1. Nature Commun.：鐵電聚合物調控GeSe/MoS2異質結能帶結構
多種多樣的二維材料van der Waals組裝為發展功能性器件提供廣泛的機會，對于特定van der Waals異質結，能帶對齊對于實現高性能、多功能非常重要，有鑒于此，上海技術物理研究所王建祿、胡偉達，中科院半導體所魏鐘鳴等報道通過搭建GeSe/MoS2結構與聚偏氟乙烯三氟乙烯結合，實現了能夠調控鐵電性質的器件，通過鐵電極化效應形成的超強電場效應在GeSe/MoS2異質結實現能帶對齊，能夠實現異質結的能帶對齊從II型異質結轉變為I型異質結。1）各向異性材料GeSe與MoS2之間的結合實現了高性能極化光響應能力，暗電流僅僅1.5 pA，響應速度僅僅14 μS，探測能力4.7×1012 Jones。通過鐵電極化效應導致二色性比性能提高，實現了可見光~近紅外光的寬區間。2）這種鐵電調控GeSe/MoS2 van der Waals異質結具有復雜光信息傳感的多功能探測的應用前景，此外這種鐵電調控二維異質結為創建復雜結構器件提供能帶調控的方法。Chen, Y., Wang, X., Huang, L. et al. Ferroelectric-tuned van der Waals heterojunction with band alignment evolution. Nat Commun 12, 4030 (2021).DOI: 10.1038/s41467-021-24296-1https://www.nature.com/articles/s41467-021-24296-1
2. Nature Commun.：原位Raman表征系統研究鋰電池的電解液性質
理解Li離子電池和Li離子技術中的電解液傳輸、熱力學性質對于Li離子電池的發展非常重要，有鑒于此，牛津大學Mauro Pasta等報道一種能夠對電解液進行深入表征的方法，通過原位Raman方法測試電解液濃度梯度隨時間的變化規律，同時與恒電位電化學阻抗表征、Fickian表觀擴散系數、離子轉移數目、熱力學參數、離子導電性、電荷轉移過程的電阻等表征相結合，實現了在同一個實驗中對多種表征技術結合。1）作者基于這種表征技術系統，以四乙二醇二甲醚溶劑（G4）中的LiFSI電解質作為模型進行表征，直接觀測電解液的濃度變化梯度。2）這種方法能給出電解質的關鍵性質，在電解質的分子間結構、電解質的傳輸/熱力學性質之間建立聯系。Fawdon, J., Ihli, J., Mantia, F.L. et al. Characterising lithium-ion electrolytes via operando Raman microspectroscopy. Nat Commun 12, 4053 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24297-0https://www.nature.com/articles/s41467-021-24297-0
3. Nature Commun.：Cu(I)催化二氯甲苯磺酰胺氯化試劑選擇性C-H鍵氯化
對有機分子進行分子間位點選擇性C-H鍵官能團化是現代有機化學領域中非常關鍵，對于合成氯烷烴的領域，這種分子間位點選擇性C-H鍵氯化反應非常缺乏。有鑒于此，塔斯馬尼亞大學Alireza Ariafard、蒙納士大學Philip Wai Hong Chan等報道Cu(I)催化方法學，能夠在室溫中通過二氯甲苯磺酰胺對酮、(E)-烯酮、芳烴分子進行高效率C(sp3)-H鍵氯化反應，該反應具有較好的底物兼容性，發現二氯甲苯磺酰胺作為氯化試劑能夠實現選擇性氯化反應，是目前反應選擇性最好的烷烴官能團化方法學。1）反應情況。以CuOTf作為催化劑，加入1.5倍量TsNCl2作為氯化試劑，加入NaHCO3，加入4 ?分子篩，在乙腈溶劑中室溫反應。作者考察了酮、α,β-不飽和酮、修飾烷基基團的芳烴幾種分子，發現能夠在酮的γ位點選擇性修飾氯原子、能夠在α,β-不飽和羰基化合物的γ位點選擇性修飾氯原子、能夠將芳烴的芐基位點選擇性修飾氯原子。2）進一步的，作者在對一系列天然產物分子的后期官能團化修飾中，展示了該反應的實用性，隨后作者驗證還反應能夠進行克級放大反應。Jin, J., Zhao, Y., Kyne, S.H. et al. Copper(I)-catalysed site-selective C(sp3)–H bond chlorination of ketones, (E)-enones and alkylbenzenes by dichloramine-T. Nat Commun 12, 4065 (2021).DOI: 10.1038/s41467-021-23988-yhttps://www.nature.com/articles/s41467-021-23988-y
