1. Nature: 溶液中單分子電化學反應的直接成像
目前的化學反應往往被概念化為單個分子轉化為產物，但通常是在探究整體平均行為的實驗中觀察到的。單分子方法超越了整體平均，揭示了反應位置、途徑和動力學的統計分布。目前的反應過程已經通過光學陷阱和掃描探針顯微鏡在確定的位置上以高空間分辨率操作和觀察單個反應，以及使用超靈敏的光探測器實現高通量單分子測量的現代光學方法得到了證明。然而，有效探索單分子溶液化學仍然是一個挑戰。有鑒于此，浙江大學的馮建東研究員等人，演示了水溶液中單分子電化學反應的光學成像及其在超分辨率顯微鏡中的應用。
本文要點：
1）實驗通過在一個觀察通道中隔離電化學發光(ECL)反應進行，在這個通道中，單分子ECL反應只能發射一個光子，以確保最小的背景信號。采用一個廣泛探索的模型ECL體系，釕配合物三(2,2′-聯吡啶)Ru(II)，即Ru(bpy)32+，與其共反應物三丙胺(TPrA)再生。
2）開發了一種結合寬場光學成像和電化學記錄系統，用于監測水溶液中單分子釕基ECL反應。ECL反應，由一個典型的三電極電化學池觸發和控制，該電化學池產生工作電壓，并用低噪聲電流放大器記錄電化學電流。
3）單分子ECL顯微鏡，可以發展為實現細胞結構的靶向可視化，釕基探針可以用于細胞結構的錨定。與熒光顯微鏡一樣，通過捕獲固定探針分子多次激發過程發出的光子來進行信號放大，可以進一步提高該方法的成像能力和特異性。
總之，該方法將促進對電化學反應的基本理解，并在生物分析和細胞成像中具有巨大的應用潛力。
Dong, J., Lu, Y., Xu, Y. et al. Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution. Nature 596, 244–249 (2021).
DOI: 10.1038/s41586-021-03715-9
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03715-9
2. Nature：具有拓撲激發的原子手性超流體的證據
南方科技大學物理系副教授、量子科學與工程研究院創始研究員許志芳領導的團隊與南科大量子科學與工程研究院和美國匹茲堡大學教授劉文勝以及德國漢堡大學教授Andreas Hemmerich合作，在國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）發表了題為“Evidence for an atomic chiral superfluid with topological excitations”的研究論文。許志芳團隊在實驗室中首次觀測到類六角氮化硼光晶格上由相互作用誘導的具有拓撲準粒子激發的全局原子手性超流。
Wang, XQ., Luo, GQ., Liu, JY. et al. Evidence for an atomic chiral superfluid with topological excitations. Nature 596, 227–231 (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03702-0
來源于南方科技大學官網
3. Nature Commun.: 交變磁場誘導的自旋態重構以實現高效的析氧反應
析氧反應（OER）在電化學能量轉換裝置中起著至關重要的作用，但由于缺乏高效的低成本電催化劑以及對緩慢反應動力學的了解不足，該領域仍然存在著許多挑戰。最近的研究表明，磁性催化劑的OER性能與其自旋構型和交換相互作用密切相關。然而， OER機制與自旋構型相對變化之間的相關性仍有待進一步研究。
有鑒于此，南京大學劉力哲副教授和河海大學王沛芳教授等人，提出了一種簡單的磁場刺激策略，通過局域磁熱效應和自旋交換相互作用之間的協調機制，在反應位點處實現自旋翻轉和重構，從而實現了前所未有的優異OER性能。
本文要點：
1）與設計復雜的納米結構不同，該工作側重于調控自旋相關電荷傳輸以及催化劑與中間產物間的軌道相互作用，從而加速催化反應動力學，成功證明了MS誘導的局域磁加熱可以導致材料的自旋翻轉和重構。
2）研究表明，具有自旋重構的Co0.8Mn0.2-MOF催化劑在OER過程中表現出高達3514.7 A gmetal-1的質量活性，過電位僅為~0.27 V，是原始MOF的21.1倍。而且，Co0.8Mn0.2-MOF催化劑在高電流密度下連續運行200 h后，仍可保持約95%的初始活性。
3）研究發現，自旋依賴型催化劑和中間產物之間的軌道相互作用，在限速步和載流子轉移的調節中起著決定性的作用。
