1. Science: 在溶劑化無機氣溶膠表面自發發生表面促進氧化還原反應
界面氧化還原化學在氣體分子和氣溶膠顆粒的形成中起著重要作用。然而，對這些非均相過程的描述是具有挑戰性的，并且在化學動力學模型中往往被忽略。有鑒于此，哥德堡大學孔祥瑞研究員、Jan B. C. Pettersson和卡塔爾哈馬德·哈拉法大學Ivan Gladich等人，使用環境壓力 X 射線光電子能譜結合分子動力學模擬，在典型的無機氣溶膠硫酸銨表面的溶劑化過程的第一階段發現了表面促進的自發氧化還原化學。
本文要點：
1）使用環境壓力X射線光電子光譜（AP-XPS）發現在普通無機氣溶膠表面進行溶劑化反應時，會自發地發生表面促進的硫酸鹽還原銨氧化反應。
2）經過XPS的測試，幾個關鍵中間物種，包括硫（S0）、硫氫化物（HS-）、亞硝酸（HONO）和氨[NH3(aq)]被確定為與溶解過程相關的反應成分。
3）通過經典分子動力學和第一性原理的計算，對鹽溶劑化過程中的物種分配和深度分布特征進行了支持，并提出了一個詳細的機理來描述鹽溶劑化過程中意外產物的產生。
總之，幾種意想不到的物種已被確定為硫酸鹽還原銨氧化反應的可能產物，這可能有助于解決大氣化學的一些持久難題。該工作對污水處理和其他工業技術的發展也有一定的指導意義。
XIANGRUI KONG et al. A surface-promoted redox reaction occurs spontaneously on solvating inorganic aerosol surfaces. Science, 2021.
DOI: 10.1126/science.abc5311
http://doi.org/10.1126/science.abc5311
2. Sci. Adv.：構建固液氟運輸通道實現高度可逆的轉換型正極
轉化型FeF3具有較高的能量密度，是一種很有前途的插層氧化物正極材料。然而，在金屬-氟部分的反復裂解和再結合過程中，其固有的固-固轉化比較緩慢。近日，中科院上硅所李馳麟研究員報道了設計了一種固液“氟通道”，通過在醚基電解質中加入三(五氟苯基)硼烷（TPFPB）的陰離子受體來激活氧氟化物的高可逆轉化反應。作為F-受體的TPFPB分子能夠在多相界面解離失活的LiF，形成溶劑化的F-中間體[TPFPB-F]?，通過繞過堅韌的固-固轉化，在LiF和Fe物種之間提供一條便捷的F-傳輸通道。
本文要點：
1）通過水合氟化鐵的熱誘導自氧滲透，合成了兩種不同含氧量的鐵(氧)氟化物復合材料（FeO0.3F1.7和FeO0.7F1.3）。氟化物中的氧摻雜調節了相演變途徑，并在轉化反應的受限電壓區引入了穩定的第二代巖鹽母相。而含電解質衍生氟化CEI層的固液通道的構建促進了氟氧化物正極中F離子的簡單往返傳輸和可逆鋰的插入/提取。
2）實驗結果表明，FeO0.3F1.7和FeO0.7F1.3都實現了持續的轉化反應（能量效率接近80%）和高倍率性能（在2 A/g時的高度可逆容量分別為271和320 mAh/g）。在220 W/kg和4300 W/kg功率密度下，FeO0.3F1.7和FeO0.7F1.3的正極能量密度分別達到1100 Wh/kg和700 Wh/kg。
這項研究提出的固液轉化活化氟離子的策略也適用于其他金屬氟化物轉化體系。
Keyi Chen, et al, Construction of solid-liquid fluorine transport channel to enable highly reversible conversion cathodes, Sci. Adv., 2021
DOI: 10.1126/sciadv.abj1491
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj1491
3. Sci. Adv.：硼烯的簡易合成
