1. Acc. Mater. Res.綜述：全固態硫化物電解質鋰離子電池中界面離子和電子傳輸的研究進展
隨著人們對高能量密度和高安全性儲能技術需求的日益增長，近年來，包括全固態鋰離子電池（ASSLIBs）和全固態鋰-硫電池（ASSLSBs）在內的全固態鋰金屬電池（ASSLMB）受到了極大的關注。為了實現ASSLMBs，各種固體電解質得到了迅速的發展。其中，硫化物電解質（SEs）具有最高的離子電導率和最佳的力學性能。然而，有害的界面反應、界面固體接觸不良以及鋰樹枝晶生長造成的緩慢的界面離子和電子傳輸動力學嚴重阻礙了SE基ASSLMB的商業化。為了克服界面的挑戰，深入了解SE基ASSLMBs中復雜的界面離子和電子傳輸過程至關重要。
基于此，加拿大西安大略大學孫學良教授主要從界面離子和電子傳輸的角度總結了課題組對SE基ASSLMBs的最新認識，旨在提供對界面動力學的深刻理解。
本文要點：
1）作者首先從離子導電性、電化學穩定窗口和力學性能方面比較了各種固態電解質，包括SEs、氧化物電解質、鹵化物電解質、聚合物電解質和硼氫化物電解質，以突出SEs在ASSLMBs中的優勢。
2）作者接著分別總結了SE基ASSLIB和SE基ASSLSB在正極和負極界面的界面仍面臨的挑戰。這些界面挑戰嚴重阻礙了界面離子和電子的傳輸。為了提高界面電荷轉移動力學，作者總結了課題組在過渡金屬氧化物（TMOs）和SEs之間正極界面的最新研究進展。同時，從界面動力學的角度總結了課題組在SE基ASSLSB方面的最新進展。在負極界面上，概述了增強鋰金屬和SE之間界面鋰離子輸運的新型策略。
3）作者最后對基于SE的ASSLMBs進行了總結和展望。i）首先，促進界面離子和電子傳輸的研究仍然具有重要意義，特別是對于基于厚正極復合材料和超薄鋰金屬的高能密度SE基ASSLMBs而言；ii）其次，基于SE的ASSLMB的顯著體積變化應該通過合理的界面設計、材料的改進，甚至是最優的外部堆積壓力來適應；iii）需要降低較高的堆壓，以滿足實際應用要求；iv）迫切需要先進的表征和理論計算，以更真實的參數更好地理解界面離子和電子的輸運過程；v）最后，降低材料價格和制造成本也是Ses基ASSLMBs商業化的關鍵。
Changhong Wang, Keegan Adair, Xueliang Sun, All-Solid-State Lithium Metal Batteries with Sulfide Electrolytes: Understanding Interfacial Ion and Electron Transport, Acc. Mater. Res., 2021
DOI: 10.1021/accountsmr.1c00137
https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00137
2. Chem. Soc. Rev.: 用于電化學氮還原的新興二維納米材料
氨(NH3)是維持機體功能的生物基石，也是提高營養作物產量不可缺少的氮肥。目前用于工業 NH3 生產的 Haber-Bosch 工藝是高度能源和資本密集型的。鑒于此，將氮氣 (N2) 電還原為有價值的 NH3 作為替代方案，為 Haber-Bosch 過渡提供了可持續的途徑，因為它利用可再生電力并在環境條件下運行。在電化學氮還原反應(NRR)中，尋找高效的電催化劑仍然是首要任務，表現出優異的選擇性、活性和穩定性。具有足夠暴露活性位點、高比表面積、良好導電性、豐富的表面缺陷和易于調節的電子性能的二維納米材料為氮的吸附和活化提供了巨大的前景，以實現可持續的NRR。
有鑒于此，科廷大學邵宗平教授、山東大學徐立強教授、江蘇科技大學蘇超教授等人，綜述了用于電化學氮還原的新興二維納米材料的研究進展。總結了最先進的用于將 N2 還原為 NH3 的二維電催化劑，旨在全面概述二維電催化劑對 NRR 的結構-性能關系。最后，提出了這一前景領域的挑戰和未來展望。
本文要點：
1）綜述了目前最先進的二維電催化劑在N2電還原成NH3方面的開創性進展。然后總結了 NRR 基礎知識、電化學 NRR 測量和 NH3 檢測，詳細闡述了 NRR 中追求的基本原則和關鍵指標，包括熱力學、動力學、化學吸附和活化、反應途徑、比例關系和活性描述符。另外，提供了NRR 過程中的電化學電池配置和測量。
2）利用可再生電能的高效電化學 N2 到 NH3 轉化對于傳統 Haber-Bosch 工藝的綠色替代品非常重要，為可持續能源和環境未來將可再生能源儲存為化學形式提供基礎。由于二維材料在合成和性能方面的巨大進步，從基礎研究到實際電催化NRR應用，已經取得了一系列重大進展。
3）全面討論了二維電催化劑的合成方法，包括自上而下的方法（微機械裂解、液體剝離）和自下而上的方法（水/溶劑熱合成、二維定向吸附、二維模板化合成）。此外，還強調了這種獨特的二維材料的相關表征方法，如光譜、SPM、TEM 和 SEM。討論了用于 NRR 的獨特 2D NRR 電催化劑的最新實驗進展，包括貴金屬基電催化劑、非貴金屬基電催化劑、無金屬電催化劑、2D MOF、2D 混合電催化劑。最后，基于對 NRR 二維材料的最新發現，以及對二維特征與 NRR 性能之間關系的理解，為準確設計高性能二維NRR電催化劑提供了思路。
Yingping Pang et al. Emerging two-dimensional nanomaterials for electrochemical nitrogen reduction. Chem. Soc. Rev., 2021.
