1. Chem. Soc. Rev.綜述：用于鈉離子電池的先進無鈷正極材料
在大規模電化學儲能系統中利用鋰離子電池（LIBs）的嘗試已初見成效，以鋰金屬為負極的固態鋰離子電池也得到了良好的發展。然而，對LIBs來說，需求/成本的急劇增加，以及兩種最重要的金屬元素（Li&Co）儲量有限，引發了人們對其未來發展的擔憂。采用先進的無Co正極的鈉離子電池（SIBs）在解決“鋰恐慌”和“鈷恐慌”方面顯示出巨大的潛力，近年來也取得了顯著的進展。
基于此，南京大學周豪慎教授，郭少華綜述了近年來用于高性能SIBs的無Co正極材料的研究進展。總結了影響正極結構穩定性的關鍵因素，重點總結了了提高無Co正極材料結構/電化學穩定性的各種有效策略。
本文要點：
1）作者首先概述了Co在正極材料中的作用，如合成嚴格、物相復雜、電化學性能和空氣穩定性。然后，綜述和深入分析了幾種適用于高可逆鈉化/脫鈉的包括層狀氧化物、隧道氧化物、PBAs和多陰離子化合物等在內的正極結構的固有結構特點和電化學性質。在此之后，引入了多種電化學活性非鈷金屬元素（例如，Mn、Fe、Ni、V和Cr），構建在合適的正極結構中，以實現穩定的SIBs。
2）作者總結了電化學穩定性與相變、顆粒裂紋、過渡金屬板條滑移、晶格畸變、晶格氧氧化和過渡金屬遷移/溶解之間的內在聯系，并強調了提高結構和電化學穩定性的一些策略（如形貌控制、表面/界面工程以及復合材料的協同效應）。
3）作者最后總結了用于SIB的穩定無鈷正極研究仍面臨的挑戰和未來的發展前景。
Shiyong Chu, Shaohua Guo, Haoshen Zhou, Advanced cobalt-free cathode materials for sodium-ion batteries, Chem. Soc. Rev., 2021
DOI: 10.1039/d1cs00442e
https://doi.org/10.1039/d1cs00442e
2. Chem. Rev.: 硼烯：二維硼單層：合成、性質和潛在應用
硼烯是一種單層硼，它已經成為一種新的二維(2D)材料，具有非凡的性能，包括各向異性的金屬行為和靈活的(取決于方向)機械和光學性能。有鑒于此，日本國立物質材料研究所Dmitri Golberg、昆士蘭大學Yusuke Yamauchi教授和Yusuf Valentino Kaneti等人，綜述了硼烯在Ag(110)、Ag(100)、Au(111)、Ir(111)、Al(111)、Cu(111)等金屬基板上的合成及其異質結構的研究進展。
本文要點：
1）此外，它討論了硼烯的機械、熱、磁、電子、光學和超導性能，以及元素摻雜、缺陷和應用機械應變對這些性能的影響。此外，基于現有的理論研究，闡述了硼烯在氣體傳感、能量存儲和轉換、氣體捕獲和存儲方面的潛在應用前景，以及在這些應用中通過摻雜、缺陷形成和異質結構可能的材料性能調整。最后，對硼烯整個領域的研究和應用面臨的挑戰和前景進行了展望。
2）眾所周知，硼烯在環境條件下幾小時內很容易被氧化。這是由于水分促進了加速氧化，類似于在 Ta(111) 上生長的硼薄膜中觀察到的情況。一些策略，例如用硅/無定形二氧化硅 (SiO2) 層覆蓋和在特高壓條件下暴露于小劑量的純O2，已經被證明可以將硼酚的氧化推遲幾周。
3）在未來，新的合成方法，包括硼源在富氫環境下的原位熱分解，可能會被越來越多地采用，以制備高度穩定的氫化硼烯，而且可能無需使用金屬襯底。實際上，Hou等人最近已經實現了這一目標，他們首次報道了在490 - 600°C的富氫條件下，通過硼氫化鈉(NaBH4)粉末的三步加熱，合成了懸空的、超穩定的半導體α ' -4H硼烷。此外，強調了合成獨立和穩定的硼烯的重要性，以便對其性質和應用進行實驗研究。
Yusuf Valentino Kaneti et al. Borophene: Two-dimensional Boron Monolayer: Synthesis, Properties, and Potential Applications. Chem. Rev., 2021.
DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00233
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00233
3. Matter：金屬單原子在碳表面的配位工程用于提高和穩定儲鉀
碳質材料資源豐富、結構穩定、成本低廉，是一種很有前途的鉀離子電池（PIBs）負極材料。然而，有限的K+存儲和緩慢的動力學仍然KIBs面臨的主要挑戰。基于此，武漢理工大學吳勁松教授，麥立強教授，Jiashen Meng報道了首次將金屬單原子引入到納米結構碳中，研究了其對KIBs電化學性能的影響。
本文要點：
1）研究人員通過簡單的模板法設計和構建了鋅（Zn）單原子的化學配位。除了N配位的Zn單原子位點（Zn-N@C）外，由于S的低電負性有望改變Zn-N活性中心的電子結構，還合成了N、S共配位的Zn單原子位點（Zn-N-S@C）。
2）研究人員采用掃描透射電子顯微鏡（STEM）、X射線光電子能譜（XPS）和X射線吸收光譜（XAS）研究了基于Zn-N4和S配位的Zn-N4的Zn-N@C和Zn-N-S@C的配位環境。
3）研究人員通過電化學測量、恒電流間歇滴定技術（GITT）、原位透射電子顯微鏡（TEM）和密度泛函理論（DFT）計算，探討了Zn單原子配位工程的機理，揭示了Zn在鉀化和脫鉀過程中可以作為電子的額外儲存位，提高了附著陰離子的反應活性，優化了Zn-N4與S的電子結構，有效地增強了K+的吸附。
這項工作為用于先進PIBs的雜原子摻雜碳質材料的合理設計提供了新的途徑，也為揭示單原子工程學對電池優異性能的來源提供了新的思路。
Liu et al., Coordination engineering of metal single atom on carbon for enhanced and robust potassium storage, Matter (2021)
DOI：10.1016/j.matt.2021.10.017
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.10.017
4. JACS：共價有機骨架中的高容量NH4+電荷存儲
銨離子（NH4+）作為非金屬電荷載體，在水電池領域引起了人們極大的研究興趣。不幸的是，目前這些電池中使用的大多數無機主體材料仍然受到緩慢擴散動力學的限制。近日，阿卜杜拉國王科技大學Mohamed Eddaoudi，Husam N. Alshareef報道了通過詳細的分析，揭示NH4+離子在含醌羰基氧和吡嗪氮單元（QA-單體）中的獨特插層行為。
本文要點：
1）NH4+離子的插入誘導氫鍵的形成，包括N-H···O和N-H···N鍵，形成穩定的雙對角配位構型。與剛性金屬配位鍵相比，這種氫鍵化學誘導了NH4+離子更穩定的熱力學放電產物，從而獲得了良好的電化學性能。
2）研究人員研究了基于QA單體的共價有機骨架（QA-COF）上NH4+離子獨特的插層化學，在0.5 A g?1的電流密度下，其容量為220.4 mAh g?1，約為單價金屬離子的2倍（Li+：108.4 mAh g?1，Na+：125.9 mAh g?1，K+：71mAh g?1）。
3）除了容量上的差異，研究人員還揭示了這種較高的氧化還原勢與NH4+離子獨特的溶劑化行為有關，包括不可壓縮的溶劑化結構、低的去溶勢壘和復雜的氫鍵網絡。
這項工作為研究非金屬NH4+離子存儲的拓撲配位化學和溶劑化行為提供了一些新的見解。
Zhengnan Tian, et al, High-Capacity NH4+ Charge Storage in Covalent Organic Frameworks, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c09290
https://doi.org/10.1021/jacs.1c09290
