1. JACS：硫在水相中的化學/電化學機理、優化策略及器件應用
水系硫基電池(SABs)具有優異的比容量、低廉的制備成本和環境友好等優勢特征。除此之外，相較于有機鋰硫電池，水硫電池還表現出天然的動力學優勢。然而鑒于對水硫電池的研究僅興起于近十年間，無論是對于深層的化學/電化學機制（熱力學演化和動力學表征）、現存問題的攻克方案、性能的提高策略以及對器件級應用的評估都尚存不足。
近日復旦大學晁棟梁教授通過歸納演繹的方式，以化學/電化學的原理機制為基礎，繼而構筑水硫電池機理與性能缺陷之間的構效關系，從而提出針對性的多功能優化策略，最終以此為依據，對現有器件級應用進行評估，展望了具有潛力的技術突破方向。
本文要點：
1) 分析了水系硫基電池在不同活度、pH下的熱力學演化過程；通過歸納演繹研判出固相-液相，液相-液相，固相-固相三類反應路線的動力學過程及其優缺點。同時根據上述過程定位了副反應和性能缺陷的產生原因，為針對性優化策略提供基礎；
2) 本文提出了pH調控，氧化還原配對耦合，活性物質活性調控，電解液及添加劑的優化策略，隔膜工程，電極電導及催化優化等單功能/多功能的優化策略，關聯了背后的化學/電化學原理，并將上述策略應用于水硫液流電池，水硫金屬氧化物電池和水硫金屬電池三大器件體系的評估之中；
3) 總結了“機理-應用”的新型水硫電池設計路線，并針對現存不足和具有潛力的方向提出了展望，即進一步表征基礎熱力學和動力學的過程參數，完善水硫電池的理論構建；開拓介質電對，降低動力學勢壘；通過合成策略構筑廉價高效的功能隔膜，提升其促進離子電導和抑制化學交叉的特性；優化帶隙調控策略，提高硫電極的本征電導；總體瞄向固體-固體反應路線，通過電極結構化設計降低對高濃電解液的依賴。
綜上，作者提供了“化學/電化學原理-性能優化策略-器件級應用”的新型水硫電池的設計思路，解構了機理與缺陷的對應關系，并對潛在的技術突破點進行了展望與分析。
Jiahao Liu, et al. Sulfur-Based Aqueous Batteries: Electrochemistry and Strategies, 2021.
DOI: 10.1021/jacs.1c06923
https://doi.org/10.1021/jacs.1c06923
2. Angew：利用量子點對用于免疫治療的疫苗動態進行可視化
對疫苗命運的直接可視化對于研究其免疫激活過程和在單分子水平上闡明其詳細的分子反應過程而研究具有重要意義。然而，對疫苗時空過程的可視化還尚未被探索。武漢大學劉曉慶教授、王富安教授和南開大學龐代文教授發現量子點(QD)納米材料能夠對疫苗動態進行監測以及放大免疫反應。
本文要點：
1）實驗所合成的量子點能夠有效地結合抗原和佐劑以靶向組織和細胞，并對其到淋巴結和細胞區室的動態過程進行非侵入性成像。研究表明，該納米顆粒疫苗單獨或與程序性細胞死亡蛋白1阻斷劑聯合后均能產生有效的免疫應答和抗腫瘤效果。
2）實驗結果表明，該量子點具有高熒光量子產率和光穩定性，可以首次實現對疫苗動態的可靠、長期時空示蹤，從而可為研究免疫應答和評價疫苗療效提供一個新的策略。
Junlin Sun. et al. Visualization of Vaccine Dynamics with Quantum Dots for Immunotherapy. Angewandte Chemie International Edition. 2021
DOI: 10.1002/anie.202111093
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111093
3. Angew：共組裝系統中的光誘導自由基發射
由于自由基在空氣中不穩定，在環境條件下發展自由基排放是一項具有挑戰性的任務。有鑒于此，新加坡南洋理工大學的趙彥利、東華大學的吳宏偉等研究人員，報道了共組裝系統中的光誘導自由基發射。
本文要點：
1）研究人員通過將一系列三羰基取代苯分子與聚乙烯醇（PVA）共組裝來克服這一挑戰。
2）客體摻雜劑和聚乙烯醇主體基體之間的強氫鍵保護光照射后羰基化合物的自由基，導致強固態自由基發射。
3）改變溫度和三羰基取代苯的外圍官能團會影響自由基發射的強度。
4）量子化學計算表明，該自由基熒光源于反卡沙D2→D0陰離子自由基的垂直發射。
5）三羰基取代苯的光致自由基發射被成功地應用于信息加密。
Yanli Zhao, et al. Photoinduced radical emission in a coassembly system. Angewandte Chemie, 2021.
