1. Acc. Chem. Res.綜述：用于能源材料的冷凍電鏡技術
清潔能源生產、傳輸和分配技術的發展，例如高能量密度電池和高效太陽能電池，對于邁向可持續未來的進程至關重要?？茖W理解和技術創新需要對控制系統運行和故障的關鍵材料和基本過程進行原子和分子水平的理解。這些動態過程一般跨越多個長度和時間尺度，以及整個器件架構中涉及的材料和界面。然而，這些關鍵部件通常對空氣、濕氣和電子束輻射高度敏感，因此無法使用傳統的電子光學方法（如高分辨率(掃描)透射電子顯微鏡和光譜學）。
幸運的是，冷凍電鏡（cryo-EM）的快速發展已經為研究人員提供了一種新的工具和方法來探索能源科學中這些以前無法達到的組件和現象的長度尺度。具體而言，cryo-EM技術可以對在高能電子束照射和環境暴露下降解的弱結合和反應性材料、界面和相可能進行保護和穩定，從而解決能源科學中許多關鍵問題，并最終導致新的科學發現和實現技術突破。
美國斯坦福大學崔屹團隊一直致力于cryo-EM技術在能源材料領域的應用。在這篇綜述中，作者強調了cryo-EM對能源相關研究的重要性，以及由此可能產生的影響結果。主要回顧了cryo-EM在鋰（Li）電池、混合鈣鈦礦太陽能電池和金屬?有機骨架等方面的代表性研究。cryo-EM技術在揭示這些能源體系中敏感但關鍵組件的結構和化學信息方面顯示出巨大的應用前景。
本文要點：
1）作者首先總結了cryo-EM技術在解決電池中固體電解質界面、正極電解質界面和電極材料的納米結構和化學方面的應用，以闡明cryo-EM技術如何啟發合理的材料設計，并指導電池研究走向實際應用。
2）作者接下來探討了cryo-EM技術在幫助人們揭示弱鍵合金屬?有機骨架中的客體插層化學，從而形成宿主?客體相互作用的完整圖景。
3）作者總結了cryo-EM技術在用于太陽能電池的混雜鈣鈦礦材料方面的研究，其中cryo-EM技術在保存揮發性有機分子，保護鈣鈦礦不受任何空氣或水分污染方面發揮了巨大作用。
4）作者最后對cryo-EM技術在能源和材料科學中的未來發展方向進行了展望和簡要總結。
Zewen Zhang, et al, Cryogenic Electron Microscopy for Energy Materials, Acc. Chem. Res., 2021
DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00183
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00183
2. JACS：金屬有機骨架中原子分散的銅位點用于NO2還原
金屬有機骨架（MOFs）材料由于其結構多樣性、固有孔隙率和可設計性，為制備單原子催化劑提供了很好的平臺。然而，由于表征方法的限制和缺乏直接的結構信息，精準識別原子分散金屬中心的明確識別和闡明它們在催化中的作用仍然極具挑戰性。近日，英國曼徹斯特大學楊四海教授，Martin Schr?der，Daniel Lee報道了UiO-66中原子分散的Cu位點在常溫下催化還原NO2的結構和作用的綜合研究。
本文要點：
1）大角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡、電子順磁共振光譜和非彈性中子散射證實了Cu原子在UiO-66上的分散，并通過中子粉末衍射和固體核磁共振光譜確定了Cu原子在UiO-66上的位置。
2）Cu/UiO-66催化劑在不使用還原助劑的情況下，在25 °C下對NO2還原表現出優異的催化性能。在低溫等離子體活化條件下，在NO2轉化率97%、壽命超過50 h、周轉頻率為6.1 h-1的條件下，N2的選擇性為88%。
3）研究人員通過紅外光譜、固體核磁共振和EPR光譜揭示了Cu/UiO-66催化劑中Cu位點在NO2分子吸附和活化過程中的重要作用，形成了促進NO2向N2轉化的{Cu(I)···NO}和{Cu···NO2}加合物。
本研究將對新型高效單原子催化劑在催化中的作用進行深入研究，為進一步設計和研究新型高效的單原子催化劑奠定了基礎。
Yujie Ma, et al, Atomically Dispersed Copper Sites in a Metal?Organic Framework for Reduction of Nitrogen Dioxide, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c03036
https://doi.org/10.1021/jacs.1c03036
3. JACS：1 nm PtIr納米線作為高效雙功能電催化劑用于乙醇電合成高附加值多碳化合物及制氫
高附加值多碳化合物的電合成以及制氫是實現碳中性的有效途徑，然而，由于缺乏高效雙功能催化劑，在很大程度上阻礙了其發展。近日，北京大學郭少軍教授報道了首次開發了一種1 nm PtIr納米線（NWs）雙功能催化劑，用于在陽極電合成高附加值1,1-二乙氧基乙烷（DEE），在陰極電合成高純度H2。
