1. Nature Commun.：氟化共價有機骨架膜調控的水平排列鋅薄片電沉積助力高倍率耐用的水系鋅離子電池
可充電水系鋅離子電池（RZIBs）由于其低成本、無毒和安全性，為現有的鋰離子電池提供了一個極有前途的補充。然而，鋅負極存在不可控的鋅枝晶生長和電解質腐蝕，導致其可逆性較差。近日，復旦大學盧紅斌教授，郭佳教授，上海理工大學彭成信副教授，澳大利亞阿德萊德大學郭再萍教授報道了基于二維（2D）共價有機骨架（COF）多功能平臺，成功開發了一種具有高機械強度、超薄、多孔和氟化的COF（FCOF）薄膜，作為鋅負極表面的保護層（FCOF@Zn）。
本文要點：
1）研究人員采用溶劑熱法制備了亞胺化的FCOF薄膜。在一個典型的過程中，兩個單體（2，3，5，6-四氟對苯二甲醛（TFTA）和1，3，5-三(4-氨基苯基)苯（TAPB））在二惡烷/均三甲苯（D/M）混合物中溶解，然后在溶劑熱管中以醋酸為催化劑進行縮合。
2）從Zn晶體表面能調節的角度出發，在FCOF薄膜中引入了大量的F原子。電負性F原子與其下的Zn原子表現出較強的相互作用，導致Zn(002)面上的表面能低于常規Zn(101)面上的表面能。因此，Zn沉積呈現出沿(002)面擇優取向的片狀結構，片狀結構相互平行，形成平面狀的鋅沉積結構。此外，FCOF薄膜連續致密，與鋅的結合力很強，在鋅表面保持完好，提供持久的保護。同時，2D堆積和共價鍵合使薄膜具有優異的機械性能。該膜具有大于30 GPa的彈性模量，可以緩沖循環過程中Zn的體積膨脹。最后，FCOF膜具有超輕質量，超薄厚度（100 nm），在納米尺度上可精確調節，不影響鋅負極的質量或體積能量密度。
3）實驗結果表明，FCOF@Zn負極在大電流密度范圍內（5—80 mA cm?2）具有較長的循環壽命和良好的可逆性。在40 mA cm?2的超高電流密度下，FCOF@Zn對稱電池的穩定性超過750 h。此外，與二氧化錳（MnO2）正極配對組裝的全電池，在稀電解液、高面積容量正極和有限鋅過剩的實際條件下，循環壽命穩定在250次以上。
4）這種2D COF合理設計也可用于其他無枝晶、長壽命和高安全性的金屬負極電池（如鋰、鈉、鉀和鎂）。重要的是，所提出的抑制枝晶形成的穩定機制并不僅局限于FCOF，有望合理地指導先進隔膜和液/凝膠/固體電解質的材料設計，從而實現高能量密度電池。
Zhao, Z., Wang, R., Peng, C. et al. Horizontally arranged zinc platelet electrodeposits modulated by fluorinated covalent organic framework film for high-rate and durable aqueous zinc ion batteries. Nat Commun 12, 6606 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-26947-9
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26947-9
2. Nature Commun.：應變GaAs納米線中的高電子遷移率
基于半導體納米線的晶體管概念有望在納米尺度的各種平臺中實現高性能、低能耗和更好的可集成性。關于納米線中電子的固有傳輸特性，只有在核/殼異質結構中獲得了接近體晶體中的相對高的遷移率值，其中電子在空間上被限制在核內部。近日，德國德累斯頓-羅森道夫亥姆霍茲研究中心Emmanouil Dimakis報道了研究了GaAs/In0.37Al0.63As核/殼納米線應變核內電子的輸運特性，并評估這類納米線在晶體管應用中的潛力。
本文要點：
1）研究人員首先采用光譜方法和理論模擬相結合的方法確定了核中的應變及其對能帶結構的影響。然后，集中研究了光泵太赫茲探測光譜學（OPTPS），這是一種非接觸式的方法來探測載流子的輸運和動力學，繞過了納米線上電觸點的制造和相應的電測量分析中的挑戰。特別注意了在OPTPS分析中對被探測樣品中納米線的空間排列的作用，以及可選的抗氧化InyGa1-yAs覆蓋層的存在。
2）研究人員將應變樣品的電子散射率和遷移率的結果與無應變GaAs/Al0.35Ga0.65As納米線和塊體GaAs的結果進行了比較，揭示了拉伸應變的有利作用。結果表明，電子遷移率值高于大塊晶體中的電子遷移率約高30-50%。從而提高了核/殼不匹配納米線在高速低功率晶體管應用中的潛力。
