1. Nature Catalysis：Al2O3修飾的Rh/GaN-ZnO光催化劑上整體水分解逆反應(yīng)的阻斷
陽光驅(qū)動的光催化整體水分解(OWS)為太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能提供了一條有前途的途徑。然而，只有少數(shù)光催化劑已經(jīng)實現(xiàn)了OWS，這是原因在光催化劑表面上的OWS產(chǎn)物(包括氫、氧和活性中間物質(zhì))之間發(fā)生的逆反應(yīng)。大連化物所李燦院士等發(fā)現(xiàn)通過原子層沉積用Al2O3物種修飾的以Rh為助催化劑的基準(zhǔn)光催化劑GaN–ZnO（Rh/GaN-ZnO）可以在很大程度上抑制這些逆反應(yīng)。
本文要點：
1）Al2O3修飾使Rh/GaN–ZnO光催化劑上OWS在420 nm處的AQE從0.3%提高到7.1%。作者揭示了這種抑制主要是通過氧化物物種優(yōu)先沉積在貴金屬助催化劑的低配位位點(LCS)上實現(xiàn)的，這阻止了表面上產(chǎn)物物種(2H2 + O2 → 2H2O和O2+4H ++ 4e→2H2O)之間的催化反應(yīng)。
2）這項工作為光催化OWS反應(yīng)中貴金屬助催化劑上的逆反應(yīng)的內(nèi)在機理提供了深刻的理解，也為解決這一光催化中長期存在的問題提供了有效的策略。
Li, Z., Li, R., Jing, H. et al. Blocking the reverse reactions of overall water splitting on a Rh/GaN–ZnO photocatalyst modified with Al2O3. Nat Catal (2023).
DOI: 10.1038/s41929-022-00907-y
https://doi.org/10.1038/s41929-022-00907-y
2. Nature Nanotechnology：在高速CO2/CO電解中覆蓋率驅(qū)動從乙烯到乙酸酯的選擇性轉(zhuǎn)換
通過電解質(zhì)和有機改性來調(diào)節(jié)催化劑微環(huán)境對于改善CO2電解性能是有效的。另一種方法是使用來自化石燃料不完全工業(yè)燃燒的混合CO/CO2進(jìn)料，但其對催化劑微環(huán)境的影響知之甚少。大連化物所包信和院士和Guoxiong Wang等研究了堿性膜電極組件電解槽中CuO納米片上的CO/CO2共電解。
本文要點：
1）隨著進(jìn)料中一氧化碳壓力的增加，由于一氧化碳覆蓋率和局部pH值的增加，主要產(chǎn)品逐漸從乙烯轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜狨ァＴ趦?yōu)化條件下，多碳產(chǎn)品的法拉第效率和局部電流密度分別達(dá)到90.0%和3.1 A cm-2，對應(yīng)的碳選擇性為100.0%，產(chǎn)率為75.0%，優(yōu)于熱催化一氧化碳加氫。
2）使用電解槽組的放大演示在150 A時實現(xiàn)了457.5ml min–1的最高乙烯生成速率，在250 A時實現(xiàn)了2.97g min–1的乙酸生成速率。
Wei, P., Gao, D., Liu, T. et al. Coverage-driven selectivity switch from ethylene to acetate in high-rate CO2/CO electrolysis. Nat. Nanotechnol. (2023).
