1. Nature Sustainability：一種從天然竹子中提取的可持續高強度大纖維
堅固、高長寬比的合成粗纖維（直徑 >100 μm）廣泛用于各種運輸、建筑和體育等應用的結構工程復合材料。然而，這些纖維往往需要復雜的制造工藝，屬于能源密集型，同時成本高昂。此外，這些材料在環境上具有不可持續性，尤其是在產品的生命周期結束時，合成纖維是不可生物降解，很難回收利用。因此，天然纖維作為一種更可持續的結構復合材料替代品受到了人們的追捧。竹子生長速度快，天然固體纖維素大纖維含量極高，因此被認為是天然纖維的替代來源。這些大纖維具有由排列整齊的半結晶木質纖維素微纖維（平均直徑約12 μm，長寬比約150-200）組裝而成的厚細胞壁，具有2.94 GPa的優異抗拉強度。此外，微纖本身是由緊密堆積的纖維素納米原纖維組成，其結晶的理論拉伸強度為5-7.5 GPa。近日，馬里蘭大學胡良兵教授報道了一種自上而下的方法，可以從竹桿中規模化地生產纖維素大纖維，包括溫和的脫木素過程，然后是水輔助空氣干燥。1）該纖維由排列整齊、緊密堆積的纖維素納米纖維組成，具有較強的氫鍵和范德華力，其拉伸強度為1.9±0.32 GPa，楊氏模量為91.3±2 9.7 GPa，韌性為2 5.4±4.5 MJ m?3，超過了木質纖維，可與合成碳類似物媲美。2）得益于低密度，其比強度高達1.2 6±0.21 GPa cm?3 g?1，超過了鋼絲、合成聚合物和玻璃纖維等大多數增強部件。此外，生命周期評估顯示，利用當前的天然纖維取代結構復合材料中的聚合物和碳纖維可大幅減少碳排放。這項工作提出了一條在更廣泛的應用領域實現可持續發展的途徑，包括汽車、航空和建筑等領域。Li, Z., Chen, C., Xie, H. et al. Sustainable high-strength macrofibres extracted from natural bamboo. Nat Sustain (2021).DOI：10.1038/s41893-021-00831-2https://doi.org/10.1038/s41893-021-00831-2
2. Acc. Mater. Res.綜述：用于直接人工碳循環的光催化劑活性中心的識別與設計
模仿自然碳循環，利用大氣中的碳基溫室氣體（二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4））作為有價值的燃料和化學品生產的碳原料，是實現人類社會可持續發展的一種有前途的策略。有鑒于此，光催化CO2/CH4轉化可以直接獲取太陽能，用于生產有價值的燃料和化學品，顯示出關閉人造碳循環的巨大潛力。在過去的幾十年里，這一領域取得了巨大的進展。然而，這類反應的光催化轉化效率和選擇性仍然無法令人滿意。考慮到光催化反應與光催化劑活性中心上的表面催化反應密切相關，活性中心設計已被證明是優化光催化性能的有效方法，但由于缺乏有效的活性中心識別技術(通常在分子水平上)，極大地限制了其在光催化中的潛力。幸運的是，隨著材料科學領域的迅速發展，一大批先進的表征技術已經發展起來，為材料科學家和化學家提供了揭示光催化劑上活性中心掩膜的強大工具。隨之而來的是，光催化劑的活性中心設計也不斷發展。如今，活性中心的識別和設計已成為催化領域的研究熱點，并有望推動人工碳循環領域的發展。近日，中科大熊宇杰教授重點綜述了課題組在識別和設計直接人工碳循環的活性位點方面的最新進展。1）作者首先總結了直接人工碳循環相對于間接人工碳循環的優勢。然后系統地介紹了活性中心的概念以及高效、選擇性光催化CO2/CH4轉化對活性中心的要求。2）隨后，作者對目前可用于識別光催化劑上的活性中心的表征技術和工具進行了綜述。此外，概述了團隊在設計光催化CO2/CH4轉化的活性中心方面所取得進展。3）作者最后對該領域目前仍面臨的挑戰和未來的前景進行了總結。該綜述了不僅總結了課題組在這一領域的最新工作，而且可以促進直接人工碳循環的發展。Jingxiang Low, et al, Identification and Design of Active Sites on Photocatalysts for the Direct Artificial Carbon Cycle, Acc. Mater. Res., 2021DOI: 10.1021/accountsmr.1c00222https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00222
3. Angew：利用穩定的開殼芳香硝酸自由基實現高效的光熱轉化