Balaghi, L., Shan, S., Fotev, I. et al. High electron mobility in strained GaAs nanowires. Nat Commun 12, 6642 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-27006-z
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27006-z
3. Nature Commun.：氧化巴基紙集成鈣鈦礦光電陰極用于無輔助選擇性太陽能生產過氧化氫
過氧化氫（H2O2）是一種環保型氧化劑，同時具有與壓縮氫氣相當的能量密度，因此是一種很有前途的能源。目前的H2O2生產策略主要依賴于蒽醌氧化過程，該過程需要大量的能源和大量的有機化學品。基于光催化劑的太陽能生產H2O2包括一步還原氧氣為過氧化氫，這是一種簡單、環保的方法。然而，由于無機半導體基光電極的性能較差，以及產生H2O2的電催化劑的選擇性和穩定性較低，從而限制了太陽能到H2O2的轉化效率（SCC）。
近日，韓國蔚山科學技術院Ji-Wook Jang報道了成功地用氧化的巴基紙（O-BP）鈍化了高性能的無機-有機甲基三碘化銨鉛（MAPbI3，PSK）光電陰極，O-BP作為產生H2O2的選擇性電催化劑，在與菲爾德金屬（FM）結合時可作為保護層來防止水滲透。
本文要點：
1）O-BP電催化劑在定期補充新鮮電解液的條件下，H2O2的生成選擇性接近100%，并具有良好的100 h穩定性。
2）研究人員展示了由O-BP/FM/PSK光電陰極和一種a-NiFeOx陽極組成的雙電極系統的無輔助太陽能合成H2O2系統，其SCC約為1.463%。此外，該體系在單日照下穩定45 h，H2O2的產生選擇性為100%。
3）通過優化PSK、ETL、HTL和電催化劑組件，可以進一步提高整個系統的SCC(%)和穩定性。此外，通過簡單地改變PSK光電極上的電催化劑，這種鈍化策略可以應用于各種反應，如CO2和N2還原。
這項工作為高效生產其他有價值的太陽能化學品提供了一種準則，用于碳基燃料應用和合成氨等。
Mehrotra, R., Oh, D. & Jang, JW. Unassisted selective solar hydrogen peroxide production by an oxidised buckypaper-integrated perovskite photocathode. Nat Commun 12, 6644 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-26832-5
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26832-5
4. Angew：自組裝模板法制備的高彈性互聯多孔水凝膠用于太陽能凈水
基于多孔水凝膠的界面蒸發已經顯示出在自然陽光下的高效太陽能蒸發性能，以確保負擔得起的清潔水源的供應。然而，實現具有持久機械性能的可擴展、即用的水凝膠材料仍然具有挑戰性。基于此，德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授報道了開發了一種簡單、低成本的方法--自組裝模板法（SAT），成功合成了具有增強力學性能的三維（3D）、大規模、高度互聯的多孔水凝膠（IPHs）。
本文要點：
1）通過調節模板中犧牲顆粒的直徑，可以精確控制IPHs的孔徑，這使得水凝膠蒸發器在水傳輸過程中的可調性高達3個數量級。
2）通過對水的傳輸和熱定位的優化，平均孔徑為75 μm的IPH蒸發器在一次太陽輻射下的蒸發速率為2.8 kg m-2 h-1，太陽能-水蒸氣效率為90%，顯著超過了相同材料組成的凍干水凝膠。
3）IPHs具有增強的彈性，具有快速恢復形狀和經久耐用的機械特性，易于操作，在經過數百次滾動、折疊和扭曲后也保持穩定的蒸發性能。
該方法具有優良的凈水能力和優異的機械性能，為實現水凝膠太陽能蒸發器的規模化生產提供了一條很有前途的途徑。