DOI: 10.1038/s41565-022-01286-y
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01286-y
3. Nature Energy：用于高性能鋰硫電池的鋰化金屬二硫化鉬納米片
與鋰離子系統(tǒng)相比，基于氧化還原化學(xué)物質(zhì)的電池可以儲存更多的能量，將在實現(xiàn)能源向凈零碳排放過渡方面發(fā)揮重要作用。其中鋰硫（Li–S）電池極具應(yīng)用前景，受到了科研工作者極大地關(guān)注。在此，劍橋大學(xué)Chhowalla Manish、Yang Jieun報道了用于高性能鋰硫電池的鋰化金屬二硫化鉬納米片。
本文要點：
1) 在貧電解質(zhì)條件下，作者將預(yù)鋰化金屬1T相二維（2D）二硫化鉬（LixMoS2）用作高性能Li–S電池的硫主體材料，且導(dǎo)電和親液的1T相MoS2納米片的鋰化導(dǎo)致多硫化物鋰的吸附改善、Li+傳輸增強、電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)加速以及多硫化物轉(zhuǎn)化的優(yōu)異電催化活性。
2) 這些特性使袋式電池具有441?Wh?kg?1和735 Wh?l?1的容量，且200次循環(huán)后容量保持率為85.2%。該結(jié)果為基于電催化活性和導(dǎo)電2D材料的實用Li–S陰極的設(shè)計提供了見解。此外，該設(shè)計原理可應(yīng)用于同時需要導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性以及電催化活性的材料。
Zhuangnan Li, et al. Lithiated metallic molybdenum disulfide nanosheets for high-performance lithium–sulfur batteries. Nature Energy 2023
DOI: 10.1038/s41560-022-01175-7
https://doi.org/10.1038/s41560-022-01175-7
4. Nature Chemistry：制備π-共軛互鎖納米碳的活性模板策略
在獨特拓?fù)洳牧现校瑱C械互鎖的碳納米結(jié)構(gòu)是碳納米科學(xué)中的前沿領(lǐng)域。近日，俄勒岡大學(xué)Ramesh Jasti報道了制備π-共軛互鎖納米碳的活性模板策略。
本文要點：
1)作者將一個[n]環(huán)對苯撐前體大環(huán)用兩個與金屬離子配位的聚合吡啶供體修飾，從而實現(xiàn)在大環(huán)的中心空腔內(nèi)的金屬離子催化炔-炔交叉偶聯(lián)反應(yīng)，而生成的互鎖產(chǎn)物可以在隨后的合成步驟中轉(zhuǎn)化為完全π-共軛結(jié)構(gòu)。
2) 具體而言，作者報道了一個鏈烷家族的合成，該家族包含兩個或三個不同大小的相互穿插的[n]環(huán)對苯撐衍生的大環(huán)。此外，作者通過相同的方法合成了完全π-共軛的[3]輪烷。作者開發(fā)的合成方法可以獲得不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的機械互鎖碳納米結(jié)構(gòu)，有助于闡明機械結(jié)合對這類新興納米材料的影響，并建立結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。
James H. May, et al. Active template strategy for the preparation of π-conjugated interlocked nanocarbons. Nature Chemistry 2023
DOI: 10.1038/s41557-022-01106-9
https://doi.org/10.1038/s41557-022-01106-9
5. Nature Communications：用于在工業(yè)相關(guān)電流下電催化生產(chǎn)過氧化氫的金屬單中心催化劑設(shè)計
通過雙電子氧還原反應(yīng)直接電合成過氧化氫(H2O2)是傳統(tǒng)高能耗蒽醌技術(shù)的可持續(xù)替代方案。然而，設(shè)計具有工業(yè)相關(guān)生產(chǎn)率的高性能和可擴展的電催化劑仍然具有挑戰(zhàn)性，部分原因是對催化劑設(shè)計的原子水平理解不足。哥倫比亞大學(xué)Jingguang G. Chen和大連理工大學(xué)Xie Quan等利用理論方法，以*OOH結(jié)合能作為描述符，來識別用于雙電子氧還原的過渡金屬單中心催化劑。
本文要點：
1）作者將理論預(yù)測用作合成所需鈷單中心催化劑的指導(dǎo)，該催化劑具有O-改性的Co-(吡咯烷N)4構(gòu)型，可實現(xiàn)高達(dá)300mA cm-2的工業(yè)相關(guān)電流密度，H2O2生產(chǎn)的法拉第效率為96-100 %，創(chuàng)下11527 mmol h-1 gcat-1的記錄速率。這里，作者展示了使用各種商業(yè)碳和鈷酞菁作為起始材料的金屬單中心催化劑設(shè)計的可行性和多功能性，以及在酸性、中性和堿性電解質(zhì)中H2O2電合成的高度適用性。
2）該工作在未來大規(guī)模H2O2制造和原位廢水處理和消毒中表現(xiàn)出有希望的潛力。
Cao, P., Quan, X., Nie, X. et al. Metal single-site catalyst design for electrocatalytic production of hydrogen peroxide at industrial-relevant currents. Nat Commun 14, 172 (2023).
