫鈉硫電池的獨立式硫正極
室溫鈉硫（RT Na-S）電池以其成本低、比能量高等優點受到廣泛關注。然而，已報道的RT Na-S電池通常存在反應動力學緩慢、可逆容量低、壽命短等問題。近日，澳大利亞伍倫貢大學侴術雷教授，Yun-Xiao Wang，Bin-Wei Zhang報道了一種由包覆Co納米顆粒的多孔摻氮碳納米纖維（PCNFs）(Co@PCNFs)組成的鏈式催化劑可以通過電子工程活化硫。1）研究人員首先在文獻基礎上合成了具有高孔隙率和分散性的咪唑骨架(ZIF)型金屬有機骨架Zn，Co-ZIF。然后，將Zn、Co-ZIF、聚丙烯腈(PAN)和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液電紡成Zn、Co-ZIF/PAN復合納米纖維。經300 ℃熱處理后，得到鏈狀催化劑Co@PCNFs。2）這種具有微米級層次化結構的鏈狀催化劑Co@PCNFs作為獨立的硫正極（Co@PCNFs/S）可以為高質量負載硫和多硫化物提供空間。在放電-充電過程中，電子可以從鏈式催化劑迅速轉移到硫和多硫化物上，從而提高其轉化動力學。實驗結果表明，這種獨立的Co@PCNFs/S正極具有2.1±0.2 mg cm?2的高硫負載量，在600次循環中0.5 C時的可逆容量為398 mA h g?1（1 C=1675 mA g?1），以及在5 C時平均容量為240 mA h g?1的優異倍率性能。3）電子能量損失譜(EELS)、X射線光電子能譜(XPS)、原位X射線衍射譜(XRD)、X射線吸收譜(XAS)和密度泛函理論（DFT）計算結果表明，Co@PCNFs/S能有效地提高多硫化物與Na2S之間的轉化動力學，從而實現高效的硫氧化還原反應。這種獨立式設計提供了一種實用的方法，可以實現高硫負荷，從而獲得性能更好的RT型Na-S電池。Huiling Yang, et al, Architecting Freestanding Sulfur Cathodes for Superior Room-Temperature Na–S Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102280https://doi.org/10.1002/adfm.202102280
11. AFM：利用表面電荷操控將非層狀硫化物晶體構建成層狀納米結構
二維（2D）非層狀金屬硫化物具有誘人的性質，在儲能和轉換方面具有廣闊的應用前景，然而，關于非層狀金屬硫化物納米片（NSs）的合成仍然具有很大的挑戰性。近日，澳大利亞伍倫貢大學郭再萍教授，安徽大學Tengfei Zhou，武漢科技大學Yang Zheng報道了開發了一種基于表面電荷調節來合成2D片狀金屬硫化物的策略。1）通過精確控制反應體系中氨基酸（L-半胱氨酸）的等電點（isoelectric point），可以很容易地調節NSs的晶體生長和組裝過程，從而實現2D薄層結構。具體而言，當反應在L-半胱氨酸的等電點進行時，溶液中溶解的金屬離子可以與L-半胱氨酸的巰基（-SH）配位，形成的配位絡合物表面具有電中性。由于強烈的靜電相互作用，該絡合物進一步誘導了典型的2D成核層生長。2）通過使用不同的正電荷，這種方法可以很容易地擴展到其他2D非層狀材料的設計。3）具有較大的橫向尺寸和原子厚度使得所構建的2D納米材料具有最終的活性中心暴露，在SIBs中具有高的可逆容量和出色的循環穩定性，因此有望成為電極候選材料。這種表面電荷調節策略為非層狀硫化物的合理設計提供了新的視角。Shilin Zhang, et al, Constructing Layered Nanostructures from Non-Layered Sulfide Crystals via Surface Charge Manipulation Strategy, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202101676https://doi.org/10.1002/adfm.202101676
12. Nano Res.: 硫摻雜石墨烯錨定超細Au25納米團簇用于電催化
小納米團簇(NCs)(3-40個原子)的離散電子結構可以導致獨特的化學和光譜性質。此外，與傳統的大納米顆粒體系(> 2nm直徑)相比，由于其表面配位不足，它們可以表現出獨特的化學吸附行為。因此，超細(從亞納米到~ 2nm) NCs在選擇性加氫、二氧化碳還原和一氧化碳氧化等催化反應中的應用越來越受到人們的關注。然而，NCs 顯著的表面配位不足的性質往往會引起團簇的燒結和聚集，在反應過程中形成更大的顆粒，極大地改變了實驗的尺寸-反應活性關系。探索欠配位納米團簇催化性能的最大挑戰是穩定性問題。有鑒于此，加州大學楊培東教授等人，證明了硫摻雜石墨烯 (S-G) 上的化學摻雜劑可用于穩定超細 (亞 2 nm) Au25(PET)18 團簇，以實現穩定的氮還原反應 (NRR)，而不會出現顯著的結構退化。1）成功地證明了硫摻雜石墨烯可以穩定超細金團簇用于長期NRR電催化。結果表明，在Au25@S-G體系中，在 -0.5 V 下的氨產率為 27.5μgNH3?mgAu?1?h?1，法拉第效率為 2.3%。2）更重要的是，在連續運行四天后，在無形貌破壞的情況下，錨定的團簇保持了約 80% 的 NRR 活性，與在相同條件下測試的未摻雜石墨烯上負載的團簇的 15% 剩余氨產率相比有顯著提高。Au25@S-G復合材料具有顯著的結構穩定性。3）同位素標記實驗證實氨是 N2 進料氣體的直接反應產物，而不是其他化學污染物。反應后催化劑的非原位 X 射線光電子能譜和 X 射線吸收近邊光譜表明，硫的摻雜對團簇中Au原子的化學狀態和配位環境的穩定起著至關重要的作用。進一步的 ReaxFF 分子動力學 (RMD) 模擬證實了 Au 納米團簇 (NCs) 和 S-G 之間的強相互作用。總之，這種底物錨定過程可以作為研究超細納米團簇電催化行為的有效策略。
Li, M., Zhang, B., Cheng, T. et al. Sulfur-doped graphene anchoring of ultrafine Au25 nanoclusters for electrocatalysis. Nano Res. (2021).DOI: 10.1007/s12274-021-3561-2https://doi.org/10.1007/s12274-021-3561-2
