1. Nature Commun.：銥單原子催化劑的配位調(diào)節(jié)以最大限度地提高水氧化活性
單原子催化劑（SACs）因其高活性、高選擇性和100%的原子利用率，在能源相關(guān)領(lǐng)域引起了人們極大的研究興趣。然而，如何提高SACs的內(nèi)在活性和比活性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近日，中科大Ruiguo Cao，Wenhua Zhang，Shuhong Jiao報(bào)道了提出了一種簡單且可擴(kuò)展的策略，通過兩步電化學(xué)方法制備了一種錨定在Ni(3-x)FexS2納米片陣列上的低質(zhì)量負(fù)載但高表面分布密度的Ir SAC（Ir1/NFS）。1）研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)結(jié)構(gòu)的分離和Ir SAC的沉積使得Ir原子只分布在襯底表面，而不是電極內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)了最大限度地利用貴金屬。2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Ir1/NFS表現(xiàn)出較高的OER催化性能，在電流密度為10 mA cm?2時(shí)，其過電位為~170 mV，在過電位為300 mV時(shí)，其周轉(zhuǎn)頻率（TOF）為9.85 s?1。3）密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，在NFS表面，Ir單原子通過Ir-S-M鍵(M代表Ni或Fe)形成合適的化學(xué)環(huán)境，有效地降低了由*O基團(tuán)形成*OH基團(tuán)的動力學(xué)能壘，從而加速了OER過程。Lei, Z., Cai, W., Rao, Y. et al. Coordination modulation of iridium single-atom catalyst maximizing water oxidation activity. Nat Commun 13, 24 (2022).DOI：10.1038/s41467-021-27664-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-021-27664-z
2. Nature Commun.：水系鋅電池與鈣鈦礦型太陽能電池的耦合用于同時(shí)收集、轉(zhuǎn)換和儲能
在單個(gè)器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)收集、轉(zhuǎn)換和存儲太陽能是下一代電源的理想技術(shù)途徑。基于此，南開大學(xué)Xue-Ping Gao報(bào)道了提出了一種裝置，由一個(gè)集成的碳基鈣鈦礦太陽能電池組件和一個(gè)可充電的水系鋅金屬電池組成，該組件能夠收集太陽能(并將其轉(zhuǎn)化為電能)。1）電化學(xué)儲能電池采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)Co2P-CoPNiCoO2納米陣列和金屬鋅作為正極和負(fù)極，在32 A/g下循環(huán)25000次，容量保持率約為78%。2）將太陽能電池的電池正極和鈣鈦礦材料組合在一個(gè)夾層連接電極單元中。結(jié)果表明，該裝置在32 A/g和2 A/g條件下的比功率為54 kW/kg，比能量為366 Wh/kg。此外，由于具有窄電壓范圍(1.40-1.90V)，該器件的效率約為6%，在200次光充和放電循環(huán)中都保持了良好的穩(wěn)定性。Chen, P., Li, TT., Yang, YB. et al. Coupling aqueous zinc batteries and perovskite solar cells for simultaneous energy harvest, conversion and storage. Nat Commun 13, 64 (2022)DOI：10.1038/s41467-021-27791-7https://doi.org/10.1038/s41467-021-27791-7
3. Nature Commun.：受限溶解策略實(shí)現(xiàn)全固態(tài)可充電Li-I2電池的長循環(huán)壽命
可充電Li-I2電池因其理論容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。多碘化合物的溶解需要促進(jìn)I2正極的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)，這將導(dǎo)致有害的穿梭效應(yīng)。全固態(tài)Li-I2電池完全避免了液體體系中多碘化合物的穿梭。然而，傳統(tǒng)固體界面上的不溶性放電產(chǎn)物導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)緩慢，充電性差等問題。近日，南京大學(xué)周豪慎教授，Ping He報(bào)道了通過使用“受限溶解”策略，在全固態(tài)鋰離子電池中實(shí)現(xiàn)了全新的、令人滿意的電池化學(xué)。1）這一策略的核心是將多碘化物的溶解約束在I2正極附近的有限空間內(nèi)。與此同時(shí)，多碘化物向負(fù)極側(cè)的穿梭則完全受阻。