1. Acc. Mater. Res.：無缺陷碳納米管及管束的力學行為
近日，清華大學化工系魏飛教授和張如范副教授團隊在美國化學會旗下的《材料研究評述》（Accounts of Material Research）期刊上發表綜述論文《無缺陷碳納米管/管束的力學行為》（Mechanical Behavior of Single and Bundled Defect-free Carbon Nanotubes）。
文章首先介紹了作為超長碳納米管的無缺陷結構，它也是一種理想固體。其次，綜述了單根厘米級長度的無缺陷碳納米管的靜態拉伸性能、動態疲勞性能及其與溫度的關系。然后，介紹了通過利用氣流聚焦原位合成方法和同步張弛強化策略，成功制備了拉伸強度接近單根碳納米管的碳納米管管束。此外，還討論了碳納米管用于飛輪儲能的優勢和應用前景。最后，文章對該領域的面臨的挑戰與下一步研究方向進行了總結與展望。
Yunxiang Bai, et al. Mechanical Behavior of Single and Bundled Defect-Free Carbon Nanotubes. Acc. Mater. Res. 2021.
DOI：10.1021/accountsmr.1c00120
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/accountsmr.1c00120
2. Science Advances：MoS2生長機理研究
構建大面積的二維晶體材料對于探索其功能和應用前景非常重要，化學氣相沉積生成2D半導體材料（比如MoS2）能夠通過鹵化物實現，而且相關的生長機理的各種方面被人們廣泛研究。有鑒于此，麻省理工學院孔靜、加州大學伯克利分校Cong Su等報道通過實驗上的證據說明MoS2的生長動力學與鹵有關，生長關系遵循Br?nsted-Evans-Polanyi（BEP）規律。通過研究得到二維材料的生長理論，隨后以KI作為生長促進劑，S作為反應原料，在SiO2/Si基底上能夠可重復的快速合成完全覆蓋SiO2/Si基底的大小接近毫米的MoS2晶體。
本文要點：
1）作者根據相關實驗結果，建立了MoS2材料的生長模型和機理，其中MoS2的邊緣被鹵鈍化，而且得以通過理論研究得到實驗驗證。在這種鹵化物輔助生長機理中，能壘與Mo-X (X=I, Br, Cl, F, O)化學鍵的鍵解離能（Eb）呈現線性變化關系，說明CVD生長過程中Mo-X化學鍵轉變為Mo-S化學鍵是決速步驟。進一步的，作者提出了理論生長模型，能夠進一步的解釋實驗中觀測到與硫濃度有關的生長動力學。
2）這種對生長機理的理解有助于進一步幫助人們對快速增長的MoS-2的相關研究，幫助人們實現比目前報道更大尺度的晶體，有助于促進這種材料的實用。
Qingqing, et al, Revealing the Br?nsted-Evans-Polanyi relation in halide-activated fast MoS2 growth toward millimeter-sized 2D crystals, Science Advances, 2021, 7(44), eabj3274
DOI: 10.1126/sciadv.abj3274
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj3274
3. JACS：空間效應調諧離子溶劑化實現高電壓鋰電池的穩定循環
1,2-二甲氧基乙烷（DME）是鋰金屬電池常用的電解液溶劑。目前，各種基于DME的電解質設計提高了高電壓全電池的長期循環性能。然而，較低的鋰負極庫侖效率和較差的高電壓穩定性是DME電解質面臨的主要挑戰。近日，斯坦福大學鮑哲南院士，崔屹教授報道了提出了一種利用空間位阻效應來調節Li+離子溶劑化結構的分子設計原理。
本文要點：
1）研究人員認為，通過用較大尺寸的乙氧基取代DME上的甲氧基，生成的1,2-二乙氧基乙烷（DEE）具有較弱的溶劑化能力，因而具有更多富含陰離子的內溶劑化殼層，這兩者都提高了正負極界面的穩定性。
