1. Science Advances：燃料電池中非鉑催化劑層活性三相邊界的解析識(shí)別
由于缺乏微孔和中孔范圍內(nèi)三相邊界（TPB）的相關(guān)研究，極大地阻礙了燃料電池中非鉑氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑和催化劑層的合理設(shè)計(jì)。有鑒于此，廈門大學(xué)周志有、加拿大國(guó)立科學(xué)研究院孫書(shū)會(huì)院士開(kāi)發(fā)了一種用于解析微孔和中孔尺寸范圍內(nèi)Fe/N/C催化劑層的TPB的分子探針?lè)椒ā?/span>1) 通過(guò)探針檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)70%的ORR活性來(lái)自于Fe/N/C催化劑的0.8至2.0納米微孔結(jié)構(gòu)，即使在29%的低微孔面積分?jǐn)?shù)下也是如此。2) 催化劑-聚電解質(zhì)界面上的酸堿相互作用使中孔和大孔中的活性位點(diǎn)失活，導(dǎo)致TPB失活，而留下的微孔TPB結(jié)構(gòu)沒(méi)有催化作用。活性和非活性TPB結(jié)構(gòu)的解析識(shí)別為燃料電池中的非鉑催化劑和催化劑層設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。Wang Yucheng et al. Identification of the active triple-phase boundary of a non-Pt catalyst layer in fuel cells. Sci. Adv. 2022DOI: 10.1126/sciadv.add8873https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add88732. JACS：液體電解液對(duì)Li沉積形貌的影響可充電的Li金屬電池性能與電解液密切相關(guān)，電化學(xué)沉積陽(yáng)極Li的均勻性是產(chǎn)生這種密切關(guān)系的關(guān)鍵，深入研究均勻Li沉積現(xiàn)象有助于發(fā)展新型電解液。有鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹、鮑哲南等報(bào)道研究多種經(jīng)典電解液的電化學(xué)沉積動(dòng)力學(xué)與循環(huán)性之間的關(guān)系，揭示電解液對(duì)于Li沉積形貌的影響。1)新鮮Li-電解液界面的快速電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)能夠很好的保持形貌的均勻性和電池循環(huán)性能，但是Li+穿透固體電解液界面具有較高阻力，導(dǎo)致電池的循環(huán)性能較弱。這種規(guī)律與傳統(tǒng)人們認(rèn)為L(zhǎng)i+穿過(guò)電解液或者SEI層是導(dǎo)致Li沉積形貌不同主要原因的想法不一致。通過(guò)考察這些趨勢(shì)與Li+溶劑化、Li成核、電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Li/Li+的平衡電極電勢(shì)以及表面能是導(dǎo)致不同電解液中Li沉積形貌改變的原因。2)總之，這項(xiàng)工作為發(fā)展新型電解液、調(diào)控電池的充放電動(dòng)力學(xué)、理解溶劑化效應(yīng)較小的氟化電解液為何有利于均勻Li沉積的現(xiàn)象提供借鑒。David T. Boyle, et al, Correlating Kinetics to Cyclability Reveals Thermodynamic Origin of Lithium Anode Morphology in Liquid Electrolytes, J. Am. Chem. Soc. 2022DOI: 10.1021/jacs.2c08182https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c08182
3. Angew：富氮固體電解質(zhì)界面的原位形成和同時(shí)調(diào)節(jié)溶劑化結(jié)構(gòu)用于先進(jìn)鋅金屬電池