DOI: 10.1038/s41467-023-35839-z
https://doi.org/10.1038/s41467-023-35839-z
6. Sci. Adv.: 多尺度分層結(jié)構(gòu)和多機制增強的強韌纖維水凝膠
堅韌的天然材料（如珍珠層、骨骼和絲綢）具有多尺度的分層結(jié)構(gòu)，其中在分層結(jié)構(gòu)的每個層次上發(fā)生著不同的增韌機制，即從分子尺度的展開到微觀尺度的原纖維滑動再到宏觀尺度的裂紋偏轉(zhuǎn)。天然材料的多尺度設(shè)計以及如何轉(zhuǎn)化為下一代仿生水凝膠的開發(fā)仍是一個懸而未決的問題。有鑒于此，南洋理工大學(xué)Gao Huajian、新加坡國立大學(xué)Zhai Wei報道了多尺度分層結(jié)構(gòu)和多機制增強的強韌纖維水凝膠。
本文要點：
1)作者利用冷凍鑄造輔助溶液替代策略制造了具有多尺度分層結(jié)構(gòu)的水凝膠，其潛在的多尺度多機制歸因于水凝膠的分層結(jié)構(gòu)，包括微尺度各向異性蜂窩結(jié)構(gòu)纖維壁和基質(zhì)，其模量分別為8.96和0.73 MPa；并且具有納米晶疇的氫鍵增強纖維，以及具有連接離子鍵的交聯(lián)強聚乙烯醇鏈。
2)作者通過對纖維水凝膠的多尺度和多機制進(jìn)行詳細(xì)研究，建立了結(jié)構(gòu)性能機制之間的關(guān)系，并為分級韌性水凝膠的設(shè)計提供了見解，以及為啟發(fā)其他分層材料設(shè)計策略提供了新思路。
Guo Xiao, et al. Strong and tough fibrous hydrogels reinforced by multiscale hierarchical structures with multimechanisms. Sci. Adv. 2023
DOI: 10.1126/sciadv.adf7075
https://doi.org/10.1126/sciadv.adf7075
7. Sci. Adv.：具有高電催化表面積的分級金屬納米結(jié)構(gòu)合成
3D互連結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)分子精度或微米尺寸合成。雖然納米量級的3D結(jié)構(gòu)具有許多獨特的特性，但合成尺寸在數(shù)十納米量級的3D結(jié)構(gòu)策略還沒有報道。近日，新南威爾士大學(xué)Richard D. Tilley實現(xiàn)了具有高電催化表面積的分級金屬納米結(jié)構(gòu)合成。
本文要點：
1) 作者通過將納米尺寸的金芯和鎳分支直接連接起來，從而形成了分層的納米結(jié)構(gòu)。該方法的關(guān)鍵是將立方晶體結(jié)構(gòu)的核與六方晶體結(jié)構(gòu)的分支在多個步驟中結(jié)合起來，并且可以通過在每個合成步驟中進(jìn)行調(diào)整來控制尺寸和3D形態(tài)。
2) 這些材料具有高表面積、高導(dǎo)電性和可化學(xué)修飾的表面，使它們成為理想的電催化劑載體。作者通過使用氫氧化鎳鐵涂層來實現(xiàn)析氧反應(yīng)的高活性和穩(wěn)定性，證明了3D納米結(jié)構(gòu)作為電催化劑載體的有效性。
Lucy Gloag, et al. Synthesis of hierarchical metal nanostructures with high electrocatalytic surface areas. Sci. Adv. 2023
DOI: 10.1126/sciadv.adf6075
https://doi.org/10.1126/sciadv.adf6075
8. Sci. Adv.：具有數(shù)百個原子的分子精確全局機器學(xué)習(xí)力場