DOI：10.1002/anie.202110405
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110405
4. AM：精確合成具有與孔結構相關催化性能的介孔納米球的定量共組裝
多孔材料的精確合成是其應用的關鍵。自組裝是合成多孔材料的一種廣泛應用的策略，但組裝過程的定量控制仍然是一個巨大的挑戰。近日，中科大俞漢青教授，Gui-Xiang Huang，余彥教授報道了開發了一種定量共組裝的方法來合成樹脂/二氧化硅復合材料及其衍生的介孔碳納米球。
本文要點：
1）通過觀察復合球及其二氧化硅部分的結構演變，驗證了碳和二氧化硅前驅體的無表面活性劑共組裝，揭示了NH3·H2O在調節組裝過程中的重要作用。通過調節NH3·H2O濃度，可以定量控制復合球的生長動力學，調節兩種前驅體的自聚集和共組裝之間的競爭。
2）結果表明，復合微球的大小以及碳和二氧化硅組分在復合材料中的分布得到了很好的調節。此外，可以很容易地精確控制由復合球衍生的碳球的尺寸和多孔結構。此外，大碳球中長而小的孔增強了它們在催化水凈化中的性能，從而證明了這種合成方法的重要性。
這一工作不僅為介孔納米結構的定量控制提供了一種新的簡便策略，而且為多孔炭催化劑的精確、功能化設計帶來了啟示。
Shu-Chuan Mei, et al, Quantitative Coassembly for Precise Synthesis of Mesoporous Nanospheres with Pore Structure-Dependent Catalytic Performance, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202103130
https://doi.org/10.1002/adma.202103130
5. AM：M-Nx單原子催化劑中非配位N物種的限制用于寬電壓范圍的電催化CO2還原
碳載單原子催化劑（SACs）因其優異的活性和選擇性而受到廣泛的研究。在其發展過程中，一般需要過量的摻雜劑(如氮)，以確保碳載體上的SACs的高負載含量。然而，過量摻雜會導致催化劑上雜化結構（特別是非配位的N物種）的形成，從而對催化劑的性能產生不利影響。
基于此，中科大熊宇杰教授，龍冉，新加坡科技研究局（A*STAR）Enyi Ye，Xian Jun Loh報道了以炭黑吸附的金屬配體配合物為前驅體，通過焦耳加熱來合成碳載Ni-Nx SACs。
本文要點：
1）通過選擇1,10-鄰菲咯啉(Phen) -Ni(oac)2（醋酸鹽）作為前驅體，獲得的材料中大多數（高達80%）的N摻雜劑會與金屬中心配位，從而減少了Ni SACs中不利的非配位N物種。
2）為了證明用這種方法制備SACs的優越性，研究人員將其用于電催化CO2還原（CO2RR）。實驗結果顯示，在0.1 m KHCO3為電解質的h電池中，在?0.7 到?1.9 V的電壓范圍內（vs.RHE），Ni-Nx SACs表現出約92%的CO選擇性。值得注意的是，在施加電壓為- 1.9 V的h電池中，其CO部分電流密度可達到70 mA cm?2。
3）更重要的是，本研究克服了SAC的穩定性限制，優化后的樣品在?1.5 V下連續工作48 h，活性損失小于5%，顯示出出色的穩定性。此外，這種制備完全配位金屬-Nx的方法可以推廣到各種金屬中心。
這項工作提供了一種簡便的方法，以排除不良摻雜的SACs及其在催化應用中的重要性。
Dawei Xi, Limiting the Uncoordinated N Species in M–Nx Single-Atom Catalysts toward Electrocatalytic CO2 Reduction in Broad Voltage Range, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202104090
https://doi.org/10.1002/adma.202104090
6. AM：高能量密度、高安全性和快充鋰離子電池的高電壓電解質界面模型