4. Nature Commun.：氮化碳/NaSCN復合光催化劑ORR制備H2O2
光催化制備H2O2是一種具有可持續發展技術、環境友好的方法，有鑒于此，廣州大學趙玉寶、浦項科技大學（POSTECH）Wonyong Choi等報道了高效率光催化制備H2O2的方法，通過氮化碳作為催化劑進行雙氧原子還原反應，將氮化氮與NaSCN Molten鹽混合后，實現了18.7 μmol h-1 mg-1的生成H2O2的效率，380 nm處的表觀量子效率達到27.6 %。作者對光催化反應的整個過程進行系統分析，通過相關實驗、計算模擬結合，給出了以往未曾報道的結構特征、相互作用。1）光催化劑中的氰基、與吡啶N配位的Na原子促進質子吸附，調控催化劑的能量分布，建立2e-選擇性ORR還原位點，其中O2與催化劑之間電子耦合相互作用增加了淺電子阱位點數目，提高淺電子阱的壽命。2）這種氮化碳光催化劑具有較好的循環催化性能，第8次催化循環的性能仍為起始催化活性的88.1 %。長時間穩定催化反應實驗顯示，當經過連續10 h的光催化反應后，反應生成的H2O2濃度達到11.1 mM，通過對光催化反應后樣品進行表征，發現長時間光催化導致催化劑中的氨基官能團、Na離子損失。表觀量子效率結果，在380 nm、420 nm的表觀量子效率分別為27.6 %、11.8 %。Zhao, Y., Zhang, P., Yang, Z. et al. Mechanistic analysis of multiple processes controlling solar-driven H2O2 synthesis using engineered polymeric carbon nitride. Nat Commun 12, 3701 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24048-1https://www.nature.com/articles/s41467-021-24048-1
5. Nature Commun.：一種超靈敏的鉬基雙異質結光電晶體管
二維（2D）材料由于其特殊的性質，例如與依賴于層數的光、電和光學性質的強相互作用，以及形成異質結構的能力，被認為是下一代用于光探測器的有希望的材料。然而，基于2D材料的光電探測器由于其原子厚度的限制，固有的探測能力較低。光誘導柵控（Photogating）被廣泛應用于提高器件的響應度，但通常會產生較大的噪聲電流，導致探測能力有限。近日，中科院沈陽金屬所孫東明研究員，成會明院士，Lichang Yin，南京大學Xiaomu Wang報道了開發了一種Mo基雙異質結光晶體管，它具有一個MoS2溝道和兩個α-MoO3-x接觸電極。1）利用MoS2/α-MoO3-x異質結的能帶組合，形成的雙異質結在光助下能夠相互提供正反饋。研究人員提出了這種光電晶體管的一種工作機制，稱為光誘導勢壘降低（PIBL）。2）結果顯示，MoS2/α-MoO3-x異質結獲得了1.7×1014 cm Hz1/2W-1的高探測率。同時，由于該器件的固有噪聲太低而無法測量，因此檢測率被嚴重低估。通過對本征噪聲的合理估計，其探測率高達9.8×1016 cm Hz1/2W-1。此外，該器件保持了95 μs的上升時間和105 μs的下降時間的響應速度。這項研究為制造具有超高光敏性的2D材料光晶體管提供了新的技術。Feng, S., Liu, C., Zhu, Q. et al. An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor. Nat Commun 12, 4094 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-24397-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-021-24397-x
6. Nature Commun.: 對電催化納米碳的機理理解
電催化納米碳(EN)是一類受到廣泛關注的材料，因為它有可能取代昂貴的金屬基電催化劑，用于能源轉換和化學生產。盡管有許多關于EN增強催化作用的報告，但與催化位點結構表征相關的實驗挑戰使得識別反應中心和理解其作用機制異常困難，其電催化活性的真實性質仍然難以捉摸。有鑒于此，美國伊利諾伊大學芝加哥分校的Ksenija D. Glusac教授等人，綜述了目前對電催化納米碳的潛在催化過程的理解。首先介紹了EN對OER/ORR、CO2RR等反應的催化增強的示例。然后，重點介紹光譜研究的見解和所使用的技術所面臨的內在挑戰。詳細說明了化學選擇性和原位實驗在明確表征樣品和中間產物方面的重要性和困難。1）電催化納米碳（EN），被定義為任何形式的化學改性石墨納米碳，已成為化學轉化的優秀電極材料。