DOI: 10.1039/D1CS00120E
https://doi.org/10.1039/D1CS00120E
3. Nature Commun.：新型高效排汗冷卻織物
汗液蒸發在人體散熱中起到非常關鍵的作用，傳統的紡織物主要局限在消除汗液，但是并未關注其中汗液起到的熱管理作用，具有非常有限的汗液蒸發功能和冷卻能力，因此在中度/大量出汗場景中難以表現較好的效果。有鑒于此，斯坦福大學崔屹等報道提出一種集成冷卻功能i-Cool（integrated cooling）紡織物，實現了非常獨特的人體汗液處理結構，表現了優異的排汗和皮膚冷卻性能。在這種紡織物中，作者將導熱模塊和水傳輸通道結合，實現了顯著改善的水蒸發性能、非常高效率的汗液冷卻，而不是再簡單的將液體汗液吸收處理。
本文要點：
1）在靜態蒸發測試實驗中，與棉花紡織物相比，水的質量吸收能夠降低了100 %，皮膚功率密度的角度考察發現，比日常汗液蒸發效果提高3倍。而且，在人工汗液皮膚測試中，i-Cool的冷卻效率達到3 ℃，顯著比棉花表現更低的汗液消耗。
2）這種i-Cool表現了由于的人體汗液管理能力，因此有望用于下一代汗液管理功能紡織物的設計。
Peng, Y., Li, W., Liu, B. et al. Integrated cooling (i-Cool) textile of heat conduction and sweat transportation for personal perspiration management. Nat Commun 12, 6122 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-26384-8
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26384-8
4. Matter：冷凍電鏡揭示鋰金屬負極的共形三維界面
SEI在延長鋰離子電池壽命和容量保持方面至關重要，因此，在過去的幾十年里得到了人們廣泛的研究。電池循環過程中SEI的動態生長和斷裂與電解液與電極表面的反應密切相關。理想情況下，SEI應該在初始循環中形成，然后作為體鋰和電解質溶液之間的屏障，從而有利于防止鋰離子和電解質溶液在隨后的循環中持續消耗。因此，許多研究人員試圖優化電解液的組成，以在負極上形成穩定、均勻的薄鈍化SEI。然而，以往對SEI的研究嚴重依賴于光譜技術，如X射線光電子能譜、尖端增強拉曼光譜、核磁共振和其他先進的電分析方法。近日，南方科技大學谷猛研究員，加州大學圣地亞哥分校孟穎教授報道了利用冷凍電鏡（cryo-TEM），揭示了電化學鍍鋰（Li）薄片及其SEI的三維（3D）結構細節。
本文要點：
1）研究發現，由于SEI層主要由非晶態聚合物基體中的納米LiF和Li2O組成，當完全剝離Li時，受損的SEI 3D骨架會發生彎曲和褶皺。
2）SEI層的靈活性和彈性對于在Li剝離后保持完整的SEI 3D骨架起著至關重要的作用。完整的SEI網絡能夠在隨后的循環中在先前形成的SEI網絡中成核和生長新鍍的Li，從而防止額外的大量SEI形成。
3）電池在精確控制的單軸壓力下循環，可以進一步提高SEI的重復利用率，并將庫侖效率(CE)提高到97%，這是一種減少額外SEI和無效“死”Li形成的有效策略。
Han et al., Conformal three-dimensional interphase of Li metal anode revealed by low-dose cryoelectron microscopy, Matter (2021)
DOI：10.1016/j.matt.2021.09.019
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.019
5. Angew：共晶結晶激活固態鋅離子導電
固態鋅(Zn)電池為對體積、安全性和成本敏感的新興應用提供了一種新的理想選擇。然而，目前的固體聚合物或陶瓷電解質結構對二價Zn2+的導電性仍然很差，特別是在室溫下。盡管構建可以Zn2+滲流的異質界面是一個可行的選擇，但這在多價體系中很少涉及。近日，中科院青島生物能源與過程所崔光磊研究員，趙井文，青島科技大學周新紅報道了一種通過晶化Zn(TFSI)2基深共晶溶劑制備Zn2+導電固體電解質（ZCEs）的新方法。
本文要點：
1）TFSI-離子在TiO2成核劑Lewis酸表面的優先吸附削弱了離子締合，導致Zn2+遷移數（tZn2+）高達0.64。此外，TFSI-還通過Lewis酸?堿相互作用建立了額外的界面離子傳導途徑，使ZCE的離子電導率提高到5.91×10?5 S cm?1（30°C，約為傳統聚合物電解質的100倍）。