迄今為止，除石墨烯之外的二維元素材料的可擴展合成仍然難以實現。近日，慕尼黑工業大學Willi Auw?rter，Marc G. Cuxart，慕尼黑聯邦國防軍大學Hermann Sachdev報道了開發了一種通用的化學氣相沉積(CVD)方法，通過選擇性地使用源自硼氮烷的可追蹤副產物的乙硼烷來生長硼烯（borophene）以及硼烯異質結構。具體來說，在銥(111)和銅(111)單晶襯底上成功合成了金屬硼烯多晶型物，并與絕緣六方氮化硼（hBN）結合形成原子級精確的側向硼烯-hBN界面或垂直范德華異質結構。因此，硼烯被單一的hBN覆蓋層保護而不會立即氧化。
本文要點：
1）使用所提出的技術從一個供應容器中定量供給不同的化學氣相沉積前體允許選擇性沉積硼烯(來自乙硼烷)或hBN片(來自硼氮烷)或硼烯和hBN的組合橫向/縱向異質結構。此外，研究人員還強調了高純度前體與單相選擇性沉積之間的關系。
2）硼烯疇的各向異性形態進一步實現了原子級的精確排列和其他成分的接觸，就像hBN的情況一樣。此外，這種通用方法可用于不同的襯底，并為原位生長異質結構開辟了途徑，包括具有互補性質的低維材料，以及保護硼烯免受氧化。
通過直接化學氣相沉積法合成具有微米級大單晶疇的高質量硼烯，為研究其基本性質和器件的結合提供了機會。
Marc G. Cuxart, et al, Borophenes made easy, Sci. Adv., 2021
DOI: 10.1126/sciadv.abk1490
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1490
4. Sci. Adv.：比較鋰離子電池的二次使用或直接回收的能量使用、環保性
將報廢的電動汽車鋰離子電池回收和進行重新的二次利用受到非常廣泛關注，這是因為在不遠的幾年，大量的鋰離子電池將報廢處理。有鑒于此，康奈爾大學尤峰崎(Fengqi You)等報道從化學角度、使用、循環、環境可持續性幾個角度探討鋰離子電池的回收和可持續發展，作者發現能量密度更高的鋰離子電池能夠更好的進行循環和再利用，但是二次利用鋰電池在環保角度的作用降低。
本文要點：
1）直接進行陰極回收是降低對環境產生影響的最有效方法，但是濕法回收方法對于高性能鋰離子電池的持久性并沒有很好的利用價值。通過降低電池的Al含量，或者發展Si基材料作為鋰離子電池陽極，能夠提高鋰離子電池循環利用的可持續性。
2）與鋰離子電池的直接回收循環相比，進行二次使用后再進行回收循環的鋰離子電池引起的碳足跡、需要利用的能源分別降低8-17 %、2-6 %。
Yanqiu Tao et al. Second life and recycling: Energy and environmental sustainability perspectives for high-performance lithium-ion batteries, Science Advances, 2021,
DOI: 10.1126/sciadv.abi7633
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi7633
5. Nature Electron.：一種超薄指紋和文檔掃描儀
由于可以低成本地制作在塑料襯底上，溶液處理的光電探測器可用于大面積光敏應用，并且其吸收光譜可以通過化學設計來調節。然而，制造低暗電流的光電探測器并將其集成到高分辨率背板上仍然具有挑戰性。近日，荷蘭應用科學研究組織Gerwin H. Gelinck，Albert J. J. M. van Breemen報道了開發了一種薄型、高分辨率的指紋、文檔和實物掃描儀。
本文要點：
1）研究人員采用溶液處理的600 nm混合陽離子、混合鹵化物鈣鈦礦層Cs0.18FA0.82Pb(I0.82Br0.18)3，其中含有銫(Cs+)和甲酰胺（CH(NH2)2+，FA）陽離子，制備了鈣鈦礦光電探測器（PPD）。使用一種由鉬鉻合金（MoCr）組成的倒置電堆作為底電極，在該電堆的底部涂覆一層薄薄的PTAA HTL層。[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PC61BM)-SnOx電堆被用在鈣鈦礦型活性薄膜的頂部，作為ETL。PPD由100 nm厚的透明氧化銦錫（ITO）頂電極和透明薄膜封裝阻擋層完成。