全局機器學(xué)習(xí)力場具有捕捉分子系統(tǒng)中集體相互作用的能力，由于模型復(fù)雜度隨著系統(tǒng)規(guī)模的增長而大幅增加，其現(xiàn)在可以擴展到幾十個原子。而對于較大的分子，需要引入了局域性假設(shè)，導(dǎo)致其結(jié)果不能描述非局域相互作用。近日，盧森堡大學(xué)Alexandre Tkatchenko、柏林工業(yè)大學(xué)Klaus-Robert Müller、Stefan Chmiela開發(fā)了具有數(shù)百個原子的分子精確全局機器學(xué)習(xí)力場。
本文要點：
1) 作者開發(fā)了一種精確的迭代方法來訓(xùn)練數(shù)百個原子的全局對稱梯度域機器學(xué)習(xí)（sGDML）力場（FF），其無需任何近似。在全局sGDML FF中，所有原子自由度都保持關(guān)聯(lián)，從而能夠準(zhǔn)確描述具有深遠(yuǎn)特征關(guān)聯(lián)長度現(xiàn)象的復(fù)雜分子和材料。
2) 作者在新開發(fā)的MD22基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上評估了sGDML的準(zhǔn)確性和效率，該數(shù)據(jù)集包含42到370個原子的分子。在MD22數(shù)據(jù)集中，作者通過超分子配合物的納秒路徑積分分子動力學(xué)模擬證明了該方法的可靠性。
Stefan Chmiela, et al. Accurate global machine learning force fields for molecules with hundreds of atoms. Sci. Adv. 2023
DOI: 10.1126/sciadv.adf0873
https://doi.org/10.1126/sciadv.adf0873
9. EES: 使用界面氧化還原介體的高性能全固態(tài)Li2S電池
作為下一代電池技術(shù)，基于硫化鋰陰極的全固態(tài)Li-S電池因為其可以提供超過鋰離子電池的高理論能量密度，以及可以實現(xiàn)“無陽極”電池設(shè)計。然而，受限的離子和電子傳輸以及電荷上的高激活勢壘阻礙了固態(tài)Li2S陰極動力學(xué)過程。近日，滑鐵盧大學(xué) Linda F. Nazar報道了使用界面氧化還原介體的高性能全固態(tài)Li2S電池。
本文要點：
1) 在作者報道的陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計中，基于Li2S/LiVS2核殼納米結(jié)構(gòu)的主體在氧化過程中同時充當(dāng)Li2S的電荷載流子傳輸載體和電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)。因此，得到的固態(tài)Li-S電池在室溫下表現(xiàn)出高達(dá)3mA·cm-2的優(yōu)異倍率性能。
2) 該Li-S電池具有穩(wěn)定容量保持性能，即在1mA·cm-2的中等電流密度下，在經(jīng)歷1000次循環(huán)后保持了近80%的容量，且具有高活性材料負(fù)載（4和6 mg·cm-2）。此外，作者還報道了高達(dá)5.3 mA·h·cm-2的高面積容量和10 mg·cm-2非常高的活性材料負(fù)載，盡管其循環(huán)壽命有限。
Chun Yuen Kwok, et al. High-Performance All-Solid-State Li2S Batteries Using an Interfacial Redox Mediator. EES 2023
DOI: 10.1039/D2EE03297J
https://doi.org/10.1039/D2EE03297J
10. Angew：氮化碳上的單原子鎳光催化劑通過單價鎳實現(xiàn)炔烴與水分子的半氫化
光驅(qū)動水活化的前景促進(jìn)了氫化反應(yīng)的快速發(fā)展。中科院化學(xué)所Wenjing Song等描述了構(gòu)建在碳氮化物上的Ni2+–N4位點催化的炔烴的半氫化，水提供由可見輻射驅(qū)動的質(zhì)子。
本文要點：
1）重要的是，這里開發(fā)的光催化方法能夠在D2O獲得各種氘代烯烴，并具有優(yōu)異的氘結(jié)合率。在可見光照射下，四配位的Ni2+到三配位的Ni+的水參與的演化被光譜鑒定。結(jié)合理論計算，光析出的Ni+被認(rèn)為是HO–Ni+–N2，具有未配位的質(zhì)子化吡啶氮，通過耦合Ni2+還原-水離解和進(jìn)行半氫化形成。
