1. Nature Commun.：一種通過濃度梯度策略的機械堅固富鎳正極材料的合理設計
顆粒開裂等機械完整性問題被認為是導致鋰離子電池富鎳正極材料結構惡化和長期循環穩定性較差的主要原因之一。事實上，裂縫形成產生的有害影響還沒有完全解決。近日，阿貢國家實驗室Khalil Amine，陸俊教授，Jianguo Wen報道了系統研究了Co、Mn對富鎳（Ni）正極力學性能的影響，通過合理的濃度梯度設計來調節顆粒的機械穩定性，成功地解決了富鎳（Ni）正極顆粒開裂的問題。
本文要點：
1）先前的濃度梯度NMC正極主要考慮Ni含量由體到表面的變化，而這里通過控制Mn和Co的成分來研究它們各自的力學性能，并在不犧牲電極容量的情況下實現機械穩定性。
2）基于兩種相反組成設計的比較研究，研究人員證明了具有Co富集表面的梯度正極表現出優于具有Mn富集表面正極的綜合優勢。先進的原位XRD和非原位形貌測量結果顯示，富含Co的表面受益于其較低的剛度，可以有效地膨脹以減輕由內部膨脹和表面壓縮應力引起的顆粒損傷。同時，富Mn核不僅限制了內部膨脹，而且增加了整體結構的可逆性。這兩方面的濃度梯度設計均顯著提高了富鎳NMC的循環可逆性。而表面富錳、核富鈷的濃度梯度設計則會產生嚴重的機械應變和較大的內部張力，在反復體積變化過程中會導致顆粒嚴重開裂。
這些結果重新定義了Co和Mn對NMC正極力學性能的顯著影響，為增強富鎳正極形態穩定性的成分設計提供了新的見解，并可作為幫助促進鋰離子電池中結構和形態穩定的正極材料的基本指導原則。
Liu, T., Yu, L., Lu, J. et al. Rational design of mechanically robust Ni-rich cathode materials via concentration gradient strategy. Nat Commun 12, 6024 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-26290-z
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26290-z
2. Nature Commun.：C3N4上Cu單一位點的配位結構調節用于低溫CO2選擇性加氫
CO2加氫反應已經引起了人們的廣泛關注，但其目前較差的活性、低選擇性和結構-性能關系不明確等缺點，使得人們不斷追求用于CO2加氫的高效催化劑。近日，廈門大學黃小青教授，蘇州大學Lu Wang，亞利桑那州立大學Shize Yang報道了將富含N位點的C3N4作為功能性載體，來錨定Cu單原子位點，用于在70-150 °C的低溫范圍內催化CO2加氫。
本文要點：
1）通過簡單地改變處理條件，可以調節Cu單原子的配位結構，如Cu-N4和Cu-N3結構。
2）實驗結果表明，在150 ℃下，Cu-N3 SAC用于催化CO2加氫的CO選擇性為94.3%，而Cu-N4 SAC用于催化CO2加氫則表現出95.5%的CH3OH選擇性，產率為4.2 mmolg-1 h-1。令人印象深刻的是，Cu-N4 SAC的CH3OH產率已經超過了最先進的Cu-ZnO/Al2O3的3.2倍（1 mmol g-1 h-1）。此外，Cu-N4 SAC表現出良好的穩定性，連續5次循環后，CH3OH產率不會衰減，結構也不會發生變化。
3）進一步的研究表明，在Cu-N4 SAC上，CO2加氫生成CH3OH的路徑為甲酸鹽路徑，而在Cu-N3 SAC上，CO2加氫生成CO的路徑為RWGS路徑。
這一工作不僅為CO2加氫在溫和條件下生成CH3OH提供了一種高效SAC，而且對研究催化劑的結構-性能關系具有重要意義。
Yang, T., Mao, X., Zhang, Y. et al. Coordination tailoring of Cu single sites on C3N4 realizes selective CO2 hydrogenation at low temperature. Nat Commun 12, 6022 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-26316-6
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26316-6