制備穩定的自由基是非常具有挑戰性，它們在空氣中通常是熱力學或動力學不穩定。近日，華南理工大學Yuan Li，Weiya Zhu報道了通過引入三苯胺、三嗪、芘、螺環熒烯等不同基團，合成了四種星形aromatic nitric acid radicals（ANAR）材料TPA-TPA-O6、TPA-TPZ-O6、TPA-PY-O8和螺環-O8。1）研究人員通過循環伏安(CV)、紫外-可見-近紅外光譜(UV-viS-NIR)、光致發光(PL)光譜和電子自旋共振(ESR)光譜對星形ANARs材料的自由基種類和物理性質進行了深入的研究。2）開殼ANARs具有獨特的物理和光學特性，通過非輻射衰變將近紅外光轉化為熱，將其應用于光熱轉換。其中，TPA-TPA-O6與其他分子相比表現出最高的光熱轉化性能和優異的光穩定性。3）研究人員建立了基于TPA-TPA-O6的界面加熱蒸發系統。在此條件下，獲得了高達89.41%的太陽能-水蒸氣轉換效率和1.293 kg m?2h?-1的水蒸氣蒸發率。開殼結構可以實現高效的太陽能轉換，為設計太陽能利用中穩定的有機小分子光熱材料提供了一種新的策略。Zejun Wang, et al, Accessing Highly Efficient Photothermal Conversion with Stable Open-Shell Aromatic Nitric Acid Radicals, Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202113653https://doi.org/10.1002/anie.202113653
4. AEM：再探CFx作為鋰原電池高能量密度正極材料的放電機理
由于鋰/氟化石墨（Li/CFx）原電池具有較高的能量密度(>2100 Wh kg-1)和較低的自放電率（25°C時每年<0.5%），因此在廣泛的能源存儲系統中具有廣闊的應用前景。然而，迄今為止，人們關于CFx正極的放電反應機理尚未完全了解。近日，加州大學圣地亞哥分校孟穎教授，Weikang Li報道了采用一種新的正極結構對CFX放電機理進行了多尺度的研究，以最小化碳和氟添加劑，從而實現精確的正極表征。1）采用滴定氣相色譜、X射線衍射、拉曼光譜、X射線光電子能譜、掃描電子顯微鏡、截面聚焦離子束、高分辨透射電子顯微鏡和帶電子能量損失譜的掃描透射電子顯微鏡對該體系進行了研究。2）結果表明，在放電反應過程中沒有金屬鋰沉積或嵌入。晶態氟化鋰顆粒在CFX層中均勻分布，粒徑小于10 nm，放電產物中含有類似于硬碳結構的較低sp2含量的碳。這項工作加深了對CFX作為高能量密度正極材料的認識，并強調了未來對原電池材料進行研究以提高性能的必要性。Baharak Sayahpour, et al, Revisiting Discharge Mechanism of CFx as a High Energy Density Cathode Material for Lithium Primary Battery, Adv. Energy Mater. 2021DOI: 10.1002/aenm.202103196https://doi.org/10.1002/aenm.202103196
5. AFM：用于高度穩定和高效無機CsPbI3太陽能電池的3D兩性離子
全無機碘化銫鉛（CsPbI3）鈣鈦礦用穩定的無機銫陽離子代替揮發性和吸濕性有機成分，具有可用于太陽能電池的潛在應用的有前途的光電特性。然而，高度穩定和高效的基于CsPbI3的鈣鈦礦太陽能電池很少被報道，因為CsPbI3的光學活性黑色相傾向于轉變為光不活潑的黃色δ相。韓國浦項科技大學Taiho Park和忠南大學Seulki Song等人報道了通過將少量不同尺寸的兩性離子引入鈣鈦礦前驅體溶液而形成的高度穩定的 CsPbI3薄膜。1） LDZWs和HDZWs兩性離子有效地抑制了鈣鈦礦結晶過程中黃色δ相的形成，并促進了穩定的黑色α相的發展。2）此外，系統分析揭示了3D兩性離子和鈣鈦礦在溶液和薄膜狀態之間的強相互作用。基于此，制備了低缺陷態，致密且無針孔的CsPbI3薄膜。3）由此產生的具有3D兩性離子的鈣鈦礦太陽能電池實現了18.4%的光電轉換效率和高重現性。未封裝的器件在 25 °C 和25%的相對濕度下25天后仍保持98%的初始效率。4）重要的是，基于3D兩性離子的器件在100 °C下熱老化時表現出了出色的相位穩定性。Choi, K., Lee, D. H., Jung, W., Kim, S., Kim, S. H., Lee, D., Song, S., Park, T., 3D Interaction of Zwitterions for Highly Stable and Efficient Inorganic CsPbI3 Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2112027. https://doi.org/10.1002/adfm.202112027https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202112027