高電壓電解質驅動的超高壓鋰離子電池（LIBs）可以有效提高能量密度和功率密度，而能量密度和功率密度是實現電動汽車長途行駛、快速充電和可靠安全性能的關鍵要求。然而，超出LIBs的典型條件（4.3 V vs Li/Li+）操作會導致電池嚴重的電解質分解，而關于界面側反應仍然讓人難以捉摸。這些關鍵問題已經成為開發極端條件下應用的電解質的瓶頸。
基于此，中科院長春應化所明軍研究員，蘭州大學張俊麗，Yang-Kook Sun報道了提出了一種無添加劑電解質，在高壓下（4.5 V vs Li/Li+）具有高穩定性，在快速充電操作中具有無鋰枝晶特性（3 C下，162 mAh g?1），以及在低溫下具有優越的長期電池性能。
本文要點：
1）研究人員提出了一種新的與溶劑化結構相關的界面模型，包括鋰離子、負離子和溶劑在電解質-電極界面上的分子級相互作用，以幫助解釋電池性能。這是一項開創性的研究，探索了鋰層狀氧化物正極和石墨負極同時在電池中的動態相互作用界面行為。此外，該界面模型能夠揭示不同于已知的固體電解質界面方法的電極性能，并為金屬離子電池多功能電解質的設計提供了新的指導方針。
Yeguo Zou, et al, Interfacial Model Deciphering High-Voltage Electrolytes for High Energy Density, High Safety, and Fast-Charging Lithium-Ion Batteries, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202102964
https://doi.org/10.1002/adma.202102964
7. AM：直接化學氣相沉積法合成具有高氣體滲透性和選擇性的多孔單層石墨烯膜
單層石墨烯具有分子大小的面內孔，由于其原子厚度和低的氣體輸運阻力，被認為是一種有前景的高性能氣體分離膜材料。然而，典型的基于蝕刻的孔隙生成方法不能解耦孔隙成核和孔隙生長，導致需要權衡高面積孔隙密度和高選擇性。相反，在化學氣相沉積過程中形成的石墨烯內稟孔隙不是通過蝕刻產生的。因此，多孔石墨烯可以在保持氣體選擇性的同時表現出較高的孔隙密度。基于此，麻省理工學院Michael S. Strano報道了首次系統地控制了石墨烯固有孔隙密度，同時精確地保持了適合氣體篩分的孔隙尺寸。
本文要點：
1）通過控制生長溫度、前驅體濃度和石墨烯表面的非共價修飾，研究人員制備出了迄今為止，具有最高H2/CH4分離性能的單層石墨烯膜（H2滲透率> 4000 GPU和H2/CH4選擇性> 2000）。
2）研究還發現，氣體分離過程中石墨烯表面的納米級分子污垢（在實驗條件下，石墨烯孔隙部分被碳氫化合物污染物堵塞）控制了選擇性和溫度依賴性的滲透率。
總之，直接合成多孔單層石墨烯的開發激活了其作為高性能氣體篩膜的巨大潛力。
Zhe Yuan, et al, Direct Chemical Vapor Deposition Synthesis of Porous Single-Layer Graphene Membranes with High Gas Permeances and Selectivities, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202104308
https://doi.org/10.1002/adma.202104308
8. AM：分子熱連接劑用于增強液態金屬復合材料的導熱性能和穩定性
具有金屬填充物的鎵基液態金屬（LM）復合材料是一種新興的熱界面材料（TIMs），廣泛應用于電子和電力系統中以提高其性能。然而，鎵與許多金屬填料（如銅和銀）之間的原位合金化導致了復合材料穩定性的惡化。
近日，上海交通大學鄧濤教授，宋成軼，北卡羅來納州立大學Michael D. Dickey報道了開發了一種界面工程方法，使用3-氯丙基三乙氧基硅烷（CPTES）作為LM基體中銅-鎵氧化物界面的有效熱連接劑和擴散阻擋層，實現了復合材料熱導率和穩定性的提高。
本文要點：
1）將LM與CPTES改性的銅粉混合，可獲得高達65.9 W m?1 K?1的導熱系數（κ）。此外，κ可以通過改變硅烷分子的末端基團來調節，這表明了這種方法的靈活性。
2）這種復合材料作為TIMs的潛在用途還顯示在計算機中央處理單元的散熱方面。