Youhong Guo, et al, Highly Elastic Interconnected Porous Hydrogels through Self-Assembled Templating for Solar Water Purification, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202114074
https://doi.org/10.1002/anie.202114074
5. AM：用于多功能光伏應用的高性能非熔融寬帶隙受體
具有非稠合共軛結構的寬帶隙非富勒烯受體在有機光伏電池中起著關鍵作用。中科院化學所侯劍輝和Shaoqing Zhang等人在不使用稠環結構的情況下合成了光學帶隙大于1.70 eV的非富勒烯受體GS-OEH、GS-OC6 和 GS-ISO。
本文要點：
1）與GS-OEH和GS-OC6相比，GS-ISO表現出更強的結晶度，導致更小的能量無序和更大的激子擴散系數。GS-ISO 還具有更高的電致發光外量子效率，為 1.0×10-2。
2）基于 PBDB-TF:GS-ISO的有機光伏電池在標準單日光照下的功率轉換效率為11.62%。此外，基于 PBDB-TF:GS-ISO 的電池，有效面積為1.0 cm2，在 2700 K，500 lux 光照下的功率轉換效率為28.37%。
3）使用PBDB-TF:GS-ISO作為前子電池的串聯有機光伏電池顯示出 19.10% 的出色效率。重要的是，基于 GS-ISO 的有機光伏電池在模擬陽光的連續照射下表現出良好的穩定性。
4）這項研究表明，這項工作中展示的分子設計策略在開發非稠合非富勒烯受體方面具有極大的優勢，而且 GS-ISO是一種用于多功能光伏應用的有前途的寬帶隙受體。
Bi, P., et al, High-Performance Non-Fused Wide Bandgap Acceptor for Versatile Photovoltaic Applications. Adv. Mater..
https://doi.org/10.1002/adma.202108090
6. AM：離子交聯誘導的納米通道：促進離子傳輸的納米相分離
電荷控制的離子傳輸對于許多行業來說至關重要，而先進的膜是其中必不可少的組成部分。在自然界中，高效和選擇性的離子轉運主要由細胞膜上的帶電離子通道控制，這表明細胞的結構具有功能分化。近日，受這種結構的啟發，中國科學院理化技術研究所聞利平研究員報道了設計并制備了一種離子交聯磺化聚芳醚酮（SPAEK）和咪唑功能化聚芳醚砜（IPAES）的ICM膜，以充分利用電荷。研究人員觀察到ICM中離子傳輸和滲透能量轉換的增強。
本文要點：
1）由于離子交聯引起的功能分化，ICM膜呈現納米相分離的結構，從而形成聚集的、規則的親水和疏水區域。更寬和連接良好的親水區作為足夠的離子通道，增強了離子的跨膜傳輸，包括離子電導率和陽離子選擇性，最終將功率密度從3.95提高到6.18 W m-2。
2）此外，研究發現這種結構優于傳統的均質膜。在水中浸泡后，具有聚集親水區域的ICM表現出優異的機械強度和優異的水穩定性。
這項工作為設計和合成具有顯著離子導電性和選擇性的下一代膜鋪平了道路，這些膜對滲透能量轉換、水凈化和海水淡化至關重要。
Weipeng Chen, et al, Ionic Crosslinking-Induced Nanochannels: Nanophase Separation for Ion Transport Promotion, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202108410
https://doi.org/10.1002/adma.202108410
7. AM：通過雙卟啉異質結構構建界面電場促進光催化析氫
利用人工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。基于半導體的光催化制氫作為大規模生產可再生清潔能源的理想途徑受到了人們廣泛的關注，大量研究都集中在探索高效的光催化劑用于制氫。遺憾的是，光生電子和空穴極易復合，而不是參與光催化劑表面的氧化還原反應，導致光催化效率低，嚴重限制了進一步的實際應用。