2）研究人員精心設(shè)計(jì)了一種由分散層和阻隔層組成的混合電解質(zhì)。聚環(huán)氧乙烷(PEO)作為分散層可以很大程度上溶解放電/充電過程中產(chǎn)生的多碘化物，從而促進(jìn)快速、高度可逆的多碘化學(xué)。而采用單一鋰離子導(dǎo)體Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3（LAGP）作為阻隔層，則有效地避免了高碘化物的穿梭效應(yīng)。此外，PEO分散層具有較低的楊氏模量。這可以提供固體電解質(zhì)和固體I2正極之間的緊密接觸，促進(jìn)電池內(nèi)的鋰離子傳輸。3）通過采用這種混合電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究人員成功地誘導(dǎo)了多碘化合物的氧化還原反應(yīng)。全固態(tài)LIB具有快速穩(wěn)定的多碘氧化還原反應(yīng)，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和較高的安全性，在需要長循環(huán)壽命和高安全性的儲能領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。Cheng, Z., Pan, H., Li, F. et al. Achieving long cycle life for all-solid-state rechargeable Li-I2 battery by a confined dissolution strategy. Nat Commun 13, 125 (2022).DOI：10.1038/s41467-021-27728-0https://doi.org/10.1038/s41467-021-27728-0
4. Nature Commun.：確定共價(jià)鍵碳基質(zhì)對用于酸性氧還原的FeN4位點(diǎn)的影響
盡管FeNx基團(tuán)的原子構(gòu)型是影響氧還原反應(yīng)(ORR)活性的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的合成依賴于高溫?zé)峤鈦斫Y(jié)合Fe、N和C源，這往往導(dǎo)致FeNx位點(diǎn)的多個(gè)局部環(huán)境。揭示FeNx位點(diǎn)附近的碳基質(zhì)對ORR活性的影響至關(guān)重要，但由于各種氮和隨機(jī)缺陷的不可避免地聯(lián)系在一起，這仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。北京化工大學(xué)Zhonghua Xiang報(bào)道了一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究，通過這種無熱解的方法來研究與FeN4位共價(jià)連接的碳環(huán)境的催化活性。1）具體而言，研究人員設(shè)計(jì)了一系列全π共軛的COPs，其中包含明確的FeN4構(gòu)型，而不同的離域共軛碳基體則連接到FeN4位點(diǎn)。2）電化學(xué)測試表明，四種COP的氧還原活性呈現(xiàn)火山圖，伴隨著聚合物中FeN4基團(tuán)附近碳骨架的膨脹。3）進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)初步表明，碳基質(zhì)中靠近FeN4位點(diǎn)的離域π電子(DDE)與電催化活性之間存在著一定的關(guān)系。而詳細(xì)的密度泛函分析表明，連接到FeN4位點(diǎn)上的π共軛配體重新定位了Fe原子中反鍵態(tài)的電子填充，從而調(diào)節(jié)了它們的電子構(gòu)型，進(jìn)而改變了它們在ORR過程中的速率決定步驟。這項(xiàng)研究不僅為理解ORR機(jī)理提供了新的見解，而且啟發(fā)人們認(rèn)真考慮碳平面上的遠(yuǎn)程電子構(gòu)型對活性部分的影響Li, X., Xiang, Z. Identifying the impact of the covalent-bonded carbon matrix to FeN4 sites for acidic oxygen reduction. Nat Commun 13, 57 (2022).DOI：10.1038/s41467-021-27735-1https://doi.org/10.1038/s41467-021-27735-1
5. Nature Commun.：超重力對非水鋰金屬電池構(gòu)成和循環(huán)壽命的影響
外星探測需要能夠在與地球不同的重力條件下工作的電化學(xué)儲能裝置。在這種背景下，鋰（Li）電池還沒有得到充分的研究，特別是在超重力（即重力>9.8 m s?2）條件下的電池構(gòu)成和循環(huán)性能。為了闡明這些方面，西北工業(yè)大學(xué)Keyu Xie報(bào)道了研究了非水Li金屬電池在超重力條件下的行為。1）物理化學(xué)和電化學(xué)表征表明，與地球重力條件不同的是，在超重力作用下，在銅襯底上沉積鋰金屬時(shí)，可以獲得光滑致密的鋰金屬沉積層。2）此外，由于鋰離子和鹽離子之間強(qiáng)烈的相互作用，超重力可以形成富含無機(jī)的固體電解質(zhì)界面(SEI)，從而促進(jìn)負(fù)極表面陰離子的顯著分解。