1. Nature Commun.：一種Fe3N/C復合電催化劑用于常溫鈉-硫電池中多硫化物的有效調節
常溫鈉-硫（Na-S）電池存在硫利用率低、倍率性能不足和循環性能差等問題，阻礙了其實際應用。近日，西南大學徐茂文教授，麻省理工學院Yuming Chen，悉尼科技大學汪國秀教授報道了開發了一種N摻雜多層碳網絡上的Fe3N量子點（Fe3N-NMCN）電催化劑用于高負載、快速動力學和鈉多硫化物保留的Na-S電池。
本文要點：
1）研究發現，N摻雜的多層碳網絡具有較大的比表面積和層次化的孔隙，實現了高S負載。此外，由于N摻雜的多孔結構和額外的化學吸附位點，N摻雜襯底還提供了必要的物理吸附。同時，多層碳網絡很好地抑制了S的團聚和體積膨脹。
2）除了上述優點外，這種結構最大的優點是負載了Fe3N量子點，它通過Na-N和Fe-S鍵對鈉多硫化物表現出極強的親和力。負載Fe3N量子點的工程化多層碳網絡有效地抑制了NaPSs的穿梭，促進了NaPSs的催化。
3）實驗結果顯示，該正極具有高可逆容量（167.5 mA g?1下，容量達到1165.9 mA h g?1）、優異的倍率性能（16750 mA g?1下，容量達到658.4 mA h g?1）和高達2800次的穩定循環性能，即使在實際相關的硫負載量為85 wt.%的情況下也是如此。更值得一提的是，該正極可用作自立電極，Fe3N-NMCN基質也可推廣到其他多電子氧化還原材料中。
2. Matter：在一類高能尖晶石型鋰離子正極中實現連續陽離子有序-無序調諧
傳統的鋰離子正極材料以有序結構為主，鋰和過渡金屬占據不同的晶位。近日，美國加州大學伯克利分校Gerbrand Ceder報道了引入可控的陽離子無序，可以獲得電化學性能優化的全新自由度。在一類高容量尖晶石型正極材料中，研究人員將合成中的陽離子與陰離子之比確定為從有序尖晶石到部分有序尖晶石再到巖鹽的連續結構調整的關鍵參數。
本文要點：
1）研究人員通過機械力化學方法成功地合成了一系列陽離子級數不同（x=0.07，0.28，0.6和1.0）的錳基Li1.4+xMn1.6O3.7F0.3氧氟化物。三種部分(無序)尖晶石正極的比能量密度均大于1000 Wh kg-1（比容量大于350 mAh g-1），其中可逆氧氧化還原對正極的比能量密度具有很大貢獻。
2）研究發現，隨著鋰過化學計量比合成量的增加，其結構從大部分尖晶石型向更無序的巖鹽轉變。陽離子無序抑制了與3 V附近電壓平臺相關的兩相區域，并將其轉化為固溶體。此外，通過對局部環境的影響，可調的陽離子順序也對倍率性能、電壓分布和氧化還原機理產生了深遠的影響。
3）實驗結果顯示，Li1.47Mn1.6O3.7F0.3表現出最高的倍率性能，在7.5 A g-1時提供超過158 mAh g-1的容量，而更多的巖鹽型無序有利于O氧化還原，從而提高容量。
Cai et al., Realizing continuous cation order-to-disorder tuning in a class of high-energy spinel-type Li-ion cathodes, Matter (2021)
DOI：10.1016/j.matt.2021.10.013
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.10.013
3. Angew：水溶液中的水合化學用于穩定Mxene
目前，MXenes在許多領域都引起了人們的極大興趣，但由于溶解氧和水分子在水溶液中的攻擊，MXenes的結構會迅速退化。這一缺陷從根本上阻礙了MXenes的長期保存、應用和對其化學性質的研究。基于此，大連理工大學王治宇教授報道了報道了一種經濟有效和環境可持續的方法，通過對儲量豐富的無毒無機鹽進行水合化學來長期保存水溶液中的MXenes。
本文要點：
1）通過降低鹽水溶液的水活度，降低溶解氧濃度，有效地抑制了游離水和溶解氧分子對MXene的侵襲。
2）實驗結果顯示，在環境條件下，MXene的儲藏壽命可大幅延長至400天，而不會損失固有的表面化學特性和散裝載體特性。完全提取MXene后，只需將最終廢液蒸發即可回收90%以上的鹽類保護劑，最大限度地降低了廢物排放和處理成本。
這項工作為延長MXenes的保質期提供了一種可立即商業化的方法，具有高成本效益、加工可持續性和環境效益。
Xingyu Wang, Zhiyu Wang, Jieshan Qiu, Stabilizing the MXene by Hydration Chemistry in Aqueous Solution, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202113981
https://doi.org/10.1002/anie.202113981
4. AM: 用于高性能電化學析氫的 fcc-2H-fcc 異相 Pd@Ir 納米結構
隨著納米材料相工程(PEN)的發展，構建具有非常規晶相(包括異質相)的貴金屬異質結構已成為合理設計高效催化劑的重要途徑。然而，實現這種非常規相貴金屬異質結構的可控制備以及探索其晶體相相關的應用仍然具有挑戰性。有鑒于此，香港城市大學張華教授等人，通過濕化學播種法合成了具有非常規fcc-2H-fcc異相的Pd@Ir核殼納米結構（2H：六方密堆積；fcc：面心立方）。
