1. Nature Materials：雙重有機纖維網絡構建高性能有機太陽能電池
有機光伏器件中控制改善供體和受體的納米尺度分布與形貌是實現激子高效擴散和解離、載流子傳輸、抑制載流子復合的關鍵。有鑒于此，上海交通大學劉烽、北京航空航天大學孫艷明、倫敦帝國理工學院 Jun Yan等報道一種基于三元供體-受體的雙重有機纖維網絡結構，這種纖維網絡結構由共軛聚合物晶體和非富勒烯受體的絲狀結構組裝形成，因此實現了優異的有機光電太陽能電池性能。通過設計供體-受體的組分，能夠對相分離、晶化、纖維的尺寸進行調控，因此改善激子和載流子傳輸，激子的擴散距離達到~40 nm，自由電荷的擴散距離達到~105 nm，電荷漂移距離達到~2700 nm。
本文要點：
1)通過雙重纖維結構，實現了~82 %的填充因子，19.3 %的有機光電太陽能電池效率（認證效率為19.2 %），這項研究結果對應于改善的激子擴散距離、顯著抑制的復合速率，最大程度上緩解了光子-電子轉變過程損失。
2)這種雙重纖維網絡形貌策略能夠降低損失，最大程度增加電池性能，為單節有機光伏器件實現20 %的效率提供機會。
Zhu, L., Zhang, M., Xu, J. et al. Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology. Nat. Mater. (2022)
DOI: 10.1038/s41563-022-01244-y
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01244-y
2. Nature Commun.：納米褶皺誘導的具有中等電子庫的Sn-Bi雙金屬界面圖案用于高效的CO2電還原
CO2電還原反應為全球碳中和提供了一個有吸引力的途徑。工業CO2電解成甲酸鹽需要增加電流密度，這受到精確調和競爭中間體(OOH*和HCOO*)困難的嚴重限制。近日，滑鐵盧大學陳忠偉教授，Aiping Yu，Luis Ricardez–Sandoval，華南師范大學Xin Wang在CO2電解條件下，通過定制的電沉積原位設計了納米褶皺誘導的Sn-Bi雙金屬富界面材料，顯著加快了甲酸鹽的生成。
本文要點：
1）這種界面設計策略展示了應對上述挑戰的多種優點，在H電池中實現了甲酸鹽的高局部電流密度（高達140 mA/cm2）這歸因于在CO2RR條件下源自納米褶皺/折皺的大量暴露的活性Sn-Bi雙金屬界面圖案。
2）通過同時抑制COOH*與CO形成的結合和增強HCOO*與甲酸形成的結合，在較低電位（0.84 V vs. RHE）下獲得高達96.4%的最高FEfromate。并在寬電位窗口（0.74至1.14 V vs. RHE）下保持高甲酸鹽法拉第效率（＞90%），耐久性為160 h，這歸因于在互連多孔碳織物網絡上生長的穩定褶皺處結構清晰的表面結構，這提供了快速的質量傳輸和電子導電性。
納米褶皺對活性位點電子結構的操縱闡明了形貌、表面結構、電子性質和反應途徑之間的相關性，提供了一種合理的設計策略來增強納米結構材料的催化性能。
Bohua Ren, et al, Nano-crumples induced Sn-Bi bimetallic interface pattern with moderate electron bank for highly efficient CO2 electroreduction, Nat Commun, 2022
DOI: 10.1038/s41467-022-29861-w
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29861-w
3. Chem：異質結構銅/氧化物電極助力CO2電還原為C2+產物
將CO2電化學還原為增值的多碳產品受到了Cu上C-C偶聯過程效率低的限制。將金屬氧化物與Cu表面結合提供了打破比例關系的新自由，進而調節Cu上的產物分布。近日，浙江大學吳浩斌教授結合實驗和理論研究，揭示了CO2吸附增強的金屬氧化物偶聯的Cu表面可以通過路易斯酸堿相互作用促進CO2分子的活化，并提高CO2RR的催化活性。此外，銅-氧化物界面邊界對C-C偶聯顯示出不同的CO*吸附強度和反應能壘，從而對C2+產物顯示出不同的選擇性。
本文要點：