鋅金屬作為一種有前途的水系電池負(fù)極材料，存在著嚴(yán)重的枝晶生長(zhǎng)、鋅腐蝕和析氫問(wèn)題。山東大學(xué)Jian Yang教授開(kāi)發(fā)了一種雙功能電解液添加劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)來(lái)改善鋅負(fù)極的電化學(xué)性能。1）NMP不僅改變了Zn2+的溶劑化結(jié)構(gòu)，而且在鋅箔上原位生成了致密的富氮固體電解質(zhì)界面層。該層保護(hù)鋅箔免受腐蝕性電解液的影響，并有利于鋅的均勻電鍍/剝離。2）因此，電解質(zhì)中含有NMP的不對(duì)稱電池在1000次循環(huán)后仍保持99.8%的高庫(kù)侖效率。在85.6%的高鋅利用率下，對(duì)稱電池在10 mAh·cm-2下可存活約200 h。即使在貧電解質(zhì)(E/C比率= 10 μL mAh-1)、有限的Zn供應(yīng)(N/P比率= 2.3)和高面積容量(5.0 mAh cm-2)的情況下，Zn||MnO2的全電池也顯示出令人印象深刻的累積容量。Wang, D., et al, In-situ Formation of Nitrogen-Rich Solid Electrolyte Interphase and Simultaneous Regulating Solvation Structures for Advanced Zn Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202212839https://doi.org/10.1002/anie.202212839
4. Angew：優(yōu)化NO選擇性還原中催化位點(diǎn)協(xié)同電子效應(yīng)的原子對(duì)設(shè)計(jì)策略
有效的吸附和快速的表面反應(yīng)是催化中有效活性中心的重要要求，但同時(shí)最大化這兩種功能仍然具有挑戰(zhàn)性。復(fù)旦大學(xué)Xingfu Tang等通過(guò)設(shè)計(jì)一系列具有可調(diào)電子相互作用的原子對(duì)催化位點(diǎn)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。1）作為案例研究，沒(méi)有選擇發(fā)生在V1-W1/TiO2上的選擇性還原。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，成對(duì)原子之間存在的協(xié)同電子效應(yīng)富集了費(fèi)米能級(jí)附近的高能自旋電荷，同時(shí)使得反應(yīng)物(NH3或O2)吸附更有效，并且與單獨(dú)的單個(gè)V或W原子相比，隨后的表面反應(yīng)更快，因此反應(yīng)速率更高。2）這種策略使我們能夠合理地設(shè)計(jì)具有優(yōu)化的釩(IV)-鉬(V)電子相互作用的高性能V1-Mo1/TiO2催化劑，其具有顯著高于商業(yè)或報(bào)道的催化劑的異常活性。Qu, W., et al, An Atom-Pair Design Strategy for Optimizing the Synergistic Electron Effects of Catalytic Sites in NO Selective Reduction. Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202212703https://doi.org/10.1002/anie.202212703
5. Angew：用于CO2光還原的金屬M(fèi)oO2-x納米海膽的活性位點(diǎn)的鑒定
新加坡南洋理工大學(xué)Bin Liu等報(bào)道了一種具有部分占據(jù)能帶的富含氧空位(Vo)的金屬M(fèi)oO2-x納米海膽，其在紫外、可見(jiàn)和近紅外(NIR)光照射下表現(xiàn)出超強(qiáng)的CO2(甚至直接來(lái)自空氣)光還原性能。1）富Vo的MoO2-x納米海膽在全光譜和近紅外光照射下的CH4釋放速率分別為12.2和5.8 μmol·gcatalyst-1·h-1。分別比貧Vo的MoO2-x高7倍和10倍。更有趣的是，所開(kāi)發(fā)的富含Vo的MoO2-x納米海膽甚至可以直接從空氣中還原CO2，在近紅外光照射下，CO釋放速率為6.5 μmol gcatalyst-1 h-1。2）實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，由于形成了高度穩(wěn)定的Mo–C–O–Mo中間體，MoO2-x中的氧空位可以促進(jìn)CO2吸附/活化生成*COOH以及隨后*CO質(zhì)子化生成CH4。Wu, X., et al, Identification of the Active Sites on Metallic MoO2-x Nano-Sea-Urchin for Atmospheric CO2 Photoreduction Under UV, Visible and Near-Infrared Light Illumination. Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202213124https://doi.org/10.1002/anie.202213124