本文要點：
1）報道了通過種子外延生長路線濕化學法制備具有非常規 fcc-2H-fcc 異相的各種 Pd@Ir 核殼異質結構。具體而言，以 2H-Pd 納米粒子為種子，只需改變合成條件即可獲得 Pd@Ir 核殼納米粒子、Pd@Ir 多支化納米枝晶和 Pd@IrCo 核殼納米粒子。
2）由于 Ir 納米結構在 2H-Pd 種子上的相選擇性外延生長，所有獲得的納米材料都具有明確的 fcc-2H-fcc 異相。
3）更重要的是，異相Pd45@Ir55納米枝晶在酸性條件下對電化學析氫反應(HER)表現出了優異的催化性能。在Pd45@Ir55納米枝晶上達到10 mA cm?2的電流密度只需要11.0 mV的過電位，這比傳統的fcc-Pd47@Ir53對應物、商業Ir/C和Pt/C低。
總之，該工作不僅為合成具有廣闊應用前景的新型異相納米材料提供了一條有吸引力的途徑，而且突出了晶體相在決定其催化性能方面的重要作用。
Yiyao Ge et al. Preparation of fcc-2H-fcc Heterophase Pd@Ir Nanostructures for High-performance Electrochemical Hydrogen Evolution. Advanced Materials, 2021.
DOI: 10.1002/adma.202107399
https://doi.org/10.1002/adma.202107399
5. AM：利用鈷氧化物上的氧空位調整競爭吸附位點以促進生物質的電氧化
5-羥甲基糠醛（HMF）的電氧化為生物質制取高價值化學品提供了一條很有前途的綠色途徑。HMF電氧化反應（HMFOR）是一個復雜的過程，涉及有機分子與羥基在電極表面的聯合吸附和偶聯。深入了解電催化劑上的這些吸附位點和反應過程具有重要意義。基于此，湖南大學王雙印教授，鄒雨芹副教授報道了以Co3O4和Vo-Co3O4為催化劑，研究了氧空位在HMFOR過程中的作用。
本文要點：
1）研究人員利用X-射線光電子能譜（XAS）和準X-射線光電子能譜（XPS）表征了Vo的結構演化。飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）用于示蹤HMFOR過程中氧同位素標記的OH-。
2）結合實驗結果和密度泛函理論（DFT）計算，研究人員發現親核的OH-傾向于填充在Vo-Co3O4晶格中，并通過晶格OH參與了HMF分子的脫氫和結合，從而顯著加快了HMFCA脫氫的速率控制步驟，提高了尖晶石氧化物上的HMFOR催化活性。
3）通過調節吸附中心，所設計的Vo-Co3O4在1 m KOH和1 m PBS溶液中對HMFOR表現出良好的活性，在10 mA cm?2時的初始電位分別為90 mV和120 mV。
這項工作對氧空位的催化機理有了深入的認識，有助于設計一種新的策略來調控多分子的聯合吸附行為。
Yuxuan Lu, et al, Tailoring Competitive Adsorption Sites by Oxygen-Vacancy on Cobalt Oxides to Enhance the Electrooxidation of Biomass, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202107185
https://doi.org/10.1002/adma.202107185
6. AM：原子分散的鋅(I)活性中心加速氮還原動力學用于電合成氨
常溫下，電催化氮還原（NRR）合成氨（NH3）是一種很有前途的Haber-Bosch工藝替代方案。然而，開發高活性和穩定的NRR電催化劑來替代貴金屬基催化劑仍然具有挑戰性。基于此，浙江大學侯陽研究員，周少東研究員，紐約州立大學布法羅分校武剛教授報道了一種在空心多孔摻氮碳納米纖維上負載的單一Zn(I)位點（Zn1N-C）的獨特NRR電催化劑。
本文要點：
1）研究人員采用簡單的ZIF-8模板劑輔助電紡法制備了多孔Zn1N-C納米纖維催化劑，并對催化劑進行了熱解處理。研究人員首先將含有5%聚丙烯腈（PAN）的均相N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液電紡成白色纖維材料。將形成的纖維狀PAN預先浸泡在2-甲基咪唑(MeIM)/甲醇溶液中，然后在溶液中加入Zn(NO3)2，得到ZIF-8/PAN復合前驅體。將制備的ZIF-8/PAN前驅體在250 °C的氣流中進一步預氧化處理，然后在700-1000 °C的高溫氮氣中進行碳化處理，成功地合成了多孔Zn1N-C納米纖維。在熱解過程中，PAN的碳鏈是通過溶劑揮發形成。ZIF-8中的Zn2+離子在高溫下被部分還原成金屬鋅并蒸發。剩余的Zn2+離子被還原為Zn+，形成分層多孔的Zn1N-C納米纖維。
2）實驗結果顯示，在堿性介質中，Zn1N-C納米纖維表現出優異的NRR活性，在-0.3 V時NH3產率為16.1 μg NH3 h?1mgcat?1，法拉第效率為11.8%，超過了以往報道的原子分散的過渡金屬原子錨固在氮位點（TM-Nx）的碳基NRR電催化劑。
