1. Science: 銀納米粒子提高Shewanella微生物燃料電池的電荷提取效率
微生物燃料電池（MFC）可以直接將儲存在有機物質中的化學能轉化為電能，在發電和廢水處理方面具有重要意義。然而，目前Shewanella MFC獲得的電流密度和功率密度對于實際應用來說往往過低，這在很大程度上是由于緩慢的跨膜和細胞外電子轉移過程導致的。有鑒于此，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的黃昱教授和段鑲鋒教授等人，提出了一種由還原氧化石墨烯-銀納米顆粒(rGO/Ag)支架構建Shewanella MFC中的跨膜和細胞外電子轉移過程的策略。
本文要點：
1）報告了一種合理的策略，通過引入跨膜和外膜銀納米粒子來顯著提高Shewanella MFC 的電荷提取效率。研究發現，相比于rGO或碳纖維，rGO/Ag電極上形成了由密集堆積的棒狀細菌組成的致密生物膜，說明Ag的存在有利于更密集的生物膜形成。
2）由此產生的 Shewanella-silver MFC 可提供3.85±0.05 mA/cm2的最大電流密度、高達0.66±0.03 mW/cm2的最大功率密度和8.6×105/s的周轉頻率（TOF），這些都遠高于迄今為止報告的最好的 MFC。
3）研究發現，一些Ag納米粒子穿過內外膜之間的整個周質空間并突破外膜，表明跨膜和外膜Ag納米粒子可能充當金屬捷徑，繞過由氧化還原中心介導的緩慢電子轉移過程，與外部電極直接接觸以更有效地提取電荷。
BOCHENG CAO et al. Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells. Science, 2021.
DOI: 10.1126/science.abf3427
http://doi.org/10.1126/science.abf3427
2. Nature Nanotechnol.: 通過單原子合金Pb1Cu將CO2 轉化為純甲酸
利用可再生電力，將二氧化碳排放轉化為燃料和化學品，為實現碳中和能源循環提供了一條有效的途徑。隨著對Cu催化劑認識和合成的不斷深入，電化學CO2還原(CO2RR)技術得到了巨大的進展，用于生產碳氫化合物和含氧化合物；然而，作為主要催化劑的銅通常對特定產物表現出有限的選擇性和活性，導致生產效率低，反應后需要大量純化。
有鑒于此，中國科學技術大學曾杰教授、電子科技大學夏川教授、中國科學院大連化學物理研究所肖建平研究員等人，提出了一種單原子鉛合金銅催化劑(Pb1Cu)，它可以完全(~96%法拉第效率)將CO2轉化為甲酸鹽，活性超過1 A cm-2。
本文要點：
1）設計制備了一種M1Cu（M = Pb, Bi, In）單原子合金改變Cu基催化劑CO2RR選擇性并高效制甲酸。先分別合成含有Pb、Bi、In摻雜的Cu前驅體，然后在CO2RR條件下原位還原以單原子修飾的Cu催化劑。
2）Pb1Cu 電催化劑在調制的 Cu 位點而不是孤立的 Pb 上將 CO2 轉化為甲酸鹽。原位光譜證據和理論計算表明，Pb1Cu 催化劑的活化 Cu 位點調節 CO2RR 的第一個質子化步驟，并將 CO2RR 轉向 HCOO* 路徑而不是 COOH* 路徑，從而阻礙了其他產品的可能性。
3）進一步展示了使用固體電解質反應器和 Pb1Cu 在 180 小時內以 100 mA cm–2 連續生產純甲酸溶液。
Zheng, T., Liu, C., Guo, C. et al. Copper-catalysed exclusive CO2 to pure formic acid conversion via single-atom alloying. Nat. Nanotechnol. (2021).
