1. Science Robotics：可降解的3D打印軟機器人
將機器人技術(shù)嵌入我們的日常生活中，有望創(chuàng)造機器輔助環(huán)境、支持醫(yī)療保健和康復(fù)，或增強虛擬現(xiàn)實交互的觸覺感覺。大自然給軟機器人技術(shù)帶來了非常多的靈感來源。然而，目前涉及的材料通常是不可生物降解的，或來自不可再生資源，導(dǎo)致環(huán)境足跡不斷增長。此外，傳統(tǒng)的制造方法，如鑄模，不適合用于復(fù)制或模仿大自然創(chuàng)造的復(fù)雜性。因此，需要在開發(fā)新的制造程序的同時，還是需要納入可持續(xù)性概念。明膠是一種多功能的生物聚合物，可以進行熔融擠出，并且當甲基丙烯酸酯化時，可以進行基于光聚合的打印。然而，市售的生物繪圖儀或直接激光書寫系統(tǒng)成本非常高，并且基本上只能產(chǎn)生具有中等拉伸性的小尺寸（微米到毫米）物體。軟機器人的快速原型制作對厘米大小、高度可拉伸的致動器和傳感器的低成本三維 (3D) 打印有著很高的需求。保持技術(shù)的可持續(xù)性還需要有效地重復(fù)利用以前的印刷材料以節(jié)省資源并建立除生物降解之外的生態(tài)回收路線于此，奧地利約翰·開普勒林茨大學M. Kaltenbrunner、F. Hartmann等人報告了一種基于熔融沉積建模的定制3D打印工藝，將完全可生物降解的明膠水凝膠（biogel）墨水打印成尺寸穩(wěn)定的復(fù)雜物件。1）該工藝可以快速且經(jīng)濟高效地從凝膠中制作出彈性、柔軟的機器人應(yīng)用原型，該凝膠的長度是原始長度的六倍，并且可以實現(xiàn)零浪費的可回收程序。2）展示了以快速響應(yīng)時間（不到一秒）執(zhí)行全向運動的打印氣動執(zhí)行器，具有集成的 3D 打印可拉伸波導(dǎo)，能夠進行本體感覺和外部感覺。這些軟設(shè)備具有動態(tài)實時控制功能，能夠自動搜索和清除障礙物。它們可以多次重印或在其使用壽命結(jié)束時無害地處理，這可能為軟機器人開啟可持續(xù)發(fā)展的未來。3D printing of resilient biogels for omnidirectional and exteroceptive softactuators. Science Robotics 2022.DOI: 10.1126/scirobotics.abk2119https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abk2119
2. Nature Commun.：層狀KInSnS4選擇性Cs吸附
消除具有放射性的銫對于環(huán)境保護、人類健康、核能的可持續(xù)發(fā)展非常重要，目前的技術(shù)手段中從酸性溶液中捕獲Cs+具有非常大的挑戰(zhàn)，因為吸附材料的穩(wěn)定性較低，而且酸性體系面臨質(zhì)子的競爭性吸附。有鑒于此，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所馮美玲等報道一種高穩(wěn)定性的層狀金屬硫化物KInSnS4材料（InSnS-1），表現(xiàn)了優(yōu)異的Cs+吸附能力，可以作為離子交換柱的固定相材料成分，能夠從中性或者酸性溶液中高效率的去除Cs+。1）這種KInSnS4材料引入高價態(tài)和離子半徑較高的Sn4+和In3+，改善了穩(wěn)定性，得到了高穩(wěn)定性的K+導(dǎo)向?qū)訝罱饘倭蚧铮哂斜容^好的耐酸性和耐輻射能力。在1-4 mol/L HNO3酸性溶液中能夠保持[InSnS4]nn-的穩(wěn)定，表現(xiàn)了較高的Cs+離子交換能力，在中性溶液和1 mol/L HNO3溶液中的Cs+離子吸附容量分別達到316.0 mg/g和98.6 mg/g。當存在高濃度的競爭性離子，比如Na+，Sr2+，La3+，仍保持較好的Cs+選擇性吸附。2）通過單晶結(jié)構(gòu)解析，對Cs+和H3O+的競爭性吸附情況進行研究，實現(xiàn)了從分子級別理解酸性溶液中去除Cs+的機理。Tang, JH., Jin, JC., Li, WA. et al. Highly selective cesium(I) capture under acidic conditions by a layered sulfide. Nat Commun 13, 658 (2022).DOI: 10.1038/s41467-022-28217-8https://www.nature.com/articles/s41467-022-28217-8
3. Nature Commun.：Pt配位環(huán)境調(diào)控ORR電催化選擇性
