1. Nature Sustain.：用于可持續氧電催化的高熵單原子活性炭催化劑
電催化氧還原（ORR）和分子氧的生成（OER），即氧電催化，是一系列能源和環境技術的核心反應之一。雖然目前性能最好的電催化劑仍然以貴金屬為主，但碳基系統由于其內在的可持續性和實用性，提供了一種令人信服的替代方案。鑒于此，中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳和Yongping Zheng等展示了一種以理論計算為指導的設計，將碳電催化劑的活性邊界推向了前所未有的水平。1）引入高熵雜原子可以有效地最小化局部對稱性，以使石墨碳的π-電子網絡不穩定，并避免ORR和OER反應的中間物種的結合能過強或過弱。2）催化劑嵌入了五個金屬單原子Fe、Mn、Co、Ni和Cu以及兩種N源，在堿性環境中表現出優異的雙功能活性，分別超過了商業Pt/C和RuO2催化劑的ORR和OER反應性能。
Lei, X., Tang, Q., Zheng, Y. et al. High-entropy single-atom activated carbon catalysts for sustainable oxygen electrocatalysis. Nat Sustain (2023).DOI: 10.1038/s41893-023-01101-zhttps://doi.org/10.1038/s41893-023-01101-z
2. Nature Sustain.：氯化物電解質實現實用的鋅金屬電池具有接近統一的庫侖效率
可充電水系鋅電池在安全性、成本、可擴展性和碳足跡最為重要的固定存儲應用中至關重要。然而，利用這種可逆的雙電子氧化還原化學受到主要技術問題的困擾，特別是鋅表面的析氫反應(HER)，其影響通常不會在典型的測量條件下顯示出來。鑒于此，美國俄勒岡州立大學紀秀磊教授，Chong Fang，加州大學河濱分校P. Alex Greaney等報告了一種濃縮電解質設計，它消除了這種寄生反應，并實現在0.2 mA cm-2的低電流密度下測得的鍍鋅/剝離的庫侖效率(CE)達到99.95%。1）在濃ZnCl2電解質中含有額外的氯化物鹽和碳酸二甲酯，具有獨特化學環境的混合電解質具有低Hammett酸度，有助于原位形成雙層固體電解質界面，保護鋅負極免受HER和枝晶生長的影響。2）受益于接近統一的CE，使用VOPO4·2H2O正極的軟包電池可維持500次深度循環而不會膨脹或泄漏，并在實際條件下提供100 Wh kg-1的能量密度。
Jiang, H., Tang, L., Fu, Y. et al. Chloride electrolyte enabled practical zinc metal battery with a near-unity Coulombic efficiency. Nat Sustain (2023).DOI: 10.1038/s41893-023-01092-xhttps://doi.org/10.1038/s41893-023-01092-x
3. Sci. Adv.: 面向穩定鋰金屬陽極的表面工程
鋰（Li）金屬陽極（LMA）通常因固體電解質界面（SEI）引起的Li枝晶生長而失效。因此，具有改進物理化學和機械性質的人工SEI設計對穩定LMA非常重要。近日，浙江工業大學佴建威、陶新永、香港城市大學樓雄文綜述研究了面向穩定鋰金屬陽極的表面工程。1) 作者全面總結了目前表面工程中構建保護層作為人工SEI的有效策略和關鍵進展，包括使用位于不同初級物質狀態（固體、液體和氣體）的試劑或使用一些特殊途徑（例如等離子體）預處理LMA。2) 作者還簡要介紹了用于研究LMA保護層的基本表征工具。最后，為表面工程的設計提供了戰略指導，并討論了這些策略在實際應用中發展LMA的當前挑戰、機遇和未來可能的方向。
Gongxun Lu, et al. Surface engineering toward stable lithium metal anodes. Sci. Adv. 2023DOI: 10.1126/sciadv.adf1550https://doi.org/10.1126/sciadv.adf1550
4. Nature Commun.：使用低密度無機固態電解質實現高容量全固態鋰硫電池
使用無機固態電解質的鋰硫全固態電池被認為是有前途的電化學儲能技術。然而，開發含硫量高、硫利用率高、負載量大的正極具有挑戰性。在這里，為了解決這些問題，賓夕法尼亞州立大學Donghai Wang使用一種密度低(1.491 g cm?3)、一次粒子尺寸小(~500 nm)、體離子電導率為6.0ms cm?1(25°C)的液態合成Li3PS4-2LiBH4微晶玻璃固體電解質來制備鋰硫全固態電池。1）在平均堆壓為~55 Mpa的Li-In負極和60 wt% S正極的世偉洛克電池結構中進行測試時，全固態電池在167.5 mA g?1和60 °C下的放電容量約為1144.6 mAh g?1。2）研究人員進一步證明，低密度固體電解液的使用增加了正極中電解液的體積比，減少了非活性塊狀硫，并改善了硫基正極的含量均勻性，從而為電池性能的改善提供了足夠的離子傳導途徑。