2）ZCE與Zn負極具有電化學相容性，可逆鍍鋅/剝離超過4000次循環。固態Zn/V2O5電池進一步驗證了ZCE的實際適用性，其比容量為134.7 mAh g?1，平均庫侖效率（CE）超過99.78%。
這項研究提出的巧妙反應有望刺激多價離子固態電解質設計向非傳統介體的范式轉變。
Huayu Qiu, et al, Eutectic Crystallization Activates Solid-State Zinc-Ion Conduction, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202113086
https://doi.org/10.1002/anie.202113086
6. Angew：一種高選擇性提純乙烯的分子化合物
目前，從C2H4/C2H6混合物中提純C2H4是最具挑戰性的分離過程之一，工業上主要通過高耗能的低溫蒸餾來實現。因此非常需要可持續的非蒸餾方法以替代低溫蒸餾技術。近日，得克薩斯大學阿靈頓分校H. V. Rasika Dias，德克薩斯大學圣安東尼奧分校陳邦林教授報道了一種用于C2H4/C2H6分離的高效的分子化合物{[(CF3)2BP]Cu}3。此外，還研究了[(CF3)2BP]Cu}3在溶液和固態中對C2H4的吸收和[(CF3)2BP]Cu(C2H4)的脫除。
本文要點：
1）研究人員完整表征了分子物種的晶體結構。此外，原位PXRD提供了一個完整的固態過程的“實時”圖像，該過程還保留了前驅體和產物的結晶度，并在C2H4的存在或去除的驅動下，在銅基吸附劑和[(CF3)2BP]Cu(C2H4)之間進行了快速、完全和可逆的轉化。
2）研究發現，該分子化合物中可及的Cu(I)中心使其能夠專一性地結合C2H4和C2H6，因此表現出極高的氣體分離選擇性，具有創記錄的基于理想吸收溶液理論（IAST）的 C2H4/C2H6氣體分離選擇性。進一步的，穿透實驗進一步證實了該分子化合物出色的C2H4分離提純性能。在該實驗中，純度大于99.5%的C2H4可以很容易地從分離塔中解吸出來。
3）這種吸附劑不僅可以幫助大型乙烯提純工藝，還可以從少量碳氫化合物源(如煉油廠尾氣(通常來自催化裂化裝置)、聚烯烴工藝廢烴流和聚合物儲存設施的通風口)中回收烯烴。
基于這一發現，研究人員有望開發更多的分子化合物，以有效地將乙烯和較大的烯烴從飽和的對應物中分離出來。
Anurag Noonikara-Poyil, et al, A Molecular Compound for Highly Selective Purification of Ethylene, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202109338
https://doi.org/10.1002/anie.202109338
7. AM：二維壓電Bi2MoO6納米帶用于GSH增強的聲動力治療
降低對活性氧(ROS)的清除能力和提高ROS的生成效率是開發新型聲敏劑以用于聲動力治療(SDT)的兩個主要目標。哈爾濱工程大學楊飄萍教授、楊丹和中科院長春應化所林君研究員設計了一種超薄二維Bi2MoO6-聚(乙二醇)納米帶(BMO NRs)，并將其作為壓電聲敏劑以用于實現谷胱甘肽(GSH)增強的SDT。
本文要點：
1）在癌細胞中，BMO NRs可以消耗內源性GSH以破壞氧化還原穩態，而被GSH激活的BMO NRs (GBMO)會呈現氧缺陷結構，有效促進電子-空穴對的分離，從而在SDT過程中提高ROS的生成效率。此外，超薄的GBMO納米材料也具有壓電性，超聲波可將機械應變引入納米帶中，從而導致壓電極化和能帶傾斜，進一步加速毒性ROS的產生。
2）研究表明，合成的BMO NRs能夠在體內和體外對腫瘤進行良好的CT成像和生長抑制。綜上所述，這一研究構建了一種壓電性Bi2MoO6聲敏劑以介導實現兩步增強SDT過程，該過程由內源性谷胱甘肽所激活，并可由外源性超聲刺激所進一步放大。因此這一工作不僅為改進SDT的效率提供了新的選擇，而且也拓展了二維壓電材料聲敏劑在SDT領域中的應用。
Yushan Dong. et al. 2D Piezoelectric Bi2MoO6 Nanoribbons for GSH-Enhanced Sonodynamic Therapy. Advanced Materials. 2021
DOI: 10.1002/adma.202106838
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106838
