1. Chem. Soc. Rev.: 從減薄鋰金屬的角度看高能量密度可充電鋰電池
金屬鋰（Li）作為可充電鋰電池中的Li+離子源，由于其高比容量和低氧化還原電位，使其在電化學儲能方面極具應用前景。然而，由于鋰金屬在機械軋制時的粘性和脆性，將其加工成薄箔仍比較困難。因此，在電池系統中使用厚鋰違背了實現其更高能量密度的原始目標，并導致材料浪費。近日，同濟大學羅巍、華中科技大學黃云輝從減薄鋰金屬的角度綜述研究了高能量密度可充電鋰電池。1)作者系統表達了應用薄Li（<50μm，最好≤30μm）以實現更高能量密度電池系統的論點。首先簡要概述了鋰，以幫助科研工作者理解其在電池中的作用。然后，對追求薄Li的原因進行了批判性分析。接下來，對能夠制造薄Li的技術進行了總結和比較，這需要來自機械工程、冶金、電化學和其他領域的專家的共同參與。2) 隨后，作者介紹了薄鋰在電池中的潛在應用。隨著薄Li的應用，會產生新的挑戰和機遇，作者并對其進行了展望。基于鋰金屬陽極，再加上厚度的減法操作和兼容的改性策略，將極大存進電化學儲能的發展。
Wangyan Wu, et al. Less is more: a perspective on thinning lithium metal towards high-energy-density rechargeable lithium batteries. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS00606E
2. Nature Commun.：共錨定策略合成極性雙峰聚乙烯
由于極性基團會使催化劑中的金屬中心中毒，因此加入極性共聚單體通常以犧牲催化活性和聚合物分子量為代價。近日，中科大Changle Chen，Guifu Si展示了極性雙峰聚乙烯作為這種權衡的潛在解決方案。1）極性較大/支化較多的低分子量級分提供極性和加工性，而極性較小/支化較少的高分子量級分提供機械和熔體性能。2）為了實現這兩種餾分之間的高混溶性，研究了三種合成路線：均相催化劑的混合物、單獨負載的多相催化劑，以及將不同的均相催化劑在一個固體載體上多相化的共錨定策略 (CAS)。3）CAS 路線是合成具有良好分子水平纏結和最小相分離的極性雙峰聚乙烯的唯一可行策略。這樣生產的聚烯烴材料具有出色的機械性能、表面/染色性能、氣體阻隔性能以及可擠出性和3D打印性。
Zou, C., Wang, Q., Si, G. et al. A co-anchoring strategy for the synthesis of polar bimodal polyethylene. Nat Commun 14, 1442 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-37152-1https://doi.org/10.1038/s41467-023-37152-1
3. JACS：用于太陽能化學轉化的輔助因子修飾金屬有機膠囊的酶接枝
太陽能到化學轉化的半人工方法可以實現超出天然酶能力的化學轉化，但由于它們不可避免地需要輔因子穿梭和再生，因此在促進體內級聯方面面臨著巨大的挑戰。在這里，大連理工大學Liang Zhao，段春迎教授報道了一種酶接枝策略，用于構建金屬有機膠囊對接人工酶（金屬有機酶，MOE），該酶包括輔因子裝飾膠囊的自組裝和酶支架之間的超分子酶識別功能和膠囊繞過輔因子穿梭和再生。1）金屬有機膠囊中摻入的 NADH 模擬物與亞胺中間體相互作用，亞胺中間體由胺的縮合和醇底物在微環境中脫氫形成，在膠囊內形成復合物，隨后作為原位產生的光響應輔助因子。2）在光照下，光響應輔助因子促進了膠囊內部空間（超分子氫化）和外部空間（酶促脫氫）之間的有效質子/電子傳輸，分別使醇脫氫和亞胺中間體氫化，從而規避了傳統上復雜的多步輔助因子穿梭和再生。3）半人工酶賦予多種類型的醇在水溶液/有機溶液和大腸桿菌中高效轉化為胺產品的能力，為可持續和環保的商品和精細化學品生物制造提供了廣泛的機會。
Jianwei Wei, et al, Enzyme Grafting with a Cofactor-Decorated Metal-Organic Capsule for Solar-to-Chemical Conversion, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.2c12636https://doi.org/10.1021/jacs.2c12636
4. JACS：缺陷NiPS3促進NiPS3-CdS光重整降解塑料