DOI: 10.1038/s41565-021-00974-5
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00974-5
3. Nature Commun.：陰離子摻雜用于活化d0過渡金屬硫屬化合物的陰離子氧化還原
層狀富鋰過渡金屬（TM）氧化物LixTMyO2（x>y）是一種極有前途的高容量正極材料，其通過陽離子和陰離子氧化還原過程進行電荷補償。大量理論研究工作發現，堿性離子引入TM層會導致氧上的2p孤電子對。與基于陽離子氧化還原的傳統正極材料相比，其電子態是一個電子儲存庫，可以潛在地參與陰離子氧化還原過程，并釋放額外的容量。然而，在大多數富鋰材料中，氧上空穴的形成會導致不穩定的電子組態。因此，電池材料中陰離子氧化還原的開發受到不可逆容量、動力學遲滯、大滯后和電壓衰減等問題的嚴重阻礙。
近日，法蘭西學院Jean-Marie Tarascon報道了成功合成一系列全富鋰層狀硫系化合物Li2TiS3-xSx，發現Se的部分取代使得Li2TiS3具有鐘形電化學活性。
本文要點：
1）得到的Li2TiS2.4Se0.6可以提供高達260 mAh/g的重量容量，這與層狀氧化物相比，并沒有電壓衰減和高極化損失等問題。XPS/HAXPES、EPR和NMR等表征技術結果表明，Li2TiS2.4Se0.6的容量來源于陰離子（S2?/Sn?；Se2?/Sen?，n<2）和陽離子氧化還原（ti< span="">3+/4+）氧化還原過程之間的復雜平衡。
2）研究人員提出了一種新的策略，通過改變電子帶的能量和對稱性來解鎖富鋰材料中的可逆陰離子氧化還原。這觸發了電子TM態的動態參與，如果沒有TM態，陰離子氧化還原就不可能發生。低溫EPR/NMR測量則提供了實驗證據，證明了內部配體通過溫度驅動的電子局域化在這個高共價體系中轉移金屬電荷，這表明能帶排列和定位是一個動態過程，不需要簡單的氧化態描述和分配。
3）在性能方面，LTFS和Li2TiS3?xSex都顯示出類似的可持續的比能量密度。因此，這種類型的硫化物為固態電化學家調節陽離子/陰離子帶位置（和氧化還原電位）打開了大門，從而增加了富鋰硫化物的電化學容量。
Leube, B.T., Robert, C., Foix, D. et al. Activation of anionic redox in d0 transition metal chalcogenides by anion doping. Nat Commun 12, 5485 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-25760-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25760-8
4. Nature Commun.: 基于多尺度模擬的負載亞納米催化劑的實時動力學和結構
了解亞納米催化劑的性能，以及催化劑處理和暴露在光譜探針分子中如何改變其結構，需要在工作條件下進行準確的結構測定。實驗缺乏同步的時間和空間分辨率，可能會改變結構，類似的挑戰阻礙了第一性原理計算回答這些問題。有鑒于此，美國特拉華大學的Dionisios G. Vlachos和荷蘭埃因霍芬理工大學Emiel J. M. Hensen等人，引入了一個多尺度建模框架，以在實驗相關的時間尺度上跟蹤亞納米團簇的演變。
本文要點：
1）使用多尺度動力學蒙特卡羅 (KMC) 模擬研究了實驗相關條件下的結構演變。具體而言，研究了溫度、CO 分壓、金屬負載和初始催化劑狀態在實驗相關時間尺度下對催化劑動力學的影響。選擇在 CO 氣氛中的 CeO2(111) 上的 Pd (n = 1-40) 作為案例研究，這是一種常用于汽車催化轉化器的催化劑
2）CO 是多種化學中的反應物（產物），也是紅外 (IR) 光譜學中最常見的探針分子。工作側重于團簇的三維 (3D) 表示，而不是傳統的 2D 投影。KMC模擬引擎采用了精確、高效和基于可轉移機器學習(ML)的哈密頓函數(在DFT數據上訓練)，以描述各種尺寸和位置的簇異構體的能量學和CO吸附。
3）研究表明，即使在室溫下，燒結也在幾秒鐘內發生，并且主要是由自由能降低驅動的。它導致了動力學（遠離平衡）凍結的準二維結構系綜，這是一氧化碳化學吸附和紅外實驗所探測的。CO吸附使結構更平坦、更小。高溫促使非常迅速的燒結向較大的，穩定/亞穩態的平衡結構發展，其中CO誘導二級結構的變化。
Wang, Y., Kalscheur, J., Su, YQ. et al. Real-time dynamics and structures of supported subnanometer catalysts via multiscale simulations. Nat Commun 12, 5430 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-25752-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25752-8