Wang, D., Jhang, LJ., Kou, R. et al. Realizing high-capacity all-solid-state lithium-sulfur batteries using a low-density inorganic solid-state electrolyte. Nat Commun 14, 1895 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-37564-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-37564-z
5. Nature Commun.：從具有雙活性位點的鋅鎵氧化物陽極電化學生成過氧化氫
電化學水氧化能夠將H2O轉化為H2O2。它對O2還原反應具有明顯的優勢，O2還原反應受到傳質效率低和O2在水性介質中溶解度有限的限制。盡管如此，大多數報道的陽極都存在高過電勢（通常>1000 mV）和低選擇性的問題。在高過電勢下電解通常會導致過氧化物嚴重分解并導致選擇性下降。近日，香港中文大學Jimmy C. Yu，中山大學Zhuofeng Hu，華中師范大學Lizhi Zhang開發了一種高選擇性ZnGa2O4陽極，用于通過氧化水生產H2O2，在540 mV的低過電勢下提供82%的高FE，以及良好的穩定性。在這種情況下，表明在長達5小時的連續電解過程中，H2O2濃度平臺主要與均相分解（歧化）有關，而不是電分解。1）根據實驗觀察和理論計算，H2O2通過間接和直接反應途徑在ZnGa2O4上形成。更重要的是，由HCO3-/HCO4-介導的間接途徑是產生H2O2的關鍵途徑。ZnGa2O4有利于HCO3-在雙Ga-Ga位點的吸附。*HCO3到*HCO4在ZnGa2O4上的轉化通過原位ATR-FTIR光譜和DFT結果中的能量變化得到證實。值得注意的是，發現吸附的*HCO4分解為*CO2和*O2H，后者會轉化為H2O2。此外，H2O2和HCO4-中的過氧鍵在有和沒有HCO3陰離子的ZnGa2O4表面上都是穩定的。2）眾所周知，陽極H2O2的生成性能會受到支持電解質的影響。對于這種ZnGa2O4陽極，鑒于碳酸氫鹽中的高FE以及用于陽極生成H2O2的碳酸鹽溶液中的大電流密度，進一步的研究可以集中在進一步優化電解質的組成以提高ZnGa2O4的FE以產生H2O2并闡明其背后的反應機制。
Li, L., Hu, Z., Kang, Y. et al. Electrochemical generation of hydrogen peroxide from a zinc gallium oxide anode with dual active sites. Nat Commun 14, 1890 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-37007-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-37007-9
6. Angew：用于精密離子分離的超滲透雙機制驅動氧化石墨烯框架膜
二維氧化石墨烯(GO)膜作為解決全球水資源短缺問題的有前途的手段越來越受歡迎。然而，目前的GO膜無法充分排除溶液中埃大小的離子。在此，哈工大Lu Shao，柯廷大學Shaomin Liu報道了一種從頭“后”界面聚合(p-IP)策略可在超薄GO膜中原位構建定制的聚酰胺(PA)網絡，以加強尺寸排阻，同時賦予帶正電的膜表面以排斥金屬離子。1）對金屬離子的靜電排斥與增強的尺寸排阻相結合，通過合成的帶正電的GO骨架(PC-GOF)膜協同驅動高效金屬離子分離。2）這種雙機制驅動的PC-GOF膜具有優異的金屬離子截留、抗污能力、良好的操作穩定性和超高滲透率（是原始GO膜的五倍），為可持續水能源邁出了堅實的一步–食物關系。
Jing Guo, et al, Ultra-Permeable Dual-Mechanism-Driven Graphene Oxide Framework Membranes for Precision Ion Separations, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302931DOI: 10.1002/anie.202302931https://doi.org/10.1002/anie.202302931
