1. Nature Commun.：一種凝膠電解質中可提高電化學電容的納米流體無孔電極
目前，多孔電極廣泛應用于固態(tài)超級電容器（SCs）中。一般來說，在多孔電極中嵌入均勻的離子滲透網絡是實現(xiàn)凝膠電解質高容量的關鍵。然而，由于交聯(lián)聚合物鏈的纏繞和粘性，凝膠電解質的滲透性往往很差。與液體電解質中的電極相比，電極電容對凝膠穿透性的依賴性導致了其顯著的性能下降。大量研究選擇通過限制電極的質量負載和厚度來緩解低凝膠滲透性，從而又導致面電容較小。
近日，澳大利亞新南威爾士大學王大偉，瑞典斯德哥爾摩大學Hongyi Xu報道了提出了一種不同的固態(tài)SCs電極設計概念，目的是在所有指標（重量、面積和體積）上實現(xiàn)通用的高電容。該策略涉及到使用非多孔的二維(2D)納米流體結構，這種結構本質上是電子和離子的雙重導電，將其作為固態(tài)SCs的電極活性材料。
本文要點：
1）研究人員使用一種具有層狀2D導電聚合物-氧陰離子結構的鎢酸鹽陰離子連接的聚苯胺（TALP）來驗證該策略。研究人員觀察到，層狀TALP (c=1.18 nm)中存在橫向承壓水，它形成了本質上水合的納米流體通道，具有離子導電性。此外，TALP中受限水合離子通道的尺度接近雙倍德拜長度（2λ），這有利于高密度電荷存儲。
2）研究人員還發(fā)現(xiàn)，TALP的層狀納米流通道在機械壓實下可保持規(guī)則離子通道的穩(wěn)健性，這與可變形的復雜碳網絡不同。這一特性使粉狀TALP能夠壓制成表觀密度高達1.8 g cm?3、極低孔隙率（5.56%）的球團電極。研究發(fā)現(xiàn)，初級TALP粒子在微球中剪切和熔化，即使沒有外部電解液浸透，也會在整個電極中形成一個擴散的納米流控離子滲透網絡。
3）實驗結果顯示，該納米流體TALP顆粒電極在液體和凝膠電解質中表現(xiàn)出幾乎相同的高面電容（9.10 vs. 8.94 F cm?2），以及重量和容量電容，這使得其在固態(tài)SCs中具有優(yōu)異的整體電容性能，在很大程度上超過了許多最先進的多孔電極。
Xiao, K., Yang, T., Liang, J. et al. Nanofluidic voidless electrode for electrochemical capacitance enhancement in gel electrolyte. Nat Commun 12, 5515 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-25817-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25817-8
2. Nature Commun.：堅固且可變形的氧化物納米復合材料表面用于反應磨損保護
與磨損相關的能源和材料損失每年超過25000億歐元。傳統(tǒng)觀點認為，高強度材料的磨損率較低，但它們的塑性變形機制也會影響其磨損性能。高強度和均勻的變形行為，允許在不開裂或局部脆性斷裂的情況下調節(jié)塑性應變，是開發(fā)耐磨金屬的關鍵。
近日，德國馬克斯·普朗克鋼鐵研究所Dierk Raabe，Ge Wu，Chang Liu報道了提出了一種策略，通過在磨損過程中原位形成堅固且可變形的氧化物納米復合材料表面來設計耐磨合金，并將這一過程稱為“反應磨損保護”。
本文要點：
1）研究人員研制了一種具有代表性的體心立方結構(TiNbZr)75Ag25（at.%）合金，其磨損率比基準TiNbZr合金低兩個數(shù)量級。在環(huán)境空氣中進行磨損時，(TiNbZr)75Ag25合金通過與環(huán)境氧的反應，原位形成400 nm厚的非晶-晶態(tài)納米復合材料表層，由含有約10 nm尺寸的Ag納米晶的非晶態(tài)Ti17Nb13Zr13Fe2O55基體組成。
2）(TiNbZr)75Ag25合金的高耐磨性得益于該合金的低摩擦系數(shù)（約0.09）和原位生成的非晶態(tài)氧化物納米復合材料表面的協(xié)同作用，復合材料表面表現(xiàn)出高強度和均勻的塑性流動行為。
該研究為未來耐磨合金的設計提供了指導，其基于反應性磨損保護，即在磨損過程中與環(huán)境原子合金化表面形成一種非晶態(tài)-晶態(tài)納米復合材料表面。
Liu, C., Li, Z., Lu, W. et al. Reactive wear protection through strong and deformable oxide nanocomposite surfaces. Nat Commun 12, 5518 (2021)
