1. Nature Commun.：通過(guò)雙配體輔助包封策略賦予共價(jià)有機(jī)骨架納米粒子多功能性
通過(guò)將功能性納米顆粒封裝在共價(jià)有機(jī)骨架（COFs）內(nèi)，可進(jìn)一步拓展COFs的潛在應(yīng)用。然而，合成具有無(wú)團(tuán)聚的單分散核殼結(jié)構(gòu)COF納米復(fù)合材料仍然面臨極大挑戰(zhàn)。近日，復(fù)旦大學(xué)李曉民教授報(bào)道了一種合成均勻無(wú)機(jī)納米粒子功能化COF納米復(fù)合材料的通用雙配體輔助策略。通過(guò)這種通用策略，COFs可以被賦予豐富而獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)特性。1）采用雙配體輔助策略合成均勻的無(wú)機(jī)納米粒子功能化的核/殼結(jié)構(gòu)的COF納米復(fù)合材料主要包括三個(gè)部分：i）聚乙烯亞胺（PEI）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）配體在初始納米粒子表面的順序粘附；ii）COF殼層單體在納米顆粒上的可控組裝；iii）非晶殼的進(jìn)一步生長(zhǎng)和熱結(jié)晶。基于這種策略，研究人員成功制備出均勻的核@殼、空心、碗形、蛋黃殼和核@衛(wèi)星殼納米結(jié)構(gòu)，殼層厚度可以在10~50 nm范圍內(nèi)很好地進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，使用不同類型的單體還可以改變COF殼層的組成。2）利用得到的無(wú)機(jī)納米粒子功能化的COF納米復(fù)合材料，可以克服純COF的一些應(yīng)用困境。例如，卟啉基COF作為光動(dòng)力療法（PDT）的光敏劑顯示出巨大的潛力，但它只能在組織穿透深度不足的可見(jiàn)光下被激活。而通過(guò)將上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）與卟啉基COF相結(jié)合，則克服了這一困境。利用UCNPs核的近紅外（NIR）到可見(jiàn)光光學(xué)特性和COF殼的固有孔隙性，將所合成的核@殼納米復(fù)合材料作為協(xié)同NIR-活化的PDT和化療的多功能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的抗腫瘤效果。Chen, L., Wang, W., Tian, J. et al. Imparting multi-functionality to covalent organic framework nanoparticles by the dual-ligand assistant encapsulation strategy. Nat Commun 12, 4556 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-24838-7https://doi.org/10.1038/s41467-021-24838-7
2. Nature Commun.：表面富集和擴(kuò)散用于鋰離子電池富鎳正極的梯度摻雜和涂覆
層狀富鎳正極商業(yè)化面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括其容量的快速衰減和晶體解體的熱失控以及界面的不穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)結(jié)合表面改性是克服這些問(wèn)題的最終選擇。近日，華東理工大學(xué)江浩教授報(bào)道了采用草酸鹽輔助沉積和隨后的熱驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散法，設(shè)計(jì)并制備了同步梯度Al摻雜和LiAlO2涂覆的LiNi0.9Co0.1O2正極。1）理論計(jì)算、原位X射線衍射結(jié)果和有限元模擬證實(shí)，Al3+先于Ni2+進(jìn)入四面體空隙，消除了Li/Ni無(wú)序和內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力。鋰離子導(dǎo)電的LiAlO2表皮可防止電解質(zhì)滲透邊界，并減少副反應(yīng)。2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，開(kāi)發(fā)的富鎳正極在100次循環(huán)后保持97.4%的循環(huán)性能，20 C時(shí)的快速充電容量為127.7 mAh g?1。采用富鎳正極和石墨負(fù)極的3.5 Ah軟包電池的循環(huán)壽命超過(guò)500次，容量損失僅為5.6%。這項(xiàng)工作解決了富鎳正極的晶體崩解和界面不穩(wěn)定兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并為開(kāi)發(fā)高能正極提供了一種雙重改性的途徑。Yu, H., Cao, Y., Chen, L. et al. Surface enrichment and diffusion enabling gradient-doping and coating of Ni-rich cathode toward Li-ion batteries. Nat Commun 12, 4564 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-24893-0https://doi.org/10.1038/s41467-021-24893-0