7. Angew：陰離子化學調控鋅水電池正極庫侖效率
電解液環境，包括陽離子、陰離子和溶劑，對電池正極的性能至關重要。大多數工作都集中在陽離子與陰極材料之間的相互作用上，而對陰離子與陰極之間的相互作用缺乏深入的研究。在這里，香港城市大學支春義教授系統地研究了陰離子如何操縱鋅電池正極的庫侖效率(CE)。1）研究人員以插層型V2O5和轉換型I2正極為典型案例進行深入研究。研究發現，陰離子的電子性質，包括電荷密度及其分布，可以調節轉化或插層反應，導致顯著的CE差異。2）利用OPANDO視覺拉曼顯微鏡和理論模擬，研究人員證實了陰離子和I-之間的競爭配位可以通過調節Zn-I2電池中的多碘擴散速率來調節CEs。在Zn-V2O5電池中，陰離子調諧的溶劑化結構通過不同的鋅離子插層動力學來極大地影響CEs。3）轉換型I2正極可獲得99%的CE和高電子給體的陰離子，而具有與Zn2+強烈相互作用的優選電荷結構的陰離子為嵌入V2O5提供了接近100%的CE。因此，了解陰離子導電層的作用機理將有助于評價電解液與電極的相容性，從而為高能長循環鋅電池的陰離子選擇和電解液設計提供指導。
Pei Li, et al, Manipulating Coulombic Efficiency of Cathodes in Aqueous Zinc Batteries by Anion Chemistry, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303292DOI: 10.1002/anie.202303292https://doi.org/10.1002/anie.202303292
8. Angew：利用正極上的陽離子空位和自發極化增強儲鋅并抑制枝晶生長
高能量密度和本質安全是開發可充電鋅離子電池（ZIB）的核心追求。鎳鈷氧化物(NCO)陰極由于其半導體特性，其容量和穩定性并不令人滿意。在此，中國地質大學Yihe Zhang，Hongwei Huang，香港理工大學Haitao Huang提出了一種內置電場(BEF)方法，通過協同陰極側的陽離子空位和鐵電自發極化來促進電子吸附并抑制負極側的鋅枝晶生長。1）具體而言，構建具有陽離子空位的NCO以擴大晶格間距以增強鋅離子存儲。2）異質結//Zn電池在400 mA g-1下表現出170.3 mAh g-1的容量，并在2 A g-1下提供超過3000次循環的83.3%的競爭容量保持率。3）研究人員總結了自發極化在抑制鋅枝晶生長動力學中的作用，這有助于通過在陰極上定制具有鐵電極化的缺陷材料來開發高容量和高安全性的電池。
Liqi Bai, et al, Utilizing Cationic Vacancies and Spontaneous Polarization on Cathode to Enhance Zinc-Ion Storage and Inhibit Dendrite Growth in Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301631DOI: 10.1002/anie.202301631https://doi.org/10.1002/anie.202301631
9. Angew：調整雜化納米粒子組件中鉑的電子特性助力析氫反應
鉑（Pt）是用于析氫反應 (HER) 的最佳電催化劑。在這里，南開大學Wei Xie，杜伊斯堡埃森大學Sebastian Schlücker證明了通過金或銀核上的 Pt 納米粒子衛星的接觸帶電，可以調整 Pt 的費米能級。1）Pt 在這種雜化納米催化劑中的電子特性通過 X 射線光電子能譜 (XPS) 和表面增強拉曼散射 (SERS) 與探針分子 2,6-二甲基苯基異氰化物 (2,6-DMPI) 進行了實驗表征。實驗結果得到雜交模型和密度泛函理論 (DFT) 計算的證實。研究人員證明了調整 Pt 的費米能級會導致水分解中的過電勢降低或增加。
Ling Yang, et al, Tuning the Electronic Properties of Platinum in Hybrid-Nanoparticle Assemblies for use in Hydrogen Evolution Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301065DOI: 10.1002/anie.202301065https://doi.org/10.1002/anie.202301065
10. Angew：限制在二維金屬有機層中的Co-N4 位點可在工業級電流下實現高選擇性 CO2 電還原