6. AEM：具有低維鹵化物/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高效反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)的光伏性能主要受限于界面復(fù)合損失。上海交通大學(xué)Han Chen等通過(guò)構(gòu)建低維鹵化物/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦/C60接觸處的非輻射復(fù)合路徑被有效地消除，并且在反式PSCs中僅實(shí)現(xiàn)370 mV的電壓損失。1）通過(guò)有機(jī)隔離物的分子工程，在異質(zhì)界面實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電子耦合，這有效地將帶隙狀態(tài)移出帶隙，并延長(zhǎng)了4.28 s的載流子壽命。該策略使開(kāi)路電壓為1204 mV的反式PSC的功率轉(zhuǎn)換效率為24.09%(經(jīng)認(rèn)證為23.54%)，厘米級(jí)電池的效率為21.89%(經(jīng)認(rèn)證為21.48%)。2）在85℃熱老化超過(guò)1400小時(shí)后，器件保持92%的初始效率，在空氣中AM1.5G照明下以最大功率點(diǎn)運(yùn)行1008小時(shí)后，保持95%的初始效率。為了進(jìn)一步發(fā)展反式PSCs，需要具有更好傳輸性能的電荷選擇性材料，特別是空穴傳輸層。Zhang, Y., et al. Efficient Inverted Perovskite Solar Cells with a Low-Dimensional Halide/Perovskite Heterostructure. Adv. Energy Mater. 2022, 2202191.DOI: 10.1002/aenm.202202191https://doi.org/10.1002/aenm.202202191
7. AEM：納米結(jié)構(gòu)促進(jìn)鉀離子電池雙陽(yáng)極向擴(kuò)散控制反應(yīng)的非平衡相變
納米結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是改善鉀離子電池合金陽(yáng)極可逆性的重要方法。然而，仍然不清楚納米結(jié)構(gòu)如何抑制鉀化/去鉀化時(shí)的機(jī)械退化。韓國(guó)高麗大學(xué)Yong-Mook Kang等通過(guò)原位X射線衍射，揭示了納米Bi材料(約15 nm)中尺寸相關(guān)的相變機(jī)制。1）該機(jī)制避免了由不完全和不可逆的兩相反應(yīng)引起的體Bi材料(約250 nm)的電壓平臺(tái)突變。納米鉍的鉀化遵循逐步固溶體路徑，在非平衡條件下沒(méi)有任何相變，避免了新相的成核。由擴(kuò)散控制反應(yīng)支配的獨(dú)特的轉(zhuǎn)變途徑伴隨著快速離子遷移動(dòng)力學(xué)和均勻擴(kuò)散。因此，各向同性膨脹應(yīng)力抑制了顆粒破裂，為穩(wěn)定的鉀儲(chǔ)存開(kāi)辟了一條途徑。2）相比之下，在具有緩慢和不均勻擴(kuò)散的平衡條件下，體相Bi的兩相轉(zhuǎn)變由界面控制的反應(yīng)控制，導(dǎo)致各向異性膨脹的快速容量衰減。平衡熱力學(xué)相變和非平衡動(dòng)力學(xué)相變之間的比較揭示了解釋尺寸減小的合金化陽(yáng)極的機(jī)械強(qiáng)度的內(nèi)在機(jī)制，并且還強(qiáng)調(diào)必須改善固態(tài)擴(kuò)散以獲得PIBs的高速動(dòng)力學(xué)。Zhang, J., et al. Nanostructuring-Promoted Non-Equilibrium Phase Transformation of Bi Anodes Toward Diffusion-Controlled Reaction for K-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2022, 2202446.DOI: 10.1002/aenm.202202446https://doi.org/10.1002/aenm.202202446
8. AEM：基于分級(jí)多孔纖維的納米流體二極管作為有效的多模式濕電發(fā)生器