近年來，大量的研究報告了EN在加速析氧反應（OER）、氧還原反應（ORR）、二氧化碳還原反應（CO2RR）、氮還原反應（NRR）、析氫反應（HER）等方面的優異性能。雖然石墨納米碳是化學惰性的，但EN的催化活性是通過缺陷和雜原子摻雜引入的，包括金屬和非金屬的。一般來說，缺陷是通過對現有的石墨碳進行熱處理或輻射處理而誘發的，而摻雜原子是通過含雜原子的碳前體在高溫下的反應（即熱解）引入的。2）盡管有許多關于EN增強催化作用的報告，但與催化位點結構表征相關的實驗挑戰使得識別反應中心和理解其作用機制異常困難。阻礙EN材料發展的主要挑戰之一是固體多相電催化劑和分子催化劑之間的知識差距。通常用于石墨碳合成的熱解溫度的升高，在這種溫度下，就會喪失對化學官能化的精確控制，使得機理研究變得困難。因此，具有良好化學結構的EN是進行簡單的機理研究的理想平臺。利用化學添加劑可以有效地降低石墨前驅體分解，并利用石墨碳上的外源官能團進行表面改性，這些都是值得探索的合成EN的策略。另外，進一步加強原位和非原位的光譜和微觀方法來探測催化前、催化中和催化后的EN，將有助于機理研究。總之，該工作有望促進合成方法和原位光譜工具的發展，以制造和研究明確的EN結構。Erik J. Askins et al. Toward a mechanistic understanding of electrocatalytic nanocarbon. Nat Commun, 2021.DOI: 10.1038/s41467-021-23486-1https://doi.org/10.1038/s41467-021-23486-1
7. Chem. Soc. Rev.：光熱衍生的多模態協同治療策略用于對抗細菌感染
西北工業大學黃維院士、李鵬教授和南京郵電大學董曉臣教授對光熱衍生的多模態協同治療策略用于對抗細菌感染相關研究進行了綜述。1）由于細菌的耐藥性和生物膜的保護作用，目前單一的抗菌方式往往很難取得令人滿意的治療效果。近年來，由光熱治療(PTT)所衍生的多模態協同治療策略受到研究者的廣泛關注，并且其也表現出了協同增強的殺菌性能。PTT能夠時空可控地產生熱量，進而根治細菌且不會產生耐藥性。當將它與化療、光動力/催化治療(PDT/PCT)、免疫治療、聲動力治療(SDT)等其他治療相結合時，研究者能夠降低PTT的激光密度，進而避免對正常組織造成過熱損傷。同時，PTT可通過熱誘導提高細菌的膜通透性，進而有利于加速化療藥物的細胞內滲透以及光敏劑/聲敏劑的活性氧(ROS) 產生，并且能夠促進免疫細胞的浸潤。大量的研究表明，PTT衍生的協同治療策略在對抗細菌感染，特別是耐藥菌株引起的細菌感染方面具有重要的應用價值。2）作者在文中首先簡要介紹了經典的光熱試劑和一些新報道的光熱劑材料，并系統地討論了多功能光熱材料衍生的多模態協同治療治療在殺菌方面的應用；最后，作者也提出了基于PTT的聯合治療所面臨的挑戰，并對其協同殺菌的前景進行了展望。Jingjing Huo. et al. Emerging photothermal-derived multimodal synergistic therapy in combating bacterial infections. Chemical Society Reviews. 2021https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d1cs00074h#!divAbstract
8. NSR: 2D材料用于人工光合作用合成太陽能燃料
為了創建一個全球碳中和的社會，迫切需要可持續的能源系統來取代化石燃料。自然界中的光合作用通過光系統 II (PSII) 和光系統 I (PSI) 在太陽能驅動下將 CO2 和 H2O 轉化為碳水化合物和 O2。受光合作用功能的啟發，包括水分解、CO2 還原和 固N2在內的化學過程可以通過人工光合作用 (AP) 進行復制。自2004年發現第一個單層石墨烯(GR)以來，許多類似石墨烯的二維 (2D) 材料包括金屬氧化物/硫族化合物和無金屬材料（石墨烯衍生物、石墨碳氮化物（g- C3N4)、黑磷 (BP)、共價有機骨架 (COF) 等)，由于其獨特的物理化學性質，引起了人們對人工光合系統的廣泛關注。人工光合系統中的二維材料可以作為光吸收體捕獲太陽光，同時產生高能態電子-空穴對。由于二維材料納米級厚度的優點，光生電子可以迅速轉移到助催化劑進行還原反應（HER、CO2 還原和 固N2等），而光生空穴可以快速傳遞到水氧化催化劑上進行OER。除了光生載流子的快速遷移外，二維材料的大比表面積本身可以提供更多的活性位點，從而促進其催化活性。此外，二維材料的平面結構允許通過各種人工光合作用策略對其進行化學修飾。有鑒于此，西湖大學孫立成院士等人，綜述了用于人工光合作用合成太陽能燃料的2D材料的研究進展。1）從形貌控制的角度來看，構建具有不同結構的二維材料基光催化劑是調節其性能的有效策略之一。