1. Chem. Soc. Rev.: 納米結構介導的物理信號調控干細胞命運
調控干細胞的定向分化是組織工程的主要目標之一。與生物信號和化學信號相比，物理信號安全性高、毒性低并且容易實現局域化刺激。在大多數情況下，外部宏觀物理場難以精準調控干細胞命運，因為只有當細胞表面受體感知到局域化的物理信號時，才能影響細胞的命運決定。近年來，用于能量轉換的功能材料取得了重要研究進展，因此，局域物理場可以通過吸收外部物理場能量，然后通過功能納米結構釋放另一種類型的局域化物理刺激。
山東大學的劉宏課題組提出利用納米結構介導的物理信號調控干細胞命運這一概念，取得了系列進展（Nano Energy, 2021, 90, 106634；Nanoscale, 2020, 12, 9833-9841；J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 1847-1854；Nano Lett., 2018, 18, 2243-2253），引起了廣泛關注。
近日，劉宏課題組以“Regulation of stem cell fate using nanostructure-mediated physical signals”為題，在Chemical Society Reviews上發表綜述文章。該綜述根據細胞所感知的信號，把物理信號分為力、電、聲、光、熱磁六類，并總結各種物理信號的內在聯系和作用機制，詳細討論納米結構介導的物理信號對干細胞特定譜系分化的作用。作者希望本文能夠為遠程操控和無線刺激引導干細胞體外和體內分化提供幫助，并推動材料科學、細胞生物學和臨床研究等領域的進步。
Ying Kong, et al. Regulation of stem cell fate using nanostructure-mediated physical signals.,
https://doi.org/10.1039/D1CS00572C
2. Science Advances：Br約束的Ni基金屬有機骨架空心棱柱的原位活化用于高效電化學析氧
對氧電催化劑在操作條件下結構演變的基本認識對于設計高效催化劑具有重要意義。基于此，新加坡南洋理工大學樓雄文教授報道了通過刻蝕和同時離子限制策略設計出一種良好的Br限制的導電Ni基MOF（簡稱Br-Ni-MOF）空心棱柱高性能析氧反應（OER）電催化劑。
本文要點：
1）研究人員首先以2,3,6,7,10,11-六羥基三苯基（HHTP）為配體，通過溶劑熱反應在固體Ni-前驅體顆粒表面形成導電性Ni-MOF層。在溶劑熱過程中，Ni前驅體逐漸發生局部溶解，釋放出Ni陽離子，與表面的HHTP配體發生快速螯合反應，形成規則的Ni前驅體@Ni-MOF（記為Ni-pre@Ni-MOF）核殼棱柱。然后，利用Ni前驅體在水中的高溶解性，Ni-pre@Ni-MOF棱鏡的內層Ni前驅體核在KBr水溶液中被很容易地去除。同時，在Ni前驅體的刻蝕過程中，由于離子擴散效應，一些Br-陰離子同時被限制在Ni-MOF殼層的孔隙中，最終形成了一種清晰的Br-Ni-MOF空心棱柱。
2）研究人員利用Operando X射線吸收精細結構譜（XAFS），迅速觀察到Br-Ni-MOF空心棱柱電催化劑在氧化還原過程中相繼向β-Ni(OH)2和γ-NiOOH類似物的結構轉變。此外，Br-Ni-MOF催化劑中受限的Br原子對OER過程中活性γ-NiOOH相的充分形成起到了有益的促進作用。
3）這種原位生成的γ-NiOOH類似物具有優異的OER活性和長期耐久性，在10 mA cm?2時的過電位僅為306 mV，是目前報道的最有前途的OER電催化劑之一。
4）密度泛函理論（DFT）計算結果表明，Br和Ni原子之間的強電子耦合可能會在OER過程中加速活性Ni中心上關鍵*O中間體的生成，從而極大地促進Br-Ni-MOF電催化劑的OER動力學。
Weiren Cheng, et al, In situ activation of Br-confined Ni-based metal-organic framework hollow prisms toward efficient electrochemical oxygen evolution, Sci. Adv., 2021
DOI: 10.1126/sciadv.abk0919
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0919
3. Science Advances：可充電鋰金屬電池失效過程的定量分析