DOI：10.1038/s41467-021-25778-y
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25778-y
3. Nature Commun.：二維碳化鉬2D-Mo2C作為一種出色的CO2加氫催化劑
早期過渡金屬碳化物是一種極有前途的CO2加氫催化劑。近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院Christoph R. Müller，Alexey Fedorov報道了從MXene家族中的Mo2CTx制備了一種二維（2D）多層2D-Mo2C材料。
本文要點：
1）研究發(fā)現(xiàn)，在Mo2CTx表面還原去除Tx基團的過程中，可以避免2D-Mo2C向3D-Mo2C的轉變。
2）CO2加氫反應研究表明，Mo2CTx和2D-Mo2C的活性和產物選擇性（CO、CH4、C2-C5烷烴、甲醇和二甲醚）受Tx基團的表面覆蓋度控制，而Tx基團的表面覆蓋度可以通過H2預處理條件來調節(jié)。例如，Mo2CTx上豐富的Tx基團提供了表面酸性，使得甲醇脫水形成DME（以及其他產物）中，而在2D-Mo2C上并沒有觀察到DME。后者具有較高的CO加氫活性(CO生成速率約為6gh?1gcat?1)和較高的CO選擇性(430°C時約為94%)。此外，在430 °C下，2D-Mo2C催化劑的CO生成活性比β-Mo2C對照催化劑高6倍，且在100 h范圍內沒有失活。
研究結果表明，2D-Mo2C催化劑具有優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，是一種很有應用前途的CO2加氫催化劑。
Zhou, H., Chen, Z., Kountoupi, E. et al. Two-dimensional molybdenum carbide 2D-Mo2C as a superior catalyst for CO2 hydrogenation. Nat Commun 12, 5510 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-25784-0
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25784-0
4. Nature Commun.: 具有超過30年使用壽命的非富勒烯受體有機光伏器件
如果同時滿足低成本、高效率和延長壽命的要求，有機光伏電池 (OPV) 就有可能成為一種高效的可再生能源技術。到目前為止，該技術的剩余未實現(xiàn)承諾是其使用壽命不足。密歇根大學-安娜堡分校Stephen R. Forrest等人證明了梯型非富勒烯受體（NFA ）太陽能電池的不穩(wěn)定性主要源于有機/無機界面處的化學變化，該界面限定了本體異質結活性區(qū)域。
本文要點：
1）通過額外的保護性緩沖層以及集成簡單溶液處理的紫外線過濾層穩(wěn)定的封裝器件，在模擬AM1.5 G 輻照和55 °C 下照射1900 小時后，仍保持其初始效率的 94%。然而，暴露于高達 27個太陽的光照強度和高達65 °C 的工作溫度也會導致加速老化。外推本征壽命超過 5.6×104 h，相當于戶外暴露30年。
Li, Y., Huang, X., Ding, K. et al. Non-fullerene acceptor organic photovoltaics with intrinsic operational lifetimes over 30 years. Nat. Commun. 12, 5419 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25718-w
5. Nature Commun.：CH3NH3PbI3結構及其分解途徑的原子尺度成像
了解有機-無機雜化鈣鈦礦的原子結構和結構不穩(wěn)定性是了解其卓越光電性能和理解失效機制的關鍵。北京大學Peng Gao，中科院深圳先進技術研究院Xiao Wang，Jiangyu Li以及石家莊鐵道大學Jinjin Zhao等人使用透射電子顯微鏡中的直接檢測電子計數(shù)相機的低劑量成像技術，在原子尺度上研究了 CH3NH3PbI3（MAPbI3）的原子結構和分解途徑。
本文要點：
1）研究人員成功地在超低電子劑量條件下對真實空間中鈣鈦礦的原子結構進行成像，并觀察到兩步分解過程，即MA+的初始損失，然后鈣鈦礦結構坍塌為具有臨界閾值劑量的 6H-PbI2。