3. Angew：通過掃描隧道顯微鏡和光譜學對金屬鹵化物鈣鈦礦材料的原子級洞察
金屬鹵化物鈣鈦礦材料（MHPMs）因其優異的光電性能和廣泛的應用而備受關注。如今，MHPMs太陽能電池 (PSC) 的功率轉換效率已飆升至25.5%。盡管 PSC 的性能已經具有競爭力，但仍需要解決幾個重要挑戰才能實現商業應用。對表面原子結構和結構-性質關系的透徹理解是這些遺留問題的核心。掃描隧道顯微鏡 (STM) 可用于表征MHPM的表面特性，這可以在原子尺度上提供對金屬鹵化物鈣鈦礦材料的重要見解。沖繩科學技術大學院大學戚亞冰等人回顧了STM研究金屬鹵化物鈣鈦礦材料的最新進展，重點關注下層表面特性。
本文要點：
1) 研究人員從多個金屬鹵化物鈣鈦礦材料的比較角度提供了理解。此外，研究人員強調了STM觀察到的一系列新現象。進一步討論了各種類型的表面缺陷以及這些缺陷對MHPM性能的影響。缺陷是阻礙 PSC 商業化的關鍵因素之一。
2）研究人員確定了鹵素離子的作用及其摻入鈣鈦礦晶格的確切位置，并討論了鹵素離子摻入對MHPM的電子性質和穩定性有不同的影響。
3）另一個重點是對MHPM電子特性的討論。研究人員總結了通過不同方法在不同襯底上制備的MHPM的帶隙值，并討論了費米能級位置的決定因素。
4）由于PSC領域仍在快速發展，許多新的機遇和挑戰擺在我們面前。最后，概述了一些值得進一步研究的新研究方向。
Zhang, W., Ono, L..K., Xue, J. and Qi, Y. (2021), Atomic level insights into metal halide perovskite materials by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Angew. Chem. Int. Ed..
https://doi.org/10.1002/anie.202112352
4. Angew：用于水系鋅離子電池的空位調制的Co3Sn2S2拓撲半金屬
外爾半金屬（WSM）具有較高的電導率和費米能級附近合適的載流子密度，由于其拓撲表面態（TSSs），因此成為用于水系鋅離子電池（AZIBs）的候選材料。近日，香港城市大學支春義教授報道了首次將WSM Co3Sn2-xS2（x=0，0.2和0.4）作為基于“鹽包水”電解液中的AZIB正極。
本文要點：
1）Co3Sn2S2//Zn電池表現出位于1.70/1.43 V的一對氧化還原，當引入Sn-空位時，Sn2+被激活，Co3Sn1.8S2提供額外的氧化還原過程（Sn4+/Sn2+）。活性位點的數量顯著增加，有助于電容過程。
2）原位X射線衍射（XRD）、拉曼光譜（Raman）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和非原位X射線光電子能譜（XPS）測試證實，在Zn2+剝離/嵌入到間隙Sn空位中時，Sn2+和Sn4+之間發生了電化學轉變。此外，Co3Sn2-xS2的低溫電子順磁共振（EPR）測試和正電子壽命譜突出了Sn-空位濃度的差異。同時，恒電流間歇滴定技術（GITT）表明，適量引入Sn空位有助于提高Zn2+的擴散速率。
3）得益于Co3Sn1.8S2和ZnxCo3Sn1.8S2在較低溫度下具有更出色的導電性，Co3Sn1.8S2//Zn電池具有出色的低溫倍率能力和循環穩定性。準固態Co3Sn1.8S2//Zn電池在-30 °C時的容量為126 mAh g-1（0.6 A g-1），在-10 °C下的循環穩定性為3000次（2 A g-1），容量保持率為85%。
這項工作通過利用TSSs，結合空位和協同作用為設計電極提供了見解。
Yuwei Zhao, et al, Vacancy Modulating Co3Sn2S2 Topological Semimetal for Aqueous Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202111826
https://doi.org/10.1002/anie.202111826
5. AM：非晶VO2用于高倍率對稱鈉離子電池
在各種VO2晶型中，層狀化合物VO2(B)是研究最廣泛的鋰離子電池電極材料。然而，對于鈉離子電極，非晶可能更有利，其開放的框架有助于離子插入和適應體積變化。近日，復旦大學晁棟梁研究員，新加坡南洋理工大學范紅金教授報道了非晶態VO2（a-VO2）的儲鈉性能優于晶態VO2(B)。