利用水伏打效應(yīng)從不同形式的水中獲取電能是一種很有前途的綠色能源獲取方式。但目前從不同的水形態(tài)獲取電能需要不同的裝置，裝置的輸出性能不高，大大降低了從不同水形態(tài)收獲電能的便利性和有效性。西南交通大學(xué)Qi-Chang He和Tingting Yang等報(bào)道了具有能夠促進(jìn)水分子吸附、快速滲透和擴(kuò)散的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的碳納米纖維電極。1）電極充當(dāng)具有陽(yáng)極氧化鋁的納米流體二極管，其中內(nèi)置電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子的選擇性分離和定向傳輸以及電極處的有效離子/電子電流轉(zhuǎn)換。2）與典型的濕熱器件不同，該器件可以在潮濕環(huán)境 (相對(duì)濕度為93%，溫度為25°C，開(kāi)路電壓(VOC)約為1.1 V，短路電流密度(JSC)約為27 A cm-2)，水滴(2 L，VOC約為1.03 V，JSC約為640 A cm-2)和散裝水(VOC約為1.15 V，JSC約為256 A cm-2) 下工作。它提供了一種在多種水環(huán)境下發(fā)電的高效方式，大大拓寬了工作場(chǎng)景，提高了設(shè)備在復(fù)雜天氣環(huán)境下的適應(yīng)性。Lu, X., et al. Hierarchically Porous Fiber-Based Nanofluidic Diode as an Efficient Multimode Hygroelectric Generator. Adv. Energy Mater. 2022, 2202634.DOI: 10.1002/aenm.202202634https://doi.org/10.1002/aenm.202202634
9. Nano Lett.：用于CO2高效電還原為甲酸的表面富氧Bi@C納米顆粒
通過(guò)電化學(xué)CO2還原反應(yīng)（CO2RR），可以緩解大氣中存在的過(guò)量CO2，并且可以生產(chǎn)高附加值的原料和燃料。然而，高效和穩(wěn)定電催化劑的合成仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳偉、南開(kāi)大學(xué)張凱制備了表面富氧碳納米棒負(fù)載的鉍納米顆粒（SORBi@CNPs），可以通過(guò)CO2RR有效地合成甲酸。1) 在CO2RR合成甲醇中，SORBi@CNPs催化劑在440 mV的寬電位范圍內(nèi)具有超過(guò)91%的法拉第效率。原位XPS和XANES以及原位拉曼光譜表明，原始SORBi@CNPs中的Bi-O/Bi（110）結(jié)構(gòu)在CO2RR過(guò)程中可以保持穩(wěn)定。2) DFT計(jì)算表明Bi-O/Bi（110）結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)*OCHO中間體的形成。該工作為CO2RR高效Bi基催化劑的開(kāi)發(fā)提供了一種途徑，并為先進(jìn)電催化劑的探索提供了新見(jiàn)解。Liu Shuang et al. Surface-Oxygen-Rich Bi@C Nanoparticles for High-Efficiency Electroreduction of CO2 to Formate Nano Letter 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03573https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03573
10. ACS Nano：變廢為寶:二氧化碳和含氮小分子催化偶聯(lián)可持續(xù)生產(chǎn)高附加值化學(xué)品
碳中和不僅是科學(xué)界的中心話題之一，也是人類社會(huì)的中心話題之一。高效二氧化碳(CO2)捕獲和利用(CCU)技術(shù)的發(fā)展預(yù)計(jì)將刺激超越化石燃料的路線和概念，并為碳中性經(jīng)濟(jì)提供更多的經(jīng)濟(jì)效益。雖然迄今為止已經(jīng)選擇性地生產(chǎn)了各種單碳(C1)和多碳(C2+)產(chǎn)品，但是通過(guò)將含氮反應(yīng)物整合到CO2還原中，CCU的范圍可以進(jìn)一步擴(kuò)展到簡(jiǎn)單碳物種之外的更有價(jià)值的化學(xué)品。近日，南通大學(xué)Tao Qian重點(diǎn)介紹了CO2和含氮小分子(NH3、N2、NO3和NO2)催化偶聯(lián)生產(chǎn)高附加值化學(xué)品(尿素、甲胺、乙胺、甲酰胺、乙酰胺和甘氨酸)的研究進(jìn)展。1）C-N鍵的形成是N協(xié)同CO2還原的關(guān)鍵機(jī)理步驟，因此作者從CO2還原和含氮小分子還原過(guò)程出發(fā)，重點(diǎn)研究C-N偶聯(lián)的可能途徑，以及實(shí)現(xiàn)C-N偶聯(lián)的催化屬性。2）作者還提出了該領(lǐng)域的研究方向和前景，旨在啟發(fā)未來(lái)的研究，實(shí)現(xiàn)C-N耦合系統(tǒng)的性能和產(chǎn)品范圍的全面改善。Sisi Liu, et al, Turning Waste into Wealth: Sustainable Production of High-Value-Added Chemicals from Catalytic Coupling of Carbon Dioxide and Nitrogenous Small Molecules, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c09168https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09168
