1. Nature Materials：單層α-RuCl3中結構對稱斷裂驅動的磁各向異性反轉
Nature Materials：單層α-RuCl3中結構對稱斷裂驅動的磁各向異性反轉具有層狀結構的α-RuCl3是一種極具潛力的工程材料，有望實現構建具有分數激發的Kitaev量子自旋液體。然而，雖然現有研究在適度的面內磁場下，已經實現了這種分數激發的Kitaev量子自旋液體狀態，但這種行為在很大程度上與僅在面外磁場中出現自旋液相的理論不相符。實際上，由于塊狀晶體的強易平面具有各向異性，因此，這些預測的場致狀態其實在很大程度上是無法實現的。最近，來自加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所的Adam W. Tsen教授等人通過使用隧穿光譜、磁輸運、電子衍射和理論計算相結合的方法，系統研究了原子薄樣品中與層相關的磁振子、磁各向異性、結構和交換耦合等性質，為在真正意義上的二維極限中探索Kitaev物理學開辟了道路。1) 該研究對二維α-RuCl3的隧穿測量研究揭示了單層極限下的單磁振子和兩磁振子模式的存在，以及3L α-RuCl3中的磁振子連續體；2) 研究者們發現由于微尺度發生畸變，單層α-RuCl3中平均非對角交換的符號發生變化，導致自旋各向異性逆轉為易軸各向異性，同時Kitaev相互作用也隨之增強。Yang, B., Goh, Y.M., Sung, S.H. et al. Magnetic anisotropy reversal driven by structural symmetry-breaking in monolayer α-RuCl3. Nat. Mater. (2022).DOI: 10.1038/s41563-022-01401-3https://doi.org/10.1038/s41563-022-01401-3
2. Angew：一種通過氯呼吸機制的高功率和能量密度超級電容器
超級電容器是一種重要的電能存儲技術，具有高功率性能和優異的循環性能。然而，目前商業化的超級電容器仍然受到能量密度的限制。近日，華東理工大學李春忠教授，Long Chen，Cheng Lian，牛津大學Xiangwen Gao探索了一條提高超級電容器能量和功率密度的新途徑，為未來的電化學儲能器件提供了一個氣體呼吸的概念。1）研究人員構建了一個呼吸式超級電容器，在飽和NaCl水溶液中充電/放電期間，氯氣在多孔碳中反復吸入和呼出，從而提供高功率和能量密度。2）孔徑約為3 nm的多壁碳納米管表現出最佳的析氯和吸附性能。在充電/放電期間，氯析出的原位顯微圖像和微分電化學質譜(DEMS)曲線證明沒有氯氣從電極逸出。當孔徑小于2 nm時，由于高形成能，很難放出和保持氯氣。在MCNTs上呼吸的氯(CR- MCNTs)可以將比容量增加一個數量級，從4 mAh/g增加到10A/g時的39 mAh/g，甚至在55000次循環后仍保持98%的極高容量。Cl2/Cl在1.35 V時的高電位也顯著提高了能量密度。3）CR-MCNTs/NaTi2(PO4)3超級電容器裝置在257 C的速率下提供33 Wh/kg的能量密度(充電/放電14秒)，在30000次循環后容量損失可忽略不計。它還可以在2571 C的速率下提供50000 W/kg的極高功率密度，同時保持16 Wh/kg的能量密度。當使用鋅負極時，能量密度可以進一步提高到53 Wh/kg。這些性能優于同類商用超級電容器和傳統水系電池。Xiaotong Fan, et al, High Power- and Energy-density Supercapacitors through the Chlorine Respiration Mechanism, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202215342DOI: 10.1002/anie.202215342https://doi.org/10.1002/anie.202215342
3. Angew：碳化鋯在鎳鋯催化劑上介導抗焦甲烷干重整