2）有趣的是，在鈣鈦礦坍塌之前，具有局部有序空位的中間相（MA0.5PbI3）可以穩(wěn)定存在，這為在降解過程中預防和恢復鈣鈦礦結構提供了啟發(fā)。隨著結構演化，帶隙逐漸從~1.6 eV 增加到~2.1 eV。此外，還發(fā)現(xiàn)C-N 鍵在輻照下很容易被破壞，釋放出NH3 和HI并留下碳氫化合物。
這些發(fā)現(xiàn)增強了對MAPbI3光電特性和失效機制的理解，為材料優(yōu)化提供了潛在的策略。
Chen, S., Wu, C., Han, B. et al. Atomic-scale imaging of CH3NH3PbI3 structure and its decomposition pathway. Nat. Commun. 12, 5516 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25832-9
6. JACS：炔烴選擇性制備反式烯烴
通過炔烴加氫是工業(yè)上立體選擇性合成烯烴的重要方法，但是通常異相金屬催化劑在催化該反應過程中烯烴產物主要為順式構象，這是因為在金屬催化劑表面主要發(fā)生Horiuti–Polanyi機理。有鑒于此，廈門大學鄭南峰等報道通過理論計算、相關實驗結合，展示了一種新型機理過程，通過在固體催化劑表面缺陷位點H2裂解產生的H原子進行加氫還原，實現(xiàn)炔烴加氫反應的優(yōu)勢構象選擇由順式變?yōu)榉词剑瑫r不會發(fā)生過度加氫。
本文要點：
1）在缺陷型Rh2S3催化劑（110）暴露晶面表現(xiàn)了最高的選擇性生成反式烯烴催化活性，通過在空間上相互分離的高價態(tài)Rh位點上的氫原子，實現(xiàn)了炔烴加氫反應中反式選擇性，同時保證不會發(fā)生過度加氫還原。
2）進一步的，通過在Pd納米片界面修飾Rh、S原子構建了雙功能Rh-S/Pd催化劑。在該催化劑中，界面PdSx簇選擇性進行炔烴半加氫生成烯烴，高價態(tài)Rh位點選擇性進行順式烯烴異構為反式烯烴，這種雙功能催化劑的催化活性比目前大多數(shù)報道的均相、異相催化劑活性更高。
Weijie Zhang, et al, Heterogeneous Isomerization for Stereoselective Alkyne Hydrogenation to trans-Alkene Mediated by Frustrated Hydrogen Atoms, J. Am. Chem. Soc. 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c08153
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08153
7. Angew.: 乙炔在MOF中的致密堆積用于高效分離C2H2/CO2
許多多孔材料已被實現(xiàn)用于具有高選擇性的具有挑戰(zhàn)性的C2H2/CO2分離；然而，它們中的大多數(shù)都存在可再生能量高、穩(wěn)定性差或成本高的問題，這在很大程度上阻礙了它們的工業(yè)應用。理想的吸附劑應在優(yōu)異的分離性能、高穩(wěn)定性和低成本之間取得最佳平衡。有鑒于此，美國德克薩斯大學圣安東尼奧分校陳邦林教授等人，報告了一種用于高效分離C2H2/CO2的穩(wěn)定、低成本且易于放大的鋁金屬-有機骨架 (CAU-10-H)。
本文要點：
1）CAU-10-H 中合適的孔隙限制不僅可以提供與C2H2的多點結合相互作用，而且可以使C2H2分子在孔隙內密集堆積。因此，該材料表現(xiàn)出迄今為止報道的最高 C2H2存儲密度之一，即 392 g L -1,并且在環(huán)境條件下對C2H2的高選擇性吸附超過CO2，這是通過相對較低的C2H2吸附焓實現(xiàn)的(27 kJ mol -1 )。
2）突破性實驗證實了其對C2H2/CO2 混合物的出色分離性能，提供了 3.3 mmol g -1 的大C2H2吸收率和 3.4 的高分離系數(shù)，均超過了大多數(shù)基準材料。
3）結合超高穩(wěn)定性、低成本和易擴展性，CAU-10-H 代表了一種卓越的材料，它顯示了C2H2/CO2分離的分離性能、穩(wěn)定性和成本之間的基準平衡。
Jiyan Pei et al. Dense Packing of Acetylene in a Stable and Low-Cost Metal–Organic Framework for Efficient C2H2/CO2 Separation. Angew., 2021.