5. JACS：外量子效率超過5%的紅色磷光碳量子點有機骨架電致發光二極管
碳量子點（CQDs）具有穩定性高、成本低、環境友好等優點，已發展成為下一代照明和顯示用納米材料。然而，受三重態躍遷的自旋禁忌性質的限制，熒光量子點的外量子效率（EQE）的最高理論值僅為5%，這從根本上限制了其在電致發光二極管（LED）中的進一步應用。可溶性CQDs提供了一種打破束縛以實現高效單色電致發光的手段，特別是作為全色顯示器關鍵成分的紅光發射。
近日，北京師范大學范樓珍教授，北京化工大學譚占鰲教授，天津大學雷圣賓教授報道了通過選擇具有高電荷遷移率和豐富的活性反應位點，以氨基和羧基為前體的1,3,5-苯三羧酸（BTC）、磷酸二氫胍和3,4,9,10-苝四甲酸二酐，成功合成了碳量子點有機骨架（CDOF）。
本文要點：
1）CDOF骨架是一種網狀結構，由多個鏈連接的以CQD為核心的單元組成，顯著地穩定了具有高耦合系數的CQD的三重態能級，產生了紅色（625 nm）的磷光，總量子產率高達42.3%。
2）由有序平行排列的苝-苝分子組成的鏈產生了獨特的π-溝道，該溝道誘導激子的重組產生了高匹配的電子和空穴遷移率，分別為1.26 ×10?3和3.15×10?3 cm2 V?1 s?1。
3）基于CDOFs的LED顯示紅色磷光發射，CIE坐標為（0.6 4，0.30），性能優良，最大亮度（Lmax）為1818 cd m?2，EQE為5.6%。
Yuxin Shi, et al, Red Phosphorescent Carbon Quantum Dot Organic Framework-Based Electroluminescent Light-Emitting Diodes Exceeding 5% External Quantum Efficiency, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c07054
https://doi.org/10.1021/jacs.1c07054
6. Angew：結晶半導體型共價三嗪骨架的快速有序聚合
通過強健的芳香族三嗪鍵合構建的共價三嗪骨架（CTFs）因其豐富的氮含量和功能三嗪基團、高孔隙率和共軛性以及優異的熱穩定性和化學穩定性而引起人們的極大興趣，這使得CTFs在氣體/分子吸附分離、催化和儲能等領域具有廣闊的應用前景。近日，西湖大學徐宇曦報道了展示了一種可擴展的微波輔助合成策略，首次在20分鐘內成功地制備了一系列高度結晶和半導體的CTFs。
本文要點：
1）該合成方法的特點是在無溶劑條件下，少量催化活性高、極性強的CF3SO3H催化劑能快速吸收微波能量到腈基單體，極大地促進了恒定微波功率照射下的連續環三聚反應。采用這種方法，以1,3,5-三氰苯（TCB）、1,4-二氰苯（DCB）和4,4‘-二氰基-1,1’-聯苯（DCBP）為起始單體，可以在短時間內得到一系列具有高比表面積和規整孔結構的結晶性半導體CTFs。此外，這種方便的制備過程可以很容易地擴展到百克級。
2）通過原位成像和隨時間變化的表征，研究人員提出了結晶CTF的有序二維（2D）聚合機理，即單體在10 s內迅速聚合成周期性的2D分子片，然后生長成更有序的骨架結構。
3）對不同結晶度的CTF的光催化性能研究結果表明，結晶度越大，其光催化性能越好。此外，通過簡單的球磨剝離層狀CTF，可以得到單層和少層結晶的2D三嗪聚合物納米片，其光催化析氫速率提高了近5倍，最高可達7971 μmol g-1 h-1，優于已報道的大多數聚合物光催化劑。
這項工作將為方便、合理地構建各種用途的結晶型CTF和具有定制結構的2D聚合物材料鋪平道路。
Tian Sun, Yan Liang, Yuxi Xu, Rapid, Ordered Polymerization of Crystalline Semiconducting Covalent Triazine Frameworks, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202113926