1）在篩選的Cu/氧化物異質結構體系中，Cu/ZrO2對C2+產物表現出最佳的催化活性。這種Cu/ZrO2異質結構電極是通過在銅箔上涂覆ZrO2納米顆粒，然后原位重建Cu表面以形成堅固的Cu-ZrO2界面。
2）原位表面增強拉曼光譜揭示了CO*在Cu/ZrO2電極上的吸附和覆蓋增強，這與理論預測相一致。密度泛函理論（DFT）計算還表明，與裸露的Cu表面相比，C-C耦合過程在Cu-ZrO2界面處更有利，而主要的競爭反應如C1途徑(如CH4的形成)被抑制。
3）實驗結果顯示，Cu/ZrO2電極對C2+產物(即乙烯、乙醇和正丙醇)的法拉第效率(FE)為85%，可在H型電解槽中穩定運行66 h以上，超過了以往報道的大多數類似條件下的Cu基催化劑/電極。
Li et al., Enhanced electroreduction of CO2 to C2+ products on heterostructured Cu/oxide electrodes, Chem (2022)
DOI：10.1016/j.chempr.2022.04.004
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.04.004
4. Matter：在電解液中植入離子選擇性“皮膚”助力高能安全的鋰-硫電池
電解液中離子的動電調節對于緩解鋰-硫（Li-S）電池中鋰多硫化物的穿梭效應和枝晶生長具有重要意義。近日，受離子交換膜可調的溶質-聚合物相互作用的啟發，中南大學韋偉峰教授通過原位凝膠法在電解液中植入了一種由甲基丙烯酸異氰乙酯接枝聚乙烯亞胺（PEI-IEM）構建的離子選擇性“皮膚”。
本文要點：
1）這種量身定制的皮膚賦予了基于PEI-IEM的凝膠聚合物電解質(GPE)一個含有豐富極性基團的超支化網絡，從而提高了電解液的阻燃性，實現了對鋰多硫化物遷移的阻擋，并促進了Li+的傳輸，防止了不均勻的沉積。
2）基于PEI-IEM的GPE增強了S的電化學可逆性和高安全性，10 Ah Li-S軟包電池具有2.6的低電解質/S比和1.43的過量Li負極，可提供412.7 Wh kg-1的能量密度。
這一概念驗證研究為調整電解液的離子行為以實現高能和安全的Li-S電池提供了新的見解。
Ma et al., Implanting an ion-selective “skin”in electrolyte towards high-energy and safe lithium-sulfur battery, Matter (2022)
DOI：10.1016/j.matt.2022.04.017
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.017
5. Matter: 機器學習加速鹵化物鈣鈦礦的商業化和放大進程
雖然鹵化物鈣鈦礦引起了學術界的廣泛關注，但大規模工業生產的例子仍然很少。從這個角度來看，圣地牙哥加利福尼亞大學David P. Fenning，麻省理工學院Tonio Buonassisi以及西北工業大學劉哲等人回顧了阻礙鹵化物鈣鈦礦商業化的實際挑戰，并討論了機器學習 (ML) 工具如何提供幫助。
本文要點：
1）融合機構知識和人類專業知識的主動學習算法有助于穩定和快速更新基線制造流程。
2) 使用基于 ML 的分類工具的計算機成像方法可以幫助縮小大面積和小面積設備之間的性能差距。
3) 推理方法可以通過協調多個數據流和模擬來幫助加速根本原因分析，將研究工作集中在概率最高的領域。我們得出的結論是，為了應對其中的許多挑戰，需要對現有 ML 方法進行漸進式（而非激進式）調整。
4）研究人員提出了產學合作如何幫助調整“現成的”機器學習工具以適應特定的行業需求，通過揭示底層機制進一步改進過程控制，并開發“游戲改變者”面向發現的算法，以更好地駕馭廣闊的材料選擇空間。
Rishi E.Kumar, et al. Opportunities for machine learning to accelerate halide-perovskite commercialization and scale-up, Matter, 2022.
DOI：10.1016/j.matt.2022.04.016
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238522001680#!