金屬-有機骨架催化劑為CO2電催化帶來了新機遇。在此，南京林業大學Zupeng Chen，中科大Qunxiang Li，香港城市大學Bin Liu首先進行密度泛函理論計算，并預測Co基卟啉多孔有機層(Co-PPOLs)表現出良好的CO2轉化活性，因為Co-N4位點的*CO吸附能低，有利于*CO解吸和CO的形成。然后，我們通過一種簡便的表面活性劑輔助自下而上的方法制備了具有專屬Co-N4位點的二維Co-PPOL。1）超薄特性確保了催化中心的暴露。結合大比表面積、高導電性和CO2吸附能力，Co-PPOLs在CO2電還原中以中等電位實現CO生產的峰值法拉第效率（FECO=94.2%），并具有良好的穩定性。2）此外，Co-PPOLs在膜電極組件反應器中達到工業級電流超過200mA，并在CO2電解中保持近乎統一的CO選擇性（FECO>90%）超過20小時。
Exclusive Co-N4 Sites Confined in Two-dimensional Metal-Organic Layers Enabling Highly Selective CO2 Electroreduction at Industrial-level Current， Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202219241DOI：10.1002/anie.202219241https://doi.org/10.1002/anie.202219241
11. AEM：用于陰離子交換膜燃料電池的高活性和耐用的無金屬碳催化劑
開發高活性、耐用的無鉑氧還原反應（ORR）催化劑對陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）的實際應用至關重要。鑒于此，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉、北京化工大學曹達鵬等通過整合理論計算和實驗，專門為AEMFC設計和開發了一種具有石墨氮調節缺陷結構的無金屬碳催化劑（標記為NDPC-1000）。1）密度泛函理論計算首先表明，石墨N可以調整五邊形和扶手椅缺陷的電荷密度，以達到吸附能-活性火山圖的頂部，而耐久性的增強歸因于C-N共價鍵的高離解能。2）在這一指導下，合成的NDPC-1000證明了其在堿性介質中的高ORR活性和耐用性。對于H2/O2反應氣體，以該催化劑為陰極的AEMFC提供913 mW cm?2的峰值功率密度。通過在0.25 A cm?2下連續運行100小時，僅電壓衰減≈25%，驗證了前所未有的燃料電池耐久性，這是所有報道的無金屬基AEMFC中最大的。
Yang, L., et al, Highly Active and Durable Metal-Free Carbon Catalysts for Anion-Exchange Membrane Fuel Cells. Adv. Energy Mater. 2023, 2204390.DOI: 10.1002/aenm.202204390https://doi.org/10.1002/aenm.202204390
12. AEM綜述：金屬硫族電池MOF基材料的興起與發展：現狀、挑戰和前景
金屬硫族電池（MCBs）由于其低成本、高理論容量和環境友好性，被認為是下一代儲能的有前途的候選者。然而，一些問題，如充電/放電過程中的體積變化、可溶性中間體的穿梭效應、中間體轉化的緩慢反應動力學以及堿金屬陽極不受控制的枝晶生長，極大地阻礙了MCB的商業化。將基于金屬有機框架（MOF）的材料（原始MOFs、MOF復合材料和MOF衍生物）引入MCB的不同部分可以有效地克服上述問題，因為這些材料具有高孔隙率、低密度、大表面積、規則孔道、可調孔徑和拓撲多樣性的優點。鑒于此，北京大學侯仰龍、北京科技大學張隆詳細綜述了MCBs中MOF基材料的最新進展，為進一步研究提供了全面的指導。1）綜述了MOF基正極和負極材料，其中介紹了原始MOF的各種參數對性質的影響以及典型復合材料和衍生物的應用現狀。根據不同的工作機制提出了用于隔膜的MOF基材料。2）對基于MOF基電解質材料的物理狀態對其進行描述。最后討論了MOF基材料在微型斷路器中應用的挑戰和前景。
Zhang, L., Hou, Y., The Rise and Development of MOF-Based Materials for Metal-Chalcogen Batteries: Current Status, Challenges, and Prospects. Adv. Energy Mater. 2023, 2204378.DOI: 10.1002/aenm.202204378https://doi.org/10.1002/aenm.202204378