甲烷干重整（DRM）可以以理想的CH4 +CO2化學計量比將不利于氣候的溫室氣體CH4 和CO2轉化為富含CO的合成氣。DRM的實際問題與由于水煤氣變換平衡而導致的H2選擇性的進一步損失有關，特別是在高壓下，并且與不可逆的焦化現象有關，特別是在成本較低的鎳基和鈷基催化劑上。近日，因斯布魯克大學Bernhard Kl?tzer報道了石墨沉積物反偏析到Ni0納米粒子中，以提供恢復的CH4吸附位點和近表面/溶解的C原子，其遷移到Ni0/ZrO2界面并誘導局部ZrxCy形成。1）所得的缺氧碳化物相邊界位置有助于動力學上增強的CO2向CO(g)的活化。2）這種界面碳化物機制實現了碳向ZrO2載體的增強溢出，并且代表了相對于Ni-CeZrxOy催化劑上的反向氧溢出的替代催化劑再生途徑。因此，有望應用在具有有限氧儲存/交換動力學但具有顯著碳熱還原性的載體上。Leander Haug, et al, Zirconium Carbide Mediates Coke-Resistant Methane Dry Reforming on Nickel-Zirconium Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202213249DOI: 10.1002/ange.202213249https://doi.org/10.1002/ange.202213249
4. Angew：共價有機框架中Salen金屬分子催化劑的多相化助力光催化析氫
將分子催化劑和集光器集成到光催化劑中是太陽能光轉換的有效策略。然而，建立一個有利于電荷分離和轉移的組織良好的連接的結晶框架是具有挑戰性的。近日，山東大學鄧偉僑教授，Zhen Li通過共軛連接將分子催化劑整合到共價有機框架中，以構建具有更快電子轉移的光催化劑。1）研究人員采用有效的析氫分子催化劑，Salen金屬分子催化劑，作為構建模塊來構建COFs （M/Zn-Salen-COF，其中M是Fe，Co，Ni）作為光催化劑。2）X射線吸收精細結構(XAFS)光譜證實了金屬-N2O2的配位。通過在COFs的晶體框架中鄰近光敏芘放置質子還原活性位點，通過熒光光譜和納秒瞬態吸收光譜證明了電荷分離和轉移。3）實驗結果顯示，由于用于析氫反應的低能壘，Co/Zn-Salen-COF表現出最好的析氫活性（1378 mol g-1 h-1）。這項工作證明了在各種COFs中多相化分子催化劑以構建原子高效光催化劑的可行性和潛在應用。Wei Zhou, et al, Heterogenization of Salen Metal Molecular Catalysts in Covalent Organic Frameworks for Photocatalytic Hydrogen Evolution, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202214143DOI: 10.1002/anie.202214143https://doi.org/10.1002/anie.202214143
5. Angew：赤鐵礦光陽極上NH3氧化和H2O氧化的競爭性非自由基親核攻擊路徑
光陽極上緩慢的H2O氧化動力學嚴重阻礙了光電化學（PEC）電池的整體太陽能轉化效率。近日，中科院張玉超發現在接近中性pH（9-11）和中等外加電勢（1.0-1.4 V）下，在赤鐵礦（α-Fe2O3）光陽極上進行的氨氧化反應（AOR）光電流比H2O氧化反應增加了10-55倍?。1) 通過速率定律分析和操作光譜研究，證實了NH3分子對高價表面的Fe?O結構（例如FeIV=O）和Fe?N結構進行非自由基親核攻擊并且產生氮氧化物NOx?和N2。2) 通過克服H2O對表面FeIV=O的親核攻擊，有助于達到80?%以上的高AOR法拉第效率。該工作揭示了一種新的非自由基親核攻擊策略，該策略與傳統的間接自由基介導的AOR機制顯著不同，用于合理設計高性能AOR光電催化劑。Wu Lei et.al Competitive Non-Radical Nucleophilic Attack Pathways for NH3 Oxidation and H2O Oxidation on Hematite Photoanodes Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202214580https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214580
6. Angew：近紅外AIE探針用于阿爾茨海默病的體內診療
針對阿爾茨海默病(AD)的優化治療策略目前仍是一項亟待解決的研究空白。用于預防β-淀粉樣蛋白(Aβ)纖維化的探針和藥物往往會由于對血腦屏障(BBB)的穿透性差和盲目干預的時間窗而失敗。有鑒于此，香港中文大學（深圳）唐本忠院士、河南大學師冰洋教授和王杰菲副教授設計了一種疏-親水性平衡的近紅外聚集誘導發光(AIE)探針DNTPH，其能夠選擇性結合Aβ纖維，并實現具有高信噪比的活體成像。1）體內成像結果表明，DNTPH具有良好的血腦屏障通透性和長期示蹤的能力，能夠實現高性能的AD診斷。此外，DNTPH也能夠有效抑制Aβ纖維化，和纖維拆卸，從而減弱Aβ誘導的神經毒性。2）研究表明，DNTPH治療能夠顯著減少AD小鼠的Aβ斑塊，進而緩解學習障礙。