本文要點：
1）研究發現，a-VO2在3 V（4~1.0 V vs Na/Na+）范圍內表現出線性電壓特性，其可逆容量高達400 mAh g?1，具有快速的氧化還原動力學，這歸因于其偽電容特性。
2）3 V以上的線性電壓特性為開發a-VO2材料同時作為正極和負極的對稱鈉離子電池提供了機會。這種對稱電池在過充電、過放電、極性反轉、高充放電電流濫用和長期使用方面實現了更安全的運行。
這項研究表明，非晶態過渡金屬氧化物有望為快速、安全和能量密集型儲能提供提供一種有利的選擇。
Dongliang Chao, et al, Amorphous VO2: A Pseudocapacitive Platform for High-Rate Symmetric Batteries, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202103736
https://doi.org/10.1002/adma.202103736
6. AM：鋰晶體在碳納米管中包裹和限制生長的機理探討
將鋰（Li）封裝在單個納米限域空間中，對于開發高性能的Li金屬負極非常有趣，也至關重要。近日，廈門大學王鳴生教授報道了旨在從機理上理解鋰的封裝及其在一維（1D）封閉空間中的Li受限生長動力學。
本文要點：
1）研究人員利用原位透射電子顯微鏡，采用非晶態碳納米管（aCNTs）作為模型宿主。碳殼具有雙重作用，提供幾何/機械約束和電子/離子傳輸通道，這極大地改變了Li的生長模式。
2）Li的生長/溶解是通過自由表面原子的添加/去除，通過Li+在電場方向上沿殼層的擴散而發生，從而形成了不尋常的Li結構，如多晶納米線和獨立的2D超薄（1-2 nm）Li膜。這種受限的前沿生長過程主要由Li{110}或{200}生長面主導，不同于納米管外單晶Li枝晶的根部生長。
3）控制實驗表明，通過充分的氮/氧摻雜或預鋰化，使Li具有高的親硫性/滲透性，對于Li在aCNTs中的穩定包裹至關重要。
4）第一性原理計算結果表明，N/O摻雜可以降低Li+滲透的擴散勢壘，并通過形成低能Li/C界面的能量最小化來促進Li的填充。
這些結果可以對Li在各種受限環境中的生長行為提供有價值的見解，包括Li負極主體和固態電解質中的生長行為，這于設計下一代鋰電池至關重要。
Ping Wei, et al, Mechanistic Probing of Encapsulation and Confined Growth of Lithium Crystals in Carbonaceous Nanotubes, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202105228
https://doi.org/10.1002/adma.202105228
7. AM：鈣鈦礦量子點的表面化學工程：策略、應用和前景
表面配體的存在不僅在保持金屬鹵化物鈣鈦礦量子點 (PQD) 的膠體完整性和無缺陷表面方面起著關鍵作用，而且還可以作為調節其光電特性的旋鈕，用于各種激動人心的應用，包括太陽能電池和發光二極管。然而，這些必不可少的表面配體由于其高度動態的結合和絕緣性，也可能會降低 PQD 的穩定性和關鍵特性。為了解決這些問題，在過去幾年中開發了許多創新的表面工程方法。基于對微小納米粒子表面原子結構和表面缺陷形成的深入基礎理解，昆士蘭大學Lianzhou Wang，Yang Bai以及Peng Chen等人提出了一個關鍵的概述。
本文要點：
1）重點關注PQDs的表面化學工程，包括先進的膠體合成、原位表面鈍化和溶液相/ 固態配體交換，然后重點介紹他們在光伏和其他光電領域的空前成就。
2）討論了實際障礙和未來方向，以激發更合理的表面設計，以實現高效可靠的下一代PQD技術。
Bai, Y., Hao, M., Ding, S., Chen, P. and Wang, L. (2021), Surface Chemistry Engineering of Perovskite Quantum Dots: Strategies, Applications, and Perspectives. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2105958.