6. AFM：一種具有周期性導電圖案的柔性、機械強度高、耐腐蝕電磁波吸收復合膜
隨著5G電信、可穿戴電子器件、便攜式產品和可部署軍事應用的技術進步，對高效電磁波（EMW）吸收復合薄膜的需求持續增加。然而，實現具有多功能的柔性超薄單層EMW吸收復合膜，而不是使用傳統的顆粒吸收劑，是一個已知的挑戰。近日，西北工業大學Hongjing Wu報道了提出了一系列具有周期性銅基導電單元的聚酰亞胺（PI）增強復合膜，這些復合膜具有特定用途的可調電性能。1）這些周期性單元優化了薄膜在交變電磁場中的電場分布，導致更強的功率損耗。此外，每個單元的分層結構和豐富的異質界面導致了多次散射和偏振損耗。2）得到的銅網@Cu2?xS@PI（CCP）薄膜具有優異的電磁屏蔽性能（63.7dB），而Air@ Cu2?xS@PI（ACP）薄膜在X波段具有391.43% mm-1的優異比吸收率。此外，由于其機械性能、熱傳導/散熱性能以及優異的環境穩定性，這些薄膜在耐惡劣條件下作為高性能EMW響應材料具有巨大的潛力。這項工作提出了一種設計多功能EMW吸收復合膜的新策略，以實現吸收效率的最大化。Zehao Zhao, et al, A Flexible, Mechanically Strong, and Anti-Corrosion Electromagnetic Wave Absorption Composite Film with Periodic Electroconductive Patterns, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202111045https://doi.org/10.1002/adfm.202111045
7. AFM：一種基于三元納米復合材料螺旋結構的可拉伸、可擴展、可穿戴熱電發電機用于高效集熱
基于有機/無機納米復合材料的熱電發電機（TEGs）近年來取得了巨大的成就，但合理設計柔性TEGs通過跨平面熱流獲取能量仍然是一個巨大的挑戰。近日，澳門大學Guoxing Sun，深圳大學Guangming Chen，Zhuoxin Liu報道了制備了一種具有獨特層狀結構的柔性聚(3,4-乙二氧基噻吩)對甲苯磺酸鹽/碲/單壁碳納米管（PEDOT-Tos/Te/SWCNTs）三元納米復合薄膜，其最佳功率因數為131.9±8.5 μW m-1 K-2，是原始PEDOT-Tos的≈120倍。隨后提出了一種螺旋結構來將納米復合薄膜組裝成3D TEG，從而獲得了器件級的柔性、可伸縮性和壓縮性。1）螺旋形TEG可以通過跨平面熱流實現高效的熱電轉換，在80 K溫差下，10個p型支腿和5對p-n對TEG樣機的輸出功率分別達到7.04 μW和9.59 μW，超過了已報道的大多數使用Te基復合材料的TEG樣機。2）它們還可以在多個拉伸和壓縮循環中提供穩定的能量輸出。此外，螺旋狀TEGs還被廣泛應用于收集人體手腕上的熱量，以及通過熱水或液氮引起的溫差發電。這項工作為開發柔性和可穿戴的熱電復合材料提供了一條很有前途的途徑。Lirong Liang, et al, Initiating a Stretchable, Compressible, and Wearable Thermoelectric Generator by a Spiral Architecture with Ternary Nanocomposites for Efficient Heat Harvesting, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202111435https://doi.org/10.1002/adfm.202111435
8. AFM：一種雙層異質結構聚合物電解質實現自放電率極低的柔性不對稱超級電容器