綜上所述，該研究構建的DNTPH是首個針對于AD的體內AIE診療試劑，其能夠同時實現對Aβ斑塊的實時近紅外成像和AD治療。Tianfu Zhang. et al. Near-Infrared Aggregation-Induced Emission Luminogens for In Vivo Theranostics of Alzheimer’s Disease. Angewandte Chemie International Edition. 2022DOI: 10.1002/anie.202211550https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211550
7. Adv. Mater.：明亮圓偏振發光全無機組裝體的合理設計
具有優異的圓偏振發光性能的材料在三維顯示、防偽、傳感、自旋電子學等領域有著重要的應用。盡管從傳統的手性有機分子到新興的手性無機納米材料及其組裝體，CPL的性質已經得到了廣泛的研究，但發光效率(量子產率，?)和發光不對稱因子(glum)之間的權衡一直是所有手性發光材料的瓶頸，阻礙了它們的實際應用。國家納米科學中心唐智勇研究員等報道了一種新的方法來克服這個悖論，通過合理地將量子納米棒和超薄無機納米線組裝成有序的多層結構，實現了高?和超晶格常數。1）作者采用定向排列的量子納米棒作為光源，避免了光強損失，發射出高質量的線偏振光。在這個發光層的頂部，沉積了多層超薄無機納米線(NWs),作為無機四分之一波片。與從具有固有雙折射的大單晶切割的傳統波片不同，作者基于溶液加工的無機納米材料的自下而上的組裝方法在制造中提供了超級靈活性。2）在這些組裝結構中，對齊的量子納米棒發射線偏振光，然后通過具有精確控制的相位延遲的對齊的超薄納米線組件將該線偏振光轉換為CPL。這種方法是通用的，很容易擴展到通用的一維納米材料，為CPL活性材料的實際應用鋪平了道路。Lv, J., Yang, X. and Tang, Z. (2022), Rational Design of all-inorganic Assemblies with Bright Circularly Polarized luminescence. Adv. Mater. 2209539.DOI: 10.1002/adma.202209539https://doi.org/10.1002/adma.202209539
8. AM：穩定的三層梯度鋅負極
水基鋅離子電池是一種非常理想的可持續儲能材料，但鋅枝晶的生長嚴重縮短了電池的循環壽命。近日，西北工業大學Cao Guan構建了一種集梯度電導率、親鋅性和孔隙率于一體的無枝晶鋅負極三梯度電極。1）簡單的機械軋制誘導三梯度設計有效地優化了鋅負極中的電場分布、鋅離子通量和鋅沉積路徑，從而協同實現了鋅金屬自下而上的沉積行為，并防止了短路從頂部枝晶生長。2）結果表明，具有三個梯度的電極具有35 mV的低過電位，在5 mA cm-2/2.5 mAh cm-2下穩定工作400 h，在10 mA cm-2/1mAhcm-2下穩定工作250 h，遠遠超過無梯度、單梯度和雙梯度電極。3）采用三次梯度法制作的材料和結構具有良好的可調性，將給高性能儲能器件帶來新的啟示。Yong Gao, et al, Stable Zn Anodes with Triple Gradients, Adv. Mater., 2022DOI: 10.1002/adma.202207573https://doi.org/10.1002/adma.202207573
9. AM：鋰離子電池正極材料的超快速非平衡合成
正極材料的合成在決定鋰離子電池的生產效率、成本和性能方面起著重要的作用。然而，傳統的合成方法總是經歷緩慢的加熱速率，并且涉及復雜的多步反應過程和緩慢的反應動力學，導致高能量和長時間消耗。天津大學陳亞楠等報道了一種在幾秒鐘內超快速合成陰極材料的高溫沖擊(HTS)策略。1）HTS工藝經歷超高的加熱速率，導致非平衡反應和快速反應動力學，并避免高能量和長時間消耗。與需要長時間熱處理和多步反應的傳統合成方法相比，HTS的非平衡特性使一步反應在幾秒鐘內合成陰極材料成為可能。此外，非平衡過程傾向于引入氧空位并形成小晶粒，這有利于增強電化學性能。2）主流陰極材料(如LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4和富鋰層狀氧化物/NiO異質結構材料)成功合成，具有純相、氧空位、超小顆粒尺寸和良好的電化學性能。高溫合成工藝不僅為陰極材料提供了一種有效的合成方法，而且還可以擴展到鋰離子電池之外。Zhu, W., et al, Ultra-fast non-equilibrium synthesis of cathode materials for Li-ion batteries. Adv. Mater. 2208974.DOI: 10.1002/adma.202208974https://doi.org/10.1002/adma.202208974