DOI：10.1002/adma.202105958
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202105958
8. AM：利用壓電效應提高金屬-有機骨架的光催化活性
壓電材料在機械應力作用下會產生內電場，由此產生的壓電效應有利于光催化中的電荷分離。同時，機械應力通常會加速傳質，提高催化活性。不幸的是，區分這兩個因素對催化性能的貢獻仍然是一個挑戰。近日，深圳大學何傳新教授，中科大江海龍教授報道了合成了兩種等結構的Zr基和Hf基MOFs，UiO-66NH2(M)（M=Zr，Hf），并研究了它們在壓電光催化中的應用。
本文要點：
1）結果表明，這兩種MOFs除了具有不同的Zr/Hf-oxo團簇外，具有相同的結構，但具有明顯不同的壓電性能。值得注意的是，UiO-66NH2(Hf)活性是UiO-66NH2(Zr)的2.2倍，但在沒有超聲照射的情況下，兩者的光催化制氫活性相近。
2）考慮到兩種MOFs的相似孔特征和傳質行為，活性差異毫無疑問地可歸因于壓電效應。由于UiO-66NH2(Hf)具有較強的壓電性能，可以清楚地區分壓電效應對壓電光催化的貢獻。
這項研究不僅是關于MOF壓電光催化的首次報道，也是首次明確揭示了壓電效應對壓電材料光催化活性的貢獻。
Chenxi Zhang, et al, Piezo-Photocatalysis over Metal–Organic Frameworks: Promoting Photocatalytic Activity by Piezoelectric Effect, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202106308
https://doi.org/10.1002/adma.202106308
9. Nano Letters：一種具有濕?熱舒適性的Janus真絲電紡織物用于高效生物體液監測
能夠進行生物流體管理的功能化織物有利于提高穿著者的濕?熱舒適性和保健性能。近日，深圳大學張學記教授，許太林報道了受荷葉的Janus潤濕性的啟發，我們提出了一種基于天然絲質材料的皮膚舒適型Janus電子紡織品(e-Texture)，用于生物流體的管理和分析。
本文要點：
1）絲質材料由于其天然的生物相容性，被選作織物基底和傳感電極。研究發現，這種Janus絲質基底的單向生物流體行為有助于營造一種舒適的皮膚微環境，包括減弱不需要的濕粘附力（～0 mN cm?2），并避免表皮過熱或過冷。
2）實驗結果顯示，基于編織在Janus絲親水側的絲基紗線電極，研究人員實現了以較少的所需液體體積（?5 μL）和較快的（2-3 min）響應時間無創分析人體汗液的多個目標。
這項工作彌補了生理舒適性和使用生物質衍生元件的傳感技術之間的差距，并提出了一種用于濕?熱管理和健康監測的新型智能織物。
Xuecheng He, et al, Biospired Janus Silk E?Textiles with Wet?Thermal Comfort for Highly Efficient Biofluid Monitoring, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03426
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03426
10. ACS Nano：2D硅烯納米片用于高性能鋅離子混合電容器
具有快充特性和長壽命的超級電容器，在為便攜式和智能儲能器件供電方面發揮著越來越重要的作用，將電容型材料和電池型材料結合在一起是提高電容器整體性能的一種有效方法。近日，清華大學曲良體教授，北京理工大學陳南副教授報道了將硅烯設計為一種正極，用于開發具有增強的電容和超循環穩定性的鋅離子混合電容器（ZHC）。
本文要點：
1）研究人員通過液相剝離法合成出硅烯納米片，其與“WIS”電解質的結合產生了高性能的硅烯ZHC，包括優異的電化學性能和長時間耐久性，以及大的電壓窗口。實驗結果顯示，ZHC的最大面容量為14 mF cm?2，最大功率密度為9 mW cm?2，10000次循環后的電容保持率甚至達到112%，能量密度高達23 mJ cm?2，優于以往報道的硅基超級電容器。
2）研究人員通過第一性原理計算，闡明了硅烯ZHC在原子水平上可能的電荷儲存機制。計算出Zn離子與單層硅環、Si-Si橋和單層硅烯中Si原子之間的結合能（Eb）分別為?1.452、?0.381和?0.726 eV，這表明Zn離子更傾向于吸附在Si-Si環的空腔上。Zn離子與硅烯之間有很強的吸附。計算的鋅離子在單層和三層硅烯中擴散的勢壘明顯低于鋰離子。因此，鋅離子有助于提高硅烯電極的贗電容。
