1. Nature Commun.：CuCo雙金屬電催化還原硝酸鹽
由于電化學還原硝酸鹽（NO3-）制備NH3的反應過程的碳排放比較低，而且有助于環境保護，因此發展能夠電化學還原硝酸鹽（NO3-）制備NH3的電催化劑目前受到人們的廣泛關注。有鑒于此，廈門大學孫世剛、樓耀尹等報道CuCo雙金屬電催化劑能夠起到類似Cu硝酸鹽還原酶通過兩個催化活性位點配合消除NO2-的功能，這種雙金屬通過金屬之間的協同作用，表現了優異的電催化硝酸鹽還原反應性能。1）CuCo雙金屬電催化劑的Co作為電子/質子供體，Cu促進NOx-的吸附/脫附，因此這種生物靈感CuCo納米片催化劑在-0.2 V過電勢和安培量級電流密度（1035 mA cm-2）的法拉第效率達到100±1 %，制備NH3的速率達到4.8 mmol cm-2 h-1（960 mmol gcat-1 h-1）。2）機理研究。通過電化學原位FTIR光譜表征、殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜SHINERS（shell-isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopy）表征技術，說明Cu和Co之間的強協同作用，Co位點能夠通過表面吸附H*促進NO3-還原為NH3。通過合理的調控表面H*和*NO3-的覆蓋度比例，實現高NH3選擇性和產率。其中Cu和Co之間協同作用能夠改善電子結構，降低決速步驟（*NO3在Cu表面吸附）的能壘；與Cu(111)相比，在Co(111)表面容易吸附*H物種，因此在Co(111)上*NOx中間體物種加氫反應的ΔG降低。這項研究為研究雙金屬催化劑的表面吸附調控促進加氫脫氧反應提供機會，為發展制備NH3或者污水處理的多組分異相催化劑提供幫助。Jia-Yi Fang, et al, Ampere-level current density ammonia electrochemical synthesis using CuCo nanosheets simulating nitrite reductase bifunctional nature, Nat Commun 13, 7899 (2022)DOI: 10.1038/s41467-022-35533-6https://www.nature.com/articles/s41467-022-35533-6
2. Joule：多尺度成像分析和計算建模的耦合以理解厚正極退化機理
鋰離子電池(LIBs)因其高比能量密度、寬工作溫度和長循環壽命而主導了當今應用于便攜式電子設備的電池技術。過去10年LIBs產量的激增已經將價格壓低到一定程度，使得電動汽車和住宅系統等公用事業規模的存儲(以千瓦時為單位)變得具有商業可行性。近日，以厚的NMC811（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）電極為例，加州大學圣地亞哥分校孟穎教授，固體反應與化學實驗室（LRCS）Alejandro A. Franco提出了一種宏觀到納米級的2D和3D成像分析方法，結合4D(空間+時間)計算模型來探索其在鋰離子電池中的降解機理。顆粒開裂增加，并且觀察到顆粒和碳粘合劑區域之間的接觸損失與電池退化相關。1）這項研究揭示了由不平衡的電子傳導引起的厚正極內的反應不均勻性是電池在循環中退化的主要原因。2）系統中增加的不均勻性將需要更多的陰極區域，其中活性材料的利用程度是不均勻的，導致更高的粒子破裂概率。這些發現揭示了電子和離子傳輸網絡在厚陰極性能退化中的關鍵作用。此外，還為正極結構優化和性能改進提供了指導。Zhang et al., Coupling of multiscale imaging analysis and computational modeling for understanding thick cathode degradation mechanisms, Joule (2022)DOI：10.1016/j.joule.2022.12.001https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.12.001
3. EES：抑制溶劑共嵌入石墨負極以擴展電解質設計范圍的偶極-偶極相互作用