8. AM：具有雙陰離子聚集溶劑化鞘的混合電解質用于穩定高壓鋰金屬電池
具有高電壓正極和有限鋰（Li）金屬負極的鋰金屬電池是實現高儲能的關鍵。然而，其發展需要與高電壓正極和Li負極兼容的功能性電解質。基于此，清華大學深圳國際研究生院李寶華教授，中國科學院深圳先進技術研究院Cuiping Han報道了提出了使用由酯和醚共溶劑（氟乙烯碳酸酯/二甲氧乙烷）組成的中等濃度LiPF6和LiNO3雙鹽電解質，它與聚合的雙陰離子，即PF6?和NO3?形成獨特的Li+溶劑化鞘層，用于穩定的高電壓LMBs。
本文要點：
1）機理研究表明，這種溶劑化鞘層改善了鍍鋰/剝離動力學，并在負極上形成了具有梯度異質結構和高楊氏模量的固體電解質界面層（SEI）和一層薄而堅固的正極電解質界面（CEI）膜。
2）實驗結果顯示，這種新型電解液能夠以高庫侖效率（≈98.9%）在0.5 mA cm?2下循環450次。所組裝的Li∥LiNi0.85Co0.10Al0.05O2全電池在4.3 V下，具有優異的壽命和容量保持率，并具有嚴格的正負容量比。
這種具有雙陰離子聚合溶劑化結構的電解質系統通過溶劑化調節提供了對高電壓LMBs界面化學的洞察力。
Xianshu Wang, et al, Hybrid Electrolyte with Dual-Anion-Aggregated Solvation Sheath for Stabilizing High-Voltage Lithium-Metal Batteries, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202007945
https://doi.org/10.1002/adma.202007945
9. AM：一種用于出色儲鈉的通用型介孔單層過渡金屬硫化物/碳復合材料的制備
過渡金屬硫化物具有豐富的活性中心、較大的層間距和較高的理論容量，是一種很有前途的電化學儲能材料，尤其是用來儲鈉時。然而，低電導率和大電流密度下循環穩定性差嚴重阻礙了它們的應用。近日，武漢大學顧棟教授報道了開發了一種以SBA-15-P123為模板劑制備單層介孔過渡金屬硫化物/碳復合材料的通用雙模板法。中間結構的二氧化硅骨架提供了一個受限的空間，以防止金屬硫化物在通道外生長。而Pluronic P123聚合物作為基質，可促進金屬硫化物前體高度分散，起到碳源的作用。這種雙模板策略避免了使用額外的碳源和有毒的硫源（如S、H2S），從而實現了環保和可控的工藝。
本文要點：
1）研究人員構建了單層介孔MoS2/碳材料（記為SMSC-x-Mo-y，其中x表示模板（1表示SBA-15-P123，MCF-P123表示2，KIT-6-P123表示3，MCM-41-CTA+表示4，純P123表示5），y表示不同金屬硫化物負載量），MoS2負載量高達80 wt%，比表面積高達237 m2 g-1。研究人員總結了所有復合材料的詳細物理化學性質。
2）實驗結果顯示，作為SIBs的負極材料，SMSC-1-Mo-2表現出優異的循環穩定性和優異的高倍率性能。由MoS2/C復合負極和Na3V2(PO4)3(NVP)正極組成的SIB全電池在100次循環中以1.0 A g-1下的比容量保持330 mA h g-1。
3）研究人員通過原位和非原位表征以及密度泛函理論（DFT）計算對儲鈉機理進行了研究。此外，該方法還適用于合成其他二維金屬硫化物/碳復合材料，如WS2和ReS2，從而在儲能、催化、生物醫學和傳感器等方面具有潛在的應用前景。
Xing Zhang, et al, A Versatile Preparation of Mesoporous Single Layered Transition Metal Sulfide/Carbon Composites for Enhanced Sodium Storage, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202104427
https://doi.org/10.1002/adma.202104427
10. AM：用于穩定鋅金屬負極的動態自適應界面涂層
鋅（Zn）離子電池因其安全性高、環保性好而備受關注。然而，Zn枝晶不可控的生長和表面死鋅堆積等關鍵問題會導致電池壽命的急劇下降。通過構建界面保護層，可以在一定程度上抑制Zn枝晶。然而，現有的硬質鍍膜方法由于Zn沉積體積的變化，不能與Zn保持共形接觸，在循環過程中會造成不可逆斷裂。基于此，哈工大張乃慶教授，Yu Zhang報道了開發了一種高度自適應的PDMS(聚二甲基硅氧烷)/TiO2-x涂層，它可以動態地適應體積變化并抑制枝晶生長，以穩定Zn金屬表面。
