1. Nature Commun.：用于穩定鋰離子電池循環的LiNi0.5Mn1.5O4正極上原子薄層的外延生長
鋰基電池正極活性材料中過渡金屬的溶解是限制這些電池循環壽命的關鍵因素。盡管人們已經提出了幾種方法來解決這個問題，但是這種有害的過程仍沒有被克服。近日，得益于半導體研究的發展，昆士蘭大學王連洲教授，Tobias U. Schülli報道了應用外延方法在LiNi0.5Mn1.5O4正極材料上構建了LaTMO3 (TM = Ni，Mn)的原子潤濕層。
本文要點：
1）研究人員通過實驗測量和理論分析證實了Stranski-Krastanov生長，其中應變潤濕層在熱力學平衡下形成，并且由于表面能和彈性能之間的競爭，它自限于單原子厚度。由于原子級薄且晶體學上連接到尖晶石主晶格，LaTMO3潤濕層抑制了過渡金屬從正極溶解，而不影響其動力學。
2）實驗結果顯示，當與石墨碳負極和基于LiPF6的非水電解質溶液結合測試時，外延設計的正極材料具有顯著提高的循環穩定性（在290 mA g-1下1000次循環后容量保持率約為77%），平均庫侖效率(CE) > 99%。
Zhu, X., Schülli, T.U., Yang, X. et al. Epitaxial growth of an atom-thin layer on a LiNi0.5Mn1.5O4 cathode for stable Li-ion battery cycling. Nat Commun 13, 1565 (2022).
DOI：10.1038/s41467-022-28963-9
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28963-9
2. Nature Commun.：基于二元摻雜偏析的赤鐵礦基異質結用于高效太陽能合成過氧化氫
在離子氧化物中經常觀察到的摻雜劑偏析有利于工程材料和器件。然而，由于離子遷移的驅動力差和大量晶界的存在，摻雜劑大部分被限制在納米級范圍內。近日，日本神戶大學Takashi Tachikawa報道了在空氣中相對較低的溫度下，使用金屬摻雜的赤鐵礦介晶的一步熱退火，通過定向自偏析形成核-殼異質結構。
本文要點：
1）介晶內部納米晶體亞單元之間的高度有序界面的燒結消除了晶界，在本體中留下大量氧空位。這導致摻雜劑(約90%)在外表面上的有效分離，形成其氧化物覆蓋層。
2）無序SnTiOx覆蓋層上的氧化表面Sn4+物種是有效產生H2O2的潛在活性位點。結果顯示，基于赤鐵礦介晶的優化光陽極具有包含Sn和Ti摻雜劑的氧化物覆蓋層，用于光電化學制H2O2，具有高活性（ 0.8 μmol min-1 cm-2）和高選擇性(~90%)。
3）此外，其他類型的覆蓋層，例如氮化物和氫化物，可以通過改變合成條件（例如，在N2或H2氣氛中退火）來制備，以形成新的功能。
Zhang, Z., Tsuchimochi, T., Ina, T. et al. Binary dopant segregation enables hematite-based heterostructures for highly efficient solar H2O2 synthesis. Nat Commun 13, 1499 (2022).