開發先進的電解液被證明是下一代鋰離子電池(LIBs)不可缺少的。然而，Li+與各種溶劑之間強烈的溶劑化相互作用往往導致緩慢的脫溶和溶劑共嵌入到石墨電極中，從而限制了電解液設計的范圍。近日，華中科技大學謝佳教授，曾子琪提出了一種偶極-偶極相互作用的機制，通過故意調節Li+、溶劑和非配位分子(非溶劑)之間的相互作用來促進解溶和抑制共插層。1）具體地說，在中等Li鹽濃度下，非溶劑抵消了靜電吸引，從而在不改變初級溶劑化結構的情況下馴服了Li+與溶劑之間的親和力。2）弱化的Li+-溶劑強度可以方便地去溶，從而在包括DME(1，2-二甲氧基乙烷)、DMSO(二甲基亞砜)、TMP(磷酸三甲酯)、PC(碳酸亞丙酯)和DEC(碳酸二乙酯)在內的各種溶劑中與石墨陽極具有良好的電化學兼容性。3）偶極-偶極相互作用的策略可以將電解液設計的視野擴展到先進的LiBs。Mingsheng Qin, et al, Dipole-dipole Interactions for Inhibiting Solvent Co-intercalation into Graphite Anode to Extend the Horizon of Electrolyte Design, Energy Environ. Sci., 2023,https://doi.org/10.1039/D2EE03626F
4. Matter：更好的鞋面：具有面料般的柔性高吸水性膠片
吸水性液體的材料要么是可折疊的布/紙巾(使用方便，但吸水性差)，要么是高吸水性聚合物水凝膠(高吸水性，但干燥后很脆弱)。近日，馬里蘭大學Srinivasa R. Raghavan首次展示了吸濕劑可以制成布或類似織物的形式(即，幾毫米厚的柔性薄片)，同時仍保持快速吸收大量水分的能力。1）研究人員通過一種簡單且可擴展的工藝來制造這些吸收片材，該工藝允許在實驗室中制備宏觀尺寸（例如，10 X 10厘米）的片材。工藝包括泡沫模板，在二氧化碳氣泡周圍形成一種丙烯酸酯單體凝膠，然后在常溫下干燥該凝膠。2）干燥的床單柔軟而柔軟，可以像織物一樣折疊和卷起。同時，薄板堅固耐用，可以承受高達2 kpa的拉應力，并可承受85%的壓縮而不會損壞。雖然有織物般的手感，但它們的行為仍然像水凝膠。3）與任何由織物或紙張制成的海綿或吸收劑不同，我們的凝膠片在吸收液體時會膨脹。這種薄膜可以吸收包括血液在內的各種水溶液，而且吸收能力很高。由于其獨特的性質，這些凝膠片可用于清理家庭、實驗室和醫院等各種地點溢出的液體。在手術或其他醫療過程中，它們也可能是吸收生物液體的有用工具。Choudhary et al., A better picker-upper: Superabsorbent ‘‘gel sheets’’ with fabric-like flexibility, Matter (2022)DOI: 10.1016/j.matt.2022.11.021https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.021
5. Matter：用于過度炎癥性饑餓治療的通過選擇性營養限制的天然細胞外基質水凝膠
充足的營養供應對維持高度活躍的免疫細胞的功能至關重要；然而，在過度炎癥的環境中，這種營養供應會加重炎癥。近日，浙江大學Xianfeng Lin，Shunwu Fan ，Chao Liu展示了一種通過高度選擇性地限制局部營養素的供應，來治療由過度代謝引起的各種疾病的“高炎癥饑餓療法”。1）研究人員開發了一種天然的，生理觸發的，可注射的，基于納米血小板囊泡的細胞外基質水凝膠(NPV-ECM)。2）作為概念的證明，在典型的過度炎癥性糖尿病創面中，我們證明了NPV-ECM可以基于分子間相互作用選擇性地調節營養物質的運輸，重塑局部免疫微環境，限制過度代謝狀態，促進血管生成，實現傷口愈合。3）進入臨床后，對糖尿病足潰瘍患者進行了臨床試驗，以驗證NPV-ECM的安全性和療效。本研究對天然細胞外基質生物材料的制備和應用提供了一定的了解。Chen et al., A natural extracellular matrix hydrogel through selective nutrient restriction for hyperinflammatory starvation therapy, Matter (2022)DOI：10.1016/j.matt.2022.12.002https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.12.002
6. Matter：用于可穿戴視覺記憶系統的纖維狀人工光電突觸