3. Nature Commun.：缺陷型Ni-Fe層狀雙氫氧化物上的Ru單原子催化位點(diǎn)用于整體水分解
單原子催化劑的合理設(shè)計(jì)是高效可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。對(duì)于堿性電解液中的電催化材料來(lái)說(shuō)，活性中心的原子水平控制至關(guān)重要。此外，精準(zhǔn)的表面結(jié)構(gòu)有助于深入理解催化機(jī)理。近日，大連理工大學(xué)侯軍剛教授報(bào)道了開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)簡(jiǎn)單的電沉積和隨后的刻蝕過(guò)程合成了穩(wěn)定在缺陷型NiFe-LDH上的釕（Ru）單原子催化劑（Ru1/D-NiFe LDH）的策略，這是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。1）研究人員通過(guò)球差校正透射電子顯微鏡和X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)譜的聯(lián)合分析揭示了NiFe-LDH上Ru單原子的存在以及Ni、Fe和Ru位的深層局域原子結(jié)構(gòu)。2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雖然Ru和NiFe-LDH一直被認(rèn)為是活性的OER催化劑，但合成的Ru1/D-NiFe LDH催化劑也具有出色的HER電催化性能，在18 mV的超低過(guò)電位下的電流密度為10 mA cm?2，，100 mV過(guò)電位下的周轉(zhuǎn)頻率為7.66 s?1 （是商用Pt/C催化劑的45倍）。由Ru1/D-NiFe LDH組裝的雙電極電池在1.72 V的低電池電壓下，在堿性介質(zhì)中的工業(yè)電流密度達(dá)到500 mA cm?2。3）密度泛函理論(DFT)計(jì)算結(jié)果表明，用于HER的Ru1/D-NiFe LDH優(yōu)化了H吸附能，同時(shí)由于Ru-O部分的存在促進(jìn)了O-O耦合。此外，豐富的活性中心加速了水分解動(dòng)力學(xué)，從而提高了催化劑固有的HER和OER活性。這項(xiàng)工作為研究缺陷型NiFe LDH納米片上孤立的Ru單原子在提高電催化性能方面的作用奠定了良好的基礎(chǔ)。Zhai, P., Xia, M., Wu, Y. et al. Engineering single-atomic ruthenium catalytic sites on defective nickel-iron layered double hydroxide for overall water splitting. Nat Commun 12, 4587 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-24828-9https://doi.org/10.1038/s41467-021-24828-9
4. Nature Commun.：鐵電極化與氧空位協(xié)同促進(jìn)CO2光還原
太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光催化CO2還原（CO2RR）為增值化學(xué)品和燃料成為CO2轉(zhuǎn)化的重要途徑。然而，低效的電子-空穴分離和復(fù)雜的多電子轉(zhuǎn)移過(guò)程嚴(yán)重限制了光催化CO2RR的效率。盡管，人們已經(jīng)報(bào)道了通過(guò)使用助催化劑來(lái)增加電荷分離、表面修飾策略以豐富反應(yīng)位點(diǎn)以及形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)或小面結(jié)以增強(qiáng)各向異性光生電荷遷移等諸多手段改善光催化CO2RR性能。然而，CO2的轉(zhuǎn)化效率仍然較低，不足以用于潛在的工業(yè)應(yīng)用。近日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）張以河教授，黃洪偉教授，澳大利亞斯威本科技大學(xué)馬天翼教授報(bào)道了利用Bi3TiNbO9納米薄片作為概念驗(yàn)證材料，詳細(xì)研究了鐵電極化和表面氧空位（OVs）濃度的影響，其原理有望推廣到另一種材料體系。1）研究人員制備了鐵電Bi3TiNbO9納米薄片，并利用電暈極化來(lái)增強(qiáng)其鐵電極化，以促進(jìn)Bi3TiNbO9納米薄片中的體電荷分離。此外，還引入了表面氧空位，以擴(kuò)大合成材料的光吸收，并促進(jìn)CO2分子在催化劑表面的吸附和活化。同時(shí)，OVs對(duì)鐵電疇起釘扎作用，使Bi3TiNbO9納米薄片能夠保持優(yōu)異的鐵電極化，從而解決了上述光催化CO2RR面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)優(yōu)化處理的Bi3TiNbO9具有顯著提高的光催化CO2RR性能，CO產(chǎn)率為20.91 μmol·g-1 h-1，優(yōu)于純Bi3TiNbO9納米片和單一處理的光催化CO生成速率。