2）實驗和計算結果顯示，這種基于空間效應的設計顯著提高了雙(氟磺酰亞胺)鋰(LiFSI)/DEE電解質的電化學穩定性。在4.8 mAh cm?2 NMC811，50 μm薄Li，4.4 V高截止電壓的苛刻全電池條件下，4 M LiFSI/DEE可循環182次，容量保持率達80%，而4 M LiFSI/DME僅可循環94次。
這項工作為用于實用高電壓鋰金屬電池的非氟醚基電解質溶劑分子設計指明了一條很有前途的方向。
Yuelang Chen, et al, Steric Effect Tuned Ion Solvation Enabling Stable Cycling of High-Voltage Lithium Metal Battery, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c09006
https://doi.org/10.1021/jacs.1c09006
4. JACS：原子氫在單層石墨烯上的電化學存儲
實現高密度安全地儲存和運輸氫氣（H2）為將氫燃料電池應用于汽車提供了一種有效的解決方案。在這方面，原子氫在單層石墨烯（SLG）上的穩定化學吸附似乎是一個完美的解決方案，其理論最大儲氫量為7.7 wt %。然而，實現氫化石墨需要極端的溫度和壓力。或者，在溫和的條件下，通過質子在固/液體系中的電還原，可以很容易產生氫吸附原子。
近日，廈門大學詹東平教授，韓聯歡，法國巴黎文理研究大學Christian Amatore報道了通過Pt電催化的溢流-表面擴散-化學吸附機理，成功在SLG上電沉積穩定的原子氫原子單層，并對該機理進行了充分的電化學表征。
本文要點：
1）研究人員利用非原位拉曼光譜實驗，包括H/D同位素分析，用擺動模式表征C···H或R·C···D吸附鍵的存在，研究了常溫下SLG上化學吸附氫原子的穩定性。分別測得10?5 cm2 s?1和2 1.34 kJ mol?1（每個位點0.22 eV）的位點-跳躍表面擴散系數和相應的活化吉布斯自由能。
2）在常溫條件下，SLG上Had的吸附容量為6.6 wt%，高于能源部公布的2025年目標（5.5 wt%）。
3）由于Had化學吸附的石墨烯可以通過溫和的加熱釋放出H2，這些結果表明，石墨烯上的Pt電催化的溢出-表面擴散-化學吸附機制是一種很有前途的儲氫過程。
Quanfeng He, et al, Electrochemical Storage of Atomic Hydrogen on Single Layer Graphene, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c05253
https://doi.org/10.1021/jacs.1c05253
5. JACS：合理設計PD-1的強效多肽抑制劑以用于腫瘤免疫治療
多肽具有發展成為免疫檢查點抑制劑的潛力，但其靶點界面仍然難以抑制。昆士蘭大學Conan K. Wang和David J. Craik設計了一種模擬PD-1結合表面的策略來設計抑制劑。
本文要點：
1）模擬天然的PD-1會產生一個沒有活性的模擬物。而模擬具有優化親和力的PD-1則會產生一種對PD-L1具有納摩爾親和力的模擬肽MOPD-1，并可以在蛋白和細胞分析實驗中抑制PD-1:PD-L1的相互作用。核磁共振波譜和x射線晶體結構表征等結果表明，高親和力PD-1的結合殘基對于MOPD-1的生物活性而言至關重要。
2）研究發現，MOPD-1在人血清中極其穩定，并能抑制體內腫瘤的生長，從而表明其在腫瘤免疫治療領域中具有很好的應用潛力。綜上所述，這一研究所設計的模擬方法能夠成功地設計出PD-1抑制劑（PD-L1），表明在設計抑制劑之前對靶點界面進行優化是非常重要的，這也可為設計開發針對其他復雜蛋白相互作用的肽抑制劑提供新的借鑒和參考。