11. ACS Nano：多金屬氧酸鹽兩親物在Nafion納米相中的超分子錨定增強(qiáng)質(zhì)子傳導(dǎo)
先進(jìn)的質(zhì)子交換膜(PEM)在新興的可持續(xù)能源技術(shù)中是非常受歡迎的。然而，以Nafion為代表的商品化全氟磺酸質(zhì)子交換膜由于其化學(xué)惰性和低相容性，缺乏精確的改性策略，阻礙了其進(jìn)一步的改進(jìn)。近日，吉林大學(xué)Haolong Li報(bào)道了聚乙二醇接枝多金屬氧酸鹽兩親物(GSiW11)牢固地組裝到Nafion的離子納米相中，極大地提高了Nafion的綜合性能。1）GSiW11可以通過(guò)多種超分子相互作用與Nafion共組裝，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固定化。2）GSiW11的加入可以增加體系中的整個(gè)質(zhì)子含量，誘導(dǎo)水合的離子納米相形成寬的質(zhì)子傳輸通道，同時(shí)GSiW11可以通過(guò)非共價(jià)交聯(lián)增強(qiáng)Nafion離子納米相。3）基于這些協(xié)同效應(yīng)，雜化質(zhì)子交換膜在質(zhì)子傳導(dǎo)性、抗張強(qiáng)度和燃料電池功率密度方面顯示出多方面的增強(qiáng)，這些都優(yōu)于原始的Nafion。這項(xiàng)工作展示了分子納米團(tuán)簇作為超分子增強(qiáng)劑在開(kāi)發(fā)高性能電解液材料方面的誘人優(yōu)勢(shì)。Haibo He, et al, Supramolecular Anchoring of Polyoxometalate Amphiphiles into Nafion Nanophases for Enhanced Proton Conduction, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c08614https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08614
12. ACS Nano：二聚體構(gòu)建塊定向自組裝成網(wǎng)狀蛋白折紙以構(gòu)建水凝膠
工程蛋白質(zhì)構(gòu)建自組裝不僅對(duì)理解復(fù)雜的生命系統(tǒng)具有重要意義，而且對(duì)于制造具有未知功能的先進(jìn)材料也具有重要意義。然而，由于蛋白質(zhì)表面固有的化學(xué)異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以各向異性的方式設(shè)計(jì)復(fù)雜的蛋白質(zhì)組裝仍然具有挑戰(zhàn)性。近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)Tuo Zhang，Guanghua Zhao描述了一種自組裝方法，通過(guò)在單個(gè)蛋白質(zhì)構(gòu)建塊的不同位置設(shè)計(jì)雙非共價(jià)相互作用來(lái)制造具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)折紙。1）研究人員以二聚體蛋白質(zhì)為構(gòu)件，通過(guò)設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)關(guān)鍵界面金屬配位構(gòu)建了一維蛋白質(zhì)長(zhǎng)絲。2）隨后，通過(guò)第二次設(shè)計(jì)的π?π堆積作用，將一維蛋白質(zhì)細(xì)絲在分支點(diǎn)連接起來(lái)，形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3）值得注意的是，隨著蛋白質(zhì)濃度的增加，形成的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為具有可逆、可注射和自我修復(fù)特性的水凝膠，具有促進(jìn)骨再生的能力。該策略還可用于制備其他具有未知功能的蛋白質(zhì)基材料。Yu Liu, et al, Directed Self-Assembly of Dimeric Building Blocks into Networklike Protein Origami to Construct Hydrogels, ACS Nano, 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c09391https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09391