鋰（Li）金屬在高能量密度鋰金屬電池中的實際應用受到鋰枝晶的持續形成、電化學隔離的鋰金屬以及固體電解質中間相（SEIs）的不可逆形成的嚴重阻礙。區分和量化這些非活性鋰物種是闡明失效模式的關鍵。基于此，廈門大學楊勇教授報道了首次獨立建立了Operando NMR裝置來觀察Cu||LiFePO4[無負極電池（AFBs）]電池中Li金屬在長時間循環過程中的動態沉積和溶解過程，并用7Li NMR譜對SEI和死鋰金屬進行了定量分析。
本文要點：
1）研究人員通過滴定氣相色譜（TGC）和質譜滴定（MST）兩種獨立的分析技術進一步驗證了定量NMR的可行性和可靠性。研究人員證實了LiH的存在，使這三種技術測定的死鋰金屬的定量結果產生偏差。
2）研究人員采用更為可靠的定量方法，研究了電流密度、電解質添加劑和鹽濃度等幾種典型條件下AFBs的失效機理。在這些定量結果的基礎上，報道了AFB的兩階段失效過程，并提出了解決方案，以減輕死鋰的形成。
這些結合的技術將成為重新評估用于緩解LMBs中死鋰金屬形成的策略的有用工具，并為未來實用LMBs的研究和開發設計先進的電解質材料提供有益的啟示。此外，這些技術還可以推廣到其他鋰金屬系統，如鋰-硫電池、固態鋰電池以及堿金屬電池，如鈉電池。
Yuxuan Xiang, et al, Quantitatively analyzing the failure processes of rechargeable Li metal batteries, Sci. Adv., 2021
DOI: 10.1126/sciadv.abj3423
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj3423
4. Nature Commun.：一種采用無機水玻璃粘結劑的結構陶瓷電池
三硅酸鈉水玻璃是一種儲量豐富的無機粘合劑，可以粘結到各種材料上，并表現出極高的化學穩定性和溫度穩定性。近日，麻省理工學院Angela M. Belcher，Alan Ransil報道了將這種材料作為電極粘合劑在基于疊層的制造系統中的應用，以生產結構電池。
本文要點：
1）雖然用于結構電池的傳統粘合劑在機械性能和電化學性能之間表現出折衷，但水玻璃粘合劑是剛性的、粘性的，并且有利于離子傳輸。
2）在電解質溶劑的存在下，大塊粘合劑保持大于50 GPa的楊氏模量，而水玻璃基電極在數百次電化學循環中具有高倍率性能和穩定的放電容量。此外，粘合劑的溫度穩定性使得在疊層成形之后能夠對整個電池堆進行熱處理，以便生產剛性的承載部件。
3）由此制造的結構電池表現出令人印象深刻的多功能性能，其無封裝電池堆棧能量密度為93.9 Wh/kg，大大超過了之前公布的結構電池材料，此外，拉伸模量為1.4 GPa。
Ransil, A., Belcher, A.M. Structural ceramic batteries using an earth-abundant inorganic waterglass binder. Nat Commun 12, 6494 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-26801-y
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26801-y
5. Nature Commun.：通過單一的物理吸附劑實現四組分混合氣體一步法生產乙烯
從乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）和二氧化碳（CO2）四組分混合氣體中一步吸附提純C2H4是一項尚未解決的挑戰。近日，西北工業大學陳凱杰教授，利默里克大學Michael J. Zaworotko報道了一種超微孔吸附劑Zn-atz-oba（H2oba=4,4-二羧基二苯醚；Hatz=3-氨基-1,2,4-三唑）得益于其波狀孔隙中的結合位點，能夠選擇性吸附C2H2，C2H6和CO2。
本文要點：
1）研究人員通過粉末X射線衍射、PXRD等手段證實了Zn-atz-oba晶態樣品的體相純度。Zn(II)陽離子通過atz?陰離子連接，形成以雙核Zn(II)團簇為節點的2D波浪層。這些層通過oba2?配體進一步交聯，形成pcu拓撲網絡。
2）研究人員通過分子模擬揭示了Zn-atz-oba中C2H2、C2H6和CO2在C2H4上共吸附的結合位點。
3）動態穿透實驗結果表明，Zn-atz-oba表現出的選擇性結合能使二元（C2H4/C2H6為1：1）、三元（C2H2/C2H4/C2H6為1：1：1）和四元（C2H2/C2H4/C2H6/CO2）混合氣體一步合成聚合物級純度（>99.95%）的C2H4。
