1. Nature Commun.：用于可調諧氣體分離的快速光開關聚合物氮化碳薄膜
可切換氣體分離膜是調節氣體傳輸特性的有趣系統。然而，現有的刺激響應型氣體分離膜要么響應時間非常慢，要么需要高能量輸入才能發生切換。近日，弗里堡大學Ali Coskun，馬克斯·普朗克膠體和界面研究所Markus Antonietti介紹了以三聚氰胺為前驅體，采用化學氣相沉積法在多孔載體上原位沉積聚碳氮化碳(PCN)制備的具有快速響應時間的光開關聚碳氮化碳氣體分離膜。1）系統分析表明，光照射下的氣體輸運行為完全由滲透氣體的極化率及其與帶電PCN表面的相互作用決定，并且可以很容易地通過控制光的功率和/或照射的時間來調節。2）研究人員還證明，在光照射下，具有較高極化率的氣體(如CO2)可以有效地從低極化率的氣體(如H2和He)中分離出來，氣體/CO2的選擇性提高了22%以上。3）此外，該膜具有較快的響應時間(<1s)，并且可以在550 nm處用單一光源開啟和關閉。Ashirov, T., Siena, J.S., Zhang, M. et al. Fast light-switchable polymeric carbon nitride membranes for tunable gas separation. Nat Commun 13, 7299 (2022).DOI：10.1038/s41467-022-35013-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-022-35013-x
2. NSR：六電子氧化還原介晶NiS2活化硫氧化反應助力硫基水系電池
硫基水系電池（SABs）被認為是安全、低成本和高容量儲能的有前途的候選電池。然而，盡管它們具有高理論容量，但由于元素硫的熱力學和動力學問題，實現高可逆性能仍然是一個巨大的挑戰。近日，復旦大學趙東元院士，晁棟梁通過高度可逆的6e-硫氧化還原電化學實現了SOR過程的活化。1）通過精細的介晶NiS2（M-NiS2）確定了熱力學上可行的S ? NiS2 ? NiS +Cu2S 的6e?全固態反應路徑反應路線，有效地避免了H2S和O2的逃逸、多硫化物的氧化還原穿梭和寄生反應。通過M-NiS2中間體在單質硫形成過程中的動力學可行性和熱力學穩定性，最終可以提高SOR效率。2）實驗結果顯示，M-NiS2電極達到了前所未有的96.0%的SOR，提高了整體的電化學性能，即在12 A g?1下的倍率容量為932 mAh g?1，在20 A g?1下的長期倍率穩定性為2000次。3）作為概念驗證，M-NiS2||Zn雜化水電池表現出722.4 WH kgcath?1的出色的比能量密度和0.13 V的低極化。Zhoudong Yang, et al, Activating sulfur oxidation reaction via six-electron-redox mesocrystal NiS2 for sulfur-based aqueous battery, NSR, 2022DOI: 10.1093/nsr/nwac268/6847168https://academic.oup.com/nsr/advancearticle/doi/10.1093/nsr/nwac268/6847168
3. NSR：具有超高系統體積性能和面輸出電壓的單片集成微型超級電容器
單片集成微型超級電容器（MIMSC）具有高的系統性能和單元數密度，對于支持物聯網的小型化電子產品具有重要意義。然而，考慮到材料選擇、電解液限制、微制造和器件性能一致性等關鍵因素，在極小的空間內制造可定制的MIMSC仍然是一個巨大的挑戰。近日，中科院大連化物所吳忠帥研究員，Yao Lu，中國科學院深圳先進技術研究成會明院士開發了一種通用的大產量微制造策略，通過結合多步驟光刻圖案化、MXene微電極噴印和凝膠電解質的可控三維(3D)打印來解決所有這些問題。1）研究人員通過利用用于微電極沉積的高分辨率微圖案化技術和用于精確電解液沉積的3D打印技術，實現了近距離電化學隔離的微型超級電容器的單片集成。2）值得注意的是，所獲得的MIMSC顯示出28 cells cm-2的高面數密度(3.5×3.5 cm2上有340個單元)，創紀錄的75.6 V cm-2的面輸出電壓，可接受的系統體積能量密度為9.8 MWh cm-3，在162 V的極高輸出電壓下，4000次循環后保持了92%的空前高的電容保持率。這項工作為為未來微電子提供動力的單片集成和微型儲能組件鋪平了道路。Sen Wang, et al, Monolithic integrated micro-supercapacitors with ultrahigh systemic volumetric performance and areal output voltage, NSR, 2022DOI: 10.1093/nsr/nwac271/6847747https://academic.oup.com/nsr/advancearticle/doi/10.1093/nsr/nwac271/6847747