3）在全鋰金屬電池結(jié)構(gòu)(使用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2基正極和LiFSI基電解液)上的測試也證明了超重力對沉積形貌和SEI成分的有利影響，以及在2 C（400 mA g?1）倍率下進(jìn)行200次循環(huán)的能力，容量保持率為96%。這項(xiàng)研究證明了鋰金屬電池在超重力應(yīng)用中的可行性，也為微重力條件下的研究提供了有意義的指導(dǎo)。Gao, Y., Qiao, F., You, J. et al. Effect of the supergravity on the formation and cycle life of non-aqueous lithium metal batteries. Nat Commun 13, 5 (2022).DOI: 10.1038/s41467-021-27429-8https://doi.org/10.1038/s41467-021-27429-8
6. Nature Commun.：雙組分催化劑的反向溢出效應(yīng)用于增強(qiáng)析氫
目前，人們關(guān)于反向溢出效應(yīng)對制氫反應(yīng)的貢獻(xiàn)仍存在爭議。基于此，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所Yong Qin，Zhe Gao報(bào)道了通過原子層沉積構(gòu)建空間分離NiO/Al2O3/Pt雙組分催化劑，并進(jìn)行原位快速X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)表征，揭示了在用于氨硼烷水解反應(yīng)中反向溢出的促進(jìn)作用。1）對于NiO/Al2O3/Pt催化劑，NiO和Pt納米顆粒分別附著在Al2O3納米管的外表面和內(nèi)表面。原位XANES結(jié)果表明，對于氨硼烷水解，NiO位生成的H物種反向溢出到Pt位點(diǎn)的載體上。2）反向溢出效應(yīng)是NiO/Al2O3/Pt產(chǎn)氫率提高的原因。此外，研究人員也證實(shí)了CoOx/Al2O3/Pt和NiO/TiO2/Pt催化劑中的反向溢出效應(yīng)。深入了解這些效應(yīng)將有助于闡明催化機(jī)理，并為設(shè)計(jì)高效的制氫催化劑提供指導(dǎo)。Gao, Z., Wang, G., Lei, T. et al. Enhanced hydrogen generation by reverse spillover effects over bicomponent catalysts. Nat Commun 13, 118 (2022).DOI：10.1038/s41467-021-27785-5https://doi.org/10.1038/s41467-021-27785-5
7. Nature Commun.：二維鹵化錫鈣鈦礦發(fā)光機(jī)理的調(diào)控
二維（2D）Sn基鈣鈦礦是一種無毒環(huán)保的發(fā)光材料。然而，對這類鈣鈦礦發(fā)光機(jī)理的研究仍存在很大爭議，極大地限制了發(fā)光性能的進(jìn)一步提高和應(yīng)用。目前爭議的焦點(diǎn)是缺陷和聲子散射率。上海光學(xué)精密機(jī)械研究所Jun Wang和上海電力大學(xué)Jia Lin等人將有機(jī)陽離子控制工程與溫度相關(guān)瞬態(tài)吸收光譜相結(jié)合，系統(tǒng)地研究了層狀A(yù)2SnI4（A = PEA+、BA+、HA+ 和 OA+）結(jié)構(gòu)中的帶間激子弛豫途徑。1）結(jié)果表明激子-聲子散射和激子-缺陷散射對激子弛豫有不同的影響。2）該研究進(jìn)一步證實(shí)，由帶電缺陷而非非極性光學(xué)聲子散射的變形勢主導(dǎo)激子帶間弛豫，這與Pb基鈣鈦礦有很大不同。這些結(jié)果增強(qiáng)了對錫基鈣鈦礦材料中非輻射途徑起源的理解。Zhang, T., Zhou, C., Feng, X. et al. Regulation of the luminescence mechanism of two-dimensional tin halide perovskites. Nat. Commun. 13, 60 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27663-0
8. Nature Commun.: 一種通用的共溶劑稀釋策略用于更環(huán)保的鈣鈦礦光伏電池
成本管理和有毒廢物的產(chǎn)生是鈣鈦礦光電器件商業(yè)化之前必須解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel，Hong Zhang, 北卡羅萊納州立大學(xué)Aram Amassian, 羅馬第二大學(xué)Aldo Di Carlo等人報(bào)道了一種用于高效鈣鈦礦太陽能電池的環(huán)保且具有成本效益的制造的開創(chuàng)性策略。1）該策略涉及使用高揮發(fā)性助溶劑THF（四氫呋喃），將鈣鈦礦的DMSO和DMF前軀體稀釋至較低濃度（<0.5 M），同時(shí)保持與高濃度（>1.4 M）溶液相似的薄膜質(zhì)量和器件性能，效率高達(dá)24%以上。2）同時(shí)，可減少70%以上的有毒廢物和材料成本。機(jī)理見解揭示了共溶劑的超快速蒸發(fā)以及用共溶劑稀釋后前軀體體化學(xué)的有益改變，原位研究和理論模擬證實(shí)了這一點(diǎn)。