3）實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，電暈極化和OVs擴(kuò)大了Bi3TiNbO9光響應(yīng)范圍、提高了電荷分離效率和表面活性中心。系統(tǒng)分析表明，鐵電極化和OVs協(xié)同促進(jìn)了光催化CO2RR。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了鐵電性和可控表面缺陷工程的重要性，并突出了調(diào)節(jié)體和表面性質(zhì)在提高光催化CO2RR性能中的關(guān)鍵作用。Yu, H., Chen, F., Li, X. et al. Synergy of ferroelectric polarization and oxygen vacancy to promote CO2 photoreduction. Nat Commun 12, 4594 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-24882-3https://doi.org/10.1038/s41467-021-24882-3
5. JACS：α,β-不飽和羰基化合物三氟甲基化疊氮雙官能團(tuán)化
烯烴疊氮化反應(yīng)是合成有機(jī)疊氮化合物的重要方法，有機(jī)疊氮基團(tuán)在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域非常重要的結(jié)構(gòu)，但是立體選擇性的自由基疊氮化反應(yīng)安裝C-N3化學(xué)鍵仍具有非常高的挑戰(zhàn)，因?yàn)樽杂苫鶊F(tuán)結(jié)構(gòu)獨(dú)特、而且非常不穩(wěn)定。有鑒于此，四川大學(xué)劉小華、馮小明，北京大學(xué)深圳研究生院吳云東等報(bào)道以手性N,N′-雙氧化物/Fe(OTf)2催化劑體系，能夠高效率的進(jìn)行α,β-不飽和酮/酰胺的烯烴上進(jìn)行碳疊氮化反應(yīng)，該反應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些取代烯烴底物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的α-疊氮化羰基衍生物，表現(xiàn)了較好或優(yōu)異的立體選擇性，能夠用于合成手性α-氨基酮、鄰氨基醇、鄰二胺等。1）反應(yīng)情況。以α,β-不飽和羰基化合物作為烯烴底物，以Togni試劑提供CF3基團(tuán)的試劑，以TMSN3作為疊氮化試劑，以Fe(OTf)2/手性N,N′-雙氧化物手性催化劑，在70 ℃ DME溶劑中進(jìn)行反應(yīng)。2）通過(guò)控制性實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)機(jī)理研究，揭示該反應(yīng)的自由基反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)DFT計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)疊氮基團(tuán)通過(guò)分子內(nèi)五元環(huán)過(guò)渡態(tài)進(jìn)行。Wen Liu, et al, Iron-Catalyzed Enantioselective Radical Carboazidation and Diazidation of α,β-Unsaturated Carbonyl Compounds, J. Am. Chem. Soc. 2021DOI: 10.1021/jacs.1c05881https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05881
6. JACS：[Pt2Cu34(PET)22Cl4]2–：含有Pt-Pt 鍵的原子精確的 10 電子 PtCu 雙金屬納米團(tuán)簇
雜原子摻雜的金屬納米團(tuán)簇 (NCs) 是從根本上了解摻雜對(duì)電子結(jié)構(gòu)和催化性能影響的理想模型體系。不幸的是，當(dāng)金屬原子尺寸差異很大（例如，Cu 和 Pt）時(shí)，它們的受控合成極具挑戰(zhàn)性。近日，國(guó)立首爾大學(xué)Taeghwan Hyeon，廈門(mén)大學(xué)鄭南峰，芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)Hannu H?kkinen等報(bào)道了一種金屬交換策略，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) NCs 的摻雜和尺寸調(diào)整。1）作者通過(guò) [Cu32(PET)24Cl2H8]2- NC 與 Pt4+ 離子反應(yīng)合成了[Pt2Cu34(PET)22Cl4]2- NC，這是Pt 摻雜的 Cu NCs 的首例報(bào)道。