不對稱超級電容器（ASCs）具有工作電壓高、功率密度高、循環壽命長等優點，引起了人們的廣泛關注。在快速充電的同時，ASCs也表現出快速的自放電行為，這仍然是一個巨大的挑戰。不幸的是，關于這一關鍵問題的研究非常有限。近日，同濟大學Tao Chen，Tian Lv報道了一種具有優異電化學性能和超長自放電時間的柔性不對稱超級電容器，該電容器是通過在正負極之間設計一種聚陰離子/聚陽離子組成的雙層非均相聚合物電解質(HPE)來實現的。1）所開發的基于HPE的ASCs具有與使用均質聚合物電解質的ASCs相當的電化學性能。2）帶電的聚電解質與可動離子之間存在的排斥力可以有效地限制小離子的擴散和再分布，使充滿電的HPE基ASC在開路電壓降至原始值的一半時有110 h的超長自放電時間，比基于均質聚合物電解質的器件長10倍以上。3）研究表明，采用非均相聚合物電解質可以有效地抑制ASCs的自放電率，這對于拓寬ASCs在柔性電子領域的應用具有重要意義。Jun Wan, et al, Flexible Asymmetric Supercapacitors with Extremely Slow Self-Discharge Rate Enabled by a Bilayer Heterostructure Polymer Electrolyte, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202108794https://doi.org/10.1002/adfm.202108794
9. Nano Energy：一種自供電光熱電子皮膚貼片以促進傷口愈合
可穿戴式摩擦電納米發電機（TENGs）通過在傷口局部產生電場，有望加速傷口愈合。將傳感功能和綜合治療策略集成到多功能柔性TENGs電子皮膚（E-Skin）貼片中非?？扇?，但也極具挑戰性。近日，華中科技大學Jintao Zhu，Lianbin Zhang，Juan Tao報道了開發了一種基于TENG的單電極電子皮膚貼片，其協同利用電刺激和光熱加熱能力，以導電和光熱的聚吡咯/Pluronic F127水凝膠為電解質，既可以感知運動，又可以促進傷口愈合。1）E-Skin貼片具有生物相容性、延伸性和形狀適應性，在電解質中，聚吡咯具有導電性和出色的光熱轉換性能，而F127則具有相變能力和柔性。2）通過結合光熱加熱和實時電刺激，E-Skin貼片可以有效地促進血管生成、膠原沉積和再上皮化，在較短的～9 d內加速組織再生和創面閉合。此外，這些貼片顯示了感知人類活動的能力，這可以彌補部分感覺的喪失。這項工作將有助于TENGs在皮膚創面愈合中的應用，并為多功能E-Skin貼片的開發做出貢獻。Shuo Du, et al, Self-powered and photothermal electronic skin patches for accelerating wound healing, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106906https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106906
10. Nano Energy：構建超穩定鉀離子混合電容器負極的雙功能工程：N,O摻雜的多孔碳球
雜原子摻雜工程被認為是提高碳質材料儲鉀（K）性能的一種可行策略。這一策略不可避免的問題在于，由大半徑K+引起的巨大體積膨脹。近日，哈爾濱工業大學（深圳）Qunhui Yuan，洛桑聯邦理工學院Kangning Zhao，柏林亥姆霍茲研究所Chao Yang報道了采用簡單可靠的退火工藝制備了-C=O含量較高的N/O共摻雜的多孔碳球（PCSs）。1）通過雜原子摻雜和構孔的雙功能工程，PCSs表現出優異的K+儲存性能，具有顯著的可逆容量（0.1 A g-1時為389.8 mA g-1）、優異的倍率性能（1 A g-1時為201.7 mAh g-1）以及前所未有的超長期循環穩定性（40000次循環后5 A g-1時為107 mAh g-1，每循環衰減0.00038%）。2）原位拉曼分析揭示，PCSs經歷了可逆的吸附-插層混合儲鉀機制。具體來說，密度泛函理論（DFT）計算和原位透射電子顯微鏡觀察通過闡明雙功能工程的協同效應，揭示了高可逆容量和優異循環穩定性的可能來源。3）PCSs可以作為鉀離子混合電容器（PIHCs）的負極，以提供高的能量/功率密度。因此，這項工作為構建用于高性能PIHCs的碳質電極候選材料開辟了一條新途徑。Shuming Dou, et al, Dual-function Engineering to Construct Ultra-Stable Anodes for Potassium-Ion Hybrid Capacitors: N, O-Doped Porous Carbon Spheres,Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106903https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106903