Cao, JW., Mukherjee, S., Pham, T. et al. One-step ethylene production from a four-component gas mixture by a single physisorbent. Nat Commun 12, 6507 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-26473-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26473-8
6. Nature Commun.：一種高介電鈦酸鋇多孔支架用于在無負極電池中實現高效的鋰金屬循環
與標準鋰離子電池相比，鋰金屬電池作為一種具有更高能量密度的電池正受到人們廣泛的研究。然而，在剝離/鋰鍍循環過程中，在負極形成樹枝狀和苔蘚狀的鋰金屬微結構，導致電解液分解和形成電子不相連的鋰金屬顆粒。近日，荷蘭代爾夫特理工大學Marnix Wagemaker報道了通過簡化的靜電場計算，發現高介電質材料的存在降低了距離介電體積微米的鋰金屬鍍層尖端的電場梯度，表明高介電性多孔支架組成的負極可以抑制鋰金屬樹枝狀和苔蘚狀微結構的生長。
本文要點：
1）研究人員采用高介電常數鈦酸鋇(BaTiO3，BTO)和低介電常數氧化鋁(Al2O3，AO)兩種材料，通過簡易澆鑄法制備了三維多孔支架，以區分多孔支架和高介電常數對電化學鋰金屬電鍍的影響。
2）研究發現，雖然這些電子絕緣支架的電化學活性最低，但相關的容量損失確實構成了一個需要解決的挑戰。支架材料增加的重量降低了鋰金屬電極的比容量，約為800 mA h g?1，這就要求負極中的BTO體積較小。
3）實驗結果顯示，涂覆BTO的Cu||LiCoO2電池的Operando 7Li固體核磁共振譜表明，高介電常數支架可以誘導致密的電鍍和有效的剝離，剝離后幾乎不會留下死鋰。通過與1 M LiPF6 EC/DMC電解質相結合，基于BTO支架的半電池在鋰金屬上循環，平均CE為99.82%，具有低過電位和延長的循環壽命。此外，全電池的性能也有所改善，平均庫侖效率為99.37%。
這些結果表明，高介電性支架提供了一種在無負極配置中，改善鋰金屬電極可逆性和安全性的獨特策略。下一步研究是使用更穩定的SEI形成電解質和添加劑的組合，以及優化高介電性支架，以最大限度地減少第一次循環的容量損失，并進一步延長循環壽命。
Wang, C., Liu, M., Thijs, M. et al. High dielectric barium titanate porous scaffold for efficient Li metal cycling in anode-free cells. Nat Commun 12, 6536 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-26859-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26859-8
7. Nature Commun.：納米金剛石光氟化催化乙苯氧化脫氫反應
苯乙烯是最重要的工業單體之一，傳統上是通過乙苯脫氫合成。近日，福州大學王心晨教授，謝在來教授報道了一種光誘導氟化技術，通過控制氟原子在納米金剛石（ND）上的接枝來生成氧化脫氫催化劑（氟功能化納米金剛石（F-ND））。
本文要點：
1）所得到的F-ND催化劑具有優異的性能，乙苯轉化率達到70%，苯乙烯收率達到63%，選擇性在90%以上，優于其他同類基準和工業K?Fe催化劑（即使在更高的溫度下(約600 ℃)，苯乙烯的收率也達到50%）。此外，經過500h的試驗，苯乙烯的產率仍保持在50%以上。
2）實驗表征和密度泛函理論（DFT）計算結果表明，氟官能化不僅促進了sp3到sp2碳轉化生成石墨層，而且刺激和增加了活性中心（ketonic C=O）。
這種光誘導表面氟化策略促進了碳催化在其他芳烴氧化脫氫方面的新突破。
Luo, Z., Wan, Q., Yu, Z. et al. Photo-fluorination of nanodiamonds catalyzing oxidative dehydrogenation reaction of ethylbenzene. Nat Commun 12, 6542 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-26891-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26891-8