3）15N2同位素標記實驗證實，進料氣是NH3合成中唯一的氮源。結構表征表明，具有Zn-N4基團的原子分散的Zn(I)位點是真正的活性位點，附近的石墨化N中心協同促進了NRR活性。原位衰減全反射傅里葉變換紅外測量（ATR-FTIR）和密度泛函理論計算（DFT）表明，初始*NNH中間體的形成是NH3生成的限速步驟。這也表明，四面體Zn-N4中心附近的石墨化N原子顯著降低了該過程的勢壘，從而加速了加氫動力學。
本工作中所展現的Zn1N-C的電催化劑設計將為操控一系列獨特的原子分散的TM(I)-N構型開辟一條新的途徑，使其與相鄰的石墨型N催化劑一起應用于各種電化學應用，包括析氫、氧還原、CO2還原反應等。
Yan Kong, et al, Atomically Dispersed Zinc(I) Active Sites to Accelerate Nitrogen Reduction Kinetics for Ammonia Electrosynthesis, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202103548
https://doi.org/10.1002/adma.202103548
7. AEM：液相誘導的固溶相機制用于高穩定和超快的能量存儲
相變會導致晶格參數發生較大變化，從而對電極材料的電化學儲能產生負面影響。相反，固溶體儲能機制可以保證結構的較小收縮/膨脹，從而使電極材料具有更出色的循環性和快速反應動力學。近日，武漢理工大學麥立強教授，安琴友報道了系統地研究了K2.55Zn3.08[Fe(CN)6]2·0.28H2O（KZnHCF）電極材料在不同電解液中的電化學儲能機理。
本文要點：
1）原位XRD分析表明，在K+濃度較低的電解液中存在混合儲能機制（固溶體和兩相儲能機制），而在5.0 m KCF3SO3電解液和3.0mKCF3SO3+2.0 m Zn(CF3SO3)2混合電解液（水溶液中同時含有KCF3SO3和Zn(CF3SO3)2鹽）只存在固溶體儲能機制。
2）研究人員通過原位衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)研究了KZnHCF在離子插入/提取過程中的化學結構不穩定性，這可能是由兩相轉變引起的。此外，KZnHCF電極材料的循環穩定性得到了很大的提高，這是因為混合電解質對結構退化的抑制作用更強。
3）實驗結果顯示，KZnHCF正極在20 A g?1（所有電流密度均根據正極活性物質的質量設定）下具有較高的倍率容量，容量保持率為66.6%，長循環10000次，容量保持率為93.7%。所構建的KZnHCF//Zn全電池具有1.82 V的高放電平臺，2000倍的長循環性能，容量保持率為89.0%，高倍率容量為10 A g?1，容量保持率為85.5%。此外，軟包電池可以提供超過3.60 mAh的高容量，相當于0.207 mAh cm?2的面容量。
這種液相控制方法為提高具有兩相轉變離子存儲機制的材料的電化學性質提供了一條很有前途的途徑。
Meng Huang, et al, Liquid Phase-Induced Solid Solution Phase Mechanisms for Highly Stable and Ultrafast Energy Storage, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202102342
https://doi.org/10.1002/aenm.202102342
8. Adv. Sci.：通過碳納米纖維上的同軸納米室異質結實現深度循環和超高速率鋰金屬負極
由于高理論比容量和最低電位，鋰金屬負極（LMA）是高能量密度電池最有前途的候選材料。然而，LMAs 的實際應用受到短壽命和不令人滿意的鋰利用率（<50%）的阻礙。近日，< span="">清華大學楊穎研究員等人報道了一種用于鋰金屬負極的氧化物-氧化物異質結。
本文要點：
1）提出了一種通過納米室結構設計增強的氧化物-氧化物異質結，以提高 LMA 在超高倍率下的鋰利用率和循環性能。MnO2-ZnO 異質結為鋰離子的強吸收提供高結合能，并為電子的快速轉移提供緊密結合的界面。在鋰離子平穩遷移和電子快速流動的引導下，鋰金屬可以被限制為具有約束邊界和應力耗散的納米室中亞微米級的薄層，抑制局部團聚和阻塞。親鋰活性位點可以在亞微尺度內有效地暴露于鋰離子，提高了長期循環過程中高鋰利用率的可逆轉化。
2）Li@MnZnO/CNF 電極在50 mA cm-2的高電流密度和10 mAh cm-2的面積容量下實現了70%的高鋰利用率。
TrungHieu Le, et al. Deeply Cyclable and Ultrahigh-Rate Lithium Metal Anodes Enabled by Coaxial Nanochamber Heterojunction on Carbon Nanofibers. Adv. Sci. 2021, 2101940.