總之，該工作為自旋相關電催化領域及促進OER性能提供了新的見解。
Zhou, G., Wang, P., Li, H. et al. Spin-sate reconfiguration induced by alternating magnetic field for efficient oxygen evolution reaction. Nat Commun 12, 4827 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-25095-4
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25095-4
4. Angew：球磨誘導的金屬塊體表面原子脫粘用于構建高性能雙位點單原子催化劑
單原子催化中最緊迫的挑戰之一是如何操控金屬中心的配位環境，從而使催化劑性能最大化。近日，中科院長春應化所宋術巖，Xiao Wang，江蘇大學施偉東報道了通過在Co-N4配位的鄰位引入硫，制備了一種高性能催化劑（Co-SNC）。
本文要點：
1）所開發的球磨方法使催化劑大規模合成成為可能，一鍋可生產4.7 g以上的Co-SNC。
2）在芐胺偶聯反應中，Co-SNC催化劑在10 h內對N-亞芐基芐胺的轉化率最高，為97.5%，選擇性為99%。
3）密度泛函理論（DFT）計算揭示了S原子的重要作用，S原子是O2活化的活性中心，從而使Co原子自由吸附芐胺。因此，O2和芐胺的吸附能顯著增加。
這項研究提出了一種可行的方法，即通過將兩個活性中心巧妙地整合到一個催化劑單元中來提高催化性能。
Huilin Wang, et al, Ball-milling induced debonding of surface atoms from metal bulk for construing high-performance dual-site single-atom catalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202109356
https://doi.org/10.1002/anie.202109356
5. Angew：離子液體功能化凝膠聚合物電解質用于穩定鋰金屬電池
金屬鋰（Li）具有電化學電位低、理論能量密度高、密度低等優點，被認為是鋰離子電池理想的負極材料。然而，Li金屬負極的實際應用仍然面臨著許多挑戰，如不可控的Li枝晶生長和界面穩定性較低等，這些都阻礙了Li金屬負極的實用化。
為了克服這些缺點，瑞士弗里堡大學Ali Coskun，韓國首爾大學Jang Wook Choi報道了提出了一種含咪唑離子液體端基和全氟烷基鏈（F-IL）的凝膠聚合物電解質，通過聚合物主鏈上的Lewis酸性鏈段從根本上改變鹽在凝膠電解質中的溶解度，從而獲得高的離子電導率和Li+離子遷移數。此外，F-IL部分的存在降低了Li+離子與乙二醇鏈的結合親和力，使Li+離子能夠在凝膠網絡中快速轉移。
本文要點：
1）這些結構特征使得陰離子能夠固定在離子液體鏈段上，從而緩解了空間電荷效應，同時促進了Lewis-酸性聚合物中較強的陰離子配位和較弱的陽離子配位。
2）凝膠聚合物電解質實現了高Li+離子電導率（9.16×10?3 S cm?1）和高Li+離子遷移數（0.69），電化學穩定性高達4.55 V，同時有效地抑制了Li枝晶的生長。此外，基于凝膠聚合物電解質的9 mAh cm?2的Li|Li對稱電池具有穩定的循環性能，循環1800 h以上，鋰-硫（Li-S）全電池循環250次后的容量保持率為86.7%。
研究工作強調了聚合物凝膠電解質分子水平工程在控制Li+離子電導率和遷移數這兩個關鍵參數以實現Li金屬負極穩定循環方面的作用，并可推廣到其他類似枝晶生長和界面不穩定的金屬負極系統。
Tianhong Zhou, et al, Ionic Liquid Functionalized Gel Polymer Electrolytes for Stable Lithium Metal Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202106237
https://doi.org/10.1002/anie.202106237
6. Angew：具有新型四嗪基分子結構的微孔氮化碳（C3N5.4）用于高效吸附CO2和水
具有C3N5和C3N6化學計量比的介孔碳氮化物由于其獨特的能帶結構和高堿性在有機無金屬半導體領域極具吸引力。在這些納米結構中引入微孔而不是介孔可以提供獨特的表面和電子性質，這可能更適合小分子的選擇性吸附或傳感。