本文要點：
1）研究人員以Pt（II），乙酰丙酮鉑（Pt(acac)2）和Ir（III），2,4-戊二酸銥（Ir(acac)3）為金屬前驅體，六羰基鉬（Mo(CO)6）和1-十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）原位釋放CO為結構導向劑，油胺為還原劑，采用膠體化學法合成了超細PtIr合金NWs。
2）實驗結果表明，采用1 nm PtIr納米線雙功能催化劑的電池電壓僅需0.61 V，電流密度即可達到10 mA cm?2，遠低于Pt NWS（0.85 V）和商用Pt/C（0.86 V），并且在所有已報道的電合成催化劑中，具有85%的最高DIE法拉第效率，以及94.0%的析氫效率。
3）原位紅外光譜研究表明，PtIr NWs可以促進乙醇中O?H鍵和C?H鍵的活化，這對乙醛中間體的形成起重要作用，最終形成DEE。此外，基于PtIr NWs雙功能催化劑的電池表現出良好的穩定性，DIE法拉第效率沒有明顯的降低。
Kun Yin, et al, One Nanometer PtIr Nanowires as High-Efficiency Bifunctional Catalysts for Electrosynthesis of Ethanol into High Value-Added Multicarbon Compound Coupled with Hydrogen Production, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c04626
https://doi.org/10.1021/jacs.1c04626
4. JACS：DNA框架編碼熒光各向異性條形碼
熒光各向異性（FA）由于能夠有效區分具有重疊發射光譜的熒光團，對于多通道分析和生物分子成像具有巨大的潛力。然而，它對于環境變化的易感性阻礙了其在生物和生物技術中的廣泛應用。有鑒于此，中科院上海應用物理所的Jiang Li等研究人員，開發了DNA框架編碼熒光各向異性條形碼。
本文要點：
1）研究人員通過在熒光蛋白類似微環境中骨架化熒光團，設計了FA DNA框架（FAFs）。
2）研究人員發現，熒光團的FA穩定性由于FAFs的隔離效應顯著性地優化。
3）熒光團的FA水平當被放在FAF中不同的位置可以被微調，類似于蛋白結合的熒光團的光譜移動。
4）FAFs的高編碼性進一步實現編碼的FA條形碼全譜的設計，用作核酸的多色感應以及活細胞的多色標記。
本文研究的FAF系統為設計多色FA探針建立了一個新的范式，用于細胞成像和其他生物應用。
Qiuling Huang, et al. Encoding Fluorescence Anisotropic Barcodes with DNA Fameworks. JACS, 2021.
DOI：10.1021/jacs.1c04942
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04942
5. JACS：利用電化學表面等離子體共振光譜研究金屬鋰沉積初期過程
鋰金屬在負極表面電沉積的初始過程決定了鋰金屬充電電池的充電性能。然而，在操作條件下，很難發現鋰金屬的微小沉積或早期成核和生長過程。有鑒于此，日本產業技術綜合研究所的Mitsunori Kitta等研究人員，報道了利用電化學表面等離子體共振光譜研究金屬鋰沉積初期過程。
本文要點：
1）研究人員提出了一種光學診斷方法來解決這些挑戰。表面等離子體共振（SPR）光譜結合電化學操作是一種很有前途的技術，它可以超靈敏地檢測鋰金屬電沉積的初始階段。
2）SPR在沉積在玻璃襯底上的薄銅膜中被激發，該薄膜還用作電流收集器，使得電化學鋰金屬沉積成為可能。
3）對于碳酸丙烯酯（PC）基鋰離子電池電解液，在循環伏安法和恒流操作下，通過反射光譜中SPR吸收傾角的變化可以很容易地檢測到鋰金屬沉積。
4）電化學SPR對金屬沉積具有很高的靈敏度，能夠檢測出約0.1 nm的平均厚度，相當于鋰的幾個原子層。
5）為了確定生長機理，模擬了各種可能的Li金屬沉積過程的SPR反射光譜。將模擬光譜與實驗數據進行了比較，發現與眾所周知的PC基電解液中Li金屬沉積的成核和生長模型吻合得很好。
本文研究表明，電化學SPR測量對于鋰金屬沉積過程的基礎研究具有重要意義。
Mitsunori Kitta, et al. Electrochemical Surface Plasmon Resonance Spectroscopy for Investigation of the Initial Process of Lithium Metal Deposition. JACS, 2020.