2）單晶 X 射線結(jié)構(gòu)表征表明，該團(tuán)簇中兩個(gè)直接鍵合的 Pt 原子占據(jù)了一個(gè)異常互穿的不完整雙二十面體核 (Pt2Cu18) 的兩個(gè)中心，該核由 Cu16(PET)22Cl4 殼穩(wěn)定。作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果結(jié)合進(jìn)一步驗(yàn)證了該團(tuán)簇的分子結(jié)構(gòu)和組成。3）密度泛函理論的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，Pt2Cu34 NC 是一個(gè) 10 電子超原子。計(jì)算的吸收光譜與測(cè)量數(shù)據(jù)匹配良好。作者還通過(guò)計(jì)算合理化了質(zhì)譜數(shù)據(jù)中觀察到的配體交換現(xiàn)象。4）Pt 摻雜引起的協(xié)同效應(yīng)在溫和條件下將 Cu NCs 的催化活性（硅烷轉(zhuǎn)化為硅烷醇）提高了約 300 倍。此外，該合成策略有望用于合成Ni、Pd 和 Au 摻雜的 Cu NCs，這將為揭示其分子結(jié)構(gòu)和催化性能開(kāi)辟新的途徑。Sanghwa Lee, et al. [Pt2Cu34(PET)22Cl4]2–: An Atomically Precise, 10-Electron PtCu Bimetal Nanocluster with a Direct Pt–Pt Bond. J. Am. Chem. Soc. 2021DOI: 10.1021/jacs.1c04002https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04002
7. JACS：圖靈膜的區(qū)域誘導(dǎo)沉積效應(yīng)助力高容量無(wú)枝晶鋅基電池
鋅基電池具有成本低、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鋅化學(xué)通常會(huì)遇到嚴(yán)重的枝晶問(wèn)題，特別是在高面容量和高電流密度下，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。近日，中科院大連化物所李先鋒研究員報(bào)道了以薄膜設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，提供了一種用于開(kāi)發(fā)高面積容量鋅基電池的有效途徑。1）研究人員設(shè)計(jì)的PBI膜（圖靈-PBI）具有有序和起伏的條紋。由于獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)，圖靈-PBI具有突出的有效接觸面積和超高的陽(yáng)離子選擇性，從而提供了高的離子導(dǎo)電性。更重要的是，即使在高電流密度下，這些因素也可以通過(guò)區(qū)域誘導(dǎo)沉積效應(yīng)抑制高面容量的鋅枝晶。2）在這個(gè)調(diào)控機(jī)制中，圖靈條紋和配位Cu離子（Cu2+，Cu+）都參與了鋅的均勻沉積。此外，圖靈-PBI中的波峰和波谷可以有效地調(diào)節(jié)Zn(OH)42?的分布，從而獲得更大的沉積空間。而表面配位的銅離子進(jìn)一步與Zn(OH)42?相互作用，使鋅沉積更加平滑。3）基于圖靈-PBI的鋅對(duì)稱液流電池（ZSFB）具有較低的Zn成核過(guò)電位、低的極化和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。即使在80 mA·cm?2的高電流密度下，堿性Zn?Fe液流電池在420 h內(nèi)仍能穩(wěn)定工作，面容量高達(dá)160 mA·h·cm?2，循環(huán)約110次，能量效率（EE）高達(dá)90.10%，幾乎是目前報(bào)道過(guò)的鋅基電池的最佳性能。本文以膜設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，為獲得高面積容量的鋅基電池提供了有效途徑，促進(jìn)了鋅基電池的發(fā)展。Jine Wu, et al, Dendrite-Free Zinc-Based Battery with High Areal Capacity via the Region-Induced Deposition Effect of Turing Membrane, J. Am. Chem. Soc., 2021DOI: 10.1021/jacs.1c04317https://doi.org/10.1021/jacs.1c04317
8. JACS：一種導(dǎo)電鋰離子金屬?有機(jī)骨架