本文要點：
1）研究發現，合成的聚合物PDMS對B-O鍵的微交聯具有很強的動態適應性。而富氧空位TiO2-x與PDMS的結合可誘導Zn2+的快速均勻遷移。優異的力學性能和快速的導電性為Zn負極的穩定運行提供了有效的保證。
2）基于以上兩種協同效應，Zn金屬負極獲得了優異的循環性能。組裝后的電池在10 mA cm-2的電流密度下循環700次，庫侖效率仍達到99.6%。
Zhikun Guo, et al, Dynamic and Self-adapting interface coating for Stable Zn metal anode, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202105133
https://doi.org/10.1002/adma.202105133
11. AM: 準二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦太陽能電池中的載流子傳輸
近年來，二維Ruddlesden-Popper (2DRP) 鈣鈦礦材料因其優異的穩定性和結構多樣性而被探索為太陽能電池中的新興半導體材料。盡管2DRP鈣鈦礦已實現超過19%的光伏效率，但與傳統3D鈣鈦礦相比，在存在多種有機間隔陽離子的情況下，其電荷載流子傳輸性能較差，阻礙了其廣泛應用。因此，系統地了解二維鈣鈦礦的載流子傳輸機制對于開發高性能二維鈣鈦礦太陽能電池（PSC）至關重要。中科院化學所宋延林和鄭州大學Yiqiang Zhang, Pengwei Li等人我們總結了 2DRP PSC載流子行為的最新進展，并為增強載流子傳輸提供了指導。
本文要點：
1）首先，研究人員討論了影響載流子傳輸的2DRP鈣鈦礦材料的組成和晶體結構。然后，研究人員評估了與載流子傳輸密切相關的2DRP鈣鈦礦薄膜的特征（相分離、晶粒取向、結晶動力學等）。
2）隨后，研究人員揭示了指導傳輸層選擇的載流子傳輸的主要方向。最后，提出了一個展望并合理化策略，以增強高性能PSC中的載流子傳輸。
Yan, L., Ma, J., Li, P., Zang, S., Han, L., Zhang, Y. and Song, Y. (2021), Charge-Carrier Transport in Quasi-2D Ruddlesden-Popper Perovskites Solar Cells. Adv. Mater.. 2021.
DOI：10.1002/adma.202106822
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202106822
12. Nano Letters：構建高效離子通道助力高質量和高體積能量密度的高密度厚電極
厚電極設計中的一種常見做法是增加孔隙率以提高電荷傳輸動力學。然而，高孔隙率抵消了厚電極在重量和體積能量密度方面的優勢。基于此，德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授報道了展示了一種通過優化電極負載和孔隙率來最大化電池能量/功率密度的有效方法。
本文要點：
1）關鍵的一步是解決高活性物質（AM）堆積密度和足夠的電荷傳輸之間的競爭，以獲得更高的能量密度和更高的功率密度。基于此，研究人員通過相位反轉和濕壓工藝相結合，開發出一種獨立電極，該電極由高密度的AM區通過連續的電解質緩沖空隙連接而成。
2）采用孔隙率低至38%的PIW正極，在126 mg cm?2的高負荷率下獲得了優異的倍率性能和循環穩定性。此外，高AM負載下孔隙率的降低同時實現了330 Wh kg?1和614 Wh L?1的高重量/體積能量密度，以及更高的功率密度。進一步的，這種方法的多功能性使得電池生產變得簡單和可擴展。
這項工作解決了厚電極設計的主要局限性，代表了厚電極走向實際應用的重要一步。
Jingyi Wu, et al, Building Efficient Ion Pathway in Highly Densified Thick Electrodes with High Gravimetric and Volumetric Energy Densities, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03724
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03724