Huawu Yin. et al. Rational Design of Potent Peptide Inhibitors of the PD-1:PD-L1 Interaction for Cancer Immunotherapy. Journal of the American Chemical Society. 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c08132
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08132
6. EES: 電催化還原 CO2 過程中氣體擴散電極中的產物選擇性區域
銅基催化劑上的電催化 CO2 還原反應 (CO2RR) 有可能通過將廢棄的 CO2 升級為增值化合物來實現商品化學品和燃料的可持續生產。近年來，通過將催化劑制造成所謂的氣體擴散電極 (GDE) 以解決 CO2 在水性電解質中溶解度低的問題，并朝著商業上可行的 >300 mA cm-2 電流密度邁進取得了很大進展。盡管與使用 GDE 的競爭性 HER 相比，對 CO2RR 的選擇性可以大大提高，但有效生產單個 CO2RR 產品的潛在因素仍然難以捉摸。
有鑒于此，催化大牛柏林工業大學Peter Strasser教授等人，使用流動電解槽系統來研究銅基GDE在緩沖電解液中的結構-選擇性-相互關系。通過對三個參數的系統研究：(i) 顆粒催化劑負載，(ii) 離聚物與催化劑的比率和 (iii) 緩沖容量，開始理解在高反應速率下決定催化劑層選擇性空間變化的結構特性。因此，描述了催化劑層內一系列具有不同選擇性的區域（“選擇性區域”），這些區域由反應物（CO2 和 pH 值）的不均勻分布引起的，控制著整體的總體選擇性。
本文要點：
1）報告了影響銅基CO2電解槽在大電流下工作性能的最突出的因素。采用流動電解槽設計，CO2氣體進料直接通過電極與Cu催化劑層相互作用，通過調整電極的結構可以極大地影響（本體）pH 中性介質中電化學 CO2 還原的選擇性。因此，催化劑載量和離聚物含量的變化會深刻影響CO2RR的選擇性。
2）還提出了一種特殊方法，可以使用氧還原反應 (ORR) 限制電流測量來對流通池中的反應物質量傳輸進行基準測試。分析表明，由于不存在局部 CO2 濃度限制，因此非常需要限制質量傳輸，因為它與局部堿化和 pH 依賴性反應產物的相應抑制有關。
3）在 50~700 mA cm-2 的陰極電流范圍內進一步展示了電極結構如何用于將觀察到的催化 CO2 還原選擇性推向 C1 或 C2+ 產物，這取決于離聚物含量和催化劑負載。
Tim M?ller et al. The product selectivity zones in gas diffusion electrodes during the electrocatalytic reduction of CO2. Energy Environ. Sci., 2021.
DOI: 10.1039/D1EE01696B
https://doi.org/10.1039/D1EE01696B
7. Angew：用于析氫反應的化學穩定的共價有機骨架-氧化石墨烯雜化材料的近平衡生長
在溫和的合成條件下，對共價有機骨架（COFs）進行簡便的合成和后處理，對于其在催化和儲能方面的廣泛應用至關重要。近日，中國科學院化學研究所劉云圻院士，董際臣研究員，陳建毅研究員報道了通過液相法合成化學穩定的氮雜熔BPT-COF和新的PT-COF。
本文要點：
1）該過程是通過鄰二胺和鄰二酮之間的自發縮聚來實現，并且在很低的單體濃度下是由COF結構域的不平衡增長驅動。該方法可以實現COFs和COF-GO雜化材料的原位組裝，并通過真空過濾在任意襯底上形成均勻的導電膜。
2）當用作電催化劑時，所制備的膜表現出快速的析氫反應（HER）動力學，低過電位低（電流密度為10 mA cm-2時為45 mV），小Tafel斜率（53 mV dec-1），是無金屬催化劑中具有最佳的性能。
研究結果有望為制備多功能的高π共軛COFs開辟一條新的途徑。