電化學氧還原反應(yīng)能夠分別通過4e-或者2e-過程分別實現(xiàn)化學能-電能轉(zhuǎn)化、或者生成H2O2。目前Pt催化劑是已知的性能最好的O2生成H2O催化劑。但是目前人們對ORR還原反應(yīng)中原子分散度的Pt催化劑選擇性并沒有明確的結(jié)論。有鑒于此，上海交通大學章俊良、蔣昆等報道合成了一系列擔載于碳基底上的Pt單原子催化劑，具有不同的相鄰原子和Pt原子位點密度，研究了Pt催化劑的配位環(huán)境對ORR反應(yīng)的選擇性影響。1）發(fā)現(xiàn)當Pt催化劑位點的配位環(huán)境從Pt-N-C變成Pt-S-C，氧還原反應(yīng)的選擇性能夠由2e-變?yōu)?e-，因此在0.4 V vs RHE過電勢H2O2的選擇性從23.3 %提高至81.4 %，H2O2/H2O的TOF比例從0.30提高至2.67。2）反應(yīng)能量分析發(fā)現(xiàn)，2e-和4e-反應(yīng)過程中反應(yīng)都以相同的中間體*OOH，同時Pt-C結(jié)構(gòu)更容易進行解離還原方式，Pt-S或Pt-N結(jié)構(gòu)更容易進行直接質(zhì)子化生成H2O2。通過在Pt-N-C催化劑中，通過提高Pt位點的濃度，能夠?qū)2O2的選擇性從20 %最高提高至70 %。本文研究為調(diào)控ORR反應(yīng)的單獨步驟用于各種不同要求的應(yīng)用場景提供方法。Zhao, J., Fu, C., Ye, K. et al. Manipulating the oxygen reduction reaction pathway on Pt-coordinated motifs. Nat Commun 13, 685 (2022).DOI: 10.1038/s41467-022-28346-0https://www.nature.com/articles/s41467-022-28346-0
4. EES：一種自調(diào)節(jié)梯度界面相用于無枝晶固態(tài)鋰電池
固態(tài)鋰金屬電池（SSLMBs）作為一種重要的能量存儲技術(shù)，通過將鋰金屬負極（LMA）、高容量正極和不可燃固體電解質(zhì)（SSEs）結(jié)合在一起，提供了高能量密度和安全性的可能性。然而，LMA/SSE界面潤濕性差、SSE中Li枝晶容易生長等主要問題尚未解決。基于此，同濟大學Wei Luo，馬里蘭大學王春生教授，華中科技大學黃云輝教授，得克薩斯大學奧斯汀分校John B. Goodenough教授報道了通過使用功能梯度鋰負極(FGLA)解決了這些問題，該負極是通過熔融的Li和AlF3之間的自調(diào)節(jié)反應(yīng)形成。1）由于Li/LiAl和Li/LiF界面能相差很大，熔融Li與AlF3反應(yīng)自發(fā)形成Li-LiAl-LiF組成梯度，LiAl降低界面電阻，LiF抑制Li枝晶。2）FGLA不僅顯著降低了FGLA/Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 (LLZTO)石榴石SSE界面上的電阻至1 ? cm-2，而且使室溫下的臨界電流密度（CCD）大大提高到3.0 mA cm-2以上。此外，與LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、硫和厚LiFePO4正極（~2.8 mAh cm-2）配對的全電池也表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。FGLA的設(shè)計為安全和高能的SSLMBs提供了一個很好的途徑。Tengrui Wang, et al, A self-regulated gradient interphase for dendrite-free solid-state Li batteries, Energy Environ. Sci., 2022https://doi.org/10.1039/D1EE03604A
5. EES：金屬氧化物納米顆粒的原位霧化實現(xiàn)單原子催化劑的亞層增加的原子位點
碳負載的單原子催化劑（SACs）在儲能和轉(zhuǎn)換器件中作為有效的電催化劑顯示出巨大的潛力。然而，與大多數(shù)SACs相關(guān)的低表面活性位點密度限制了它們的實際應(yīng)用。基于此，中南大學Xiaobo Min，Yi Cheng，新南威爾士大學戴黎明教授報道了通過石墨烯負載的金屬氧化物納米顆粒(NPs)的原位霧化控制FeSA的層數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著催化劑負載量的增加，F(xiàn)e-N4-C活性位點從1層增加到3層。1）與單層Fe-N4相比，由于亞層Fe-Nx-C可以通過增加d帶中心和費米能級之間的能隙來調(diào)節(jié)電子密度，削弱中間體的吸附，進一步降低反應(yīng)過電位，因此具有三層Fe-N4-C活性位點的FeSA用于氧還原反應(yīng)(ORR)的周轉(zhuǎn)頻率（TOF）翻了一番。2）亞層活性位點增強型催化劑在堿性條件下的半波電位為0.901 V，在酸性條件下為0.74 V，與單層活性中心相比，具有較高的催化活性。因此，這些新開發(fā)的催化劑在鋅空氣電池和燃料電池中具有潛在的應(yīng)用前景。這項工作為通過控制單原子活性中心層來實現(xiàn)高TOF提供了新的途徑，并為克服SACs的低密度原子位提供了新的策略。Xing Wu, et al, Sublayer-enhanced atomic sites of single atom catalysts through in situ atomization of metal oxide nanoparticles, Energy Environ. Sci., 2022https://doi.org/10.1039/d1ee03311e