鑒于此，澳大利亞紐卡斯爾大學Ajayan Vinu，Jiabao Yi，CI Sathish報道了以超穩定的Y沸石為模板，以高含氮分子氨基胍鹽酸鹽為CN前體，制備了一種具有四嗪基化學結構和C3N5.4組成的新型石墨微孔氮化碳。
本文要點：
1）光譜表征和密度泛函理論（DFT）計算表明，所制備的材料呈現出一種新的分子結構，在晶胞中包含兩個四嗪環和一個三嗪環，并且具有熱力學穩定性。
2）所得氮化碳顯示出130.4 m2/g的比表面積，并顯示出47.54 μmol/m2的優異的單位比表面積CO2吸附，這是介孔氮化碳和活性炭中最高的報道值，這是由于大量游離NH2基團、堿性位點和微孔的存在所致。此外，該材料具有獨特的微孔結構和對小分子的識別能力，對水分子（151.1 mmol/g）和脂肪族碳氫化合物具有較高的選擇性。
這種新型微孔石墨化碳氮化物的研究為利用高含氮前驅體設計具有不同晶型和孔道結構的不同沸石模板的新型微孔材料奠定了基礎，可用于選擇性傳感和吸附、催化以及儲能和轉換等多種應用。
CI Sathish, et al, Microporous carbon nitride (C3N5.4) with new tetrazine based molecular structure for efficient adsorption of CO2 and water, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202108605
https://doi.org/10.1002/anie.202108605
7. Angew：通過Co2+/Co3+氧化還原和鈉位摻雜穩定過渡金屬空位誘導的氧氧化還原用于層狀正極材料
陰離子氧化還原是提高可充電電池層狀金屬氧化物正極能量密度的有效方法。然而，層狀材料中TMO6（TM:過渡金屬）亞單元的固有剛性使其幾乎不能承受晶格滑移引起的內部應變，尤其是在高電壓下。近日，復旦大學方方，孫大林，周永寧報道了設計了一種P2-Na0.8Mg0.13[Mn0.6Co0.2Mg0.07□0.13]O2（□:TM空位），其包含TM位點中的空位，以及TM和鈉位點中的鎂離子。
本文要點：
1）研究發現，空位使剛性的TMO6八面體變得更加不對稱和靈活。低價Co2+/Co3+氧化還原對穩定了電子結構，特別是在帶電狀態下。鈉離子位置的Mg2+可以調節層間間距以抵抗O-O靜電排斥。時間分辨的原位X射線衍射證實，這種特殊的構型有效地抑制了深脫鈉過程中的不可逆結構演變。
2）X射線吸收光譜（XAS）和密度泛函理論（DFT）計算表明，由本征空位引起的“□-O-□”、“Na-O-□”、“Mg-O-□”等多種局域構型在促進氧的氧化還原以補償電荷方面優于已報道的“Na-O-Mg”。所得到的材料具有良好的循環穩定性和倍率性能，具有4.2 V的長電壓平臺，即使在高倍率下也能很好地保持。
這一策略有望為鈉離子電池設計具有可逆陰離子氧化還原的高穩定性正極材料提供新的思路。
Xun-Lu Li, et al, Stabilizing transition metal vacancy induced oxygen redox by Co2+/Co3+ redox and sodium-site doping for layered cathode materials, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202108933
https://doi.org/10.1002/anie.202108933
8. Angew：Pd3Bi納米晶用于電催化CO2還原
合金化是調節催化劑材料電子結構的通用策略。與更常見的固溶合金（SSAs）相比，金屬間化合物合金（IMA）具有明確的原子排列，并為研究結構-性能相關性提供了獨特的平臺。不幸的是，制備用于催化研究的金屬間合金納米結構具有一定的挑戰性。近日，蘇州大學李彥光，香港理工大學黃勃龍報道了制備了Pd3Bi IMA和SSA納米晶，并研究了它們在水溶液中對CO2還原（CO2RR）的相依賴的催化性能。
本文要點：
1）在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）存在下，以乙酰丙酮鈀（Pd(acac)2）和新癸酸鉍（Bi(C10H19O2)3）為原料，在適當的表面活性劑和還原劑存在下，合成了Pd3Bi IMA納米晶（記為Pd3Bi IMA）。進一步的，Pd3Bi IMA在500 °C熱退火后可以轉變為Pd3Bi SSA納米晶（記為Pd3Bi-SSA）。綜合表征結果顯示，盡管Pd3Bi IMA和SSA納米晶的化學成分和尺寸分布相似，但這兩種產物具有不同的晶體結構。