https://doi.org/10.1002/anie.202113926
7. AM: 雙卟啉異質結構的界面電場構建促進光催化析氫
利用光催化技術將太陽能轉化為化學能被認為是緩解能源危機的一項令人鼓舞的技術。以半導體為基礎的光催化制氫技術作為大規模生產可再生和清潔能源的理想方法，已經得到了廣泛的應用，許多研究都在積極探索用于制氫的光催化劑。遺憾的是，光催化產生的電子和空穴很容易在光催化劑表面進行重組而不是參與氧化還原反應，導致光催化效率低，嚴重限制了其進一步的實際應用。因此，提高電荷分離率/傳輸效率是提高光催化效率的關鍵科學問題。
有鑒于此，清華大學朱永法教授等人，通過將四（4-羧基苯基）鋅卟啉（ZnTCPP）與四（4-羥基苯基）卟啉（THPP）偶聯，成功構建了雙卟啉異質結構。
本文要點：
1）通過 π-π 堆疊相互作用設計了一種新型的 ZnTCPP/THPP 雙卟啉異質結構，用于光催化析H2，可以在 ZnTCPP/THPP 異質結構中同時實現強界面電場和雙卟啉之間的適當界面匹配。
2）在全光譜下，ZnTCPP/THPP 獲得了 41.4 mmol h-1 g-1 的高光催化析氫速率，分別比純 ZnTCPP 和 THPP 高約 5.1 倍和 17.0 倍。活性顯著增強主要是由于雙卟啉之間形成巨大的界面電場，極大地促進了電荷的高效分離和轉移。
3）同時，雙卟啉的相似共軛結構也提供了適當的界面匹配并減少了界面缺陷，從而抑制了光生載流子的復合。
總之，該工作通過合理組合雙卟啉合適的能帶結構和高質量的界面接觸，為界面電場的構建以提高光催化性能提供了新的思路。
Jianfang Jing et al. Construction of Interfacial Electric Field via Dual-porphyrin Heterostructure Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution. Advanced Materials, 2021.
DOI: 10.1002/adma.202106807
https://doi.org/10.1002/adma.202106807
8. AM：一種用于鋰硫電池的多功能菌絲碳
生物技術可以給能源材料和器件的設計和制造帶來新的突破。近日，浙江大學周建倉報道了首次提出了一種新穎、簡便的生物自組裝技術來大規模制備多功能根霉菌絲碳纖維（RHCF）及其衍生物，用于電化學儲能。
本文要點：
1）研究人員通過根霉菌絲轉化成功制備了交聯中空碳纖維，實現了中空RHCF組成的厘米級碳球的宏觀生產。此外，這種自組裝的RHCF球對金屬離子具有很強的吸附特性，可以轉化為RHCF/金屬氧化物等一系列衍生物。
2）值得注意的是，所設計的RHCF衍生物作為鋰-硫電池（LSB）的正極、負極和隔膜具有很強的多功能性。RHCF可以作為主體材料與金屬氧化物（CoO）和S、Li金屬與聚丙烯（PP）隔膜結合，分別形成新型RHCF/CoO-S正極、RHCF/Li負極和RHCF/PP隔膜。結果顯示，優化后的LSB全電池具有優異的循環性能和優異的高倍率容量（1 C時為881.3 mA h g-1）。
這項工作為大規模制備用于先進儲能和轉換的中空碳纖維及其衍生物提供了一種新的方法。
By Lei Huang, et al, Multifunctional Hyphae Carbon Powering Lithium Sulfur Batteries, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202107415
https://doi.org/10.1002/adma.202107415
9. Nano Letters：具有雙動態網絡的超伸縮自愈導體助力全向可修復電容式應變傳感器