6. EES：梯度氟化合金助力高度可逆的鋅金屬負極化學
鋅(Zn)金屬負極的可逆性差嚴重阻礙了其進一步的實際應(yīng)用。它對應(yīng)著兩個主要問題：臭名昭著的枝晶生長和加劇的析氫副反應(yīng)，導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性下降和電池過早失效。基于此，香港城市大學支春義教授，中國石油勘探開發(fā)研究院（RIPED）Xu Jin報道了通過一種簡便的溶液浸漬方法來解決這兩個問題，即原位構(gòu)建基于空間梯度氟化合金顆粒的保護膜。1）通過協(xié)同結(jié)合導(dǎo)電涂層、絕緣涂層和結(jié)構(gòu)三維骨架的優(yōu)點，實現(xiàn)了高度可逆的無枝晶特征的鋅金屬負極化學，并有效地抑制了氣體的產(chǎn)生。2）實驗結(jié)果顯示，所保護的鋅負極具有穩(wěn)定性，在3 mA cm-2下，實際面積容量為3 mAh cm-2時保持穩(wěn)定的循環(huán)。此外，在全電池中與I2正極的耦合進一步體現(xiàn)了可逆性的提高，與裸鋅負極相比顯示出顯著的優(yōu)越性。3）當組裝成面積容量為6 mAh cm-2的雙極軟包電池時，相應(yīng)的鋅利用率達到34%時，300次循環(huán)都保持了穩(wěn)定的循環(huán)性能。因此，它可以作為調(diào)節(jié)鋅金屬可逆性的有效途徑，并易于推廣到其他具有目標性能的表面保護涂層。G. Liang, et al, Gradient fluorinated alloy to enable highly reversible Zn-metal anode chemistry, Energy Environ. Sci., 2022https://doi.org/10.1039/D1EE03749H
7. EES：基于N-甲基乙酰胺的共晶電解質(zhì)用于高度可逆的鋅-碘電池
近年來，用鹵素氧化還原反應(yīng)代替釩基或錳基正極的鋅-鹵素電池逐漸受到重視，然而，Zn負極較差的表面穩(wěn)定性以及副產(chǎn)物在水溶液中的不可控積累限制了其進一步發(fā)展。基于此，中南大學周江教授，梁叔全教授報道了提出了用一種N-甲基乙酰胺(N-ACE)基共晶液來代替水溶液作為鋅-碘電池的電解液。1）研究發(fā)現(xiàn)，與水溶液相比，共晶溶液（14-05-20）中的Zn2+具有獨特的雙殼層溶劑化結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層包括I-和CF3SO3-，外層包括H2O和C3H7NO。在合理限制游離H2O的數(shù)量的同時，I-作為一種活性物質(zhì)，它與周圍離子(分子)的靜電相互作用較弱。密度泛函理論（DFT）計算的化學熱力學揭示了共晶溶液通過增加從3*I2轉(zhuǎn)化到2*I3-的吉布斯自由能，抑制I3-中間產(chǎn)物的形成。2）基于這些優(yōu)點，這種共晶溶液作為鋅-碘電池的電解液具有理想的電化學性能，包括負極表面鋅離子的均勻電鍍/剝離，電解液中直接徹底的碘氧化還原反應(yīng)，以及活性炭正極的高效吸附-脫附。Yongqiang Yang, et al, Eutectic electrolyte based on N-methylacetamide for highly reversible zinc–iodine battery, Energy Environ. Sci., 2022https://doi.org/10.1039/d1ee03268b
8. Angew：自組裝光捕獲熒光球形核酸，用于核酸的放大檢測
復(fù)雜生物樣品中核酸的超低濃度需要具有高特異性和靈敏度的熒光探針。鑒于此，南方科技大學田雷蕾等人開發(fā)了一種新型球形核酸（SNA），利用熒光π共軛聚合物（FCPs）作為集光天線來增強核酸檢測的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。1）具體來說，兩親性 DNA 接枝的 FCP 被合成并自組裝成 FCP-SNA 結(jié)構(gòu)。調(diào)整接枝共聚物的疏水性可以調(diào)整 FCP-SNA 的尺寸和光捕獲能力。2）研究人員觀察到在更大的 FCP-SNA 中發(fā)生更有效的信號放大，因為涉及更多的發(fā)色團，并且能量轉(zhuǎn)移可以超出 F?rster 半徑。因此，優(yōu)化的 FCP-SNA 在 microRNA 檢測中顯示出高達 37 倍的信號放大天線效應(yīng)和低至 1.7 pM 的檢測限。因此，F(xiàn)CP-SNA被應(yīng)用于單細胞水平的擴增原位核酸檢測和成像。F. Xiao, et al., Light-Harvesting Fluorescent Spherical Nucleic Acids Self-Assembled from a DNA-Grafted Conjugated Polymer for Amplified Detection of Nucleic Acids. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202115812;Angew. Chem. 2022, e202115812.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202115812