2）研究人員基于溶液處理的金屬鹵化物鈣鈦礦的鈣鈦礦光電探測器（PPD）前面板和氧化物薄膜晶體管（TFT）背板，構建了視頻圖形陣列（VGA；640×480像素）掃描儀，該掃描儀能夠捕獲全色圖像和高分辨率指紋，包括通過提取光體積描記(PPG)信號來檢測活性。通過對PPD前面板的優化和像素ECL的使用，在可見光波段獲得了10?6 mA cm?2的低暗電流密度，66%的外量子效率（EQE）和1.3×1012 Jones的高光電探測率。
該方法可以將鈣鈦礦圖像傳感器集成到日常物品中，如移動電話和門把手，以創建感光表面和不引人注目的安全訪問控制系統。此外，定制鈣鈦礦的電光特性，以及擴大到更大的有源區(例如，使用槽模涂層)，可以進一步加速這種技術在下一代可見光和紅外光譜光傳感中的應用，應用于醫學成像、監視和光通信。
van Breemen, A.J.J.M., Ollearo, R., Shanmugam, S. et al. A thin and flexible scanner for fingerprints and documents based on metal halide perovskites. Nat Electron (2021).
DOI：10.1038/s41928-021-00662-1
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00662-1
6. Acc. Chem. Res.: 通過等離子體（光）電催化管理氮循環：邁向循環經濟
由于可再生能源要么是間歇性的，要么位于偏遠地區，開發具有成本效益的、可持續的模塊化系統和技術，以工業規模存儲和運輸可再生能源勢在必行。將廉價的可再生電力存儲到化學鍵中(即化學能存儲)可能是實現可靠和有彈性的電網能源存儲的變革機遇。這種方法使可再生能源能夠像化石燃料一樣儲存和運輸。目前，化學工業主要消耗化石原料作為能源，這是一個多世紀以來的標準。通過使現代化學工業電氣化和脫碳，需要向更可持續的化學合成路線轉變范式。隨著可再生電力成本的降低，（光）電合成以清潔、可持續和分散的方式合成高價值和高能量的燃料和分子越來越受到關注。
有鑒于此，美國佐治亞理工學院的Mostafa El-Sayed教授和Mohammadreza Nazemi等人，報道了在合成形狀控制的混合等離子體納米粒子方面的最新進展，包括具有增加的表面積的等離子體-半導體和等離子體-過渡金屬納米結構。
本文要點：
1）在液相和氣相電化學系統中對納米催化劑的氮轉化選擇性和活性進行了測試。利用operando振動型光譜(即表面增強拉曼光譜(SERS))來識別電極-電解質界面上與氮固定相關的中間物種，以獲得對反應機制的機理了解，從而發現更有效的催化劑。Operando SERS 揭示了混合等離子體-過渡金屬納米顆粒表面（例如 Pd-Ag）上氨的氮還原反應（NRR）通過締合機制發生。在NRR過程中，肼(N2H4)作為中間物質被消耗。
2）氮循環是地球上最關鍵的生物地球化學循環之一，因為氮是所有生物體的重要元素。通過由可再生能源驅動的（光）電化學系統進行的人工固氮為資源和碳密集型熱化學過程提供了另一種途徑。大規模（光）電化學固氮需要發現活性、選擇性和穩定的多相（光）電催化劑。此外，還需要使用先進的原位和操作光譜技術來確定潛在的反應機制。催化劑表面氮（N2）分子的選擇性和抑制熱力學有利的副反應（例如析氫反應）是提高水溶液中（光）電化學固氮速率的主要瓶頸。電極、電解質和反應器的合理設計需要在環境條件下或接近環境條件下減弱強氮 - 氮三鍵（N≡N）。
3）飛秒脈沖激光用于合成在 Au 納米棒表面具有均勻分布的 Pd 原子的混合等離子體光催化劑，從而增強光電和催化性能。總體目標是開發模塊化光電電化學系統，用于長時間可再生能源存儲。在固氮的背景下，旨在提出通過 N2 和活性含氮化合物（例如 NH3、NOx）的相互轉化來管理氮循環的策略，從而實現具有可持續和積極社會和經濟成果的循環氮經濟。
Mohammadreza Nazemi et al. Managing the Nitrogen Cycle via Plasmonic (Photo)Electrocatalysis: Toward Circular Economy. Acc. Chem. Res., 2021.
DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00446
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00446
7. EES：一種電流密度為7.68A cm-2、耐用1000 h的高性能陰離子膜電解槽
低成本陰離子交換膜電解槽（AEMWEs）是一種生產高純氫的新技術。然而，其電流密度和耐久性遠遠低于質子交換膜電解槽（PEMWEs）。近日，韓國漢陽大學Young Moo Lee，韓國科學技術研究院So Young Lee報道了提出了基于poly(fluorenyl-co-aryl piperidinium)（PFAP）、離聚體和陰離子交換膜（AEMs）的高性能陰極干式AEMWE，并進行了合理的電極設計。
本文要點：
1）PFTP-13 AEMs具有較高的離子電導率和水擴散系數（>9×10-8 cm2 s-1），表現出優異的AEMWE性能。除了A/C電極的設計外，具有高離子導電性和水擴散率的AEMs對于改善陰極干燥AEMWE中的水和OH?的傳輸至關重要。
2）具有PGM催化劑的PFAP基AEMWE在2.0 V時達到了7.68 A cm-2的電流密度，這是目前AEMWE的新記錄（2.0V時大多數低于4 A cm?2），并超過了最先進的PEMWE（2.0 V時為6 A cm?2）。不含PGM的AEMWE在2.0 V下表現出1.62 A cm-2的優良電流密度。同時，目前的無PGM AEMWE可以在0.5 A cm-2的電流密度下穩定工作1000 h以上，電壓沒有任何衰減。據了解，這里報道的AEMWE在目前的AEMWEs中表現出最好的電流密度和耐用性。
本工作為陰極干燥式AEMWE的設計提供了新的思路，并極大地推動了當前AEMWE的發展。
Nanjun Chen, et al, High-performance anion exchange membrane water electrolyzers with a current density of 7.68 A cm-2 and durability of 1000 h, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D1EE02642A
https://doi.org/10.1039/D1EE02642A
8. EES：一種高性能n型Ta4SiTe4/聚偏氟乙烯(PVDF)/石墨二炔有機-無機柔性熱電復合材料
在過去的十年里，基于納米碳（如碳納米管和石墨烯）的高性能p型柔性有機-無機熱電（TE）復合材料的開發取得了前所未有的成功，但由于碳納米管和石墨烯通常表現出p型行為，n型熱電復合材料的研究進展相對滯后。基于此，中科院上硅所史迅研究員，Pengfei Qiu報道了除了碳納米管和石墨烯之外，利用半導體石墨二炔（GDY）制備了一種高性能的n型有機-無機柔性TE復合材料，并進行了原理驗證研究。
本文要點：
1）基于GDY與準一維半導體Ta4SiTe4的化學相互作用，我們成功地制備了n型Ta4SiTe4/聚偏氟乙烯(PVDF)/GDY復合薄膜。GDY均勻分布在復合材料內部，作為Ta4SiTe4晶須之間的橋梁，顯著提高了導電性。
2）Ta4SiTe4/PVDF/GDY復合薄膜結合了良好保持的大Seebeck系數和低導熱系數，在300 K時ZT達到0.2的最大值，是有機-無機柔性TE復合材料中的最高值之一。此外，由n型Ta4SiTe4/PVDF/GDY支腿和p型PEDOT：PSS/CNT支腿組成的原型溫差電模塊在已報道的包括n型和p型支腿在內的有機柔性材料柔性TE模塊中顯示出最高的歸一化最大功率密度。
在本研究的基礎上，GDY的應用還可以擴展到其他高性能柔性有機-無機TE復合材料的制備。