11. EnSM：電子結構優化的欠配位單原子Fe-N-C電催化劑用于高性能鋰-硫電池
設計合理的單原子催化劑促進高效硫電化學是高性能鋰-硫（Li-S）電池發展的迫切需要，也是高性能Li-S電池發展面臨的巨大挑戰。近日，華南師范大學王新，Yongguang Zhang，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授報道了首次從理論上預測了由于Fe 3dzz和S 3py軌道之間的雜化比普通FeN4中的雜化更強，單原子Fe中心的配位不足可能具有更高的硫親和力和催化活性。1）通過對Fe前驅體的配體控制，在摻氮碳表面制備了配位數可調的單分散Fe單原子（FeN2-NC和FeN4-NC）。正如預期的那樣，一系列物理化學和電化學評估證實，配位不足的FeN2-NC實現了更強的硫固定和催化作用。2）結果表明，以FeN2-NC為載體的硫電極具有優異的循環性能和倍率性能，特別是在高的面硫負載量（5.0 mg cm-2）和低的電解質硫比（5.3 mL g-1）下，高達4.5 mAh cm-2的高可逆面容量。這項工作突出了單原子催化劑欠配位工程在改進鋰-硫電池電化學方面的巨大可行性和有效性，對其他相關能源領域的先進材料設計也具有一定的啟示作用。Jiayi Wang, et al, Coordinatively Deficient Single-atom Fe-N-C Electrocatalyst with Optimized Electronic Structure for High-performance Lithium-sulfur Batteries, Energy Storage Materials (2021)DOI：10.1016/j.ensm.2021.12.040https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.12.040
12. ACS Nano：鹵化Ti3C2 MXenes協同誘導均勻Zn電鍍的晶格匹配和鹵素調控
Zn2+離子的不均勻擴散和電沉積導致的枝晶生長和低庫侖效率已成為鋅（Zn）金屬負極開發與應用面臨的巨大障礙。近日，香港城市大學支春義教授，中科院寧波材料所黃慶研究員報道了采用熔鹽腐蝕法制備了一系列化學計量比鹵化Mxenes（Ti3C2Cl2、Ti3C2Br2和Ti3C2I2）作為人工界面層，實現了均勻的鋅電沉積。1）研究人員闡明了晶格匹配、Ti3C2基體和鹵素端基對鋅鍍層初始規則形核和后續定向生長方式的協同作用。密度泛函理論（DFT）計算和實驗表征表明，最外層的鹵素對Zn2+離子在Mxene基體上的平鋪起調節作用，而不是堆積，而Mxene基體與Zn鍍層的晶格高度匹配。因此，首先建立了共格的異質界面，然后反過來調節隨后的鋅離子沉積。2）所有MXene-Zn負極在成核過電位、CE值、極化和耐久性方面都優于裸Zn金屬，其中Ti3C2Cl2表現最好，其具有適中的Zn2+的吸附和擴散系數。在2 mA cm?2時，對稱電池可穩定循環840 h以上，最高可達裸鋅金屬的13倍。即使在10 mA cm?2的高電流密度下，100 h循環中的過電位仍低于103 mV，與之形成鮮明對比的是，裸鋅的壽命短得多，只有14 h，且有更高的電壓間隙，在154 mV以上。3）進一步與Ti3C2I2正極相匹配，Ti3C2Cl2?Zn//Ti3C2I2全電池可工作9000次以上，容量衰減率僅為2.93%/千次，而Zn//Ti3C2I2電池的衰減率高得多，為7.95%/千次。這種晶格匹配和鹵素調控所產生的協同效應有望其它金屬負極優化提供一種有效而普遍的策略。Xinliang Li, et al, Lattice Matching and Halogen Regulation for Synergistically Induced Uniform Zinc Electrodeposition by Halogenated Ti3C2 Mxenes, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c08358https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08358