DOI：10.1021/jacs.1c04934
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04934
6. JACS：具有圓偏振發光的手性膦-碘化銅雜化團簇組裝材料
手性發色團及其有序組裝對產生圓偏振發光 (CPL) 和探索內在結構-發光關系非常重要。隨著用于放大 CPL 的手性有機分子和無機納米粒子組裝的廣泛研究，鹵化銅雜化團簇的組裝由于其潛在的高效 CPL 性質引起了廣泛關注。近日，中科大Hong-Bin Yao等報道了一穩定的手性膦-碘化銅雜化團簇（R/S-Cu2I2(BINAP)2）及其結晶狀態的層狀組裝，用于增強 CPL。
本文要點：
1）作者發現，分子間的相互作用使得該團簇具有組裝成手性晶體 CPL 材料的能力，包括六方片狀微晶（glum ≈ 9.5 × 10-3）和高度取向的晶體薄膜（glum ≈ 5 × 10-3）。
2）由于獲得的薄膜具有高結晶特性，作者進一步將其用作具有明亮電致發光 (1200 cd m-2) 的電致發光器件。
該工作是基于手性 Cu-I-膦雜化團簇組裝材料的實現理想的 CPL 特性和光電性能的第一個例子，這意味著在從手性雜化團簇構建 CPL 材料和器件方面取得了開創性進展。
Jing-Jing Wang, et al. Chiral Phosphine–Copper Iodide Hybrid Cluster Assemblies for Circularly Polarized Luminescence. J. Am. Chem. Soc. 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c05476
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05476
7. EES：準雙星鎳、鐵活性中心用于高效CO2電還原
盡管大多數Ni基單原子催化劑（Ni-N-C）的法拉第效率（FEs）在電化學還原CO2（CO2RR）為CO方面都取得了令人滿意的結果（一般>90%），但其較高的過電位（>600 mV vs.RHE）仍然限制了實際應用，這意味著催化CO2RR所需的能量消耗較高。結合Ni-N-C和Fe-N基催化劑的優點，西班牙加泰羅尼亞納米科學與納米技術研究所Jordi Arbiol，中科院高能物理研究所Lirong Zheng，德國于利希研究中心Pengyi Tang報道了制備了一種準雙星Ni/Fe催化劑，從而在CO2RR過程中實現高選擇性和低過電位。
本文要點：
1）一方面，由于CO鍵合較弱，Ni-N-C催化劑具有快速脫附*CO（CO*→CO+*）的能力，而Fe-N活性中心由于第一質子耦合電子轉移速度快，通常對CO2RR表現出較低的過電位。同時，催化劑中緊密定位的Fe、Ni活性中心之間的協同作用可起到納米反應器的作用，顯著影響兩個分離活性中心的不同反應步驟，從而提高CO2RR活性和選擇性。此外，在特定的環境中，Ni中心附近Fe的存在會影響兩個活性中心之間的電子密度和構型環境，從而促進CO2RR過程中中間體的吸附和脫附。
2）研究人員通過一鍋溶劑熱合成，代替復雜的多步摻雜過程，通過合理控制Zn基IRMOF-3中Ni和Fe的添加量，制備了三元金屬-有機骨架（MOFs）。然后通過簡單的熱解形成相鄰的Ni和Fe雙活性中心。
3）實驗結果表明，優化后的Ni7/Fe3-N-C樣品在較低的過電位（390 mV vs.RHE）下表現出良好的CO選擇性（FECO達到98%），優于單金屬催化劑（Ni-N-C和Fe-N-C催化劑）和其他先進的單/雙原子催化劑。
4）密度泛函（DFT）計算結果表明，與Ni-N-C催化劑相比，這種具有相鄰Ni和Fe中心的雙金屬催化劑更有利于COOH*的生成。此外，Ni/Fe-N-C催化劑不僅可以促進CO*的脫附，而且與Fe-N-C相比，還可以限制不需要的HER副反應，從而實現對CO2RR的雙贏活性。因此，出色的催化活性歸因于相鄰Ni和Fe活性中心之間的協同效應，在吸附和脫附過程中對不同中間體的結合能起著重要的調節作用，影響著CO2RR的不同反應步驟。
研究工作不僅證明了具有鄰近雙金屬單原子的催化劑是極有前途的CO2RR電催化劑，而且揭示了這種雙金屬中心可以很好地作為納米反應器，影響不同活性中心的不同反應步驟。
Ting Zhang, et al, Quasi-Double-Star Nickel and Iron Active Sites for High-Efficient Carbon Dioxide Electroreduction, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D1EE01592C
https://doi.org/10.1039/D1EE01592C