6. EES：用于促進氧還原的高度可及和致密的表面單金屬FeN4活性位點
鐵單原子和氮共摻雜碳（Fe-N-C）電催化劑在催化動力學緩慢的氧還原反應(ORR)方面具有巨大的潛力，被認為是貴金屬鉑（Pt）的最有前途的替代催化劑。不幸的是，現有Fe-N-C催化劑的ORR性質受到FeN4部分的較差可及性和固有活性的顯著阻礙。近日，德累斯頓工業大學馮新亮教授，Thomas Heine，紐約州立大學布法羅分校武剛教授使用含氮多孔碳(NHPC)作為支架，通過鐵離子錨定和隨后的熱解策略，在多孔碳上構建了密集暴露的表面FeN4（sur-FeN4-HPC）。
本文要點：
1）具有豐富表面Fe錨定位點的NHPC的高表面積使得能夠在sur-FeN4-HPC上成功制造密集可及的FeN4活性部分（34.7ⅹ1019 sites g-1）。第一性原理計算進一步表明，邊緣效應可以調節單個Fe位點的電子結構，從而促進FeN4部分的固有ORR活性。
2）實驗結果顯示，在酸性介質中，sur-FeN4-HPC電催化劑表現出優異的ORR活性，具有0.83 V的高半波電位(相對于可逆氫電極)。研究人員進一步研究了sur-FeN4-HPC作為質子交換膜燃料電池(PEMFC)的陰極催化劑。在1.0 bar O2下，膜電極組件在0.9 VIR(內阻補償電壓)下的電流密度為24.2 mA cm-2，在1.0 bar空氣下的最大峰值功率密度為0.412 W cm-2。重要的是，該催化劑在惡劣的氫氣和空氣條件下表現出了良好的耐用性，可以在30000次電壓循環中使用。sur-FeN4-HPC的PEMFC性能優于已報道的Fe-N-C電催化劑。
這種在sur-FeN4-HPC上構建高度可及且致密的表面FeN4位，為設計適用于不同電化學過程的高性能電催化劑提供了一條有效途徑。
Guangbo Chen, et al, Highly Accessible and Dense Surface Single Metal FeN4 Active Sites for Promoting Oxygen Reduction, Energy Environ. Sci., 2022
DOI: 10.1039/D2EE00542E
https://doi.org/10.1039/D2EE00542E
7. EES：微網格化硅電極作為電活性鋰載體
鋰(Li)基質是一種先進的高能量密度金屬鋰電池電極結構，它可以在三維骨架的預制孔中電化學地容納Li。然而，以往對鋰電池的研究大多使用電化學惰性材料作為骨架成分，導致電池的重量/體積能量密度的損失。近日，延世大學Sang-Young Lee提出了一種基于微柵圖案硅電極的電活性鋰電極（簡稱MPS電極）。
本文要點：
1）研究人員使用微型直接墨水書寫技術制造出MPS主體，并定制了MPS主體的親鋰性、電子導電性和多孔結構，以確保鋰離子通量和電子傳導到有序孔空間的優先方向，同時提供氧化還原能力。
2）由此得到的MPS主體實現了逐步順序的Si鋰化/脫鋰(從微網架中的硅)和鍍鋰/剝離(在微柵之間的孔空間內)反應，驗證了其作為電活性Li主體的獨特行為。
3）此外，由MPS主體和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)正極組裝的全電池具有高的電池能量密度（644 Wh kgcell-1/1538 Wh Lcell-1）和可靠的循環性能。
Myeong-Hwa Ryou, et al, Microgrid-patterned silicon electrode as an electroactive lithium host, Energy Environ. Sci., 2022
DOI: 10.1039/D2EE00981A
https://doi.org/10.1039/D2EE00981A
8. Angew：聚離子液體-鎧甲MXene膜:促進水傳輸的夾層工程
基于二維MXene的層狀膜具有可調的親水性，在高性能凈水領域具有廣闊的應用前景。目前的挑戰主要在于如何在亞納米限制環境中設計孔壁的表面性質，同時確保其高選擇性。基于此，華中科技大學Yan Wang，中國科學院過程工程研究所Yanlei Wang，斯德哥爾摩大學Jiayin Yuan，Miao Zhang成功地在MXene基膜中利用聚(離子液體)（PILs）作為定制的表面改性劑，通過靜電相互作用組裝了MXene層板，從而實現了納米通道的親水性，解決了上述問題。