2）在CO2飽和的0.1M KHCO3中，Pd3Bi IMA表現出良好的甲酸鹽選擇性（>90%），即使在-0.35 V的工作電位下也表現出良好的穩定性，表現出優于文獻報道的大多數其他Pd基催化劑的性能。相比之下，Pd3Bi SSA的甲酸鹽選擇性有限，小于60%，并伴隨著大量氫氣的產生。另一方面，純Pd納米晶在不足0.2 V時很快就會中毒。
3）密度泛函理論（DFT）計算表明，Pd3Bi IMA對CO結合有很大的抑制作用，而對*OCHO吸附有很強的增強作用，從而使Pd3Bi IMA具有較好的甲酸鹽選擇性和抗CO中毒性能。
這項研究表明，催化劑材料的晶體結構對其催化性能有重要影響，應對其進行合理的工程設計，以獲得最佳的催化性能。
Lin Jia，et al, Phase-Dependent Electrocatalytic CO2 Reduction on Pd3Bi Nanocrystals, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202109288
https://doi.org/10.1002/anie.202109288
9. Angew：氮空位對鐵單位點局域電子密度的調節用于高效光芬頓過程
類Fenton過程中多相光催化H2O2的活化活性與反應中心原子的局域電子密度密切相關。然而，隨機電荷轉移引起的電子-空穴對的復合極大地限制了電子向活性中心的定向傳輸。近日，南開大學展思輝報道了提出了一種通過調節Fe單位點的局域電子密度來促進類Fenton體系中H2O2轉化的缺陷策略。
本文要點：
1）研究人員以FeCl3和雙氰胺為前驅體，采用簡單的一步煅燒法首次合成了一系列Fe單原子催化劑，根據鐵鹽的量（x=0.5、1、2、4和8%的FeCl3），將催化劑命名為Fex/C3N4。對于工程氮空位（Nv），研究人員將Fex/CN樣品在惰性氣氛中進一步加熱。所得到的空位缺陷工程化單原子催化劑命名為Fe1-Nv/CN。
2）EXAFS分析和密度泛函（DFT）計算結果表明，孤立的Fe單原子占據四坐標構型，并與鄰近的N3c型氮空位結合。在光照下，工程化的氮空位可以作為電子陷阱，定向驅動光電子聚集在Fe單原子上。同時，高濃度電子密度在Fe位的形成顯著提高了H2O2的轉化效率。
3）結果表明，Fe1-Nv/CN對環丙沙星的催化降解效果比純CN顯著提高了18倍。因此，這項工作將為基于調節活性中心局部電子密度的H2O2高效活化催化劑的進一步開發提供了一定指導。
Lina Su, et al, Regulating local electron density of iron single site by nitrogen vacancy for efficient photo-Fenton process, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202108937
https://doi.org/10.1002/anie.202108937
10. Angew：共軛微孔聚合物中從給體到受體的電荷轉移用于增強光敏化
與光吸收和能量/電子轉移相關的光敏作用是光合作用的中心過程。然而，發展無重原子(HAF)策略來提高聚合物光敏劑的增敏性能仍然是一個巨大的挑戰。有鑒于此，天津理工大學的Zhi-Ming Zhang等研究人員，報道了共軛微孔聚合物中從給體到受體的電荷轉移用于增強光敏化。
本文要點：
1）研究人員提出了一種新的方案，通過用多環芳烴(PAHs)修飾母共軛微孔聚合物(CMP-1)，形成一系列的CMP-2-4，從而顯著提高光敏性。
2）系統研究表明，在CMP中，多環芳烴的共價修飾可以將電荷轉移到Bodipy上，進一步促進體系間交叉和電子-空穴分離，從而極大地促進能量/電子轉移反應。
3）以CMP-2為代表的CMP能有效地驅動甲基苯基亞砜的光合作用，產量達92%，顯著高于CMP-1(32%)。
4）實驗和理論計算證實了這些光敏劑的結構-性質-活性關系。
本文研究為在分子水平上通過合理的結構調控開發具有高效敏化活性的HAF異質光敏劑開辟了新的領域。
Zhi-Ming Zhang, et al. Charge Transfer from Donor to Acceptor in Conjugated Microporous Polymer for Enhanced Photosensitization. Angewandte Chemie, 2021.