5. PNAS: 錨定在NiFeOOH上的銥單原子催化劑增強水氧化活性的起源
由于緩慢的水氧化反應，電源合成可再生燃料和原料的效率，因此受到了限制。單原子催化劑(SACs)，具有可控的配位環境和極高的原子利用率，為高性能水氧化催化劑的設計開辟了新的思路。有鑒于此，美國SLAC國家加速器實驗室的Michal Bajdich和斯坦福大學的崔屹等人，通過X射線吸收光譜測量、光譜計算和電化學活性的計算，證明了IrNiFe SACs的水氧化活性的來源是在原位條件下的NiFe氧化物中存在高度氧化的Ir單原子(Ir5.3+)。
本文要點：
1）開發了一種原位低溫光化學還原法，用于將Ir單位點錨定在NiFe氧化物載體上，制備了具有良好水氧化性能的Ir0.1/Ni9Fe SAC催化劑。
2）通過將XAS分析與模擬光譜和OER活性計算相結合，明確地識別出Ir物種采用了氧化態大于+5的單原子構型。通過系統地提高氧化態和調節Ir活性位點的配位環境，可以獲得最佳的水氧化催化劑。
3）催化劑Ir0.1/Ni9Fe SAC在10 mA cm-2下表現出183 mV的過電位，并在1 M KOH電解液中操作100小時后仍保持其優異的性能，優于已報道的催化劑和商業IrO2催化劑。
Zheng, X., Tang, J., Gallo, A. et al. Origin of enhanced water oxidation activity in an iridium single atom anchored on NiFe oxyhydroxide catalyst. PNAS, 2021.
DOI: 10.1073/pnas.2101817118
https://doi.org/10.1073/pnas.2101817118
6. Chem: 用于醫療保健的金屬有機框架的單原子工程
單原子納米催化劑/納米酶(SACs/SAEs)以其最大的原子利用效率和明確的局域結構而成為研究的前沿。金屬有機框架材料(MOFs)具有結構多樣性和功能可調性，是構建SACs/SAEs的理想主體材料。此外，MOF前驅體在一定條件下的熱解可以形成MOF衍生的SACs/SAEs。有鑒于此，南洋理工大學趙彥利教授等人，綜述了用于醫療保健的金屬有機框架基單原子納米催化劑/納米酶的研究進展。
本文要點：
1）首先介紹了納米酶的分類和酶促機制、SACs/SAEs 的綜合表征技術以及基于 MOF 的 SACs/SAEs 的各種合成方法。
2）然后，重點介紹了基于 MOF 的 SAC/SAE 在酶促保健領域的最新進展，即癌癥治療、生物傳感、抗菌方法、活性氧自由基清除和環境保護。
3）最后，總結了從這些研究中獲得的見解，并討論了可能的設計原則和未來的挑戰，以更深入地了解這一新興領域，從而為跨越傳統納米酶進入下一代生物安全 SAC/SAE 新時代提供了巨大的機會。
Dongdong Wang et al. Single-atom engineering of metal-organic frameworks toward healthcare. Chem, 2021.
DOI: 10.1016/j.chempr.2021.08.020
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.08.020
7. EES: 鑭系元素的電子擾動增強Pt-Ln合金的甲醇氧化反應活性
直接甲醇燃料電池在實際應用中仍然面臨著高活性和高穩定性的挑戰。貴金屬Pt作為電催化劑雖然得到了廣泛的應用，但其穩定性差、成本高等問題制約了其大規模應用。有鑒于此，南開大學杜亞平教授和香港理工大學黃勃龍教授等人，合成了一系列Pt-Ln/C (Ln = La, Ce, Pr, Nd)納米合金催化劑，以提高Pt對甲醇氧化的電活性，抑制Pt的 CO 中毒效應。
本文要點：
1）通過將鑭系元素與 Pt 合金化，合成了一系列 Pt-Ln/C（Pt5La/C、Pt5Ce/C、Pt5Pr/C 和 Pt5Nd/C）納米合金催化劑，系統研究了鑭系元素電子結構擾動對Pt甲醇氧化活性的影響。鑭系元素的特殊電子結構顯著增強了鉑甲醇的氧化活性。
2）其中，鑭系元素電子微擾與催化活性的關系遵循峰“火山”關系。DFT 計算揭示了不同 Pt5Ln 樣品的不同電子結構，其中 Pt5Ce 中的最佳 d-f 耦合導致電活性和選擇性的顯著提高。這種電子結構也有效地抑制了 MOR 過程中的 CO 中毒效應。
3）Pt5Ce/C 表現出最佳性能，比活性最高，為32.74 mA cm-2Pt，是普通Pt/C (2.94 mA cm-2Pt)的11.1倍。
總之，該工作證明了鑭系元素由于電子結構擾動而對 Pt 電活性的關鍵促進作用，這為設計高效的鑭系合金催化劑提供了新思路。
Shuai Zhang et al. Lanthanide Electronic Perturbation in Pt-Ln (La, Ce, Pr and Nd) alloys for Enhanced Methanol Oxidation Reaction Activity. Energy Environ. Sci., 2021.