DOI：10.1038/s41467-022-28944-y
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28944-y
3. Angew：新型空穴傳輸材料實現優異的鈣鈦礦太陽能電池
西湖大學孫立成、南開大學陳永勝等報道發展了一種新型類型空穴傳輸材料，這種空穴傳輸材料是將二維共軛的氟修飾的芘組裝在噻吩和硒酚聚合物的鏈上，其中較大的芘和“軟Lewis”的Se原子能夠顯著的增強空穴傳輸層分子進行更好的π-π堆疊，同時能夠與鈣鈦礦吸光材料表面形成強相互作用。因此同時改善空穴傳輸層、空穴傳輸層/鈣鈦礦界面的電荷傳輸/轉移性能。
本文要點：
1）這種空穴傳輸材料，與芘相鄰的氟取代基能夠顯著的導致空穴傳輸層分子之間更好的表現為面朝上的堆疊，有效的改善電荷傳輸。通過使用這種新型空穴傳輸層，鈣鈦礦太陽能電池實現了22.3 %的優異性能，顯著的改善電池器件的壽命，其性能達到非摻雜型空穴傳輸層鈣鈦礦太陽能電池的最好性能范圍。
Zhaoyang Yao, et al, Pyrene-Based Dopant-Free Hole-Transport Polymers with Fluorine Induced Favorable Molecular Stacking Enable Efficient Perovskite Solar Cells, Angew. Chem. Int. Ed. 2022
DOI: 10.1002/anie.202201847
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202201847
4. Angew：N-雜環卡賓納米層用于延緩銅膜氧化
銅（Cu）的廣泛應用受到其快速氧化的限制。目前，主要的氧化緩解方法包括合金化或表面鈍化技術。然而，表面合金化通常會改變Cu的物理性質，而表面鈍化的特征在于有限的熱和化學穩定性。近日，希伯來大學Elad Gross報道了通過使用炔官能化咪唑鎓鹽的電化學輔助去質子化，可以在銅膜上制備2 nm厚的NHC納米層，并且表明納米層涂層提供了減輕銅氧化的表面鈍化。
本文要點：
1）在電化學納米層形成過程中，通過水還原在銅電極上電化學形成氫氧根離子。局部堿的形成使得咪唑鹽前體的去質子化和NHCs在銅電極上的錨定成為可能。炔烴基團被局部堿性環境去質子化，導致表面聚合和納米層形成。NHC納米層的特征在于誘導2.0±0.5 nm厚度的納米層的自限制生長機制。
2）去質子化、表面錨定和聚合步驟之間的高度空間和時間接近性使得能夠在銅電極上形成NHC納米層，并且避免了液相聚合。此外，咪唑鎓和炔烴基團之間的pKa差異提供了區分表面錨定和聚合步驟的能力，并形成具有強表面親和力的高密度單層。封裝納米層中的強卡賓-金屬相互作用和NHC互連提供了高的熱和化學穩定性，并減輕了高溫（100 ℃）和堿性環境下空氣中的銅氧化，這似乎是合理的。此外，NHC納米層的氧化緩解能力優于NHC單層。
3）這種電化學誘導的NHC納米層的容易制備和良好控制的生長過程使其成為大規模涂覆的容易應用的方法，從而為銅表面提供薄且有效的鈍化層。此外，NHC納米層形成的電誘導機制使得在導電銅線上選擇性沉積保護層而不改變整個器件的光學特性成為可能。這些優點使得本技術非常適合要求高透明度的應用，例如太陽能電池和電致發光器件。
Iris Berg, et al, N-Heterocyclic Carbene Nanolayer For Copper Film Oxidation Mitigation, Angew. Chem. Int. Ed. 2022
DOI: 10.1002/anie.202201093
https://doi.org/10.1002/anie.202201093
5. AM：陰離子交換驅動相變用于制造外延鈣鈦礦異質結的CsPbI3納米線
鹵化物鈣鈦礦中的陰離子交換為制造低成本光伏和光電子學中的異質結提供了獨特的帶隙工程途徑。然而，由于在三維（3D）鈣鈦礦中跨異質結的自發陰離子相互擴散，實現堅固而尖銳的鈣鈦礦異質結仍然具有挑戰性。大連理工大學Yiming Yang等人研究表明一維鈣鈦礦中的陰離子行為根本不同，陰離子交換可以很容易地驅動 CsPbI3 納米線 (NW) 中的間接到直接的帶隙相變，并大大降低相變溫度。
本文要點：
1）相變產生的異質結本質上是外延的，其化學成分可以在后退火時精確控制。
2）對相變動力學的進一步研究揭示了這些 1D NW 中的閾值主導陰離子交換機制，而不是 3D 系統中的梯度主導機制。
3）該研究結果為鹵化物鈣鈦礦中的離子行為提供了重要的見解，這有利于太陽能電池、LED 和其他半導體器件的應用。
Li, J., Xu, J., Bao, Y., Li, J., Wang, H., He, C., An, M., Tang, H., Sun, Z., Fang, Y., Liang, S. and Yang, Y. (2022), Anion-exchange Driven Phase Transition in CsPbI3 Nanowires for Fabricating Epitaxial Perovskite Heterojunctions. Adv. Mater. 2109867.