8. Matter：氫鍵錨定的電解質助力高能量密度水電池
由于水的分解，傳統的含水電解質具有較窄的電壓窗口。高濃度電解質能夠擴大電壓窗口，然而，由于成本高和潛在的毒性，它們受到了一定限制。近日，香港中文大學盧怡君教授報道了開發了一種“H鍵錨定”電解質（環丁砜：H2O = 8：8[摩爾比]或環丁砜：H2O = 87：13[重量比]），與PEG分子聚集電解質相比，其具有更高的電導率（2.5 mS cm-1）。
本文要點：
1）研究人員選擇環丁砜作為氫鍵接受劑，通過調控水分子的氫鍵結構來限制自由水的活性。當環丁砜的濃度逐漸增加時，水分子逐漸呈現“聚集體”和“被孤立”的狀態。當環丁砜與水的摩爾比達到8:8時，水分子被完全分割為“孤立”態，此時電解液的電位窗口達到3.4 V（1.3—4.7V）。紅外光譜和1H核磁共振的結果共同證實了水分子的“被孤立”態。
2）實驗結果顯示，Li4Ti5O12/LiMn2O4水電池在1 C循環300次，5 C循環1000次，庫侖效率為99.5%~99.9%，比能量分別為141 W h kg-1和125 W h kg-1。此外，在線電化學質譜顯示循環過程中氫/氧氣體的析出可以忽略不計，進一步證實了所設計電解液的穩定性。
3）所形成的LiF/Li2S/Li2SO3-Li2SO3/Li2CO3層狀負極-電解質界面（SEI）有效阻止了鹽和溶劑的持續還原，同時進一步抑制HER。
這種氫鍵錨定的電解質為設計高能量密度的水系鋰離子電池提供了一種通用的策略。
Wang et al., Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes, Matter (2021)
DOI：10.1016/j.matt.2021.10.021
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.10.021
9. Mater. Horiz.：摻氟促進Fe-N-C催化劑的酸性氧還原性能
鐵氮共摻雜的碳催化劑（FeNC）具有致密的FeNx活性中心，可替代昂貴的Pt基材料進行氧還原反應（ORR），有望推動質子交換膜燃料電池的商業化。近日，江蘇大學周亞洲，馬克斯普朗克聚合物研究所Klaus Müllen，達姆施塔特工業大學Ulrike I. Kramm報道了提出了一種以全氟十四酸（PFTA）修飾的金屬-有機骨架為前驅體合成摻氟FeNC（F-FeNC）的方法。
本文要點：
1）研究發現，PFTA表面活性劑的使用使催化劑結構發生了深刻的變化，包括F摻雜到石墨炭中，增加了微孔比表面積和比表面積（高達1085 m2 g-1），以及密集的FeNx位點。
2）與原始FeNC材料（E1/2=0.80 V）相比，F-FeNC催化劑表現出更高的ORR活性，其E1/2高達0.83V（vs.RHE）。F-FeNC催化劑在前10000次潛在循環中發生快速衰減，但高耐久性仍保持到50000次循環。
3）密度泛函理論（DFT）計算表明，摻雜在石墨碳上的氟原子可以優化FeNx活性中心的電子結構，降低ORR中間體的吸附能。
這一發現可以推廣到其他高性能的F修飾的M-N-C催化劑，用于析氫/析氧反應、電化學二氧化碳還原反應、固氮反應和其他(電)催化應用。
Xiafang Tao, et al, Facilitating the acidic oxygen reduction of Fe-N-C catalysts by fluorine-doping, Mater. Horiz., 2021
DOI: 10.1039/D1MH01307F
https://doi.org/10.1039/D1MH01307F
10. Nano Letters：RuCoOx納米泡沫作為高性能三功能電催化劑用于可充電鋅?空氣電池和水分解
設計具有優異活性和穩定性的ORR/OER/HER高性能三功能電催化劑對可再生能源技術具有重要意義，同時也是一項具有挑戰性的工作。基于此，清華大學張如范報道了采用獨特的一鍋吹糖法制備了一種高效耐用的三功能電催化劑RuCoOx。
本文要點：
1）研究人員首先將葡萄糖、尿素、氯化釕和氯化鈷溶解在去離子水中形成均勻的溶液，然后在140 °C下沉淀8 h。在加熱過程中，由于尿素分解釋放氣體，葡萄糖逐漸變成金屬鹽分布均勻的熔融糖漿，形成由泡壁組成的多孔泡沫。然后在500 ℃下于空氣中煅燒12 h除去葡萄糖模板，形成RuCoOx納米泡沫。