DOI: 10.1039/D1EE02433G
https://doi.org/10.1039/D1EE02433G
8. EES: 在環境條件下電催化NO3-合成氨，太陽能轉化效率>11%
氨是一種用于制造肥料、藥物、彈藥和塑料的基本商品化學品，是一種很有前途的替代燃料來源和載體。目前，大多數氨是由Haber-Bosch 工藝生產的，然而該工藝的能耗占全球能源生產的 1-2% ，而且排放大量溫室氣體。使用硝酸鹽太陽能驅動的氨電化學合成提供了一種利用廢水生產可再生燃料的可持續途徑。
有鑒于此，伊利諾伊大學的Meenesh R. Singh、勞倫斯伯克利國家實驗室Joseph A. Gauthier以及陶氏化學公司的Aayush R. Singh等人, 設計制備了一種氧化物衍生的 Co 作為高效的 NiRR 催化劑，具有最高的比活性（~14.56 mA cm-2 at -0.8 V vs. RHE）和選擇性。
本文要點：
1）催化劑篩選研究使用了Fe, Ni, Co, Cu和Zn，采用密度泛函理論(DFT)結合計算氫電極(CHE)測定了中間吸附能。研究發現Co和Ni最有可能是活性的，出現在非常接近NiRR火山圖的峰值。
2）氧化物衍生的Co是一種高效的NiRR催化劑，擁有最高的活性（-0.8 V （vs RHE）時為14.56 mA cm-2）和選擇性。氧化物衍生的 Co 在 -0.8 V （vs. RHE）下顯示出 92.37 ± 6.7% 的最大法拉第效率和 565.26 mA cm-2 的氨電流密度。
3）將這種催化劑集成到光伏電解槽中，利用太陽能電池為電解供電，氨的 STF 效率達到了前所未有的 11%，比最先進的系統高出一個數量級。
Nishithan C. Kani et al. Solar-driven electrochemical synthesis of ammonia using nitrate with 11% solar-to-fuel efficiency at ambient conditions. Energy Environ. Sci., 2021.
DOI: 10.1039/D1EE01879E
https://doi.org/10.1039/D1EE01879E
9. AM: 設計超分子水凝膠，以輕松控制細胞封裝和行為
細胞外基質 (ECM) 通過小分子和大聚合物分子的分層組裝形成瞬態的水凝膠狀纖維網絡，為細胞提供機械支持和生化線索。因此，通過各種分子的非共價組裝形成的合成纖維超分子網絡是作為天然 ECM 合成模擬物的潛在候選材料，條件是用生物化學線索進行功能化才是有效的。鑒于此，荷蘭埃因霍芬理工大學Patricia Y. W. Dankers等人利用自組裝成超分子纖維的慢速和快速交換分子的組合來形成具有可調動態行為的瞬態水凝膠網絡。
本文要點：
1）獲得的結果證明，調節這些分子之間的比例決定了水凝膠在分子和網絡水平上的動態行為程度，這被認為能夠在這些材料中有效摻入細胞粘附功能。
令人興奮的是，該系統中超分子組分的動態特性可以方便地用于配制多組分超分子水凝膠，以便于培養和封裝單細胞、球體和類器官。重要的是，這些發現強調了分子設計和交換動力學對于超分子水凝膠作為合成 ECM 模擬物的應用的重要性。
Diba, M., et al., Engineering the Dynamics of Cell Adhesion Cues in Supramolecular Hydrogels for Facile Control over Cell Encapsulation and Behavior. Adv. Mater. 2021, 33, 2008111.