DOI：10.1002/anie.202109968
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202109968
11. AM: 均相碳/鉀摻雜策略合成的聚合物氮化碳實現近紅外光催化制氫
有效利用近紅外 (NIR) 光進行光催化制氫對于太陽能氫能和氫醫學都至關重要。聚合物氮化碳(PCN)由于其高的光催化活性和高的生物相容性，在光催化能源和生物醫學領域受到越來越多的關注。為了提高PCN的光催化效果和擴大其應用范圍，通常將PCN與缺陷或碳等非金屬雜原子結合，以將其光捕獲范圍從可見光窗口擴大到近紅外窗口。有鑒于此，深圳大學何前軍教授和深圳大學蘇陳良教授等人，提出了一種鹽模板誘導均勻摻入的策略，以合成一種新型的碳/鉀摻雜庚嗪基紅色聚合物氮化碳（RPCN）。
本文要點：
1）通過使用結構類似的三聚氰胺 (C3H6N6) 前體和固體 KCl摻雜劑，實現了 NIR 活性炭/鉀摻雜的紅色聚合氮化碳 (RPCN)。與傳統的PCN和其他紅色碳基光催化劑相比，合成的RPCN表現出窄帶隙和強 NIR 吸收。
2）碳和鉀的均勻和高摻入顯著縮小了氮化碳的帶隙 (1.7 eV)，并賦予了 RPCN 在 NIR 照射下以 140 μmol h-1 g-1的速率從水中析出 H2 的高 NIR 光催化活性(700 nm ≤ λ ≤ 780 nm)，在 700 ± 10 nm 處的表觀量子效率高達 0.84%（在 500 ± 10 nm 處為 13%）。
3）在荷瘤小鼠模型上進行的概念驗證實驗證實，RPCN 能夠進行瘤內近紅外光催化制氫和同時去除谷胱甘肽，從而實現安全高效的無藥物癌癥治療。
總之，該工作為設計高效的光催化劑以捕獲全光譜太陽能提供了思路，也為開發用于氫治療主要疾病的近紅外光催化劑開辟了新途徑。
Yangsen Xu et al. Homogeneous Carbon/Potassium-Incorporation Strategy for Synthesizing Red Polymeric Carbon Nitride Capable of Near-Infrared Photocatalytic H2 Production. Advanced Materials, 2021.
DOI: 10.1002/adma.202101455
https://doi.org/10.1002/adma.202101455
12. AM：柔性銀納米線助力超13%效率的54 cm2大面積柔性有機太陽能電池
大面積柔性有機太陽能電池（OSC）的開發因其實際應用而備受青睞。然而，大面積柔性 OSC 的效率嚴重落后于小面積設備。華中科技大學周印華等人在面積為 6 cm2和10 cm2獲得了功率轉換效率 (PCE) 分別為13.1%和12.6%的高效大面積柔性有機太陽能電池。
本文要點：
1）基于聚對苯二甲酸乙二醇酯的柔性模塊/Ag網格/銀納米線（AgNWs）：鋅螯合聚乙烯亞胺（PEI-Zn）復合電極的大面積模組PCE 為13.2% (面積為54 cm2)。
2）AgNWs:PEI-Zn 溶液法制備的柔性透明電極具有低表面粗糙度和良好的光電和機械性能。PEI-Zn 具有導電性和光學透明性。在帶負電的表面 (AgNW) 和帶正電的質子化胺基團（PEI-Zn）之間的靜電相互作用下，PEI-Zn可以粘附并包裹 AgNW。AgNWs: PEI-Zn網絡并填充空隙空間以實現光滑的表面。
3）柔性電極在柔性 OSC 和柔性量子點發光二極管 (QLED) 中均得到了有效驗證。小面積柔性OSC的PCE為16.1%，柔性QLED的外量子效率為13.3%。最后，研究人員演示了一個柔性模組，可以為手機充電作為靈活的電源。
Qin, F., et al, 54 cm2 Large-Area Flexible Organic Solar Modules with Efficiency Above 13%. Adv. Mater. 2021, 2103017.
https://doi.org/10.1002/adma.202103017