3）共溶劑調(diào)整的前體膠體性質(zhì)也有助于提高前體溶液的穩(wěn)定性，從而擴(kuò)大其加工窗口，從而最大限度地減少浪費(fèi)。這種策略在不同的鈣鈦礦成分中普遍成功，并且使用工業(yè)旋涂從小型設(shè)備擴(kuò)展到大型模塊（模組效率接近18%），有可能簡化鈣鈦礦技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到工廠的轉(zhuǎn)化。Zhang, H., Darabi, K., Nia, N.Y. et al. A universal co-solvent dilution strategy enables facile and cost-effective fabrication of perovskite photovoltaics. Nat. Commun. 13, 89 (2022). DOI：10.1038/s41467-021-27740-4https://www.nature.com/articles/s41467-021-27740-4
9. Nature Commun.：單原子Cu錨定催化劑助力量子效率為56%的光催化可再生制氫
錨定的單原子催化劑為光催化制氫提供了一條效率最大化、成本節(jié)約的理想途徑。然而，由于較高負(fù)載濃度下的團(tuán)聚現(xiàn)象，大多數(shù)報(bào)道的單原子負(fù)載量都在0.5%以內(nèi)。近日，云南大學(xué)柳清菊，倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授，華東師范大學(xué)Rong Huang報(bào)道了提出了一種重復(fù)性好、成本低的預(yù)包埋技術(shù)，用于穩(wěn)定二氧化鈦表面的金屬單原子，并將其應(yīng)用于太陽能燃料氫氣的合成上。1）實(shí)驗(yàn)和理論研究都證明，強(qiáng)烈錨定的銅單原子引發(fā)了一個(gè)可逆/自修復(fù)的連續(xù)光催化過程。合成的CuSA-TiO2催化劑顯示出較高的析氫速率，在365 nm處的基準(zhǔn)表觀量子效率為56%。2）較高的活性是由于MOF結(jié)構(gòu)具有極大的比表面積作為中間體的優(yōu)勢，使CUSA在TiO2上的錨定暴露位點(diǎn)最大化，達(dá)到~1.5 wt%。此外，煅燒后，TiO2表面的強(qiáng)鍵合的CuSA有效地分離了光電子，然后電子級聯(lián)將水還原為H2，并伴隨著甲醇的氧化。3）不同的光譜和原位實(shí)驗(yàn)以及密度泛函(DFT)結(jié)果都表明，CuSA比其他助催化劑具有更高的電荷分離效率，從而證明了Cu物種在光催化反應(yīng)中的原位自愈效應(yīng)的重要性。Zhang, Y., Zhao, J., Wang, H. et al. Single-atom Cu anchored catalysts for photocatalytic renewable H2 production with a quantum efficiency of 56%. Nat Commun 13, 58 (2022).DOI：10.1038/s41467-021-27698-3https://doi.org/10.1038/s41467-021-27698-3
10. Nature Commun.：Co-Fe混合尖晶石氧化物納米粒子析氧過程的D原子尺度成像
催化劑納米顆粒表面單個(gè)原子的三維分布對其活性和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。優(yōu)化電催化劑的性能需要原子尺度的信息，然而，這無疑充滿極大挑戰(zhàn)。近日，波鴻魯爾大學(xué)Tong Li報(bào)道了使用原子探針斷層掃描(APT)，結(jié)合X射線光電子能譜(XPS)、X射線吸收光譜(XAS)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)和電化學(xué)阻抗譜(EIS)來表征在OER條件下循環(huán)伏安(CV)測量過程中Co2FeO4和CoFe2O4納米粒子表面氧化態(tài)、結(jié)構(gòu)和組成的變化。通過標(biāo)度橋方法獲得了有關(guān)納米顆粒表面狀態(tài)變化的全面信息，包括分別用XAS和XPS測量納米顆粒的體積和表面頂層(5-10 nm)的氧化態(tài)，以及用APT和HRTEM對單個(gè)納米顆粒進(jìn)行納米尺度和原子尺度的元素和結(jié)構(gòu)表征。1）研究表明，在原始的Co2FeO4中，由于混溶間隙，當(dāng)x在1.1-2.7范圍內(nèi)時(shí)，大多數(shù)混合CoxFe(3-x)O4尖晶石氧化物中存在由調(diào)節(jié)分解產(chǎn)生的富Co和富Fe納米疇。2）有趣的是，羥基被捕獲在納米疇之間的界面上，與CoFe2O4相比，可能產(chǎn)生原始Co2FeO4的顯著增強(qiáng)的OER活性。在OER期間，不同程度的鐵溶解出現(xiàn)在Co2FeO4的納米域中，同時(shí)發(fā)生向CoIVO2的不可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致OER活性顯著降低。相反，CoFe2O4的鐵損失可以忽略不計(jì)。而CoFe2O4表面生成了(FeIII，CoIII)2O3，進(jìn)一步降低了CoFe2O4的OER活性。總體而言，所得到的3D原子尺度數(shù)據(jù)，結(jié)合X射線和電子顯微鏡和電化學(xué)數(shù)據(jù)，在提高人們對電催化劑復(fù)雜結(jié)構(gòu)-活性-穩(wěn)定性關(guān)系理解方面，顯示出巨大潛力。Xiang, W., Yang, N., Li, X. et al. 3D atomic-scale imaging of mixed Co-Fe spinel oxide nanoparticles during oxygen evolution reaction. Nat Commun 13, 179 (2022).DOI：10.1038/s41467-021-27788-2https://doi.org/10.1038/s41467-021-27788-2