近日，清華大學朱永法教授報道了通過將四(4-羥基苯基)卟啉（THPP）與四(4-羧基苯基)鋅卟啉（ZnTCPP）偶聯，成功構建了一種雙卟啉異質結構。
本文要點：
1）實驗結果顯示，在全光譜下，ZnTCPP/THPP的光催化析氫速率為41.4 mmol h?1 g?1，分別是純ZnTCPP和THPP的約5.1和約17.0倍。
2）研究發現，ZnTCPP/THPP顯著增強的活性主要歸因于雙卟啉之間形成的巨大界面電場，這極大地促進了電荷的有效分離和轉移。同時，類似的雙卟啉共軛結構也提供了合適的界面匹配，減少了界面缺陷，從而抑制了光生載流子的復合。通過合理結合雙卟啉合適的能帶結構和高質量的界面接觸，本工作為提高光催化性能的界面電場結構提供了新的視角。
Jianfang Jing, et al, Construction of Interfacial Electric Field via Dual-Porphyrin Heterostructure Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202106807
https://doi.org/10.1002/adma.202106807
8. AM：強金屬磷化物-磷酸鹽載體相互作用用于提高非貴金屬催化性能
在多相催化中，強金屬-載體相互作用（SMSI）是負載型催化劑的關鍵。近日，中科大張穎首次報道了強金屬磷化物-磷酸鹽載體相互作用（SMPSI）。
本文要點：
1）SMPSI的關鍵是載體上P物種的活化，從而導致金屬磷化物納米顆粒（NPs）和載體遷移到NPs上形成的核殼納米結構的同時生成。金屬磷化物的封裝狀態和電荷轉移與經典的SMSI相同，并且可以進行最佳調節。
2）Co2PL/MnP-3的強相互作用不僅顯著提高了非貴金屬的抗氧化和抗酸能力，而且對多種化合物加氫生成具有100%選擇性的高附加值精細化學品表現出良好的催化活性和穩定性，甚至優于Pd/C和Pt/C。
3）這種SMPSI結構一般可以擴展到其他體系，如Ni2PL/Mn3(PO4)2、Co2PL/LaPO4和CoPL/CePO4。
本研究為先進的非貴金屬催化劑的合理設計提供了新的思路，并為納米顆粒與載體之間的強相互作用提供了一種新的范式。
Zemin Chen, et al, Strong Metal Phosphide-Phosphate Support Interaction for Enhanced Non-noble Metal Catalysis, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202106724
https://doi.org/10.1002/adma.202106724
9. AEM: 效率超過20%！多維異質結構的自發構建增強無機鈣鈦礦電池的空穴提取
CsPbI3?xBrx 基無有機鈣鈦礦已成為超級明星光伏材料，不僅因為其優異的光電性能，而且還因為其出色的熱穩定性和化學穩定性。不幸的是，其非輻射復合導致的顯著能量損失已成為進一步提高器件性能的主要障礙。陜西師范大學劉生忠和Qingwen Tian等人開發了一種在室溫下自發形成的2D/3D多維結構。
本文要點：
1）結果表明，在 CsPbI3?xBrx上形成的Ruddlesden-Popper 2D（n = 1）鈣鈦礦在介導載流子傳輸、維持納秒級長壽命電荷分離狀態和提高載流子注入效率方面發揮著積極作用。
2）2D鈣鈦礦提高空穴提取效率，大大減少了嚴重的界面非輻射電荷復合。此外，未配位的Pb2+被有效鈍化，導致鈣鈦礦薄膜內的表面陷阱密度顯著降低并延長電荷壽命。
3) 因此，上述組合將太陽能電池效率從19.05%提高到20.31%，開路電壓從1.17 V 提高到1.23 V，相當于能量損失從 0.54 eV降低到0.49 eV。此外，優化的太陽能電池表現出更好的長期和熱穩定性。
Zhang, S., et al, Spontaneous Construction of Multidimensional Heterostructure Enables Enhanced Hole Extraction for Inorganic Perovskite Solar Cells to Exceed 20% Efficiency. Adv. Energy Mater. 2021, 2103007.