金屬有機(jī)骨架（MOFs）是一類重要而又極具挑戰(zhàn)性的電化學(xué)儲(chǔ)能材料。然而，由于精確的化學(xué)和結(jié)構(gòu)控制具有強(qiáng)制性，關(guān)于電活性MOF的化學(xué)原理仍然沒(méi)有得到深入研究。例如，迄今為止，人們還沒(méi)有合成出具有鋰離子儲(chǔ)存和可逆氧化還原（像傳統(tǒng)的鋰離子正極）的陰離子型MOFs。近日，比利時(shí)法語(yǔ)魯汶天主教大學(xué)Alexandru Vlad 報(bào)道了通過(guò)合理控制配體與過(guò)渡金屬的化學(xué)計(jì)量比和原型CPO27中的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元(SBU)拓?fù)洌_(kāi)發(fā)了通式為L(zhǎng)i2-M-DOBDC的導(dǎo)電鋰離子MOF正極（其中M = Mg2+或Mn2+；DOBDC4-=2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate）。1）具有精準(zhǔn)化學(xué)和結(jié)構(gòu)的變化不僅使Li2-M-DOBDC的可逆氧化還原成為可能，而且通過(guò)混合氧化還原促進(jìn)的有效的電子自交換而導(dǎo)致電導(dǎo)率增加百萬(wàn)倍：Li2-Mn-DOBDC的電導(dǎo)率10-7 S/cm，而等網(wǎng)H2-Mn-DOBDC和Li2-Mg-DOBDC或Mn-CPO-27的組成類似物的電導(dǎo)率為10?13 S/cm。2）研究發(fā)現(xiàn)，Li2-M-DOBDC中特殊的SBU拓?fù)浯蟠筇岣吡薉OBDC4?連接子的氧化還原電位（從2.4提高到3.2 V，與Li+/Li0相比），具有高實(shí)用性。而作為一種特殊的正極材料，Li2-Mn-DOBDC的平均放電電位為3.2 V vs Li+/Li0，當(dāng)以1 C的倍率循環(huán)并超過(guò)100次循環(huán)時(shí)，在保持91%容量的情況下獲得了增強(qiáng)的倍率和循環(huán)性能。這項(xiàng)工作中提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略可以應(yīng)用于其他連接子和過(guò)渡金屬化學(xué)物質(zhì)，以提高比容量和輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，以應(yīng)用于下一代可充電電池。此外，通過(guò)引入具有可逆氧化還原的新型鋰陽(yáng)離子儲(chǔ)庫(kù)MOF材料，為用于電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的導(dǎo)電MOF的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。Darsi Rambabu, et al, An Electrically Conducting Li-Ion Metal?Organic Framework, J. Am. Chem. Soc., 2021DOI: 10.1021/jacs.1c04591https://doi.org/10.1021/jacs.1c04591
9. EES：用于Zn-空氣電池的雙功能電催化的摻雜調(diào)節(jié)應(yīng)變控制
晶格失配應(yīng)變引起的晶體局部原子排列的變化可以通過(guò)多種方式有效地調(diào)節(jié)Zn-空氣電池（ZABs）電催化劑的性能，這得益于調(diào)節(jié)的電子結(jié)構(gòu)影響了氧還原和析氧反應(yīng)（ORR和OER）中形成的氧中間體的吸附能。然而，由于溶解、破壞等結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的應(yīng)變松弛，阻礙了應(yīng)變工程在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用，導(dǎo)致其較差的ORR/OER耐久性。為了解決上述應(yīng)變催化劑的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問(wèn)題，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)楊陽(yáng)教授，南方科技大學(xué)谷猛教授，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Yuanyue Liu，俄勒岡州立大學(xué)Zhenxing Feng報(bào)道了設(shè)計(jì)了一種自支撐的CoF2-CoS2（CoFS）納米多孔膜，其中使用少量的Cu來(lái)促進(jìn)CoFS的相變，從而調(diào)節(jié)在兩相界面上進(jìn)行的晶格應(yīng)變。1）CoS2存在于所提出的Cu-CoFS的表面，作為ORR/OER的催化相。通過(guò)有效調(diào)節(jié)CoF2-CoS2的晶格失配和固有耦合引起的局域應(yīng)變來(lái)調(diào)節(jié)催化用Co陽(yáng)離子的電子構(gòu)型。此外，Cu摻雜調(diào)節(jié)CoF2-CoS2的兩相比例，這對(duì)調(diào)節(jié)兩相界面上的晶格應(yīng)變起到了至關(guān)重要的作用，研究人員還對(duì)CoF2-CoS2的晶格應(yīng)變進(jìn)行了研究。此外，先前的研究表明，該催化劑的納米多孔結(jié)構(gòu)可顯著提高電化學(xué)性能，包括但不限于便于質(zhì)量傳輸?shù)拈_(kāi)放通道，不添加任何添加劑以避免碳材料的干擾，以及與基底的強(qiáng)大附著力，從而降低了催化劑的歐姆電阻并增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。總體而言，所提出的Cu-CoFS是建立應(yīng)變、電子結(jié)構(gòu)和催化活性之間關(guān)系的有利平臺(tái)。