雖然大多數LM基復合材料的研究都是通過直接混合各種填料來提高材料的性能，但這項工作為制備高性能LM基復合材料提供了一種不同的途徑，并有望進一步推動其在熱管理系統、柔性電子、消費電子和生物醫學系統等領域的應用。
Han Wang, et al, Liquid Metal Composites with Enhanced Thermal Conductivity and Stability Using Molecular Thermal Linker, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202103104
https://doi.org/10.1002/adma.202103104
9. AM：揭示純晶C60納米顆粒的反常高鋰存儲
Li+會插入純面心立方（fcc）C60結構，而不是吸附在單個C60分子上。這阻礙了鋰離子在鋰離子電池（LIBs）中的額外存儲，從而限制了其應用。然而，由于C60粉末的低電化學反應性和差的結晶度，人們尚未研究其相關的電化學過程和機理。近日，韓國釜山大學Chae-Ryong Cho，蔚山科學技術院Dong-Hwa Seo報道了采用熱致蒸發和冷卻結晶的方法，在不同的溫度（相差約500 °C）下合成了形貌均勻、顆粒尺寸均一的面心立方C60納米顆粒（NPs）。
本文要點：
1）在含有10%氟乙烯碳酸酯的1 m LiPF6溶液中，C60 NP負極表現出優異的可逆容量（780 mAh g?1，0.1 A g?1）、長循環壽命(373 mAh g?1，5 A g?1，1000次循環）和優異的倍率比容量（446 mAh g?1）。此外，與硬碳電極相比，C60 NP電極在循環過程中的結構穩定性、高比容量、長循環穩定性和高保持率等方面表現出更好的性能。
2）研究人員研究了全電池（C60 NP負極/LiFePO4正極）的電化學性能。此外，通過原位X射線衍射（XRD）、非原位高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）分析和第一性原理計算，基于C60分子之間的空位，不同位置的Li簇，提出了晶體C60結構中異常高的Li存儲，放電/充電過程中的結構變化。此外，研究發現，C60的fcc通過正交LixC60轉變四方晶系并在放電期間轉變回立方相。
這項研究將促進用于LIBs的新型富勒烯基負極材料的開發。
Linghong Yin, et al, Abnormally High-Lithium Storage in Pure Crystalline C60 Nanoparticles, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202104763
https://doi.org/10.1002/adma.202104763
10. AM：基于雜質向液態金屬界面選擇性遷移的二維材料摻雜
在半導體的摻雜過程中引入微量雜質仍然是電子工業面臨的技術挑戰。研究表明，通過利用液態金屬界面的選擇性富集和獲得摻雜的金屬氧化物半導體層，可以降低工藝的復雜性，并可以實現對結果的高度控制。基于此，澳大利亞新南威爾士大學Kourosh Kalantar-Zadeh，Mohammad B. Ghasemian報道了根據金屬元素在競爭富集界面塊體中的不同遷移趨勢，提出了一種制備摻雜2D半導體片的自然過濾機制。
本文要點：
1）研究人員以不同Sn、Bi質量比的液態金屬合金為模型，制備了Bi2O3摻雜的SnO納米片。在這個模型中，即使在體相中具有極高的Bi濃度，Sn也比Bi有更強的占據Bi-Sn合金表面位置的傾向。這為制備具有精準控制Bi2O3摻雜的SnO 2D薄片提供了機會。
2）盡管SnO具有p型性質，但得到的Bi2O3摻雜SnO納米片始終表現出n型行為。研究人員測試了含有不同量Bi2O3摻雜劑的SnO納米片對H2和NO2氣體的傳感能力。通過摻雜方法，闡明了如何通過簡單地調節影響表面摻雜痕量的體濃度來使收獲的材料對NO2具有選擇性。
這種控制摻雜的方法預示著一種利用液態金屬基合金的自然過濾特性來監測界面遷移雜質的新方法。此外，這項工作對大規模應用的金屬氧化物半導體器件的幾種制造工藝具有巨大的潛在影響。