通過可持續發展的方式轉化塑料廢品，降低塑料廢品對環境的危害，充分利用塑料廢品的價值。在環境友好的反應條件進行光重整是一種具有吸引力的方法，將廢品轉化為H2。但是因為質子還原和底物氧化之間相互制約，導致光化學重整轉化塑料廢品的技術具有非常差的效率。有鑒于此，阿德萊德大學喬世璋、Jingrun Ran等報道發展了富含缺陷的NiPS3和CdS復合光催化劑d-NiPS3/CdS，實現了優異的制氫性能（~40 mmol gcat-1 h-1），9 h光催化反應的有機酸產量達到78 μmol。在100 h光重整市售聚乳酸和PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）表現優異的穩定性。1）這種光催化劑的性能達到目前見諸報道的性能最好的，通過原位超快光譜表征，說明d-NiPS3快速的從CdS中提取電子，促進快速制氫反應，從而有助于空穴對底物氧化，實現提高整體光催化反應速率。2）這項工作為將塑料廢品轉化為燃料和化學品提供一種方法。表征發現，d-NiPS3納米片從CdS抽取電子的時間<4.9 ps，比電子-空穴復合的時間快10倍，而且暴露的P和S原子位點促進HER反應速率。
Shuai Zhang, et al, Boosted Photoreforming of Plastic Waste via Defect-Rich NiPS3 Nanosheets, J. Am. Chem. Soc. 2023DOI: 10.1021/jacs.2c13590https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c13590
5. Angew：通過調節原子分散鐵的二次殼層配位環境實現多硫化鈉的完全轉化
室溫鈉-硫(RT Na-S)電池作為潛在的儲能設備極具競爭力。然而，由于多硫化物的不完全轉化，它們實際實現的可逆容量遠低于理論值。在此，中科大余彥教授，Yu Yao，布魯克海文國家實驗室Enyuan Hu提出了通過調節Fe單原子的第二殼層配位環境實現原子分散的Fe-N/S 活性中心。1）通過同步輻射 X 射線吸收光譜 (XAS) 和理論計算揭示了在費米能級附近具有增強局部電子濃度的Fe-N4S2配位結構，這不僅可以顯著促進多硫化物的轉化動力學，而且可以誘導均勻的Na沉積無枝晶鈉陽極。2）結果，獲得的S正極提供了1590 mAh g-1的高初始可逆容量，接近理論值。這項工作開辟了一條新途徑，以促進多硫化物在 RT Na-S 電池中的完全轉化。
Ruilin Bai, et al, Toward Complete Transformation of Sodium Polysulfides by Regulating the Second-Shell Coordinating Environment of Atomically Dispersed Fe, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202218165DOI: 10.1002/anie.202218165https://doi.org/10.1002/anie.202218165
6. Angew：揭示無鈷富鎳單晶正極的合成動力學
在層狀氧化物的固態合成中，通常優先生成非平衡動力學中間體，而不是熱力學穩定相。了解熱力學和動力學之間的內在復雜性對于設計高陽離子有序陰極很重要。單晶策略是解決富鎳正極固有化學機械問題的有效途徑。然而，高性能單晶的合成非常具有挑戰性。近日，浙江大學陸俊教授，河南師范大學白正宇教授，楊林教授探索了單晶無鈷富鎳層狀氧化物 NM9505 在其固態合成過程中的結構演變相關的反應途徑和非平衡中間體。1）熱力學穩定的層狀結構 (R-3m) 是從亞穩態中間體演變而來的。高溫合成的緩慢動力學抑制了最終材料中整體層狀結構的發展。然而，在熔鹽合成過程中，質子在相對較低的加熱溫度下被去除，鋰離子均勻插入和分散，導致層狀結構的形成。2）基于對單晶無鈷富鎳層狀氧化物 NM9505 合成過程中動力學反應路徑的理解，我們提出在低溫下驅動準平衡反應路徑以誘導低溫拓撲鋰化，促進快速層狀相的形成，有助于形成高度有序的層狀氧化物。這項工作基于在單晶無鈷富鎳固相合成過程中對非平衡反應路徑中中間相的簡單控制。從控制動力學反應路徑的角度深入研究材料合成，有望加速高性能單晶富鎳層狀氧化物的實用化開發。
Jingjie Liu, et al, Understanding the Synthesis Kinetics of Single-Crystal Co-Free Ni-Rich Cathodes, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302547DOI: 10.1002/anie.202302547https://doi.org/10.1002/anie.202302547
7. Angew：多功能中間層設計抑制高能金屬鋰電池中的通用正極交叉