DOI：10.1002/adma.202109867
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202109867
6. AM: 仿生柔韌固態電解質實現超長壽命柔鋅空電池
為柔性可充電電池制造先進的固態電解質變得越來越重要，但這仍然是一個巨大的挑戰。強健的動物真皮的復雜結構和自然界中植物細胞的良好保水性可以為高性能固態電解質的設計提供原型和靈感。近日，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授等制備了一種能夠協助鋅空電池實現超長循環壽命的仿生固態電解質。
本文要點：
1）研究人員通過在中空聚合物微膠囊修飾的水凝膠聚合物網絡中原位形成能夠傳導-OH的離子網絡來構筑了仿生固態電解質。憑借仿生設計和動態雙滲透網絡結構以及離聚體和分子聚合物的協同作用，仿生固態電解質可以同時實現1800%的拉伸性能、107 g/g的良好吸水性和保水性以及215 mS/cm的超高離子電導率。
2）研究人員借助分子動力學模擬對該固態電解質的納米結構和離子傳輸機制等進行了分析，結果表明在固態電解質內存在大量致密的超快離子通道，這有助于實現超高的離子電導率。因此，柔性固態鋅空電池可以實現高達148Mw/cm2的高功率密度、758mAh/g的比容量以及長達320h的循環壽命。
Haozhen Dou et al, Bioinspired Tough Solid-State Electrolyte for Flexible Ultralong-Life Zinc-Air Battery, Advanced Materials, 2022
DOI: 10.1002/adma.202110585
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202110585
7. AM: 調制過渡金屬-氧鍵的共價性來增強晶格氧的氧化還原可逆性
利用電極材料中的晶格氧的可逆氧化還原反應是突破電池容量極限的有效手段。然而，晶格氧的氧化還原反應通常伴隨著不可逆的氧物種氧化過程，因而會導致局部結構畸變以及后續的容量和電壓衰減。最近，蘇州大學Liang Zhang、南京大學Shaohua Guo以及清華大學Jinpeng Wu等發現通過調節鈉電正極材料中過渡金屬-氧鍵（TM-O）的共價性可以顯著改善晶格氧氧化還原的可逆性。
本文要點：
1）研究人員選擇了P2型層狀Na0.6Mg0.3Mn0.7O2(NMMO)正極材料作為模型材料，該材料通過將Mn的價態提高到+4價來將首周充電過程中Mn元素的氧化還原反應降到最低。研究人員使用具有較高電負性的Cu2+取代低電負性的Mg2+制備了Na0.6Mg0.15Mn0.7Cu0.15O2(NMMCO)來提高TM-O鍵的共價性。高效共振非彈性X射線散射能譜（mRIXS）表征結果表明Cu2+摻雜使得晶格氧的氧化還原可逆性從73%提高到了95%。
2）研究人員還發現Cu2+的摻雜使得P2-OP2的不可逆相轉變得到了顯著抑制，材料整體的體積變化降低到了0.45%。密度泛函理論計算的結果揭示Cu 3d能級與O 2p能級之間存在較大的能量重疊，因而可以提高氧框架的剛性來抑制局部結構畸變。
Chen Cheng et al, Enhancing the Reversibility of Lattice Oxygen Redox Through Modulated Transition Metal-Oxygen Covalency for Layered Battery Electrodes, Advanced Materials, 2022
DOI: 10.1002/adma.202201152
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202201152
8. AM：陰離子脂質納米顆粒能夠優先將mRNA遞送到肝臟網狀內皮系統