本文要點：
1）通過聚離子液體裝甲MXene納米片的組裝，構建了具有可調節親水性的納米通道的層狀膜。選擇適當的反陰離子不僅可以賦予膜更疏水的納米通道以更好地傳輸水，而且還可以保持納米通道的所需參數以進行精確的篩分。
2）通過簡單的陰離子交換將層間走廊從親水性轉變為更疏水性，MXene膜在滲透率(提高兩倍)和截留率（約99%）方面都得到顯著改善。
這項研究為MXene膜以及其他具有可工程的納米通道用于靶分子傳輸和篩選的離子材料的未來發展鋪平了道路。
Ming Yi, et al, Poly(ionic liquid)-Armored MXene Membrane: Interlayer Engineering for Facilitated Water Transport, Angew. Chem. Int. Ed. 2022
DOI: 10.1002/ange.202202515
https://doi.org/10.1002/ange.202202515
9. Angew：仿生設計的seco-Chlorin光敏劑用于克服光動力治療中的光毒性效應
光動力治療(PDT)是一種針對癌癥或非惡性疾病的非侵入性治療方式，但其往往也會面臨在治療后引起光毒性反應的風險。北京大學張俊龍教授設計開發了一種仿生設計的新型光敏劑(PSs)，其不僅能有效地產生ROS，而且在治療后能快速代謝以減少所產生的不良副作用。
本文要點：
1）實驗構建了一系列β-吡咯開環secochlorins，并將其命名為beidaphyrin(BP)、beidapholactone(BPL)以及它們的鋅(II)衍生物(ZnBP和ZnBPL)，它們具有強烈的近紅外吸收和有效的O2光敏作用。
2）時間分辨吸收、動力學和同位素標記等機理研究表明，ZnBPL會在輻照下通過原位生成O2??(而非1O2)以產生非細胞毒性、可代謝的beidaphodiacetamide(ZnBPD)。實驗結果表明，水溶型ZnBPL具有高效的治療效果、快速的代謝和極低的光毒性效應。
Mengliang Zhu. et al. Bioinspired Design of seco-Chlorin Photosensitizers to Overcome Phototoxic Effects in Photodynamic Therapy. Angewandte Chemie International Edition. 2022
DOI: 10.1002/anie.202204330
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202204330
10. Nano Letters：離子交聯常溫干燥法制備纖維素?石墨泡沫塑料
傳統的塑料泡沫通常是由化石燃料衍生的聚合物生產的，這種聚合物在自然界中很難降解。作為替代品，纖維素是一種很有前途的可生物降解聚合物，可以用來制造更環保的泡沫，但這種工藝通常依賴于難以擴展和耗時的方法（如冷凍干燥和超臨界干燥）。近日，馬里蘭大學胡良兵教授，李騰教授開發了一種簡單、可擴展的方法，即離子交聯和常溫干燥，以制備輕密度、堅固和可生物降解的纖維素?石墨泡沫。
本文要點：
1）由于金屬離子與帶負電荷的纖維素纖維之間的靜電相互作用建立了三維離子交聯網絡，濕式纖維素?石墨泡沫可以抵抗常溫干燥過程中增加的毛細管力。值得注意的是，與未經離子交聯處理的泡沫相比，Fe3+交聯的纖維素?石墨泡沫具有多孔結構（平均孔徑約為200 μm）、較高的水中抗離解能力和較高的壓縮模數（1213 kPa）。
2）一價鉀離子、二價鈣離子、鋅離子、銅離子和三價鋁離子都可以用來制備孔結構均勻、抗壓強度高的纖維素?石墨泡沫，具有很好的通用性。密度泛函理論（DFT）計算表明，不同金屬離子與纖維素鏈的結合能大小順序為：Ca2+>Fe3+>Al3+>Cu2+>Zn2+>K+>Na+，這與實驗結果一致。
研究方法展示了在成本效益、能源效率和可擴展生產可持續泡沫材料方面的巨大潛力，適用于一系列應用。
Ruiliu Wang, et al, Fabrication of Cellulose?Graphite Foam via Ion Cross-linking and Ambient-Drying, Nano Lett., 2022
DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00167
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00167
11. ACS Energy Lett.：用于高性能和穩定二維鈣鈦礦太陽能電池的定向大晶粒的偽鹵化物輔助生長
晶粒和邊界的缺陷以及二維鈣鈦礦薄膜的隨機相分布通常會導致非輻射復合以及載流子傳輸和穩定性的降低。國家納米中心周惠瓊、劉新風和北京航空航天大學張淵等人發現類鹵化物可以促進定向大晶粒二維鈣鈦礦薄膜的生長。
本文要點：
1）結果表明，類鹵化物添加劑可以誘導二維鈣鈦礦的聚集和組裝，有效促進隨機低n相組裝成純高n相，并擴大相應的薄膜晶粒尺寸。
2）同時，鈣鈦礦薄膜的相分布、結晶質量和載流子傳輸也得到改善。結果，類鹵化物優化的鈣鈦礦太陽能電池實現了 18.72% 的顯著改善的 PCE 和可忽略的滯后。
3）重要的是，未封裝的設備在 55°C 持續加熱 1180 小時時保持 100% 的初始效率。在它們在最大功率點 (MPP) 下持續工作約 1200 小時后，器件的效率僅下降 13.3%。
Weichuan Zhang, et al. Pseudohalide-Assisted Growth of Oriented Large Grains for High-Performance and Stable 2D Perovskite Solar Cells, ACS Energy Lett. 2022, 7, 1842–1849
DOI：10.1021/acsenergylett.2c00485
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c00485
12. ACS Nano：無機離子低聚物在聚合物網絡中的集成制備仿生超韌復合材料
以珍珠層為靈感的層壓板具有優異的力學性能，是一種很有前途的材料。然而，有機?無機相之間的界面缺陷通常會導致這些材料在應力作用下的裂紋擴展和斷裂失效。一種天然的生物礦物，骨，比珍珠層具有更高的彎曲韌性。骨中無機結構單元的小尺寸提高了有機?無機相互作用，從而優化了材料的韌性。
近日，受超小尺寸無機離子低聚物在構建新型結構復合材料方面的巨大優勢的啟發，浙江大學劉昭明研究員，唐睿康教授以環氧氯丙烷為原料，通過三步(組裝取向-交聯)策略，展示了一種具有超高力學性能(超高彎曲韌性(21.5?31.0 MJ m?3)和應變(>50%無斷裂))的仿生納米復合材料層板。
本文要點：
1）首先，將超細碳納米管與聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉(AlG)水溶液混合，在室溫下通過蒸發誘導自組裝得到具有高度集成的有機?無機納米結構的各向同性復合膜。其次，通過拉伸對復合膜施加各向異性應力，得到由一維(1D)HAP納米線和有機基質組成的層次化有序納米結構。第三，將這些復合膜沿拉伸方向堆疊在一起，在10 kPa的壓應力下通過膠合實現層間的二次交聯，得到三維(3D)體層壓板。
2）由于超細的1D HAP納米線(直徑<3 nm)，增加了HAP與有機基質的接觸面積，產生了強烈的多分子相互作用，導致了從納米到宏觀的高度集成的有機?無機層次結構。因此，所制備的復合材料層壓板具有優異的彎曲韌性和抗沖擊性能。此外，通過簡單的浸泡和干燥過程，層壓板可以可逆地轉變為超粗水凝膠。
這項研究表明，超細無機結晶單元與有機聚合物網絡的增強整合可以解決以前有機?無機復合材料中存在的相分離和界面缺陷問題，并顯著提高其機械韌性。因此，這項工作對于發展基于超小型無機離子低聚物和簡單的三步策略的先進復合材料具有重要意義。
Yadong Yu, et al, A Bioinspired Ultratough Composite Produced by Integration of Inorganic Ionic Oligomers within Polymer Networks, ACS Nano, 2022
DOI: 10.1021/acsnano.2c00663
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00663