9. Angew：單原子和團簇催化劑尖端效應(yīng)的調(diào)節(jié)：析氯反應(yīng)中高效生成可逆氧物種
析氯反應(yīng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用已有百年歷史。經(jīng)過幾次的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于陽極上的電催化過程。然而，生產(chǎn)中使用的陽極含有大量貴金屬，這無疑增加了成本。這為亞納米催化劑在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了契機。近日，清華大學王定勝報道了設(shè)計了一種由碳化鈦納米顆粒負載的氧化亞納米銥原子團簇（簡稱Irn-TiC）組成的氧化亞納米團簇催化劑（OSCC），目的是通過獲得合適的尖端效應(yīng)（TE）和合適的Ocus原子的電子結(jié)構(gòu)來降低Ir SACs（記為Ir1-TiC）過強的電子金屬-載體相互作用（EMSI）。1）理論結(jié)果表明，Irn-TiC上Ir物種與TiC之間的EMSI遠低于Ir1-TiC，這可能在調(diào)節(jié)Ocus原子的吸附狀態(tài)中起重要作用。只有選擇合適的EMSI，才能實現(xiàn)正確的吸附過程和較低的能壘。2）Irn-TiC的催化效率遠高于Ir1-TiC和最新的DSA。在電流密度為10 mA cm-2時，Irn-TiC的過電位僅為31 mV，遠低于Ir1-TiC和DSA。此外，Irn-TiC對氯的選擇性約為100%，可降低電耗約20%。此外，由于Ir在Irn-TiC上的負載量僅為0.40 wt%，Irn-TiC的貴金屬效率是DSA的幾千倍。3）結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)簇合物和單原子物種的EMSI來調(diào)節(jié)催化效率是有效的，氧化亞納米簇合物催化劑在CER中具有較高的催化活性。總之，OSCC在氯氣生產(chǎn)中的成功為傳統(tǒng)化工行業(yè)帶來了巨大的機遇。Jiarui Yang, et al, Regulating the tip effect on single-atom and cluster catalysts: forming reversible oxygen species with high efficiency in chlorine evolution reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202200366https://doi.org/10.1002/anie.202200366
10. Nano Letters：ZnF2/Ag包覆Zn的選擇性位點吸附用于低溫下的先進水系鋅金屬電池
鋅（Zn）金屬作為一種極有前途的水系電池負極材料，存在嚴重的寄生反應(yīng)和不可控的枝晶生長問題。為了解決這些問題，需要仔細調(diào)節(jié)去溶劑化和成核過程。基于此，山東大學Jian Yang，天津大學Hongxia Liu報道了通過簡單的反應(yīng)，在Zn金屬表面鍍上了一層薄而結(jié)實的ZnF2-Ag薄膜。1）研究發(fā)現(xiàn)，在雜化層中，Ag在循環(huán)過程中原位轉(zhuǎn)化為AgZn3，對Zn原子有很強的親和力，降低了成核勢壘。ZnF2對H2O有較大的結(jié)合能，對Zn原子有較低的擴散能壘，表明ZnF2改善了表面的去溶劑化和擴散過程。更重要的是，H2O和Zn結(jié)合位點的空間分離抑制了Zn2+和H2O的復(fù)合，改善了反應(yīng)動力學。2）結(jié)果表明，采用ZnF2?Ag@Zn的對稱電池具有超長的循環(huán)壽命（2200 h，2 mAh cm?2），超低過電位（14 mA cm?2時為60 mV），高鋅利用率(85.6%)。即使在鋅供應(yīng)有限（N/P=2.3）和面容量為5.0 mAh cm?2的條件下，ZnF2?Ag@Zn||PANI全電池仍表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能。此外，在?40 °C的低溫下，ZnF2?Ag@Zn||PANI具有5000次的超長循環(huán)壽命和100%的容量保持率。這項工作為改善鋅金屬電池的性能，特別是低溫下的性能提供了新的見解。Dongdong Wang, et al, Site-Selective Adsorption on ZnF2/Ag Coated Zn for Advanced Aqueous Zinc?Metal Batteries at Low Temperature, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04975https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04975