它還可以確保在惡劣條件下長(zhǎng)期使用ZABs時(shí)保持納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性。2）作為概念驗(yàn)證，Cu-CoFS電催化劑對(duì)ORR和OER的起始電位分別為0.91 V和1.49 V，超過(guò)了商用Pt/C@RuO2和基準(zhǔn)的非鉑族金屬（non-PGMs）催化劑。采用Cu-CoFS催化劑的ZABs具有優(yōu)良的充放電循環(huán)性能，在電流密度為10 mA cm-2時(shí)的充放電間隙為0.5 V，在大電流密度為100 mA cm-2時(shí)的充放電間隙為0.93 V，峰值功率密度為255 mW cm-2。Z. Li, et al, Doping-modulated Strain Control of Bifunctional Electrocatalysis for Rechargeable Zinc-air Batteries, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE01271A
10. EES：原子分散的Fe原子位點(diǎn)對(duì)Pt和Pt3Co燃料電池催化劑的促進(jìn)作用：性能和耐用性的改進(jìn)
在顯著降低鉑族金屬（PGMs）負(fù)載量的同時(shí)，提高催化性能和耐久性是促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）用于交通的關(guān)鍵。近日，美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Jacob S Spendelow，印第安納大學(xué)與普渡大學(xué)印第安納波里斯聯(lián)合分校Jian Xie，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Deborah J. Myers報(bào)道了一種通過(guò)將PGM納米顆粒與富含F(xiàn)eN4位點(diǎn)的Fe-N-C（表示為Pt/FeN4-C或PtCo/FeN4-C）相結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合ORR電催化劑的有效策略。1）研究人員研究了分別由ZIF-8和Co摻雜的ZIF-8前驅(qū)體制備的無(wú)Fe摻N碳（NC）和CoN4-C載體。其目的是證明碳中FeN4位點(diǎn)顯著提高Pt和PtCo催化劑性能的有效作用。此外，在合成PtCo/FeN4-C催化劑的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)控制高溫退火處理來(lái)制備L12 Pt3Co金屬間化合物結(jié)構(gòu)的有效方法。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eN4-C中良好的多孔碳結(jié)構(gòu)和豐富的N摻雜使得Pt和Pt3Co納米粒子分布均勻、細(xì)小。此外，與以前報(bào)道的大顆粒有序PtCo金屬間化合物不同，富FeN4位點(diǎn)的Fe-N-C碳在高溫退火處理過(guò)程中可以有效地保持理想的顆粒尺寸（3-4 nm），同時(shí)獲得有序的結(jié)構(gòu)。2）Pt/FeN4-C和Pt-Co/FeN4-C催化劑在轉(zhuǎn)盤(pán)電極（RDE）和膜電極組件（MEA）研究中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能和耐久性。與傳統(tǒng)的炭黑負(fù)載Pt（Pt/C）不同，低陰極負(fù)載量（0.1 mgPt/cm2）的Pt/FeN4-C基金屬間化合物電極的ORR質(zhì)量活度（MA）顯著提高到0.451 A/mgPt，并在催化劑加速應(yīng)力測(cè)試（AST）中經(jīng)過(guò)30,000次電壓循環(huán)后仍保持初始值的80%，即使不使用合金也超過(guò)了DOE2020的目標(biāo)。此外，相同Pt負(fù)載量的Pt3Co/FeN4-C基MEA的ORR質(zhì)量活度高達(dá)0.72 A/mgPt。同時(shí)，Pt3Co/FeN4催化劑在0.67 V時(shí)功率密度達(dá)到824 mW/cm2，在1.0 A/cm2時(shí)僅損失23 mV。3）密度泛函理論（DFT）計(jì)算進(jìn)一步闡明了Pt和FeN4位點(diǎn)之間可能的協(xié)同機(jī)制，即在ORR過(guò)程中，由于O2吸附能減弱和O-O鍵斷裂活化能降低，Pt的本征活性得到了增強(qiáng)。FeN4位點(diǎn)對(duì)提高Pt催化劑活性和穩(wěn)定性的促進(jìn)作用，為設(shè)計(jì)高性能、低PGM的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）催化劑和電極提供了一種有效的策略。Z. Qiao, et al, Atomically Dispersed Single Iron Sites for Promoting Pt and Pt3Co Fuel Cell Catalysts: Performance and Durability Improvements, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE01675J