4. AM：面向復雜三維微結構的預打印水凝膠支架的受控干燥
增材制造(AM)是制造各種具有獨特和可編程功能的三維(3D)結構的關鍵。直接墨水書寫是廣泛使用的AM技術之一，具有許多可打印的材料。然而，基于擠壓的方法受到低制造分辨率的限制，其局限于印刷宏觀結構。中國科學技術大學俞書宏院士和Huai-Ling Gao等報告了一種新的AM策略，使用低成本的擠壓3D打印機，通過預打印水凝膠支架的受控干燥，然后填充目標組件，在宏觀水平上創建3D微結構。1）高含水量的可打印水凝膠可確保打印支架的最大收縮率(體積的99.5%)以實現高分辨率。穩定的共價交聯和合適的干燥速率能夠使支架均勻收縮，以保持其原始結構。2）特別是，這種方法可以適用于生產基于液態金屬的3D電路和基于納米復合材料的微型機器人，表明其能夠從不同的材料系統制造具有微米級分辨率的功能性和復雜的3D結構。Cui, C., et al, Controlled Desiccation of Preprinted Hydrogel Scaffolds Toward Complex 3D Microarchitectures. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2207388.DOI: 10.1002/adma.202207388https://doi.org/10.1002/adma.202207388
5. AM：一類由完全互溶組分構成的新型團簇-基體納米復合材料
納米復合材料由兩個或多個相組成，其中至少一個相具有納米尺度，由于其結構性質和功能的多種可能性，在材料科學中發揮著獨特的作用。除了控制納米相的尺寸、尺寸分布和體積分數的挑戰之外，熱力學穩定性條件限制了組成材料的選擇。近日，卡爾斯魯厄理工學院Iankevich Gleb報道了一種超越這一限制的材料，顯示了從雙金屬體系獲得納米復合材料的可能性，這種雙金屬體系在平衡條件下表現出完全的混溶性。1）研究人員使用新型團簇離子束沉積系統，通過2000個原子的Ni團簇和Cu原子的原子流的共沉積，合成了一系列具有不同組成的納米復合材料樣品。2）研究人員通過原子探針斷層掃描(APT)、磁力測量和磁輸運研究確定了亞穩態納米結構。APT證實了100at.% Ni納米區域的存在。此外，磁力計和磁輸運研究揭示了超順磁性行為和磁阻源于嵌入在銅基體中的單疇鐵磁性Ni團簇。3）本質上，納米復合材料的磁性能可以通過精確控制Ni濃度來定制。研究結果為完全互溶元素組成的納米復合材料的未來研究提供了一個有希望的方向。Iankevich Gleb, et al, A new class of cluster-matrix nanocomposite made of fully miscible components, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202208774https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208774
6. AM：具有可調負熱膨脹的輕質三維石墨烯超材料
超材料的概念被認為是一種新的方法，它通過在多個尺度上人工設計結構來克服物理性質之間的排他性響應，而不僅僅是新的成分組成或化學修飾。近日，蘭州大學Qiangqiang Zhang提出了一種具有可調負熱膨脹（NTE）行為的三維石墨烯超材料（GM），在正交雙溫度梯度的操縱下，通過雙曲線取向的凍結過程來制備GM。1）由于石墨烯固有的褶皺形態和超大的長寬比，石墨烯的面內恢復力遠高于面外。作為構建三維GM的基本組裝單元，通過分子模擬和原位掃描電子顯微鏡實驗觀察，驗證了石墨烯薄片的表觀熱致收縮變形。2）在多尺度結構設計的基礎上，除了二維石墨烯薄片外，NTE效應在微觀尺度上的反常響應有效地擴展到了3D GM的介觀收縮。3D GM的熱膨脹系數從(?7.5±0.65)×10?6 K?1到(?0.8±0.25)×10?6 K?1可以進一步優化，這是由于其在多個尺度上的結構特征發生了變化，包括微尺度褶皺、介觀孔形狀和大尺度取向。3）在循環加載過程中，單獨的機械壓縮不可避免地在微觀結構中產生明顯的微裂紋，最大強度有所下降。與其他基于石墨烯的材料相比，由于機械壓縮產生的熱致應變降低，雙曲線再入三維GM在熱力耦合條件下具有更大的壓痕阻力和剪切模量，更韌性的結構，更持久的疲勞穩定性，以及更高的熱應力/裂紋抗力。Peng He, et al, Lightweight 3D graphene metamaterials with tunable negative thermal expansion, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202208562https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208562