11. Nano Letters：Bi2O3/BiO2納米異質(zhì)結(jié)用于高效電催化CO2還原制甲酸鹽
在先進催化中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)工程在調(diào)節(jié)材料界面、促進電子傳遞途徑方面起著至關(guān)重要的作用。近日，南方科技大學Lele Duan，Hong Chen報道了采用熔融堿輔助脫鋁的方法合成了一種新型的Bi2O3/BiO2異質(zhì)結(jié)催化劑，并對電催化CO2還原反應(yīng)（ECO2RR）表現(xiàn)出豐富的結(jié)構(gòu)動力學。1）通過原位X射線衍射和拉曼光譜的耦合測量，研究人員發(fā)現(xiàn)合成的Bi2O3/BiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新穎的Bi/BiO2Mott?Schottky異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而提高了對CO2和*OCHO中間體的吸附性能。2）實驗結(jié)果顯示，在較寬的電位范圍內(nèi)，Bi2O3/BiO2異質(zhì)結(jié)用于ECO2RR對甲酸鹽的高選擇性大于95%，并以最先進的鉍基ECO2RR催化劑為基準，獲得了?111.42 mA cm?2的最佳部分電流密度。本工作報道了一種新型的ECO2RR異質(zhì)結(jié)電催化劑的構(gòu)建和富有成效的結(jié)構(gòu)動力學見解，為合理設(shè)計高效的ECO2RR及以后的異質(zhì)結(jié)電催化劑奠定了基礎(chǔ)。Xuezhen Feng, et al, Bi2O3/BiO2 Nanoheterojunction for Highly Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction to Formate, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04683https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04683
12. ACS Nano: 面向卓越鋅離子存儲的V2CTx MXene的表面硒化策略
MXenes具有層狀結(jié)構(gòu)、金屬導(dǎo)電性和親水性，是一種很有前途的水系鋅離子電池正極材料。然而，除非它們受到電化學誘導(dǎo)的第二相形成的影響，否則它們具有極低的容量，這無疑是沒有意義、耗時和無法控制的。基于此，東南大學孫正明教授，Long Pan報道了提出了一種簡單的表面硒化策略，以實現(xiàn)在MXenes上構(gòu)建可控和可擴展的過渡金屬硒化物（TMSes）。1）通過硒化過程，MXenes表面的金屬原子作為原位形成TMSe納米板的金屬源。同時，MXenes的內(nèi)層被有意地保存下來，作為固定TMSe納米板防止重新堆疊的襯底。2）與非原位組裝相比，原位表面硒化策略可以在不釋放有毒氣體的情況下一步高效地制備TMSe@MXene納米雜化材料。此外，表面硒化策略也適用于各種MXenes，這一點在V2CTx、Ti3C2Tx和Nb2CTx Mxenes的情況下得到了驗證。3）作為概念驗證，研究了V2CTx表面硒化制備的VSe2@V2CTx納米雜化材料作為AZIBs的正極材料。第一性原理計算、贗電容分析和電化學阻抗譜(EIS)結(jié)果表明，得益于形貌和成分的結(jié)合，VSe2@V2CTx納米雜化材料表現(xiàn)出更好的Zn2+擴散動力學。因此，VSe2@V2CTx在2.0 A g?1下600次循環(huán)后的可逆比容量高達158.1 mA h g?1(對應(yīng)的容量保持率高達93.1%)，表明其良好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，VSe2@V2CTx在不同電流密度下也表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。Dawei Sha, et al, Surface Selenization Strategy for V2CTx Mxene toward Superior Zn-Ion Storage, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.1c09639https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09639