將硅烯和鋅離子混合電容器之間的組合，使它們可以實現優勢互補，從而將電化學能源技術推向了一個新階段，為硅基材料的集成和實施提供了直接的指導。
Qiang Guo, et al, 2D Silicene Nanosheets for High-Performance Zinc-Ion Hybrid Capacitor Application, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c06104
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06104
11. ACS Nano：一種基于Ti3C2Tx MXene的具有自供電濕度傳感和實時運動跟蹤功能的能量收集軟致動器
對環境變化具有自發和靈敏反應的智能軟材料不僅對于開發尖端人造肌肉、智能電子和機器人至關重要，而且對于開發智能能源、催化和醫療技術也具有重要意義。通過收集濕度（RH）能量可誘導基于柔性聚合物、水凝膠、液晶、碳或MXene的濕度響應型軟致動器的變形或運動。然而，由于缺乏電信號，很難精確跟蹤現有濕度響應型致動器的驅動模式。
近日，大連理工大學王治宇教授，北京化工大學邱介山教授報道了設計了一種基于聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的支撐型MXene復合膜（MCPM）的軟驅動器。該致動器可通過MCPM在水分梯度作用下的不對稱膨脹和膨脹，捕獲濕能，并將其轉化為機械能。
本文要點：
1）作為軟致動器的關鍵部件，首先將Ti3C2Tx MXene、纖維素和PSSA的混合懸浮液按5：24：71的重量比澆鑄在平面上，制成了自立式MCPM。在薄膜合成之前，用LiF/HCl從Ti3AlC2相中提取Al層，然后超聲剝離，得到平均橫向尺寸為數百納米的Ti3C2Tx MXene納米片。由于其高度的柔性和堅固性，MCPM可以很容易地折疊而不會損壞。
2）研究發現，致動器的彎曲角與RH呈線性相關，最大值為130°。同時，該致動器還可以作為濕燃料發電機，通過梯度水化學在MCPM中進行質子定向擴散，產生最大功率密度為81.2 μW cm?3和0.3 V的高開路電壓（VOC）。此外，這種軟致動器的濕式發電能力不僅能夠從濕度中收集電能，而且能夠自供電濕度傳感和跟蹤致動模式。
3）致動器的這些特性的完美結合使人們能夠設計出具有可區分運動模式的智能開關、人造手指和智能機器人，以及具有高靈敏度和精確度的非接觸式濕度傳感器和呼吸監視器。
Peida Li, et al, A Ti3C2Tx MXene-Based Energy-Harvesting Soft Actuator with Self-Powered Humidity Sensing and Real-Time Motion Tracking Capability, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c07186
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c07186
12. ACS Energy Letters: 可見紅外超寬帶透明電極幫助實現對建筑物的熱管理，冬暖夏涼
通過機械的方法實現了兩種輻射模式（制冷和制熱）的調控，使得建筑物在全美各州都能實現冬暖夏涼的節能。但是，該裝置需要安裝馬達，而且只有兩種固定的制冷和制熱的狀態，所以有體積過大以及無法連續調控制冷制熱強度的問題。鑒于此，杜克大學徐伯鈞教授課題組通過電化學的方式來實現對制冷和制熱的狀態的連續調控。通過制備高電導率超寬帶的透明電極，背面鍍有銀反射面的電致變色器件能夠實現連續的對制冷和制熱狀態的調節。
本文要點：
1）該研究首次利用石墨烯和聚乙烯薄膜制備出高電導率的，同時對于可見光和紅外光都透明的電極。
2）以此透明電極為基礎，實現了穩定的，超高范圍（Δε=0.82）的中紅外發射率的調控。
3）實現了太陽能和中紅外的協同調控，從而達到dual-mode的熱管理切換（制冷和制熱）。可以幫助建筑物在全球范圍內節省空調能耗。
Rao, Y.; Dai, J.; Sui, C.; Lai, Y.-T.; Li, Z.; Fang, H.; Li, X.; Li, W.; Hsu, P.-C., Ultra-Wideband Transparent Conductive Electrode for Electrochromic Synergistic Solar and Radiative Heat Management. ACS Energy Letters 2021, 3906-3915.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01486