Yichao Bai, et al, Near-Equilibrium Growth of Chemically Stable Covalent Organic Frameworks-Graphene Oxide Hybrid Materials for the Hydrogen Evolution Reaction, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202113067
https://doi.org/10.1002/anie.202113067
8. Angew：有機-多氧乙酸鹽共晶前驅體的超結構用于析氫電催化劑
電解水規模化制氫被認為是未來能源供應的一種綠色和可持續的途徑。鉬（Mo）基碳化物和氮化物具有與鉑族金屬相似的電學性質，被認為是具有巨大前途的析氫反應（HER）電催化劑。目前，Mo基HER電催化劑應用的一個重大挑戰是構建具有精準結構的前驅體，這些前驅體可以轉化為結構和孔隙率可控的Mo基碳化物/氮化物。基于此，柏林工業大學Arne Thomas，Shuang Li報道了提出了一系列有機-多金屬氧酸鹽共晶（O-POCs），作為一種新型的可調諧金屬-有機前驅體，成功地合成了二維（2D）介孔Mo2C/Mo2N納米薄片用于高效制氫。
本文要點：
1）研究人員以鉬酸銨為前驅體，以含氮分子（對苯二胺、間苯二胺、苯二胺和2-甲基咪唑）為有機配體，硅膠為晶核和硬模板，形成穩定的O-POCs-SiO2復合材料。這些復合材料在氬氣烘箱中在不同的溫度下炭化，最后去除二氧化硅，制得介孔Mo2C/Mo2N電催化劑。
2）研究發現，具有良好晶體結構的富氮和富碳的鉬前驅體保證了Mo2N和Mo2C異質結結構的形成。二氧化硅納米顆粒不僅在碳化過程中作為O-POCs結構和模板形成的成核點，而且在碳化過程中阻止Mo物種聚集形成更大的晶體，保證了小尺寸Mo基納米晶的形成。
3）實驗結果顯示，這種2D 介孔Mo2C/Mo2N電催化劑在各種電解質和海水中均表現出優異的HER電催化性能。該材料結合了高活性和良好的穩定性，展示了在惡劣環境下使用2D金屬碳化物和氮化物進行電催化的可行性。
總之，對O-POCs的發現不僅為可控合成微/納米結構Mo基催化劑開辟了一條新的途徑，而且向生產高度可調的金屬-有機前驅體的方向邁出了一步，具有廣泛的應用前景。
Superstructures of Organic-Polyoxometalate co-Crystals as Precursors for Hydrogen Evolution Electrocatalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202112298
https://doi.org/10.1002/anie.202112298
9. AM：近紅外材料：有機光伏的轉折點
近紅外 (NIR) 吸收有機半導體為有機光伏 (OPV) 研究開辟了許多機會。例如，開發了新的化學和合成方法；單結太陽能電池效率從不到5%提高到19%左右；已經實現了諸如串聯和透明有機光伏（TOPV）的新型器件架構。NIR供體/受體的概念因此成為OPV領域的一個轉折點。加州大學洛杉磯分校楊陽等人回顧了用于 OPV 的 NIR 吸收材料的發展。
本文要點：
1）根據低能量吸收窗口，研究人員將NIR光伏材料（p 型（聚合物）和 n 型（富勒烯和非富勒烯））分為四類：700–800 nm、800–900 nm、900–1000 nm，并且大于 1000 nm。
2) 每個小節將涵蓋各種類型的供體 (D) 和受體 (A) 單元的設計、合成和利用。構建各種D、A單元與吸收窗之間的結構-性能關系，以滿足不同應用的需求。
3) 隨后，研究人員介紹了由NIR材料實現的各種應用，包括透明OPV、串聯OPV、光電探測器。
4) 最后，討論了用于下一代有機光伏及其他領域的新型NIR材料的挑戰和未來發展。
Meng, D., Zheng, R., Zhao, Y., Zhang, E., Dou, L. and Yang, Y., Near-infrared Materials: The Turning Point of Organic Photovoltaics. Adv. Mater. 2021.