DOI: 10.1002/advs.202101940
https://doi.org/10.1002/advs.202101940
9. Adv. Sci.綜述：單壁碳納米管電子學的進展和前沿
單壁碳納米管（SWCNT）被認為是摩爾時代最有前途的下一代電子材料之一。低于10 nm的SWCNT場效應晶體管 (FET) 已實現，其性能在相同特征尺寸下超過了Si基 FET。一些工業計劃已嘗試在集成電路 (IC) 芯片中實施SWCNT電子學。近日，南洋理工大學Qing Zhang研究員等人報道了單壁碳納米管電子學的最新進展。
本文要點：
1）從對基本電子結構、載流子傳輸機制和金屬/單壁碳納米管接觸特性的深入理解，回顧了單壁碳納米管電子學的最新進展。特別是，單壁碳納米管的亞閾值開關特性在低功耗、高能效設備操作中尤為突出。
2）概述了最先進的低功耗基于SWCNT的電子設備以及實現低電壓和低功耗操作的關鍵策略。最后，展望了未來基于SWCNT的電子產品的材料制備、器件制造和大規模 IC 集成的基本挑戰和前景。
Jianping Zou, et al. Advances and Frontiers in Single-Walled Carbon Nanotube Electronics. Adv. Sci. 2021, 2102860.
DOI: 10.1002/advs.202102860
https://doi.org/10.1002/advs.202102860
10. EnSM：實現活性Li2S的可逆沉淀分解用于寬溫度范圍的大面容量鋰硫電池
通過電催化促進多硫化物的轉化是抑制鋰-硫（Li-S）電池穿梭效應的一種很有前途的策略。然而，隨著循環過程中Li2S鈍化層的不斷形成，電催化劑中的活性中心逐漸鈍化，這無疑給實現硫物種的穩定轉化帶來了挑戰。基于此，蘇州大學張亮教授，北京計算科學研究中心Jun Kang，加拿大西安大略大學孫學良教授報道了提出了一種反應性Li2S與雙向Fe3C電催化劑協同作用的策略，以實現硫物種的快速、連續轉化，從而大大提高Li-S電池的性能。
本文要點：
1）研究發現，在還原過程中，活性Li2S以獨特的三維（3D）多孔結構在Fe3C表面析出，不僅縮短了離子/電子擴散路徑，而且暴露和保留了Fe3C中更多的活性中心。而在后續的氧化過程中，Fe3C也促進了活性Li2S的分解，使電催化劑表面煥然一新。
2）綜合的實驗和理論計算結果表明，Fe3C催化劑在整個充放電過程中保持了較高的催化活性，實現了硫物種的快速氧化還原轉化。最終，通過制備的Fe3C@FC/S-CF正極首次實現了寬溫度范圍（-10-40 oC）下的高面容量Li-S電池（>6.0 mAh cm-2）。在室溫低E/S比8 μL mg-1和16.1 mg cm-2的高硫負載量下，循環70次后仍能保持10 mAh cm-2的高比容量。
這項研究成功地實現了活性Li2S與雙向電催化劑的結合，在實際相關參數下極大地提高了Li-S電池的電化學性能。
Pan Zeng, et al, Achieving Reversible Precipitation-Decomposition of Reactive Li2S towards High-Areal-Capacity Lithium-Sulfur Batteries with a Wide-T emperature Range,Energy Storage Materials(2021)
DOI：10.1016/j.ensm.2021.10.035
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.10.035
11. ACS Nano：具有可調諧活性邊緣和不飽和配位鍵的層狀多孔Ti3C2 Mxene用于助力高性能Li-S電池
鋰-硫（Li?S）電池具有理論能量密度高、成本低、環保等優點，在下一代電子產品中具有廣闊的應用前景。然而，鋰多硫化物的穿梭效應和緩慢的反應動力學嚴重阻礙了Li?S電池的實際應用。基于此，河北工業大學張永光，華南師范大學王新，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授報道了理論設計并制備出用于Li?S電池的分級多孔Mxene微球先進電催化劑。