雖然將二維材料組裝成多層結構有利于光催化反應的進行，但界面工程的不可控限制了其進一步的改進。因此，將二維材料的厚度降低到原子級是另一種有效的調節材料性能的策略。該策略可以加速電子向面內轉移，同時減少光生載流子的復合。此外，原子厚度的二維材料的超薄性質導致更多內部原子的暴露，這些原子從超薄二維層的晶格中部分逃逸導致表面空位的形成。在某些情況下，空位也被報道為電子-空穴對的復合中心，導致參與光催化反應的載流子密度降低。因此，探索在二維材料中以合適的密度創造理想空位的有效方法對于高效光催化劑來說意義重大，也是強烈需要的。與空位策略類似，外來元素摻雜包括金屬摻雜（Rh、Pt、Co 等）和非金屬摻雜（C、B、N、P 等）也被證明可以拓寬可見光吸收，同時通過能帶取向調控調整二維光催化劑的電子結構。2）目前，在實驗室條件下，以二維材料為基礎的人工光合作用在促進光催化解水、CO2還原和固N2性能方面取得了許多突破，但工業應用尚處于起步階段。缺乏可精確控制層數和原子結構的二維材料的大規模生產的簡易和經濟技術是一個不可忽視的因素。此外，在光催化CO2還原方面，產品主要限于C1化學品，而不是具有更高能量密度和市場價值的C2+化學品。與傳統化石燃料相比，光催化CO2還原獲得的C1碳基產品的經濟優勢并不明顯。另一個問題是由于N≡N三鍵能高，N2在催化位點上的吸附和活化較弱，導致固N2的光催化活性相對較低，遠低于實際應用的要求。Jian Du et al. 2D materials for solar fuels via artificial photosynthesis. National Science Review, 2021.https://doi.org/10.1093/nsr/nwab116
9. AM綜述：用于典型電化學氧化還原反應的具有特殊配位構型的金屬-氮-碳催化劑
具有特殊配位結構的金屬-氮-碳（M-N-C）材料是價格昂貴的鉑（Pt）基催化劑的一種極有前途的替代催化劑。近年來，M-N-C材料的研究取得了很大進展，包括通過先進的合成策略和表征技術對M-N-C材料進行結構調控和局域配位環境識別，提高了其電催化性能，加深了人們對其基本原理的理解。近日，東華大學喬錦麗教授，中科院上硅所施劍林院士綜述了具有不同配位構型的M-N-C催化劑在氧還原反應（ORR）、析氧反應（OER）、析氫反應（HER）和CO2還原反應（CO2RR）等典型的能量相關電催化反應應用中的最新進展。1）作者首先詳細概述了構建具有精準配位構型的MN4、MN2和其他（MN1、MN3和MN5）的M-N-C催化劑的最新合成策略。2）深入探索M-N-C催化劑的結構信息，作者接下來對用于M-N-C催化劑表征的先進的表征技術（包括穆斯堡爾譜、X射線吸收譜、X射線近邊吸收結構(XANES)、擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)和X射線光電子能譜(XPS)）進行了總結，重點闡明了不同構型在提高催化活性中的作用。3）作者進一步綜述了具有特定構型的M-N-C在ORR、OER、HER和CO2RR等典型電催化氧化還原反應中的應用。4）作者最后討論了M-N-C電催化劑在可再生能源轉化應用中面臨的研究挑戰和潛在的發展趨勢。Yongxia Wang, et al, Metal–Nitrogen–Carbon Catalysts of Specifically Coordinated Configurations toward Typical Electrochemical Redox Reactions, Adv. Mater. 2021DOI: 10.1002/adma.202100997https://doi.org/10.1002/adma.202100997
10. AEM：鋰硫銀鍺礦作為固體電解質和正極前驅體助力長循環壽命的固態電池
基于轉換型正極的全固態電池，由于其高的理論比能量和潛在的安全性，有望超過鋰離子電池的性能。然而，由于復合正極的電子和離子導電性較差，使得固態電池的性能仍然不盡如人意。近日，清華大學南策文院士，吉森大學Jürgen Janek報道了利用“前驅體”（Li6PS5Cl0.5Br0.5）LPSCB固體電解質分解產物的硫和磷氧化還原活性作為ASSBs的活性物質(“二元氧化還原”)，獲得了室溫（RT）下高達12.56 mAh cm-2的面容量。1）由于復合正極結構的合理設計和電池的外加壓力，該電池在0.885 mA cm-2的大電流密度下循環1030次后，容量保持率高達94%，循環1030次后的放電能力約為1.24 mAh cm-2。2）研究人員通過互補表征方法揭示了對可逆容量有貢獻的主要反應。相應地，類LPS相在放電過程中分解為Li2S和P/LixP。而在充電過程中，還原產物被氧化成類LPS相，其中含有P2S74?