脂質納米顆粒(LNPs)是一種能夠在體內將外源RNA遞送到靶細胞的非病毒技術。Onpattro是已被批準的一種LNPs基RNA干擾療法，其能夠通過靜脈給藥的方式靶向肝實質細胞。然而，開發能夠通過系統給藥LNP以在肝細胞外優先遞送RNA的策略仍具有很大的挑戰性。萊登大學Frederick Campbell和英國哥倫比亞大學Dominik Witzigmann通過對體內納米顆粒生物分布和機體清除機制進行全面研究，合理設計了一個以LNP為基礎的信使RNA (mRNA)遞送平臺，并證明其會優先靶向肝臟網狀內皮系統(RES)。
本文要點：
1）實驗在胚胎斑馬魚和小鼠模型中進行了驗證評估，并將其直接與基于Onpattro脂質組成的LNP-mRNA系統進行比較，發現靶向RES的LNPs能夠顯著增強肝臟內和肝RES細胞類型內的mRNA表達。研究表明，實現對肝臟RES的靶向只需在Onpattro配方內對單個脂質進行改變，即可將LNP的表面電荷從中性轉變為陰離子。
2）這項技術不僅為治療RES細胞發揮關鍵作用的肝臟特異性和系統性疾病提供了新的策略，而且也證明了在合理設計先進的RNA療法之前需要對涉及的納米-生物相互作用進行充分的考察。
Roy Pattipeiluhu. et al. Anionic Lipid Nanoparticles Preferentially Deliver mRNA to the Hepatic Reticuloendothelial System. Advanced Materials. 2022
DOI: 10.1002/adma.202201095
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202201095
9. AM：實現堿性介質中出色制氫的相鄰Ru位點上的協同反應動力學
釕（Ru）基電催化劑作為鉑（Pt）的替代物在催化析氫反應（HER）中具有廣闊的前景。然而，利用Ru催化劑上實現高效的反應過程仍然具有挑戰性，尤其是在堿性介質中。近日，中科大宋禮教授報道了一種在碳載體上形成的具有相鄰Ru單原子的分散良好的Ru納米粒子（Ru1,n-NC）高性能堿性HER電催化劑。
本文要點：
1）研究人員在高溫下熱解Ru錨定的聚吡咯得到Ru1,n-NC。熱解過程中，微小的釕物種轉化為納米粒子和單分散原子，聚吡咯被熱解成有缺陷的碳載體。
2）得到的Ru1,n-NC具有極低的過電位（14.8 mV）和較高的周轉頻率（-0.025 V下達到1.25 H2 s-1），遠遠超過商業上40wt%的Pt/C催化劑。
3）分析結果表明，Ru納米顆粒和單一位點可以相互促進，將電子傳遞到碳載體。最終，加速了水的解離，降低了氫氧化物/氫在相鄰Ru位點上的脫附能壘，從而使得Ru1,n-NC具有優化的反應動力學，在堿性介質中實現了高效制氫。
這項工作提供了一個新的見解催化劑設計的同時優化的基本步驟，以在堿性介質中獲得理想的電催化HER性能。
Qun He, et al, Synergic Reaction Kinetics over Adjacent Ruthenium Sites for Superb Hydrogen Generation in Alkaline Media, Adv. Mater. 2022
DOI: 10.1002/adma.202110604
https://doi.org/10.1002/adma.202110604
10. AFM: 具有配位取向溶劑化殼層的水合共晶電解質提高金屬鋅負極穩定性
盡管在過去的幾年間正極材料的發展取得了長足的進步，但是水溶液鋅離子電池由于金屬鋅負極一側枝晶生長和副反應等問題而面臨著嚴重的性能衰減問題。最近，中南大學Jiang Zhou和新加坡南洋理工大學范紅金等報道了一種具有配位取向溶劑化殼層的水合共晶電解質，顯著提高了金屬鋅負極的界面穩定性。
本文要點：
1）本文報道的這種水合共晶電解質由Zn(ClO4)2、甲磺酰甲烷（MSM）和水組成，主要用來增強與金屬鋅負極相關的氧化還原反應的可逆性。該電解液體系由Zn(ClO4)2與H2O之間的Zn2+-O相互作用誘導而成，而MSM作為路易斯酸會進入到Zn2+的第一溶劑化殼層中形成Zn-MSM-H2O的溶劑化結構。