仿生視覺系統具有受體樣的精致視覺傳感和突觸樣的學習/記憶功能，為未來可穿戴電子產品提供了令人興奮的機會。然而，開發可穿戴視覺系統的嘗試仍然有限，目前人工視覺系統面臨的挑戰是與不規則表面的幾何兼容性不令人滿意，以及透氣性差。近日，華東理工大學Shuanglong Yuan，中科院蘇州納米所Qingwen Li，Qichong Zhang，山東大學Yang Li提出了一種纖維形狀的人工光電突觸(FAOS)，并展示了它在可穿戴式視覺記憶系統中的潛在應用。1）FAOS是由直接生長在柔性碳納米管光纖(CNTF)電極上的高密度TiO2x和MoS2陣列組成的雙扭曲結構。2）令人興奮的是，通過對FAOS施加電子和光刺激，兩種感覺輸入可以誘導突觸功能，如興奮性突觸后電流、短期/長期可塑性和“學習-遺忘-再學習”行為。FAOS還表現出良好的靈活性，其光電突觸性能在彎曲200次后仍能保持95.95%。此外，由于一維光纖的全方位光吸收特性，入射角的變化對FAOS的光電突觸性能幾乎沒有影響。3）作為概念驗證演示，將7個FAOS直接編織到商業紡織品中，形成光電突觸陣列，從而實現可感知和記憶圖像信息的可穿戴面料。這項工作為設計先進的FAOS打開了大門，并為其在未來電子紡織品中的應用提供了參考。Chen et al., Fiber-shaped artificial optoelectronic synapses for wearable visual-memory systems, Matter (2022)DOI：10.1016/j.matt.2022.12.001https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.12.001
7. AM：具有高熱電性能的缺陷工程穩定的AgSbTe2
熱電(TE)發電機能夠實現熱和電之間的直接和可逆轉換，在制冷和發電中都有應用。該領域的巨大挑戰與TE器件的低轉換效率有關。在過去的十年中，已經報道了幾種在低溫和高溫條件下具有相對較高的優值系數(ZT)的TE材料。然而，對工作在中溫區(400-700 K)的高性能TE材料的需求非常迫切。近日，賓夕法尼亞州立大學Shashank Priya，Bed Poudel，Yu Zhang報道了S和Se共摻雜穩定的p型AgSbTe2材料在673 K時表現出顯著的最大優值系數(zTmax)為2.3，在300-673 K的寬溫度范圍內平均優值系數(zTave)為1.59。1）這種特殊的性能源于更高的銀空位濃度導致的載流子密度的增加，通過價帶極大值的平坦化和抑制n型Ag2Te的形成而極大地改善了Seebeck系數。并且在673 K以上的穩定性得到了極大的提高。2）優化后的材料被用來制作效率高達13.3%的單橋臂器件和在370 K溫差下達到12.3%的能量轉換效率的單耦合TE器件。這些結果表明，設計高性能TE材料是一種有效的策略，可以在中溫范圍內實現低成本的余熱回收。Yu Zhang, et al, Defect Engineering Stabilized AgSbTe2 with High Thermoelectric Performance, Adv. Mater..DOI: 10.1002/adma.202208994https://doi.org/10.1002/adma.202208994
8. AM：一種基于離子選擇表面的贗電容二極管
超級電容二極管(CAPode)是一種將離子二極管的功能集成到傳統雙電層電容器中的新型器件，有望在信號傳播、微電路整流、邏輯運算和神經形態學等新興領域得到廣泛應用。近日，中山大學閻興斌教授首次提出了一種將離子二極管的整流特性與超級電容器的快速充放電特性相結合的贗電容二極管。1）這種器件實際上等同于一個不對稱的贗電容器，它通過離子在碳電極表面的物理吸附以及在鋅鈷酸鋅電極/電解液界面的法拉迪克反應來儲存電荷，而整流功能的實現在于尖晶石鋅鈷酸鋅在KOH電解液中的離子選擇性表面氧化還原效應。與以前報道的基于嚴格的孔徑工程（一個電極是純微孔碳，另一個是介孔碳）和合成聚合物離子液體（它們非常昂貴，聚合度很難控制）的CAPodes相比，偽電容二極管具有更簡單的器件制造工藝和更低的成本。此外，還可以在贗電容二極管中使用水溶液。這些因素更有利于CAPode器件未來的實際應用。2）贗電容二極管能夠有效地阻擋反向偏置電流，表現出較高的整流比（整流比Ⅰ為3.4，200 mV/s-1下的整流比II為0.79）和出色的循環壽命（1000次循環后容量保持率為93%）。此外，還成功地展示了贗電容二極管在離子邏輯電路(AND、OR)中的新應用，這對促進電容式離子二極管的發展具有重要意義。Pei Tang, et al, A Pseudocapacitor Diode Based on Ion-Selective Surface Redox Effect, Adv. Mater..DOI: 10.1002/adma.202209186https://doi.org/10.1002/adma.202209186
9. Nano Letters：用于高效無鉑族金屬陰離子交換膜燃料電池的金屬氮化物的等離子體輔助合成