7. AM：用于觸覺感知的可穿戴摩擦電視覺傳感器
具有可見光反饋功能的觸覺傳感器，如可穿戴顯示器和電子皮膚和生物醫學設備，在各個領域變得越來越重要。然而，現有方法由于其有限的光映射性能和不充分的可移植性，不能滿足強度反饋和擴展交叉的觸覺感知的應用需求。近日，廣西大學Shuangxi Nie提出了一種可自由構建的自供電視覺觸覺傳感器，它由一個高輸出摩擦納米發電機（TENG）和一個視覺光源組成。1）通過摩擦電材料和器件的結構設計，TENG的轉移電荷增強到746 nC，可以輕松驅動光源產生亮度為9.8 cd·m-2的光信號。2）值得注意的是，TENG的應用使得能夠在沒有外部電源的情況下實現手掌抓握狀態的視覺感測和力度反饋。這些視覺反饋和無電源觸覺傳感器有望在人工智能領域作為智能防護服和機器人的新交互介質具有潛在的應用。Dengjun Lu, et al, Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202209117https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209117
8. AM：一種用于骨再生的具有可控生長因子釋放能力的摻入MgFe-LDH納米片的智能熱響應水凝膠
雖然人們已經開發了負載生長因子(GF)的水凝膠并作為為修復骨缺損的有前途的材料，但構建具有優異凝膠化/機械性能以及可控GF釋放能力的智能水凝膠仍具有挑戰性。近日，中國醫學科學院和北京協和醫學院Xisheng Weng，北京化工大學Ruizheng Liang，香港城巿大學Chaoliang Tan報道了將骨形態發生蛋白2 (BMP-2)功能化的MgFe-LDH納米片結合到負載血小板衍生生長因子-BB (PDGF-BB)的殼聚糖/絲素蛋白(CS)水凝膠中，以構建智能可注射的溫度響應性水凝膠(記為CSP-LB)，其可以實現PDGF-BB的爆發式釋放和BMP-2的持續釋放，用于高效的骨再生。1）研究發現，MgFe-LDH的引入不僅縮短了凝膠化時間，降低了溶膠凝膠轉變溫度，而且提高了水凝膠的力學性能。2）由于雙GFs的順序釋放和生物活性Mg2+/Fe3+離子的持續釋放，體外實驗證明CSP-LB水凝膠與CS水凝膠相比表現出優異的血管生成和成骨性能。體內實驗進一步證明，CSP-LB水凝膠能顯著促進骨再生，具有比CS水凝膠更高的骨體積和骨密度。這種智能溫敏CSP-LB水凝膠具有優異的膠凝能力和血管生成及成骨特性，因此為骨缺損治療提供了一種有前途的微創解決方案。Zehui Lv, et al, A MgFe-LDH Nanosheet-Incorporated Smart Thermo-Responsive Hydrogel with Controllable Growth Factor Releasing Capability for Bone Regeneration, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202206545https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206545
9. AM：用于液滴和水下氣泡的多路徑定向輸送的工程可切換潤濕性表面
用于流體操縱的傳統工程表面受到設定的潤濕性的阻礙，因此它們只能實現單相流體(即液體或氣體)的自發輸送。此外，人們對路徑缺陷具有魯棒性的流體輸送系統還沒有被充分探索。近日，上海交通大學Guifu Ding，Faheng Zang開發了一種通用的潤濕性轉換策略，用于在啞鈴型功能表面（DPFS）上實現液滴和水下氣泡的可編程定向傳輸，具有強魯棒性、高效率和有效成本的特點。1）研究人員通過十八烷基三氯硅烷處理和紫外線-C選擇性照射來調節DPFS的超潤濕性，傳輸流體可以在液體和氣體之間交替。材料的可轉換超潤濕性調節受限圖案內的流體導向動力學，其中持續的流體推進依賴于起始和終止位置之間的表面能差異。這使得能夠構建多通道，其與超低體積損失傳輸協同工作，以賦予流體系統對抗路徑缺陷的強魯棒性。2）在完成復雜的微流體任務的基礎上，研究人員成功演示了一種空間選擇性冷卻裝置和水下氣體微反應器。這種無能耗的流體輸送系統為片上可編程流體操作開辟了新的途徑，促進了需要合理控制兩相流體輸送的創新應用。Dongdong Xie, et al, Engineered Switchable-wettability Surfaces for Multi-path Directional Transportation of Droplets and Subaqueous Bubbles, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202208645https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208645