DOI: 10.1002/anie.202110820
https://doi.org/10.1002/anie.202110820
8. AM：面內/體相雙重異質結提高太陽能電池性能
給體-供體異質結結構目前被發(fā)現(xiàn)用于有機太陽能電池中強束縛激子的分裂上非常成功，建立一種能夠實現(xiàn)載流子傳輸?shù)耐瑫r抑制載流子復合對于改善太陽能電池的效率非常重要。有鑒于此，中科院化學所侯劍輝、姚惠峰，中科院寧波材料技術與工程研究所葛子義等報道通過構建平面內與體相異質結，實現(xiàn)了降低載流子能量損失，得到高效率有機太陽能電池。
本文要點：
1）以苯并二噻吩-噻吩構建p型交替聚合物、n型萘酰亞胺分別修飾在p型聚合物光吸收層的靠近陰陽極的兩端，構建了給體：供體異質結。這種在陰極、陽極電極附近修飾異質結顯著改善了載流子的傳輸、抽取，有效抑制了載流子復合。
2）通過這種異質結結構設計，發(fā)現(xiàn)光伏性能表征發(fā)現(xiàn)，得到的有機太陽能電池的非輻射能量損失降低了25 meV，最優(yōu)的有機太陽能電池效率達到18.5 %（認證電池效率達到18.2 %）。本文研究結果為精確調控太陽能電池中的給體-供體異質結提供經驗，為發(fā)展更高性能的有機太陽能電池提供指導。
Ling Hong, et al. 18.5% Efficiency Organic Solar Cells with a Hybrid Planar/Bulk Heterojunction, Adv. Mater. 2021, 2103091.
DOI: 10.1002/adma.202103091
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103091
9. Advanced Science：用于混合電致變色水系鋅電池的電聚合一維生長配位聚合物
有機材料由于其合成多功能性、顏色可調性、易加工性以及可從可持續(xù)原料中衍生，一直被視為有前途的電致變色 (EC) 材料。然而，大多數(shù)有機材料在氧氣和水的存在下容易發(fā)生不希望的氧化還原副反應。因此，氧化還原活性有機層通常與有機電解質一起使用，以保持其電化學穩(wěn)定性。隨著人們對環(huán)境可持續(xù)和生物安全的電子產品越來越感興趣，開發(fā)與水相容的有機材料越來越受到關注。近日，南洋理工大學Pooi See Lee研究員等人報道了一種三聯(lián)吡啶鐵配位聚合物的可控電聚合方法。
本文要點：
1）通過可控的電聚合制備了一種合理設計的納米結構鐵三聯(lián)吡啶配位聚合物（CP），從而通過穩(wěn)定的電化學陰極反應實現(xiàn)電調制光傳輸。與其他第一排過渡金屬相比，三聯(lián)吡啶配體因其對鐵的強螯合而聞名。此外，鐵表現(xiàn)出明確定義的單電子氧化還原過程，使其能夠在+2和+3氧化態(tài)之間切換，而不會改變配位幾何結構，從而為長時間的電化學過程提供了一個強大的系統(tǒng)。
2）基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) 解釋，CP經歷了1D生長過程，這可歸因于單體過渡金屬配合物的明智設計。通過利用所制備的 CP 修飾電極作為正極和鋅負極，展示了一種集成的混合電致變色鋅電池裝置，實現(xiàn)了≈69% 的高色彩對比度，<1s 的快速響應時間，以及良好的超長續(xù)航能力，1000 次連續(xù)充放電循環(huán)。
Wei Church Poh, et al. Electropolymerized 1D Growth Coordination Polymer for Hybrid Electrochromic Aqueous Zinc Battery. Adv. Sci. 2021, 2101944.