DOI：10.1002/adma.202107330
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107330
10. AM：明亮穩定的量子點發光二極管
量子點發光二極管 (QLED) 是下一代顯示器和光源最有希望的候選者之一，但因其易受電和熱應力影響，無法在高電流密度下實現高亮度、高效率和高穩定性。首爾大學Jeonghun Kwak和成均館大學Jaehoon Lim等人在 Si 襯底上展示了明亮且穩定的 QLED，擴大了它們在現有技術上的潛在應用邊界。
本文要點：
1）研究人員首先為量子點提供量身定制的界面，以最大限度地提高量子產率并減輕在高電流密度狀態下產生的多激子的非輻射俄歇衰減。
2）其次，采用耐熱、頂部發射的器件架構并基于光學模擬進行優化，以提高光輸出耦合效率。基于該多種策略實現了紅色頂部發光QLED的最大亮度為 3,300,000 cd m-2，電流效率為 75.6 cd A-1，在100 cd m-1初始亮度下的使用壽命為125,000,000 h，這是迄今為止報告的最高值。
Lee, T., Kim, B.J., Lee, H., Hahm, D., Bae, W.K., Lim, J. and Kwak, J., Bright and Stable Quantum Dot Light-Emitting Diodes. Adv. Mater..2021.
DOI：10.1002/adma.202106276
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202106276
11. AEM：從活性材料到電池單元，在應用相關級別確定性能指標和支持開發的簡單工具
大規模電化學儲能被認為是實現可持續能源經濟的關鍵步驟之一。世界范圍內的科學和工業界正在對各種方法進行深入研究，以改進現有的電池概念或將新概念轉化為應用。材料和電極的開發是這一過程中必不可少的一步。然而，由于特殊電極和電池概念通常在實驗室規模使用，因此評估所實現的性能參數以及在該技術水平上對實際應用的不同研究進行比較是具有挑戰性的。近日，德國IKTS Christian Heubner研究員等人報道了一種簡單的計算工具來基于電極上的電化學測量來估計全電池水平的性能數據。
本文要點：
1）“Ragone計算器”允許將電極級電化學測試數據傳輸到假設的全電池從而產生 Ragone圖，說明體積和重量能量和功率密度以及電池組件的重量和體積份額。因此，Ragone 計算器還可用于確定關于電極成分和設計參數的最有利的優化方法。
2）強調了電池性能在材料和電池層面之間的主要差異。最后，通過一些相關示例來說明 Ragone 計算器的適用性和功能范圍。半電池的電化學測試結果被輸入 Ragone 計算器，以確定活性材料類型、電極設計和成分對全電池水平的能量和功率密度的影響。
Christian Heubner, et al. From Active Materials to Battery Cells: A Straightforward Tool to Determine Performance Metrics and Support Developments at an Application-Relevant Level. Adv. Energy Mater. 2021, 2102647.
DOI：10.1002/aenm.202102647
https://doi.org/10.1002/aenm.202102647
12. AFM：一種堅韌的碳納米管植入的仿生三維電膠用于各向同性可伸展的防水生物電子學
在干/濕生物表面具有共形粘附界面的集成生物電子學和防水可伸縮電子元件對動態人體的可靠實時診斷至關重要。近日，成均館大學Changhyun Pang，韓國標準科學研究院Min-Seok Kim報道了提出了一種受潛水甲蟲啟發的電膠貼片，其具有機械堅固的納米線植入的導電多尺度結構，為多生物信號監測器件提供了一個皮膚適應性、各向同性可伸展的界面。
本文要點：
1）研究人員采用簡單的全溶液法制備了一種疏水的、可伸縮的碳納米管復合電極，并將其植入到昆蟲狀的粘合劑結構上。
2）這種帶有仿生皺紋微吸盤的導電膠貼片具有顯著的濕附著力和排汗性能，并在干濕條件下的拉伸應變下具有較高的電拉伸性能。此外，由于仿生電膠貼片的高耐久性和柔軟性，即使在重復附著（<1000次）和機械拉伸的情況下也能成功地保持其性能。< span="">
3）進一步的，為了展示一種多路復用的可穿戴器件，研究人員在各向同性應變不敏感的可伸展電極上涂覆了一種溫度敏感導電材料，以便在干燥和潮濕環境下對柔軟的皮膚同時進行心電圖和溫度測量。
Hyeongho Min, et al, Tough Carbon Nanotube-Implanted Bioinspired Three-Dimensional Electrical Adhesive for Isotropically Stretchable Water-Repellent Bioelectronics, Adv. Funct. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adfm.202107285
https://doi.org/10.1002/adfm.202107285