10. AEM綜述：特定金屬納米結構在電化學CO2還原中的研究進展與展望
電化學法將二氧化碳還原反應(CO2RR)轉化為增值燃料是一項有效緩解全球變暖和能源危機的先進技術。然而，熱力學上的高能壘、反應動力學緩慢、CO2轉化率不足、目標產物選擇性差、材料快速降解等問題嚴重限制了其進一步大規模應用，這就凸顯了高性能電催化劑的重要性。金屬納米材料因其固有的高活性、選擇性和穩定性而備受關注，并從不同的角度引發了許多評論。近日，中南大學劉蘇彪教授，阿爾伯塔大學駱靜利院士全面揭示了特定金屬納米結構及其相關性質對CO2RR的重要性和優點。1）作者總結了各種特定的單金屬和雙金屬納米結構，重點是深入了解晶體取向、表面結構、表面結晶學、表面修飾以及所構建的特定金屬納米結構所帶來的許多相關效應，以及特定金屬納米結構-性質-CO2RR活性之間的內在關系。2）作者最后提出了推進CO2RR的挑戰和前景，特別是要特別關注CO2RR過程中的結構演變，包括原位/操作技術、高通量理論計算以及用于擴大應用的高產和生產的簡便合成策略。Mulin Yu, et al, Specific Metal Nanostructures toward Electrochemical CO2 Reduction: Recent Advances and Perspectives, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202203191https://doi.org/10.1002/aenm.202203191
11. AEM 用于高性能析氫的高密度受挫路易斯對
開發具有高密度和相鄰受挫路易斯對（FLP）位點的催化劑具有重要意義。近日，青島科技大學王磊、賴建平通過使用莫特-肖特基效應在具有可調節酸堿度的金屬間合金（IMA）上構建FLP。1) 具有高密度FLP位點和合適IMA酸堿度的fct-PtCo@NC顯示出優異的析氫反應性能。其中，高密度FLP位點表現出快速的水吸附和分解速率，這是由于FLP酸位點和FLP堿位點的協同效應顯著降低了兩個過程之間的能量勢壘。2) 由于FLP基Pt位點的存在，fct-PtCo@NC具有最佳的氫中間體結合能，反應過程中產生的H3O+在其上積累并形成類似酸的環境，從而加快反應動力學。相比之下，沒有FLP的催化劑顯示出較低的結合能，并且沒有H3O+的形成。該工作為新型多相FLP催化劑的設計開辟了一個新的領域，具有高密度和相鄰FLP位點的催化劑有望用于多種多步催化反應。Yu Wenhao, et al. High-Density Frustrated Lewis Pair for High-Performance Hydrogen Evolution. Adv Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202203136https://doi.org/10.1002/aenm.202203136
12. AEM：弱酸性鋅離子電池中鋅枝晶的性質及其抑制
水系鋅離子電池（ZIBs）在儲能方面很有吸引力，其使用了水系電解質，確保了安全性并易于在空氣中處理所有部件。然而，鋅金屬負極上災難性的鋅枝晶生長阻礙了它們的實際應用。近日，世宗大學Seung-Taek Myung引入Zn3(PO4)3·4H2O（ZP）涂覆的鋅金屬負極以有效地抑制枝晶生長，并且首次闡明了由金屬Zn0、ZnO和Zn(OH)2組成的枝晶的化學態。實驗結果顯示，ZP涂覆的鋅金屬對稱電池的性能得到顯著的改進。1）Operando同步加速器斷層攝影術表明，ZP涂層通過ZP層確保鋅衍生化合物的均勻沉積，該層自身分解成P2O5、Zn0和Zn(OH)2。同時，P2O5和H2O之間的局部反應再生H3PO4，這提供了通過H3PO4和Zn金屬陽極上的金屬Zn之間的反應再生Zn3(PO4)2·4H2O的條件。Zn3(PO4)2·4H2O的這種循環重整在長期內逐漸防止枝晶，即使在高倍率下。2）研究人員在NaV3O8||ZP涂層鋅負極電池上進行了1000次循環試驗，驗證了其兼容性。因此，這一發現為均勻沉積鋅提供了一種實用的方法，可以適用于水系和非水系ZIBs。Hee Jae Kim, et al, Nature of Zinc-Derived Dendrite and Its Suppression in Mildly Acidic Aqueous Zinc-Ion Battery, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202203189https://doi.org/10.1002/aenm.202203189