與成熟的質子交換膜燃料電池相比，由于堿性環境，陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)允許采用不含鉑族金屬(PGM)的催化劑，從而大大降低了成本。然而，以前的AEMFCs通常表現出不令人滿意的性能，這是由于缺乏能耐受苛刻燃料電池條件的有效的不含PGM的催化劑。近日，中科大高敏銳教授通過單獨使用TMNs作為電極催化劑（Ni3N作為陽極，ZrN作為陰極）展示了第一個不含PGM的AEMFC，其表現出高的H2-O2和H2-空氣性能。1）這一重要進展基于PECVD方法，該方法能夠合成高質量的Ni3N和ZrN，分別具有優異的堿性HOR和ORR性能。該生產是可擴展的，并且可以擴展到在各自的金屬箔上制造晶片級的Ni3N和ZrN層，顯示出實際應用的巨大前景。2）此外，利用TMNs顯著的結構堅固性，燃料電池表現出代表同類最佳的無PGM AEMFCs的操作耐久性。3）目前，TMNs驅動的AEMFCs的性能仍然不如Pt/C催化劑組裝的燃料電池。盡管如此，這項工作中顯示的有希望的結果為在AEMFCs中使用TMN作為有效催化劑提供了機會，以滿足DOE在2030年無PGM AEMFCs的峰值功率密度目標。Xiao-Long Zhang, et al, Plasma-Assisted Synthesis of Metal Nitrides for an Efficient Platinum-Group-Metal-Free Anion-Exchange-Membrane Fuel Cell, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03707https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03707
10. Nano Letters：鉀摻雜調節含金屬石墨烯的電子響應
石墨烯的電子摻雜在石墨烯負載的表面上得到了廣泛的研究，其中金屬豐度受襯底的影響。近日，摩德納-雷焦·艾米里亞大學Valentina De Renzi，羅馬薩皮恩扎大學Maria Grazia Betti提出了鉀在獨立的納米多孔石墨烯上的吸附，從而避免了底物的任何影響。1）研究人員監測了π*下移導帶中的電子遷移。在這個剛性帶移中，把上狄拉克錐體中π*態的光譜密度與相關的等離子體激元關聯起來，根據電子能量損失譜推論，隨著K劑量的增加，等離子體激元發生藍移。2）由于空間分辨的光電子能譜，由C 1S發射的電子激活的狄拉克等離子體激元證實了這些結果。這種交叉檢查構成了完全獨立的石墨烯原位電子摻雜時導帶中的電子π*態與狄拉克等離激元演化之間的關聯的參考。Dario Marchiani, et al, Tuning the Electronic Response of Metallic Graphene by Potassium Doping, Nano Lett., 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03891https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03891
11. Nano Letters：用于多功能構筑單元的超低濃度2D納米材料墨水的3D打印
使用超低濃度2D納米材料墨水直接打印超輕結構的3D打印是必要的，但也是具有挑戰性的。近日，馬薩諸塞大學Thomas P. Russell ，北京化工大學Hao-Bin Zhang描述了一種基于乳液的油墨，用于直接打印使用2D納米材料，即MXene和石墨烯氧化物(GO)。1）油相中的配體與水相中的2D納米材料之間的靜電相互作用有助于在界面上形成片狀表面活性劑。不同液滴之間錨定配體之間的相互作用決定了油墨的流變性，使得凝膠狀行為非常適合在超低濃度的2D納米材料下進行3D打印。2）3D打印泡沫具有輕質結構，密度分別為2.8 mg cm?3(GO基)和4.1 mg cm?3(MXene基)，后者集成了出色的導電性、電磁屏蔽性能和與空氣相當的隔熱性能。這項工作描述了一種直接打印超輕多孔結構的一般方法，該方法利用了2D構建塊的固有屬性。Lulu Li, et al, 3D Printing of Ultralow-Concentration 2D Nanomaterial Inks for Multifunctional Architectures, Nano Lett. , 2022DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03821https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03821