本文要點：
1）研究發現，在噴霧干燥過程中，Mxene納米片上原位形成了O?Ti?C表面氧化層。然后，采用簡單的化學腐蝕方法選擇性去除Ti3C2 MXene納米薄片上的Ti?O鍵，形成大量的不飽和Ti位，并形成規整的層狀多孔織構。由此產生的裸露的邊緣和不飽和的配位Ti使得MXene和LiPS之間存在強主?客體相互作用，導致強大的硫吸附和快速的氧化還原反應。堅固的結構抑制了材料的重新堆積，緩解了充放電過程中的體積膨脹，為良好的電化學性能提供了快速的質量/電荷傳輸。
2）在上述優點的基礎上，采用S/3D e-Ti3C2-2正極的電池在0.2 C時的放電容量為1205.9 mAh g?1，在5.0 C時的放電倍率性能為772.4 mAh g?1。即使在提高硫負載量達到6.1 mg cm?2的情況下，S/3D e-Ti3C2-2正極仍具有優異的電化學性能。
本研究提供了一種有利的設計策略，將具有豐富活性邊緣中心的Ti3C2 Mxene材料與加速LiPS催化轉化的Ti3C2 Mxene材料協同結合，為未來性能優越的Li?S電池的創新設計做出貢獻。
Tong Wang, et al, Hierarchically Porous Ti3C2 MXene with Tunable Active Edges and Unsaturated Coordination Bonds for Superior Lithium?Sulfur Batteries, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c06213
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06213
12. ACS Nano：通過各向異性重構氧化釩助力耐用快速的水系鉀離子電池
水系鉀離子電池（AKIBs）由于其優異的性能和在便攜式和電網規模應用中安全、低成本存儲的內在優勢而受到人們長期追求。然而，AKIBs中存在的嚴重問題是較差的循環穩定性差和倍率性能，這是由于具有明顯大離子半徑的鉀離子不可避免地引起晶體結構的不穩定所致。
基于此，中國科學院過程工程研究所Yanlei Wang，何宏艷研究員，香港城市大學支春義教授報道了通過將商用氧化釩（α-V2O5）重構為δ-K0.5V2O5（KVO）納米帶，作為正極材料以解決AKIBs存在的問題，該正極材料具有擴大空間的層狀結構和各向異性的儲鉀路徑。
本文要點：
1）通過比較研究初始α-V2O5和重構的KVO電極的電化學性能，研究人員發現，KVO電極具有更高的容量、更快的各向異性傳輸通道（具有更高的倍率穩定性）和強健的結構可逆性（循環穩定性更出色）。具體地說，KVO電極在1 C時的容量為116 mAh g?1，在50 C時的倍率容量保持率為65 mAh g?1，在1 C下的耐久循環性能為1000次循環，容量保持率為88.2%。因此，KVO電極上實現了K-離子存儲的目標倍率性能和循環穩定性。
2）通過原位表征，研究人員發現，KVO電極經歷了可逆的相變過程，并在鉀化/脫鉀過程中保持其結構不變。密度泛函理論（DFT）結果表明，各向異性K離子輸運沿[100]方向具有較低的擴散能壘，同時，KVO晶體具有較高的電導率，這兩個因素共同促成了KVO超高的倍率性能。
3）研究人員將有機3,4,9,10-均四羧酸二酰亞胺（PtCDI）負極與KVO正極組合，制備了具有優良循環穩定性的全AKIB。結果顯示，在10 C下循環20,000次后容量保持率為77.3%。此外，該全AKIB還具有對?30 °C的良好低溫適應性。
這項研究可以作為一個模型系統，以吸引人們更多的關注開發高性能的AKIBs和進一步的現實應用。
Guojin Liang, et al, Reconstructing Vanadium Oxide with Anisotropic Pathways for a Durable and Fast Aqueous K?Ion Battery, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c05678
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05678