10. AM：基于光刻的可生物降解柔性和可拉伸傳感器的微制造
目前，已經建立了基于以柔性和可拉伸形式將導電層與聚合物材料集成的生物可降解傳感器。然而，與通過批量兼容的微制造工藝制造的硅基器件相比，缺乏通用的微制造方法導致大尺寸、低空間密度和低器件成品率。土耳其Ko?大學Levent Beker等提出了一種批量制造兼容的基于光刻的微制造方法，用于在柔性和可拉伸的基底上制造可生物降解和高度小型化的基本傳感器元件。1）作者在1 cm2的占地面積內制造了多達1600個設備，然后在柔性和可拉伸的基板上展示了各種可生物降解的無源電子元件、機械傳感器和化學傳感器的功能。結果具有高度的可重復性和一致性，證明了所提出的方法的高器件成品率和高密度潛力。這種簡單、創新和穩健的制造方法允許對具有不同性質的各種生物可降解材料的適用性進行完全自由的選擇，以滿足感興趣的獨特應用。2）作者的工藝提供了一條路線，利用標準的微制造程序來大規模制造高度小型化、柔性和可拉伸的瞬態傳感器和電子器件。Bathaei, M.J., et al, Photolithography-Based Microfabrication of Biodegradable Flexible and Stretchable Sensors. Adv. Mater. 2207081.DOI: 10.1002/adma.202207081https://doi.org/10.1002/adma.20220708111. AEM：鉀離子電池層狀過渡金屬氧化物陰極精細結構優化研究進展由于鉀元素豐富且理論輸出電壓高，鉀離子電池(PIBs)在推動電網儲能發展的背景下吸引了大量的研究興趣。PIBs面臨的主要挑戰是找到具有快速傳輸動力學和穩定框架結構的合適陰極材料來嵌入/脫嵌大尺寸K+。在這些候選物中，過渡金屬層狀氧化物由于其穩定的骨架結構、簡單的合成化學和高的工作潛力而具有優異的潛力并被廣泛開發。武漢理工大學麥立強教授和Xuanpeng Wang等綜述了層狀過渡金屬氧化物陰極的研究現狀和發展前景，重點介紹了精細結構優化工程和儲能機理。1）作者總結了PIBs中層狀過渡金屬氧化物陰極的研究進展和前景，首先介紹其分類、優勢和挑戰，然后詳細介紹精細結構優化和儲能機制以及它們的晶體結構、相組成、結構表征分析和電化學性質。此外，作者還將詳細介紹PIBs的高級表征技術。最后，作者對未來PIBs領域的主要研究方向和熱點進行了展望。2）總的來說，這篇綜述提供了先進PIB新型層狀氧化物陰極設計的見解和觀點。Wang, X., et al, Advances in Fine Structure Optimizations of Layered Transition-Metal Oxide Cathodes for Potassium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2022, 2202861.DOI: 10.1002/aenm.202202861https://doi.org/10.1002/aenm.202202861
12. ACS Nano：用于電催化的自支撐金屬有機框架納米陣列
在可再生能源儲存和轉化技術的大規模商業應用中，用于替代粉末催化劑的自支撐替代物對催化各種電化學反應極其重要。具有金屬有機框架（MOF）結構的納米陣列具有可調的成分組成、明確的結構、豐富的活性位點、有效的質量和電子傳輸等特點，使得它們能夠在多種電化學反應中表現出優異的電催化性能。近日，南方科技大學徐強院士、Xiao Xin綜述研究了用于電催化的自支撐金屬有機框架納米陣列。1) 本文綜述了開發基于MOF的電催化納米陣列的最新研究進展。首先強調了MOF基納米陣列的結構特征和電催化優勢，然后詳細總結了MOF基納米陣列設計和合成策略，然后描述了它們在各種電催化反應中的應用的最新進展。 2) 最后，討論了挑戰和前景，進一步探索MOF基納米陣列將促進電化學能量轉換技術的發展。Li Fayan, et al. Self-Supporting Metal-Organic Framework-Based Nanoarrays for Electrocatalysis. ACS Nano 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c09396https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c09396