11. ACS Nano：低蒸發(fā)焓的分層光熱織物作為日光蒸發(fā)器用于高效、連續(xù)、無(wú)鹽海水淡化
太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水蒸發(fā)通常是在浮動(dòng)蒸發(fā)器上實(shí)現(xiàn)的，但其性能受到高蒸發(fā)焓、固體鹽結(jié)晶和傾斜陽(yáng)光導(dǎo)致的蒸發(fā)減少的嚴(yán)重限制。近日，東華大學(xué)陳志鋼教授報(bào)道了基于層次化PAN@CuS納米纖維織物的制備和以向日葵為靈感的日光蒸發(fā)模型的設(shè)計(jì)。1）通過(guò)對(duì)含銅電紡織物進(jìn)行原位硫化處理，研究人員制備了具有層次化結(jié)構(gòu)的PAN@CuS織物，并在織物表面組裝了大量的CuS納米薄片，從而提高了織物的比表面積，并通過(guò)多次反射實(shí)現(xiàn)了有效的捕光效果。重要的是，暴露的S原子破壞了水/CuS界面上的氫鍵，導(dǎo)致層次化PAN@CuS織物上的水蒸發(fā)焓顯著降低（從2406.17降至1956.32 kJ kg?1）。2）在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了日光蒸發(fā)模型。在該模型中，海水可以在兩個(gè)光熱織物表面蒸發(fā)，具有較大的比表面積和較高的蒸發(fā)速率（～2.27 kg m?2 h?1，太陽(yáng)強(qiáng)度1.0 kW m?2）。此外，傾斜的織物可以有效地轉(zhuǎn)移和富集海水中的溶質(zhì)，從而避免織物上的固體鹽結(jié)晶。而可變的織物傾角可以在較寬的入射角度范圍內(nèi)（從?90 °到+90 °）實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜太陽(yáng)光的最大捕獲，這阻止了蒸發(fā)的減少，與浮動(dòng)模型相比有了顯著的改進(jìn)，減少了83.9%。層次化的PAN@CUS織物和日光蒸發(fā)模型促進(jìn)了低焓蒸發(fā)器的發(fā)展，也為諸如如廢水凈化、溶質(zhì)濃縮和工業(yè)分離等其他工業(yè)應(yīng)用提供了指導(dǎo)。Zixiao Liu, et al, Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c01900https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01900
12. ACS Nano：環(huán)氧樹(shù)脂中裁剪高度有序的石墨烯骨架用于高性能聚合物基散熱板
隨著電子器件功率密度和集成度的提高，為解決熱管理問(wèn)題，人們對(duì)提高聚合物的導(dǎo)熱性能提出了越來(lái)越高的要求。基于石墨烯超高的本征導(dǎo)熱系數(shù)，石墨烯作為增強(qiáng)填料在開(kāi)發(fā)聚合物復(fù)合材料方面顯示出巨大的潛力，然而，目前已報(bào)道的石墨烯基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)仍然有限。為了設(shè)計(jì)合理的石墨烯結(jié)構(gòu)，最大限度地將石墨烯超高的基面導(dǎo)熱系數(shù)轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料，近日，中科院寧波材料所江南，林正得，Wen Dai報(bào)道了提出了一種多孔薄膜模板組裝策略，然后通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)取向過(guò)程來(lái)構(gòu)建密度和排列可控的石墨烯骨架。1）研究人員獲得了相互連接的高度有序的石墨烯骨架（HOGF），其由高質(zhì)量的水平排列的石墨烯薄片組成，同時(shí)也具有相對(duì)較高的密度，最高可達(dá)510 mg cm?3。2）當(dāng)石墨烯添加量為24.7%時(shí)，復(fù)合材料在環(huán)氧樹(shù)脂（EP）基體中的擇優(yōu)方向?qū)嵯禂?shù)達(dá)到117 W m?1 K?1，相當(dāng)于純環(huán)氧樹(shù)脂的≈616倍。3）HOGF/EP復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)熱穩(wěn)定性和可靠性，作為散熱板，與用于散熱大功率LED的傳統(tǒng)氧化鋁相比，其在實(shí)際熱管理性能方面實(shí)現(xiàn)了75%的提升，從而顯示出作為聚合物基散熱板用于冷卻設(shè)備的巨大潛力。Junfeng Ying, et al, Tailoring Highly Ordered Graphene Framework in Epoxy for High-Performance Polymer-Based Heat Dissipation Plates, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c01332https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01332