皮貼式電容式應變傳感器具有高線性度和低滯后的特點，為人機交互提供了靈感。為了實現實用化，其需要要求具有高傳感性能、大可伸縮性和自愈性，然而，這受到可伸縮電極、介質和界面兼容性等嚴重限制。近日，合肥工業大學從懷萍教授報道了開發了一種極具延展性和多響應性的自愈合水凝膠（ARAP）導體，其通過硬動態網絡和軟動態網絡相結合，將導電Ag納米線與起皺的氧化石墨烯納米片和Ag?S配位輔助聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠網絡結合在一起。
本文要點：
1）得到的水凝膠在已報道的可伸長導體中表現出一流的性能，在2000%應變下的伸長率為3250%，電阻變化率為223%，在1000%應變下的800次循環中的不可逆電阻為378%，具有很高的循環穩定性，以及由動態Ag?S配位引發的快速光電自愈。特別是，這種水凝膠導體對包括打結和扭曲在內的極端變形表現出極強的耐受性。
2）通過將兩個水凝膠導體電極與一種新開發的含Au納米棒的介質凝膠相結合，研究人員首次實現了電容式應變傳感器的超高伸長率（1080%）和萬能應變率。組裝的應變傳感器在檢測各種人體動作、面部表情和發聲時表現出非凡的傳感性能和自修復性能。
這種設計理念和制作方法有望推廣到其他多功能可伸縮導體和電子器件，并將促進人工智能的實現。
Pan-Pan Jiang, et al, Ultrastretchable and Self-Healing Conductors with Double Dynamic Network for Omni-Healable Capacitive Strain Sensors, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03618
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03618
10. Nano Letters：具有互穿網絡的聚苯胺-木質素復合材料用于超級電容儲能
隨著人們對環境友好型超級電容器的興趣與日俱增，發高效、低成本、可靠、可持續和無害環境的能源存儲系統勢在必行。盡管電池是目前領先的儲能技術，但在過去的幾十年里，具有儲能特性的電化學電容器的應用一直在大幅增加。迄今為止，人們已經研究了各種各樣的超電容儲能材料。與現有的無機聚合物相比，導電聚合物具有制備簡單、尺寸、形貌和表面化學可控、導電性可調、柔韌性高以及成本低等優點。然而，導電聚合物的一個不足是其充電容量相對較低。
近日，加州大學洛杉磯分校Richard B. Kaner，伊朗塔比阿特莫達勒斯大學Mir F. Mousavi報道了開發了一種簡便的一步電沉積方法來制備基于聚苯胺和磺化木質素（木質素磺酸鹽，LS）互穿網絡的新型納米復合材料，并作為一種優良的超電容材料。通過優化電合成條件，研究人員實現了聚苯胺-木質素磺酸鹽納米結構的智能化，大大改善了離子傳輸路徑和電子轉移網絡，使其具有較高的贗電容量和優異的倍率性能。
本文要點：
1）在適當調節成核動力學和生長行為的基礎上，通過施加一系列合理設計的電勢脈沖模式，獲得了均勻的PANI-LS薄膜。基于快速的H+脫/嵌動力學，而不是緩慢的SO42?摻雜/去摻雜過程，PANI-LS納米復合材料在1 A g?1下的比容為1200 F g?1，超過了已知的最好的導電聚合物-木質素超級電容器。
2）開發的對稱全固態柔性PANI-LS||PANI-LS器件不僅提供了高比能量（278.5 W kg?1時為21.2 W h kg?1），同時還具有出色的比功率（14.5 W h k g?1時為26.0 kW kg?1），此外，在聚乙烯醇-In-H2SO4凝膠電解質中還表現出優異的電容保持率（在10.0 A g?1下進行15000次充放電循環后，容量為初始容量的87%）。
這種全固態原型器件的出色柔性進一步揭示了該設計作為一種有前途的架構的潛在實用性，可用于開發用于非柔性電子應用的高性能、最先進的無金屬和對環境無害的超級電容器。