https://doi.org/10.1002/adma.202008111
10. AM: 3D 帶狀柔性電子產品的抗疲勞設計策略
由于其在可穿戴電子設備、柔性機器人、組織/細胞支架等方面的廣泛應用，三維 (3D) 柔性電子產品代表了近年來備受關注的新興領域。功能器件系統中廣泛采用的 3D 導電介觀結構在實際操作中不可避免地會經歷重復的平面外壓縮，因此抗疲勞設計策略對于提高 3D 柔性電子產品的可靠性具有重要意義。以前的研究主要集中在平面帶狀幾何結構的疲勞失效行為上，而針對 3D 帶狀細觀結構的抗疲勞設計策略和預測失效標準仍然缺乏。
鑒于此，清華大學張一慧等人展示了一種抗疲勞策略，通過將金屬主導失效轉換為所需的聚合物主導失效，顯著延長了 3D 帶狀柔性電子設備的疲勞壽命。
本文要點：
1）結合原位測量和計算研究，可以建立能夠準確預測平面外壓縮下的疲勞壽命的失效準則，從而為具有不同 3D 幾何形狀的抗疲勞細觀結構的設計提供有用的指導。
2）兩個機械可靠的 3D 設備，包括一個電阻式振動傳感器和一個能夠解耦溫度測量的janus 傳感器，作為兩個示范性的例子，以突出長期健康監測和人類機器人感知中的潛在應用。
Cheng, X., et al., An Anti-Fatigue Design Strategy for 3D Ribbon-Shaped Flexible Electronics. Adv. Mater. 2021, 33, 2102684.
https://doi.org/10.1002/adma.202102684
11. ACS Nano：一種具有超靈敏溫度和機械變色反應的人造變色龍皮膚
動態偽裝是變色龍最耐人尋味的特點，它能在外界刺激下通過虹膜細胞的收縮和伸展迅速而靈敏地調節皮膚顏色。鳥嘌呤納米晶在表面虹膜載體中的有序排列形成了非緊密堆積（NCP）光子晶體，在變色龍動態偽裝中起著不可替代的作用。此外，變色龍皮膚的顏色來源于該有序陣列中折射率（RI）周期性變化所產生的光子阻帶（PSB）。同時，顏色的亮度取決于PSB的強度，而PSB的強度由RI對比度和周期數決定。近日，大連理工大學武素麗教授報道了采用雙填充策略構建了分別與鳥嘌呤納米晶和胞質溶膠折射率相近的ZnS納米球和聚合物組成的非緊密堆積光子晶體。
本文要點：
1）ZnS@SiO2納米球通過自組裝形成緊密堆積的中間光子晶體，然后在空隙中填充聚合物。然后用HF溶液刻蝕SiO2部分，再用聚合物填充，從而成功地實現了非緊密堆積的光子晶體。
2）實驗結果顯示，由于折射率的相似對比度和非緊密堆積結構，所設計的光子晶體的刺激響應與變色龍的皮膚一樣敏感。當溫度從30升高到55 °C或壓縮應變為20%時，該結構的反射峰可藍移200 nm以上。
這項工作不僅通過引入兩步填充策略構建了非緊密堆積光子晶體，而且證明了在光子晶體中采用高折射率對比度是實現超靈敏的有效策略，這對各種應用都具有重要意義。
Yue Wu, et al, Artificial Chameleon Skin with Super-Sensitive Thermal and Mechanochromic Response, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c05612
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05612
12. ACS Energy Letters：調節純錫鈣鈦礦薄膜的表面鈍化和殘余應變
鈣鈦礦材料表面和晶界處電子缺陷的鈍化是抑制鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中電荷復合的最重要策略之一。盡管已經研究了幾種鈍化分子，但很少有研究關注它們在調節鈣鈦礦薄膜的表面鈍化和殘余應變方面的應用。蔚山科學技術大學校Sang Il Seok等人研究了Cs0.1FA0.9SnI3鈣鈦礦薄膜的殘余應變分布曲線及其對光伏器件效率的影響。
本文要點：
1）研究發現了與垂直于基板表面的成分不均勻性相關的面外壓縮應變的梯度分布。通過有意設計表面鈍化和殘余應變的雙重效應，我們實現了高達 9.06% 的創紀錄功率轉換效率，這是報道以來在正置 n-i-p 架構中報告的最高效率。
Manman Hu et al. Regulating the Surface Passivation and Residual Strain in Pure Tin Perovskite Films, ACS Energy Lett. 2021, 6, 3555–3562
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01575