2）值得注意的是，RuCoOx型催化劑表現出0.65 V的小電位差（ΔE）和37 mV（10 mA cm?2）的過電位，并且在200000/10000/10000 CV循環后過電位衰減可以忽略不計，在先進的三功能電催化劑中都顯示出壓倒性的優勢。進一步在液體可充電Zn?空氣電池和水電解槽中使用時，即使在相當大的電流密度下，也表現出高效率和優異的耐用性。
3）RuCoOx優異的性能可以通過合理地將ORR/OER/HER活性中心整合到RuCoOx型催化劑中以及利用RuO2和Co3O4納米晶之間的耦合效應和協同作用優化電子結構來解釋。
這項工作為設計性能優越的先進的三功能電催化劑在清潔和可持續能源技術中的應用開辟了一條新的途徑。
Chenhui Zhou, et al, RuCoOx Nanofoam as a High-Performance Trifunctional Electrocatalyst for Rechargeable Zinc?Air Batteries and Water Splitting, Nano Lett., 2021
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03407
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03407
11. AEM：通過用非離子交聯的一維碘化鉛調節界面離子擴散來提高鈣鈦礦組件的性能
長期穩定性已成為鈣鈦礦器件成功大規模應用的主要障礙。由于金屬鹵化物鈣鈦礦的離子性質，界面離子擴散會在操作條件下引起不可逆的降解，這對實現穩定的鈣鈦礦太陽能組件提出了巨大的挑戰。在這里，華中科技大學李雄等人引入了二苯基氧化膦化合物乙烷-1,2-二基雙（二苯基氧化膦）（DPPO）與碘化鉛配位并形成交聯的 1D Pb3I6-DPPO（1D-PbI2）配合物。
本文要點：
1）該精心設計的交聯非離子低維鉛鹵化物/有機加合物可以鈍化鈣鈦礦的缺陷，同時充當強大的離子擴散屏障，從而顯著提高鈣鈦礦薄膜的電子質量和內在穩定性。
2）因此，對于17 cm2以上的有源器件面積，高性能倒置太陽能組件的冠軍效率接近19%（經認證的穩定效率為 17.8%），且無需使用反溶劑，同時在熱應力下具有出色的運行穩定性并實現連續光照的穩定。
Zeng, H., et al, Improved Performance and Stability of Perovskite Solar Modules by Regulating Interfacial Ion Diffusion with Nonionic Cross-Linked 1D Lead-Iodide. Adv. Energy Mater. 2021, 2102820.
DOI：10.1002/aenm.202102820
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202102820
12. ACS Nano：壓力偏置納米孔用于排除體積計量學、脂質生物力學
納米孔傳感已廣泛應用于從DNA測序到疾病診斷的各個領域。為了提高這些能力，過去已經探索了偏壓納米孔，主要是為了增加分析物在孔內的停留時間。鑒于此，加州大學河濱分校Kevin J. Freedman等人研究了壓力對準確量化排除體積能力的影響，排除體積取決于單個實體產生的電流降幅度。
本文要點：
1）使用校準標準，反向電流降（1/ΔI）隨壓力增加而線性減小，而停留壓降則呈指數減小。因此，研究人員必須推導一個壓力校正排除體積方程，以準確評估在施加壓力下易位物種的體積。
2）此外，還開發了一種探測納米脂質體和單個細胞變形的方法。研究人員發現，軟納米脂質體甚至細胞，在施加壓力下會發生顯著變形，這可以通過排除體積方程中引入的形狀因子來探測。這項工作在機械生物學中有實際應用，即評估脂質體藥物載體的剛度和機械剛度。壓力偏置孔還可以對細胞-細胞聚集體及其隨后的破裂進行多次觀察，從而有可能研究微生物共生體或人類免疫系統對病原體的識別。
Pressure-Biased Nanopores for Excluded Volume Metrology, Lipid Biomechanics, and Cell-Adhesion Rupturing. ACS Nano 2021.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c06393