11. Angew：級聯(lián)激活型半導(dǎo)體聚合物納米調(diào)節(jié)劑用于光動力-免疫治療
研究表明，光-免疫治療聯(lián)合能夠高效抑制腫瘤。然而，能夠在腫瘤中僅激活自身免疫藥物作用的智能光學(xué)治療試劑還很少。南洋理工大學(xué)浦侃裔教授和華南理工大學(xué)王均教授報(bào)道了一種級聯(lián)激活型半導(dǎo)體聚合物(SP)納米調(diào)節(jié)劑(SPNT)，并將其用于光動力-免疫癌癥聯(lián)合治療。1）SPNT包含有免疫調(diào)節(jié)劑(M-Trp：1-甲基色氨酸)，其通過可由凋亡生物標(biāo)志物切割的連接子連接在SP的主鏈側(cè)鏈上。在近紅外光照射下，SPNT能夠產(chǎn)生單線態(tài)氧以誘導(dǎo)免疫原性細(xì)胞凋亡。2）與此同時(shí)，凋亡生物標(biāo)志物水平會發(fā)生上調(diào)，使得M-Trp被特異性切割，進(jìn)而導(dǎo)致吲哚胺2,3-雙加氧酶(IDO)活性被抑制、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞減少和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞浸潤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SPNT介導(dǎo)的光動力-免疫聯(lián)合治療能夠重編程腫瘤免疫微環(huán)境，從而有效抑制腫瘤，并抑制肺轉(zhuǎn)移。Shasha He. et al. Semiconducting Polymer Nano-regulators with Cascading Activation for Photodynamic Cancer Immunotherapy. Angewandte Chemie International Edition. 2021DOI: 10.1002/anie.202116669https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116669
12. AM：碳的缺陷選擇性與“無序-有序”工程用于持久快速儲鉀
盡管得益于豐富的活性中心，富缺陷碳材料具有較高的儲鉀性能，但存在的不良缺陷的可逆性較低，且導(dǎo)電性較差等問題，嚴(yán)重限制了其循環(huán)穩(wěn)定性。基于此，山東大學(xué)熊勝林教授，中國礦業(yè)大學(xué)(徐州) 鞠治成報(bào)道了通過自模板技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳的原位缺陷選擇性和有序-無序協(xié)同工程，以提高碳的K+儲存容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。1）通過熱解過程中持續(xù)的氣體釋放，以犧牲可逆性較差的雜原子缺陷為代價(jià)，選擇性地調(diào)節(jié)缺陷位以實(shí)現(xiàn)豐富的可逆碳空位。同時(shí)，熱解過程中產(chǎn)生的納米氣泡作為自模板誘導(dǎo)表面原子重排，從而在缺陷疇中原位嵌入納米網(wǎng)絡(luò)，而不會出現(xiàn)嚴(yán)重的相分離，從而大大提高了材料的本征電導(dǎo)率。2）這種協(xié)同結(jié)構(gòu)同時(shí)確保了高濃度的可逆碳空位和快速的電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)，從而獲得了高可逆容量（0.05 A g?1時(shí)為425 mAh g?1）、高倍率（1 A g?1時(shí)為237.4 mAh g?1）以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（在0.1 A g?1時(shí)循環(huán)10至400圈時(shí)容量保持率為90.4%）。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)缺陷位與本征電導(dǎo)率之間的折衷提供了一種合理而簡便的策略，并對可逆鉀儲存的機(jī)理有了深刻的認(rèn)識。Yaxin Chen, et al, Defect-Selectivity and“Order-in-Disorder” Engineering in Carbon for Durable and Fast Potassium Storage, Adv. Mater. 2022DOI: 10.1002/adma.202108621https://doi.org/10.1002/adma.202108621