8. EES：反應中間體介導的電催化劑合成有利于特定的面和缺陷暴露用于高效的硝酸鹽-氨轉化
電化學硝酸鹽（NO3-）還原反應（NO3-RR）具有比氮（N2）還原（NRR）更快的動力學，提供了在環境條件下合成氨（NH3）的新途徑。然而，由于缺乏強有力的電催化劑來抑制大電流密度下的析氫（HER）副反應，NO3-RR的NH3產率仍然遠低于工業哈伯-博世路線。
近日，深圳大學何傳新教授報道了提出了一種合成富Cu(100)面的粗糙Cu納米帶（Cu-NBs-100）的方法，在此過程中，NO3-RR的中間體與Cu(100)面具有強相互作用，可以顯著促進Cu(100)表面的暴露。通過在電化學還原超薄CuO納米帶的過程中提供NO3-的環境來有利地暴露Cu面，從而開發出一種簡單的策略來顯著提高NO3-轉化為NH3的活性和選擇性。
本文要點：
1）研究發現，Cu NBs粗糙的表面使得在Cu(100)面上產生了大量的缺陷。密度泛函理論（DFT）計算和吸附實驗表明，Cu(100)面和表面缺陷可以協同提高NO3*和H*的吸附強度，從而分別降低NO3-RR的反應勢壘和抑制HER。
2）實驗結果表明，Cu-NBs-100對NO3-RR表現出優異的催化性能，-0.15 V（vs. RHE）時，FENH3達到95.3%，最大產NH3產率為650 mmol gcat-1 h-1。
上述發現為利用Cu(100)和缺陷的協同作用促進NO3-RR向NH3生成提供了一條新的途徑。
Qi Hu, et al, Reaction intermediates-mediated electrocatalysts synthesis favors specified facets and defects exposure for efficient nitrate-ammonia conversion, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D1EE01731D
https://doi.org/10.1039/D1EE01731D
9. AM：高溫超快燒結用于制備多孔固態電解質支架
固態電池比傳統的液態或凝膠電池具有更好的安全性和更高的能量密度。在實際應用中，固態電解質通常需要由陶瓷固態電解質制成的三維多孔支架。近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授報道了開發了一種簡單而有效的方法來燒結三維多孔SSE支架。
本文要點：
1）該方法基于碳加熱器的焦耳加熱，用于在高溫下以秒為單位反應燒結SSE前體。高溫可以快速反應燒結到所需的晶相，并加速晶粒的表面擴散以促進生長；同時，較短的燒結時間限制了粗化，從而精確地控制致密化程度，以保留所需的多孔結構，并減少揮發性元素的損失。通過精確控制燒結溫度和時間，可以獲得純晶相和所需的多孔結構。
2）這種方法適用于一系列基底（例如Al2O3板、鈦、不銹鋼和碳紙）上的許多陶瓷SSEs（例如LLZTO、LATP和LLTO）。同時，這種薄而多孔的結構有望應用在柔性電池中。
3）作為概念驗證，所得到的P?LLZTO支架具有連續的鋰離子通道和良好潤濕性的P-LLZTO/PEO界面，在室溫下獲得了高達1.9×10-4 S cm-1的離子電導率。
這種方法為構建一系列用于全固態電池應用的基于SSEs的3D支架提供了一條新的途徑。
Ruiliu Wang, et al, High-Temperature Ultrafast Sintering: Exploiting a New Kinetic Region to Fabricate Porous Solid-State Electrolyte Scaffolds, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202100726
https://doi.org/10.1002/adma.202100726
10. AM：鐵單原子催化用于喹啉合成
單原子催化生產高價值化學品因其顯著的選擇性而成為工業研究的熱點。迄今為止，成功的報道大多是基于氣相反應，而關于液相催化的報道相對較少，這主要歸因于單原子催化劑（SACs）對反應物的活化不足，以及在溶液中的不穩定性所致。近日，新加坡國立大學Kian Ping Loh，華南理工大學彭新文教授報道了通過將金屬離子前體固定在天然木材中，然后碳化轉化為穩定的SACs，成功構建了一個穩固的SACs體系。
本文要點：
1）研究人員采用了一種改進的自上而下的方法，將SAC固定在層次化多孔碳上。通過制漿造紙工業中形成黑液的類似預處理工藝，利用金屬離子前驅體（FeCl3、CoCl2、NiCl2或CuCl2）處理天然樺木，金屬離子在預處理過程中強烈結合了木質素中的含氧基團，并破壞β-O-4醚鍵。然后，水熱處理的木材在高溫下用外源氮源（尿素）碳化，從而轉化為穩定的SAC（Fe-T SACs，其中T代表熱解溫度）。