Sanyin Qu, et al, High-performance n-type Ta4SiTe4/polyvinylidene fluoride （PVDF）/graphdiyne organic-inorganic flexible thermoelectric composites, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D1EE02552J
https://doi.org/10.1039/D1EE02552J
9. AM綜述：實用型固態鋰金屬電池面臨的挑戰和對策
室溫下離子電導率超過10 mS·cm-1的無機固體電解質的顯著改善為實現固態電池的商業化提供了機會。此外，向易燃固態電池的過渡也預示著固態電池有望成功使用鋰金屬負極，從而實現高能量密度，而不會有任何安全風險。然而，目前固態鋰金屬電池的實際運行仍然面臨著循環穩定性差、能效低的挑戰，這與鋰金屬的界面穩定性甚至枝晶生長有關。
近日，首爾大學Kisuk Kang全面總結了在固態金屬間化合物中實現鋰金屬負極研究中的最新進展，特別關注了SEs和鋰金屬的界面及其對電化學性能的影響。
本文要點：
1）鋰的高活性往往會引起與SE的自發化學反應或電化學反應，從而形成界面層。為了揭示界面的性質，有必要考慮SE與金屬鋰接觸時的詳細反應機理，包括反應驅動力和反應產物（即中間相）的穩定性。作者首先總結了最近研究人員為闡明界面現象所做的大量研究，并總結了繞過界面問題的各種方向。
2）與采用液態電解質的傳統LiBs的界面不同，SSBs很難保證SEs與鋰金屬之間有足夠的接觸面積，這是因為電極和電解質都是固態，往往會導致高的界面電阻。一般來說，兩個固體顆粒之間的接觸傾向于以點對點的方式形成，這意味著只有界面上的幾個點被電化學激發。隨后，電流將僅流經界面上的某些有源點，從而潛在地導致高總阻抗。這種由非均勻接觸引起的附加界面電阻通常稱為電致收縮電阻。作者接下來總結了SE與鋰的固-固接觸，包括：i）縮小SE與鋰金屬間的距離；ii）改善鋰金屬在SE上的潤濕性。
3）反復的鋰沉積和剝離循環可能會逐漸惡化界面接觸，這不利于鋰金屬負極的長期穩定性。鋰金屬的不均勻剝離傾向于誘導界面處的空洞，隨著反復溶解和沉積，空洞會進一步加劇，導致更高的界面電阻。有趣的是，與沉積過程相比，阻抗主要在鋰溶解階段顯著增加，這意味著界面接觸隨著鋰的剝離而惡化，但隨著再沉積的進行，界面接觸又恢復了。作者總結了鋰在反復沉積/剝離過程中的形態變化。
4）在SSLMBs中鋰的溶解/沉積過程中，鋰金屬在電解質上產生高達5.0 GPa的壓力，這意味著理想的楊氏模量大于5.0 GPa的SEs可能會抑制鋰的生長行為。然而，在實際組裝過程中，多晶SE的制備往往伴隨著裂紋、納米孔和晶界等加工缺陷。研究發現，SEs中的缺陷也會影響SSLMBs的電化學穩定性，導致過早的短路失效，如鋰金屬在SEs中的枝晶生長。
5）近年來研究表明，SEs中的電子傳導是導致SSLMBs過早短路失效的原因之一。雖然電池短路被認為是鋰樹枝晶從一個電極生長到另一個電極造成的，但也可能是由于SE不可忽略的電子傳導性導致了SE內部不連續的鋰金屬形成的演化所致。作者總結了SE中不可忽略的電子傳導的研究進展。
6）作者最后對實現高能SSLMBs商業化水平的未來研究方向進行了展望。
Kyungho Yoon, et al, Challenges and Strategies towards Practically Feasible Solid-State Lithium Metal Batteries, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202104666
https://doi.org/10.1002/adma.202104666
10. AM：同源溴化物處理提高鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓
溶液處理的有機-無機混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在功率轉換效率（PCE）方面取得了快速提高。然而，必須將最先進的電池的電壓不足 (Woc = Eg/q-Voc) 最小化，以使其 PCE 接近理論極限。麥考瑞大學Shujuan Huang和蘇州大學馬萬里等人報道了在鈣鈦礦表面沉積同源溴化物鹽以實現表面和本體鈍化以制造具有高開路電壓的太陽能電池的策略。
本文要點：
1）活性面積為0.159 cm2 。在1.63 eV 帶隙的鈣鈦礦電池上獲得了22.1%效率，Voc為 1.24 V，電壓損失僅為0.39 V；在1.56 eV 帶隙的鈣鈦礦電池上獲得了22.1%效率，Voc為 1.18 V，電壓損失僅為0.398V。同時，對于1×1 cm2 的大面積器件，還實現了21.8%的效率。
2）與先前工作給出的結論不同，即FABr等同源溴化物僅與 PbI2反應在原始鈣鈦礦之上形成大帶隙鈣鈦礦層，我們的工作發現溴化物也穿透大部分鈣鈦礦薄膜并使鈣鈦礦中的鈣鈦礦鈍化。
3）通過吸光度和光致發光 (PL) 觀察到的小帶隙擴大；飛行時間二次離子質譜 (TOF-SIMS) 和深度分辨 X 射線光電子能譜 (XPS) 中溴化物元素比例的增加。
4）此外，各種表征證實了鈣鈦礦器件中非輻射復合的明顯抑制。使用同種溴化物鈍化的非封裝器件在環境儲存2500 小時后仍保持其初始效率的97%，在85°C下進行520小時熱穩定性測試后仍保持其初始效率的59%。
5）該工作提供了一種簡單而通用的方法來降低單結鈣鈦礦太陽能電池的電壓損失，還將為開發其他高性能光電器件提供啟示，包括基于鈣鈦礦的串聯電池和發光二極管 (LED)。
Li, Y., et al, Homologous Bromides Treatment for Improving the Open-circuit Voltage of Perovskite Solar Cells. Adv. Mater..
DOI：10.1002/adma.202106280
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202106280
11. ACS Nano: 縱橫比大于 1000 的銅納米線的溶液相生長：多尺度理論
五重孿晶金屬納米線在現有和新興技術中得到廣泛應用。然而，人們對其生長機制知之甚少。有鑒于此，賓夕法尼亞州立大學Kristen A. Fichthorn等人，使用多尺度理論從第一性原理探討了氯和烷基胺介導的五重孿晶銅納米線的溶液-相生長的起源。
本文要點：
1）利用量子密度泛函理論(DFT)計算，描述了銅原子在氯覆蓋的Cu(100)和Cu(111)表面的結合和表面擴散。發現，在氯化Cu(111)表面上，Cu原子的結合強度比在氯化Cu(100)表面上更強，擴散速度更慢，這與裸銅表面的趨勢相反。
2）還研究了界面擴散，發現從 Cu(100) 到 Cu(111) 的過程比相反的過程更快。使用 DFT 速率在 ?ngstrom 尺度的各個位點之間跳躍，計算了各種長度（高達數百微米）和 10 nm 范圍內直徑的納米線的粗粒界面速率。僅基于表面擴散預測長寬比約為 100 的納米線。
3）還考慮了自組裝烷基胺層的影響，該層覆蓋了大部分{100}面，但在{111}面和靠近{100}/{111}邊界的“端區”上缺乏或薄且無序。通過端區，預測了在實驗范圍內的納米線寬高比。
總之，該工作揭示了鹵化物促進高縱橫比納米線生長的機制。
Junseok Kim et al. Solution-Phase Growth of Cu Nanowires with Aspect Ratios Greater Than 1000: Multiscale Theory. ACS Nano, 2021.
DOI: 10.1021/acsnano.1c07425
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c07425