、P2S62?和類Sx等多種聚陰離子。此外，在第一次放電過程中不可逆形成了LiCl和LiBr。研究工作加深了人們對硫代磷酸鹽固體電解質電化學反應的理解，為開發高性能的ASSB開辟了一條新的途徑。該方法也可推廣到其他硫銀鍺礦型硫代磷酸鹽固體電解質。Shuo Wang, et al, Lithium Argyrodite as Solid Electrolyte and Cathode Precursor for Solid-State Batteries with Long Cycle Life, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202101370https://doi.org/10.1002/aenm.202101370
11. AFM：一種內置的準固態聚醚電解質助力高電壓寬溫金屬鋰電池的穩定循環
開發與高電壓正極具有良好兼容性、電池在寬溫度范圍內可靠工作的固態電解質是固態金屬電池實用化的兩大瓶頸。近日，中國科學院過程工程研究所張鎖江院士，Shimou Chen，中國礦業大學（北京） Weibin Cai報道了開發了一種具有納米分級設計的原位準固態聚醚電解質（SPEE）。1）研究人員設計了微量復合引發劑體系，制備了聚合度高、固化時間短的納米級SPEE，表現出優異的催化活性和良好的聚合可控性。2）實驗結果顯示，SPEE表現出極好的循環穩定性。出色的性能主要是由于納米級SPEE改善了電極/電解質界面的相容性和增強了界面穩定性，從而導致Li||Li對稱電池具有優異的循環穩定性（在1 mA cm?2/1 mAh cm?2時，超過4000 h；在1 mA cm?2/4 mAh cm?2時，超過2000 h），同時，Na、K和Zn電池也是如此。3）PEE為在寬溫度范圍下工作（15-100 °C）和4 V以上電池（Li||LiCoO2和Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）提供了出色的循環穩定性。值得注意的是，Li|SPEE|LiFePO4電池表現出出色的長壽命，1 C循環1200次后容量保持率達85%；Li|SPEE|LiCoO2電池在200次循環后容量保持率達91.7%，庫侖效率（CE）超過99%。這項工作為開發滿足寬溫度適用性、高能量密度、長壽命和大批量生產要求的實用化SSMBs鋪平了道路。Yong Chen, et al, In-Built Quasi-Solid-State Poly-Ether Electrolytes Enabling Stable Cycling of High-Voltage and Wide-Temperature Li Metal Batteries, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102347https://doi.org/10.1002/adfm.202102347
12. Nano Res.：用逐步還原-氧化法揭示貴金屬烷烴脫氫催化劑的表面原子排列
對金屬納米顆粒的表面表征是納米催化中深入理解結構-功能關系的關鍵。納米顆粒的表面結構往往與亞表面不同，因此將表面和亞表面分開表征是一項具有挑戰性的工作。近日，清華大學李亞棟院士，美國普渡大學Jeffrey T. Miller，天津大學Miaolun Jiao報道了通過理論計算和擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)分析發現，貴金屬(Pt和Pd)的表面原子在空氣中被氧化，而亞表面原子不易被氧化。1）利用貴金屬納米粒子的氧化特性，研究人員提出了一種逐步還原-氧化的方法來確定貴金屬納米粒子的表面原子排列，并通過對典型的2-3 nm Pt和Pd納米粒子的表面結構進行分析，證實了該方法的合理性。2）研究人員利用還原-氧化法表征了Pd-Sb雙金屬催化劑的表面結構，結果表明，在2.70 ?處，表面Pd被鍵距較短的Sb原子很好地孤立，而次表面仍然存在Pd-Pd鍵。3）密度泛函理論（DFT）計算和Pd L邊X射線吸收近邊結構（XANES）分析結果表明，表面孤立的Pd顯著降低了Pd-烴的吸附能，從而使丙烷脫氫催化劑具有較高的丙烯選擇性和周轉頻率（TOF）。Chenliang Ye, et al, Revealing the surface atomic arrangement of noble metal alkane dehydrogenation catalysts by a stepwise reduction-oxidation approach, Nano Res., 2021DOI: 10.1007/s12274-021-3636-0https://doi.org/10.1007/s12274-021-3636-0