2）研究發現，通過優化金屬與N4的配位（金屬=Fe、Co、Ni或Cu），發現其對三元環氧化合成6-甲氧基-2-苯基喹啉表現出優異的活性和選擇性（68%），優于基準的Pd/C、Fe/C和均相FeCl3催化劑。而密度泛函理論（DFT）計算表明，Fe-N4配位中心比Fe-C2 N2和Fe-C1N3催化中心具有更低的縮合和產物解吸反應勢壘，從而提供了更高的反應效率。
所合成的碳基SAC的綜合用途，再加上其可重復使用和可擴展性，使其在工業規模催化領域中具有廣闊的應用前景。
Zhongxin Chen, et al, Iron Single Atom Catalyzed Quinoline Synthesis, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202101382
https://doi.org/10.1002/adma.202101382
11. ACS Nano：低溫下具有高熱電功率因數的納米結構無機硫屬化物-碳納米管絲
柔性熱電材料作為一種能量轉換裝置，能夠與任意形狀的熱源進行保形接觸，具有極大的吸引力。然而，性能較低的柔性熱電材料的低性能并不能超越脆性無機熱電材料，這無疑阻礙了它們的實際應用。近日，韓國科學技術研究院（KIST）Heesuk Kim，首爾大學Chong Rae Park報道了利用電子捕獲（ECD）技術展示了一種在室溫下具有優異功率因數的納米結構的無機硫化物-碳納米管（CNT）紗線。
本文要點：
1）純CNT紗線具有優異的導電性和形狀因數，可以方便地用作ECD中的電荷傳輸層，使Sb2Te3和Bi2Te3層均勻沉積在CNT表面。在脈沖電位分別為?0.35 V和?0.1 V時，CNT分別與Sb2Te3和Bi2Te3雜化，在120 °C熱退火后表現出最佳的p型和n型TE特性。
2）實驗結果顯示，Sb2Te3?Bi2Te3?CNT雜化紗線在298 K時的功率因數分別為3425和2730 μW/(m·K2)，在目前所報道的柔性TE材料中具有最高的功率因數。
3）在納米結構CNT絲出色的TE性能和形狀優勢的基礎上，研究人員制備了具有150 個PN對的全CNT基柔性TEG，在ΔT=5 K和20 K時的最大功率密度分別為24和380 mW/m2。此外，將柔性TEG覆蓋人體前臂等熱源，可產生有意義的輸出電壓和功率。
這項研究為實現具有優異性能的柔性TE材料和用于自供電可穿戴應用的高度集成的TEG展示了一種極有前途的途徑。
Taemin Lee, et al, Nanostructured Inorganic Chalcogenide-Carbon Nanotube Yarn having a High Thermoelectric Power Factor at a Low Temperature, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c02508
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02508
12. ACS Nano：太陽能可持續水生產：陽光-能源-水聯系的先進技術
替代水資源（海水、微咸水、大氣水、污水等）可以通過高效、節能、經濟的方式轉化為清潔的淡水，以應對全球水危機。近日，昆士蘭大學Yusuke Yamauchi，Yusuf Valentino Kaneti，河海大學Tao Yang，Xingtao Xu等全面系統地概述了用于替代水資源利用的各種太陽能技術（即“陽光-能源-水的聯系”），包括太陽能-熱界面海水淡化 (STID)、太陽能-熱膜海水淡化 (STMD) 、太陽能驅動的電化學海水淡化 (SED) 和太陽能熱大氣集水 (ST-AWH)。
本文要點：
1）通過分析由太陽能熱轉換引起的蒸發和冷凝過程的能量轉移，作者提出了三種策略，用于將 STID 系統的蒸發率提高到理論極限以上，并設計全天候或全天運行的 STID 系統。
2）作者還詳細介紹了另外兩種太陽能驅動的海水或微咸水淡化技術（STMD和SED）的基本原理和當前研究熱點。
3）此外，作者還在技術設計、材料進化、器件組裝等方面涵蓋了ST-AWH等太陽能技術。
4）最后，作者總結了這篇綜合綜述的內容，并討論了不同類型的太陽能替代水利用技術的挑戰和未來展望。
Zhengtong Li, et al. Solar-Powered Sustainable Water Production: State-of-the-Art Technologies for Sunlight–Energy–Water Nexus. ACS Nano, 2020
DOI: 10.1021/acsnano.1c01590
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01590