DOI：10.1002/advs.202101944
https://doi.org/10.1002/advs.202101944
10. AEM：嵌入原位生成金屬磷酸鹽的金屬磷化物作為緩沖材料用于用于高性能鉀離子電池
金屬磷化物作為金屬離子電池的負極，由于其巨大的體積膨脹和不穩(wěn)定的固體電解質界面（SEI），通常會造成嚴重的電池容量衰減，尤其是鉀離子電池（PIBs）。為解決這些問題，澳門大學Kwun Nam Hui，南京工業(yè)大學邵宗平教授，東英吉利大學Kwan San Hui報道了直接以金屬氧化物（MOs）和紅磷（RP）為原料，采用球磨法制備了10種原位生成金屬磷酸鹽的金屬磷化物，并將其作為緩沖材料。
本文要點：
1）用RP和Super P球磨ZnO，制備非晶鋅磷酸鹽復合材料ZnO@P（1:2）@C，其中加入碳（Super P）以增強復合材料的電導率。
2）將鋅磷酸鹽復合材料作為PIB負極進行進一步研究。結果顯示，由于有效地抑制了體積變化，在KFSI基電解質的電極表面形成了富含KF的SEI。復合材料具有高的可逆比容量和優(yōu)異的長期循環(huán)穩(wěn)定性（0.1 A g?1在350次循環(huán)后，容量達到476 mAh g?1，在1.0 A g?1下6000次循環(huán)后循環(huán)177 mAh g?1）在所有已報道的PIB金屬磷化物基負極中具有最佳的循環(huán)性能。
這項研究提供了一種低成本和有效的策略來指導金屬磷化物作為PIBs的高性能負極的開發(fā)。
Shunping Ji, et al, Metal Phosphides Embedded with In Situ-Formed Metal Phosphate Impurities as Buffer Materials for High-Performance Potassium-Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202101413
https://doi.org/10.1002/aenm.202101413
11. Small methods：單個鈷原子修飾的N摻雜碳多面體用于無枝晶鈉金屬負極
在鈉沉積和剝離過程中鈉枝晶的不可控生長仍然是實現(xiàn)高性能鈉金屬電池（SMB）的巨大挑戰(zhàn)，這導致金屬鈉的無效利用、低庫侖效率和較差的循環(huán)壽命。近日，華南理工大學楊成浩研究員和廈門大學董全峰研究員等人報道了一種用于Na金屬負極的多孔氮摻雜碳多面體。
本文要點：
1）已經制造并引入了單個 Co 原子均勻修飾的多孔氮摻雜碳多面體（CoSA@NC）基質，以控制 Na 的生長并實現(xiàn)均勻的 Na 成核/沉積。低溫電子顯微鏡和原位光學顯微鏡技術用于分析電鍍/剝離過程中金屬鈉的形態(tài)變化。均勻嵌入NC電極中的單個Co原子可以為Na離子吸附提供穩(wěn)定的Na-philic位點，有助于引導鈉的均勻沉積并防止Na枝晶生長。
2）Na- CoSA @NC電極可以在在1.0mA cm?2的電流密度下，850圈循環(huán)中保持99.95％的高且穩(wěn)定的CE，并且金屬鈉陽極的極化限制在20mV，具有超長的循環(huán)壽命(>2000h)。此外，當與帶有 S-CoSA@NC正極的完整 Na-S電池配對時，Na-CoSA@NC 負極還可以在210循環(huán)中提供88.5%的出色容量保持率。
Yijuan Li, et al. Single Cobalt Atoms Decorated N-doped Carbon Polyhedron Enabled Dendrite-Free Sodium Metal Anode. Small Methods 2021, 2100833.
DOI：10.1002/smtd.202100833
https://doi.org/10.1002/smtd.202100833
12. ACS Nano綜述：用于柔性鋰?硫電池的石墨烯基材料
在過去的幾十年中，人們對開發(fā)兼具高穩(wěn)定性與理想能量密度的柔性鋰硫電池先進材料的興趣日益濃厚。其中，石墨烯材料由于其比表面積大，重量輕，柔韌性好和導電性強而成為一種理想的選擇。石墨烯材料已被證明可作為柔性鋰硫電池組件，包括鋰負極和硫正極的集流體、多功能中間層等。鑒于石墨烯材料在柔性鋰硫電池中的巨大應用前景，北京航空航天大學張世超教授聯(lián)合清華大學周光敏副教授介紹了這一快速發(fā)展領域的最新進展。
本文要點：
1）作者首先總結了不同石墨烯基復合/雜化材料中的石墨烯構型。之后基于柔性、能量密度于循環(huán)穩(wěn)定性總結柔性鋰硫電池發(fā)展的激勵因素與面臨的挑戰(zhàn)。
2）作者介紹了石墨烯基材料在柔性鋰硫電池的關鍵組件（硫正極、多功能中間層與鋰負極）的最新進展。在每一部分中特別關注于石墨烯基材料的結構設計、石墨烯功效、界面調控與電池布局，以實現(xiàn)同時兼?zhèn)淙嵝浴⒛芰棵芏扰c循環(huán)穩(wěn)定性的柔性鋰硫電池。
3）作者最后指出柔性鋰硫電池的性能需要進一步提高以實際應用，寄希望在以下方向進行更多的探索：包括優(yōu)化全電池的柔性，如發(fā)展三維石墨烯集流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)涂布法；提高電池實際能量密度，如發(fā)展石墨烯片上單分子層載硫技術；以及關注電池封裝、電池與外電路連接的問題。
Tian Yang, et al. Graphene-Based Materials for Flexible Lithium?Sulfur Batteries. ACS Nano. 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c03183
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c03183?ref=pdf