Neda Dianat, et al, Polyaniline-Lignin Interpenetrating Network for Supercapacitive Energy Storage, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02843
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02843
11. AEM綜述：雙離子電池的研究進展與展望
雙離子電池（DIBs）作為一種新型的高性價比、高工作電壓、環境友好的儲能裝置，近年來備受關注。盡管鋰離子電池（LIBs）等傳統的“搖椅”電池在負極一側的儲能機制類似，但DIBs通常在正極材料上嵌入陰離子。此外，DIBs中的電解質不僅作為離子傳輸介質，而且還作為活性物質。因此，電解液不僅決定了DIBs的庫侖效率和循環壽命，而且對DIBs的容量和能量密度起著至關重要的作用。此外，盡管它們在負極側的電化學反應與LiBs相似，但為了匹配正極側陰離子的快速嵌入動力學，并考慮到DIBs的不同電解質體系，仍然需要考慮負極材料的合理設計和優化。
有鑒于此，中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳研究員綜述了DIBs的研究進展。
本文要點：
1）作者首先分析了電解質成分（鹽、溶劑、添加劑），特別是陰離子的“溶劑化效應”對DIBs性能的影響。接下來總結了用于DIBs的高性能電解質系統的各種策略和研究。此外，還總結了DIBs正負極材料的研究進展和最新工作，并總結了電解質體系對其性能的影響。
2）作者最后展望了DIBs的未來發展。要進一步提高DIBs的整體性能，一方面還需要對電解液體系和電極材料進行單獨的設計和優化；另一方面，電解液/電極界面的調節（SEI層、電化學穩定性、電荷轉移動力學等）和負極/正極材料的有效匹配（N/P比、動力學匹配等）是下一步工作的重點。
Xuewu Ou, et al, Advances and Prospects of Dual-Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202102498
https://doi.org/10.1002/aenm.202102498
12. AEM綜述：陽極和陰極同時電解產生增值化學品的研究進展
為了在整個電催化轉化過程中有效利用電能，陽極和陰極反應的整合起著至關重要的作用。電催化陽極氧化與陰極還原相結合，既能最大限度地實現能源投入回報，又能產生兩邊的增值材料。基于此，鄭州大學彭智昆，湖南大學王雙印教授，鄒雨芹綜述了共電解工藝的最新進展。
本文要點：
1）作者系統地總結了研究廣泛的電催化析氫反應（HER）、CO2還原（CO2RR）、氮還原（NRR）以及硝酸鹽還原反應（NO3-RR）與AOR結合產生高價值H2、C1/C2+、NH3和增值陽極產物的進展。此外，還總結了電催化陽極氧化反應與貴重化學品還原反應配對的機理，同時還包括一些已開發的集成系統，如1-己烯和4-甲氧基苯甲醇選擇性電催化還原氧化聯產1-己烯和4-甲氧基苯甲醛。突出了還原和選擇性氧化反應集成在產生增值化學品方面的潛在價值。
2）從經濟上講，這一新興的針對增值化學品的電子集成反應領域值得廣泛探索。在已研究的電催化集成反應中，HER、CO2RR、NRR以及NO3?RR與AOR的集成受到了一定的關注，而其他有價值的化學物質的聯產具有較大的研究空間。
3）最后，在闡述陽極和陰極反應選擇原則的基礎上，作者指出了高價值化學品高效電催化集成反應研究仍面臨的挑戰和相應的解決方案。
Rui Li, et al, Recent Advances on Electrolysis for Simultaneous Generation of Valuable Chemicals at both Anode and Cathode, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202102292
https://doi.org/10.1002/aenm.202102292