DOI：10.1002/aenm.202103007
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202103007
10. AFM：摻雜調制應變提高PtFe合金的磷酸鹽耐受性用于高溫質子交換膜燃料電池
在高溫質子交換膜燃料電池（HT-PEMFCs）中，磷物種對鉑（Pt）的毒害嚴重影響了氧還原反應的動力學，限制了其商業化應用。近日，湖南大學王雙印教授，陶李，南京師范大學李亞飛教授，北京航空航天大學盧善富教授報道了首次通過摻雜少量的Cu來減弱面心立方(fct) PtFe有序金屬間合金（Cu-PtFe/NC）的磷酸鹽中毒，導致更多的本征活性位點暴露并用于HT-PEMFC。
本文要點：
1）實驗結果和理論計算都表明，摻雜調制應變促進了Cu-PTFE/NC電催化劑中Pt向Cu的電子轉移，從而抑制了磷酸鹽在Pt表面的吸附能，改善了HT-PEMFC的性能。
2）結果表明，Cu-PtFe/NC電催化劑在HT-PEMFC中表現出優異的電性能（793.5 mW cm?2），具有0.5 mgPt cm?2的低Pt負載量，在0.7 V電壓下，可提供0.2 A cm?2的電流密度，并持續至少100 h。
本工作構建了性能優異的用于HT-PEMFC的電催化劑，為利用晶格應變調控磷酸鹽在Pt表面的吸附行為，精細設計高效、耐用的電催化劑提供了一條新的、通用的途徑。
Wei Li, et al, Doping-Modulated Strain Enhancing the Phosphate Tolerance on PtFe Alloys for High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Adv. Funct. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adfm.202109244
https://doi.org/10.1002/adfm.202109244
11. ACS Nano：雙層MoS2中的多孔襯底定向應變圖案
二維 (2D) 層狀材料的關鍵特性是其高度應變可調性，這是由鍵調制和費米能級周圍能帶的相關重構引起的。局部控制和圖案化應變的方法包括通過持續加載和納米結構模板化的主動和被動彈性變形。近日，明尼蘇達大學David J. Flannigan等通過在非晶多孔氮化硅襯底上浮動捕獲單晶2H-MoS2超薄薄片，獲得了高度對稱、高保真的應變圖案。
本文要點：
1）六邊形排列的孔和表面形貌相結合，生成高度共形的薄片-基底覆蓋，從而創建與2D Euclidean空間中的最佳質心Voronoi鑲嵌相匹配的圖案。
2）作者通過TEM和AFM確定孔上的基底驅動3D幾何結構薄片由對稱的、平面外碗狀變形組成，最大 35 nm，平面內各向同性拉伸應變高達1.8%。
3）以范德華力和基底形貌作為輸入參數，作者通過原子和圖像模擬準確地預測應變模式的自發形成。
該工作表明，在裸露的多孔基底上捕獲的2D材料中可以自發地誘導可預測的圖案和3D形貌。該方法還可以在透射模式下對精確對齊的無基底應變區域進行電子散射研究。
Yichao Zhang, et al. Holey Substrate-Directed Strain Patterning in Bilayer MoS2. ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c08348
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08348
12. ACS Nano：表面單分子的相干自旋控制
單電子自旋的控制對自旋電子學、量子傳感和量子信息處理等領域具有重要意義。利用單分子磁鐵作為宿主可建立意思的框架，因為它們的分子結構高度靈活，并且基于化學的大規模合成直接提供了一種可擴展的方法。近日，韓國基礎科學研究所(IBS)Taeyoung Choi，Andreas Heinrich，Philip Willke等展示了表面單分子的相干自旋操控，使用掃描隧道顯微鏡結合電子自旋共振單獨控制。
本文要點：
1）作者之前發現鐵酞菁 (FePc) 分子放置在氧化鎂 (MgO) 絕緣薄膜上時會形成自旋 1/2 系統。執行 Rabi 振蕩和 Hahn 回波測量，作者發現可以用數百納秒的相位相干時間 T2Echo 相干操縱 FePc 自旋。
2）隧道電流相關測量表明與隧道電子的相互作用是退相干的主要來源。此外，作者對 FePc 分子的小型自組裝陣列進行Hahn回波測量。作者表明，盡管有額外的分子間磁耦合，與隧道電流相比，自旋共振和 T2Echo 受相鄰自旋的 T1 自旋翻轉活動的干擾要小得多。
Philip Willke, et al. Coherent Spin Control of Single Molecules on a Surface. ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c06394
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06394