2）研究人員通過系統的原位和非原位表征，我們證明這種Zn-MSM-H2O的溶劑化結構可以剝奪一定數量的自由水分子，并加強分子間的相互作用，從而有效地實現無枝晶鋅沉積和抑制副反應。因此，釩基鋅電池中的鋅氧化還原反應具有前所未有的可逆性(即使在1000 mA /g下進行1600次循環后仍保持100%的容量保持率)。
Mingming Han et al, Hydrated Eutectic Electrolyte with Ligand-Oriented Solvation Shell to Boost the Stability of Zinc Battery, Advanced Functional Materials, 2022
DOI: 10.1002/adfm.202110957
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110957?af=R
11. Nano Lett.：CsPbI3基相穩定2D鈣鈦礦高效太陽能電池
由于缺乏揮發性有機成分，無機 CsPbI3 鈣鈦礦在高度穩定的鈣鈦礦太陽能電池中顯示出巨大的前景。然而，環境條件下較差的相穩定性是由非常小的 Cs+ 造成的，限制了它們的實際應用。南開大學劉永勝和蘇州大學尹萬建等人使用兩種噻吩基芳香族間隔物，通過釋放黑相 CsPbI3 的大內應力，開發了基于 CsPbI3 的 2D Ruddlesden-Popper (RP) 鈣鈦礦。
本文要點：
1）兩種噻吩基芳香族間隔物為2-噻吩甲胺氫碘化物 (ThMA) 和 2-噻吩甲脒氫碘化物 (ThFA)。優化的基于 ThFA 的 2D RP 鈣鈦礦（n = 5，ThFA-Cs）器件實現了創紀錄的 16.00% 的效率。
2）重要的是，ThFA-Cs 器件在室溫下在 N2 中儲存 3000 小時后可以保持其初始效率的平均 98%，在 80°C 下儲存 960 小時后可以保持其初始值的 92%。
3）這項工作為探索用于高性能太陽能電池的尺寸減小的相穩定 CsPbI3 基鈣鈦礦提供了新的視角。
Zhiyuan Xu, et al. CsPbI3-Based Phase-Stable 2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Efficient Solar Cells, Nano Lett. 2022
DOI：10.1021/acs.nanolett.2c00002
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c00002
12. Nano Lett.：微孔-空位骨架上原子級分散催化劑的通用協同捕獲-鍵合超組裝
原子級分散的催化劑是催化科學領域的一種新型材料，然而它們在溫和條件下的大規模合成仍然具有挑戰性。近日，復旦大學孔彪報道了一種在溫和溫度下在微孔-空位骨架上獲得原子級分散催化劑的通用協同捕獲-鍵合超組裝（CBSA）策略。
本文要點：
1）在該策略中，骨架（MVF）的窄孔（0.6 nm）可以首先通過毛細作用力和靜電相互作用實現高分散性的精確金屬離子捕獲，而MVF孔表面的空位可以在60 ℃下立即與捕獲的金屬離子牢固結合。
2）通過窄孔的精確捕獲和空位的穩定鍵合不僅簡化了原子級分散催化劑的合成過程，而且實現了它們在溫和溫度下的大規模制備。
3）電化學測試結果表明，所制備的原子級分散Pt/MVF具有良好的電催化活性，在1.0 M KOH和0.5 M H2SO4中，當過電位為50 mV時，其活性分別是市售Pt/C催化劑的21.4倍和20.8倍。此外，超過100 h的超長操作穩定性為其實際應用提供了更多的潛力。
Qirui Liang, et al, General Synergistic Capture-Bonding Superassembly of Atomically Dispersed Catalysts on Micropore-Vacancy Frameworks, Nano Lett., 2022
DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00042
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00042