在使用高能正極的鋰金屬電池中，普遍存在的正極交叉（如化學物質和氧氣）被嚴重忽視，這會導致嚴重的容量退化并引發嚴重的安全問題。在此，香港理工大學Guohua Chen，阿貢國家實驗室Khalil Amine，Gui-Liang Xu開發了一種由多功能活性位點組成的多功能薄（~25 μm）夾層，以同時調節鋰沉積過程并抑制正極交叉。1）研究發現，即使在10 mA cm-2的高電流密度下，誘導的雙梯度固體電解質界面結合豐富的親鋰位點也能實現穩定的 Li 剝離/電鍍過程。此外，X 射線光電子能譜和同步加速器X射線實驗表明，富N骨架和CoZn雙活性位點可以有效減輕不需要的正極交叉，從而顯著減少Li腐蝕。2)因此，使用各種高負載正極材料（包括 LiNi0.7Mn0.2Co0.1O2、Li1.2Co0.1Mn0.55Ni0.15O2和硫）組裝的鋰金屬電池在高正極負載下表現出顯著改善的循環穩定性。
Chuyi Xie, et al, Suppressing Universal Cathode Crossover in High-Energy Lithium Metal Batteries via a Versatile Interlayer Design, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202217476DOI: 10.1002/anie.202217476https://doi.org/10.1002/anie.202217476
8. Angew：金屬氫化物形成的質子隧穿距離影響CO2電化學還原反應的選擇性
質子耦合電子轉移 (PCET) 在降低許多生物和人工催化過程（如光合作用、呼吸作用、二氧化碳還原和固氮）的活化勢壘方面發揮著關鍵作用。然而，由于質子（金屬氫化物）與底物與催化中心的競爭性結合，PCET 方法也使反應選擇性成為一個棘手的問題。近日，西南科技大學Lin Chen，山東師范大學Fang Huang，大連理工大學Fei Li證明了 PTD-MH 在確定電化學 CO2還原反應路線中的關鍵作用。1）作為概念驗證，在一系列精心設計的錳聚吡啶配合物中，通過改變金屬中心與局部質子源之間的距離，系統地調整了反應選擇性。通過這種策略，可以高效地產生CO或HCOOH。2）值得注意的是，這些實驗結果得到理論預測的充分支持，展示了對CO2轉化中結構-活性關系的理解。例如，這一原理也適用于經過充分研究的用大量局部質子源功能化的鐵(II)卟啉衍生物，這大大加快了CO2到CO的轉化，而不是CO2到HCOOH甚至在高濃度苯酚存在下。在分子水平上進行質子隧道調制的方法不僅為合理設計高選擇性 CO2 還原催化劑開辟了一條新途徑，而且有利于廣泛的競爭反應，如質子還原和氮還原。
Shuanglin He, et al, Proton Tunneling Distances for Metal Hydrides Formation Manage the Selectivity of Electrochemical CO2 Reduction Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216082DOI: 10.1002/anie.202216082https://doi.org/10.1002/anie.202216082
9. Angew：通過壓電催化進行機械活化的固態自由基聚合和交聯
近日，新南威爾士大學Martina H. Stenzel展示了壓電 BaTiO3納米顆粒可以將機械載荷轉換為能夠引發固態自由基聚合的反應性自由基物種通量。1）通過球磨、用錘子敲打或反復壓縮加載來激活 BaTiO3粉末會產生高反應性羥基自由基 (?OH)，它很容易引發自由基鏈增長和固體丙烯酰胺、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和苯乙烯單體的交聯。2）控制實驗表明化學吸附水在BaTiO3納米顆粒表面的關鍵作用，它通過機械氧化還原催化被氧化為 ?OH。通過壓縮干壓電材料的力誘導自由基的產生代表了利用機械能進行固態自由基合成的有前途的新途徑。
Mitchell D. Nothling, et al, Mechanically activated solid state radical polymerization and cross-linking via piezocatalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202218955DOI: 10.1002/anie.202218955https://doi.org/10.1002/anie.202218955