Mohammad B. Ghasemian, et al, Doping Process of 2D Materials Based on the Selective Migration of Dopants to the Interface of Liquid Metals, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202104793
https://doi.org/10.1002/adma.202104793
11. AM: 單原子催化：從簡單反應到復雜分子的合成
到目前為止，由于穩定性問題和不能活化復雜物質，單原子催化劑(SAC)在液相轉化中的應用范圍相當有限。這就需要更好的催化劑載體設計，以提供催化作用所需的動態配位環境，同時保持對浸出或聚集的穩健性。此外，SAC的化學正交性有助于設計串聯或多組分反應，在這些反應中，金屬納米顆粒常見的副反應被抑制。
有鑒于此，新加坡國立大學LOH Kian Ping教授等人，著重介紹了SAC催化反應的內在機理，包括控制SAC催化反應效率和選擇性的機理，以及在復雜液相條件下SAC的結構動力學。這些機理見解有助于開發用于通過后期功能化、順序化和多組分策略合成高價值藥物的下一代 SAC 系統。
本文要點：
1）SAC 促進液相轉變的發展仍處于起步階段。除了成熟的氫化和氧化作用外，SAC 的用途最近才擴展到后期設置或通過順序或多組分反應構建高價值精細化學品和特種化學品。許多關鍵問題仍有待解決：在原子水平上更深入地了解反應參數，以及需要對活性、動態和耐浸出催化劑進行深入設計。此外，要實現SAC的動力學選擇性，還需要開發多孔骨架載體來均勻固定SAC。SAC的化學正交性抑制了副反應，而明智的設計應該允許SAC催化的順序、多米諾或多組分反應迅速引入分子復雜性。
2）要將 SAC 應用于工業催化，需要設計反應器配置以實現節能和可持續的化學生產。傳質限制是許多間歇反應（如 H 電池反應器）性能不理想的主要原因之一。連續流中 SAC 催化的發展有望允許多種處理和回收選擇，以最大限度地提高產量并最大限度地減少浪費。氣體擴散電極 (GDE) 的最新進展為二氧化碳電還原提供了一個三相界面，顯著改善了傳質動力學，這表明將氣體擴散電極和SAC結合成一個單一的體系結構可能是探索高性能多相催化的下一個前沿方向。
Zhongxin Chen et al. Single-Atom Catalysis: From Simple Reactions to the Synthesis of Complex Molecules. Advanced Materials, 2021.
DOI: 10.1002/adma.202103882
https://doi.org/10.1002/adma.202103882
12. AM：通過淀粉樣蛋白向柔性器件的聚集抑制導電膜中的裂紋
柔性電子器件的一個致命弱點是在重復疲勞變形過程中發生機械斷裂；因此，控制導電層的裂紋發展至關重要，迄今為止，這仍然是一個巨大的挑戰。近日，陜西師范大學楊鵬教授報道了通過利用淀粉樣/多糖分子復合物作為界面粘合劑成功解決了上述問題。
本文要點：
1）海藻酸鈉（SA）可參與溶菌酶的淀粉樣聚集，導致在超大面積（超過400 cm2）上容易合成二維蛋白質/糖混合納米膜。
2）在淀粉樣聚集體中引入SA顯著提高了混合納米膜的機械強度，通過淀粉樣介導的界面黏附，有效地減少了重復彎曲或拉伸后混合納米膜涂層的微裂紋。
3）實驗結果顯示，無微裂紋雜化納米膜表現出較高的界面活性，誘導金屬在基片上以開爾文模型化學沉積，顯著抑制了金屬包覆柔性基片彎曲和拉伸過程中微裂紋的形成和隨后的導電性損失。
這項工作強調了淀粉樣/多糖納米復合材料在設計可靠的柔性電子器件界面粘結劑方面的重要性，并對模擬生物制造的淀粉樣和多糖基膠結物做出了重要貢獻。
Mengmeng Chen, et al, Crack Suppression in Conductive Film by Amyloid-Like Protein Aggregation toward Flexible Device, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202104187
https://doi.org/10.1002/adma.202104187