2）成對的Ni–N不僅促使氫從水中釋放出來，還使烯烴優(yōu)先解吸，而不是進(jìn)一步氫化成烷烴，從而確保優(yōu)異的半氫化選擇性。
Jia, T., et al, Single-Atom Nickel on Carbon Nitride Photocatalyst Achieves Semihydrogenation of Alkynes with Water Protons via Monovalent Nickel. Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202216511
https://doi.org/10.1002/anie.202216511
11. Angew: 同步雙電解質(zhì)添加劑維持鋅金屬陽極5600小時壽命
鋅金屬陽極的商業(yè)化一直受到枝晶形成和副反應(yīng)的阻礙，因此，控制Zn的成核模式和沉積方向是獲得穩(wěn)定Zn陽極的關(guān)鍵。近日，蘇州大學(xué)孫靖宇運用同步雙電解質(zhì)添加劑使鋅金屬陽極維持5600小時壽命。
本文要點：
1) 作者提出了雙電解質(zhì)添加劑策略，即將木糖醇（XY）和氧化石墨烯（GO）直接添加到硫酸鋅電解質(zhì)中。通過分子動力學(xué)模擬分析，作者發(fā)現(xiàn)引入的XY分子可以調(diào)節(jié)Zn2+的溶劑化結(jié)構(gòu)，從而抑制氫生成和副反應(yīng)。
2) 自組裝GO層有利于促進(jìn)脫溶劑過程以加速反應(yīng)動力學(xué)。在協(xié)同調(diào)控下，可以實現(xiàn)Zn漸進(jìn)形核和定向沉積，從而實現(xiàn)致密和均勻的鋅沉積。因此，基于雙添加劑的對稱電池在1.0 mA cm?2/1.0 mAh cm?2下獲得5600小時的高度可逆循環(huán)壽命。
Xianzhong Yang, et al. Synchronous Dual Electrolyte Additive Sustains Zn Metal Anode with 5600 h Lifespan. Angew. Chem. Int. Ed. 2023
DOI: 10.1002/anie.202218454
https://doi.org/10.1002/anie.202218454
12. Angew: 通過晶體工程調(diào)節(jié)聚合物的熱性能
到目前為止，晶體工程一直專注于基于小有機分子的先進(jìn)材料的開發(fā)，而對于聚合物的研究較少。近日，倫敦大學(xué)學(xué)院Dejan-Kresimir Bucar通過晶體工程調(diào)節(jié)聚合物的熱性能。
本文要點：
1) 在不損害其機械柔性的情況下，作者通過調(diào)節(jié)聚合物的共結(jié)晶可以顯著提高其熱穩(wěn)定性，而同晶組分之一的同晶替換能夠形成具有熔點的固溶體，并且該熔點可以在寬溫度范圍內(nèi)容易地微調(diào)。
2) 該研究的結(jié)果可以將晶體工程和共結(jié)晶的范圍從小分子擴展到聚合物。例如使用聚合物作為共晶形成劑可以增強脆性藥物固體的可壓片性，而使用小分子作為共晶生成劑可以增強有機半導(dǎo)體聚合物的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性。而未來的工作主要集中在探索其他類型聚合物的共結(jié)晶，以獲得發(fā)現(xiàn)和開發(fā)聚合物共結(jié)晶的普遍可行性設(shè)計指南。
Luzia S. Germann, et al. Modulating thermal properties of polymers through crystal engineering. Angew. Chem. Int. Ed. 2023
DOI: 10.1002/anie.202212688
https://doi.org/10.1002/anie.202212688