10. AM: 可食用充電電池
食用電子產品是一個不斷發展的領域，旨在生產僅使用食品成分和添加劑的可消化設備，從而解決可食用電子設備的許多缺點。可食用電子設備將對胃腸道監測、治療以及快速食品質量監測產生重大影響。最近的研究已經證明了可食用電路和傳感器的可行性，但要實現完全可食用的電子設備需要可食用電源，這方面的例子很少。近日，意大利理工學院Mario Caironi從使用氧化還原輔助因子為生化機器提供動力的生物體中汲取靈感，開發了一種由日常生活中食用的材料制成的可充電食用電池。1）該電池是通過將核黃素和槲皮素（常見的食品成分和膳食補充劑）固定在活性炭（一種廣泛使用的食品添加劑）上實現的。核黃素用作負極，而槲皮素用作正極。通過將電極封裝在蜂蠟中，制造了一種完全可食用的電池，能夠為小型電子設備供電。2）概念驗證電池的工作電壓為 0.65 V，可維持 48 μA 的電流 12 分鐘。所提出的概念驗證將為新的可食用電子應用打開大門，使醫療診斷、治療和監測食品質量的新方法更安全、更容易。
Ivan K. Ilic, et al, An Edible Rechargeable Battery, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202211400https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202211400
11. AM：種植的石墨烯量子點用于靶向增強的腫瘤成像和局部藥物動力學的長期可視化
雖然光致發光石墨烯量子點(GQDs)因其具有類蛋白質大小、超高的光穩定性和在體內的長期生物安全性而被認為非常適用于生物成像，但其在體內的獨特、重要的生物成像應用仍難以實現。清華大學康飛宇教授、孫曉丹研究員和中科院自動化研究所田捷研究員構建了種植的GQDs，其能夠在體內進行熒光、可持續和多模態腫瘤生物成像。1）實驗通過自下而上的分子方法將GQDs原位種植在聚乙二醇化納米顆粒的聚乙二醇(PEG)層中，構建得到NPs-GQDs-PEG納米復合材料。與典型的GQDs相比，種植的GQDs的血液循環延長了4倍以上，其腫瘤積累效率也增加了7-8倍以上。2）經過特異性修飾后，該多功能NPs-GQDs-PEG可在體內外多種腫瘤模型中實現靶向的多模態分子成像。此外，具有良好光穩定性的GQDs也能夠長期、實時地顯示NPs在體內的局部藥代動力學。綜上所述，該研究提出的在聚乙二醇化納米藥物中種植GQDs的策略能夠為推動GQDs在體內生物醫學中的應用提供一種新的策略。
Hao Yan. et al. Planted Graphene Quantum Dots for Targeted, Enhanced Tumor Imaging and Long-Term Visualization of Local Pharmacokinetics. Advanced Materials. 2023DOI: 10.1002/adma.202210809https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210809
12. AEM: 用于單元化可逆燃料電池的水通道多孔傳輸層
日益增長的全球能源需求，加上遏制溫室氣體排放的迫切需要，使得燃料電池技術受到了廣泛關注。近日，洛斯阿拉莫斯國家實驗室Jacob S. Spendelow、Siddharth Komini Babu報道了用于單元化可逆燃料電池的水通道多孔傳輸層。1) 作者報道了一種新型的多孔傳輸層（PTL），即水通道PTL，它能改善水管理，并在單元化可逆燃料電池（URFC）中具有優異的可逆效率。URFC需要O2和H2O的快速傳輸，以實現高性能的燃料電池和水電解槽，但其由于水管理要求的沖突而變得復雜：電解槽在高液態水飽和度下表現最佳，而燃料電池在液態水飽和度盡可能低時表現最佳，同時還需保持有效的離聚物水合作用。2) 水通道PTL通過提供親水通道用于通過疏水性PTL的水傳輸，從而在燃料電池和水電解槽中實現最佳性能，進而繞過了這一障礙。此外，作者在兩種運行模式下通過對含水量的中子射線照相測量發現，由于水通道PTL改善了水管理能力，因此能夠實現高性能的燃料電池。
Siddharth Komini Babu, et al. A Goldilocks Approach to Water Management: Hydrochannel Porous Transport Layers for Unitized Reversible Fuel Cells. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202203952https://doi.org/10.1002/aenm.202203952
