1. Nature Commun.：多功能溶劑分子設計使高壓鋰離子電池成為可能
提高充電截止電壓是提高鋰離子電池能量密度的有效途徑之一。然而，這種方法由于在電解液/電極界面發生嚴重的寄生反應而受到限制。為了解決這一問題，浙江大學范修林教授，中科院物理所Xuefeng Wang，巴伊蘭大學Malachi Noked通過多功能溶劑分子設計，設計了一種不可燃的氟磺酸鹽電解質，使其能夠在高壓陰極上形成富無機的陰極電解質界面(CEI)，在石墨陽極上形成有機/無機混合固體電解質界面(SEI)。
本文要點：
1）該電解液由1.9M LiFSI和2，2，2-三氟乙基三氟甲磺酸和2，2，2-三氟乙基甲烷磺酸鹽組成，其充電電壓為4.55V的石墨||LiCoO2和4.6V充電的石墨||NCM811電池在5329次循環和2002次循環中的容量保持率分別為89%和85%，比4.3V時的能量密度分別提高了33%和16%。
本工作為商業LIBs的升級提供了一種實用的策略。
Zhang, J., Zhang, H., Weng, S. et al. Multifunctional solvent molecule design enables high-voltage Li-ion batteries. Nat Commun 14, 2211 (2023).
DOI：10.1038/s41467-023-37999-4
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37999-4
2. Nature Commun.：金屬有機骨架薄膜中的化學路由孔間分子擴散
分子在多孔固體中的輸運擴散率受分子沿濃度梯度從一個孔移動到另一個孔的速率的限制，即遵循費克擴散。在非均質多孔材料中，即在存在不同大小和化學環境的孔的情況下，擴散速度和方向性仍然很難估計和調整。近日， 塔塔基礎研究所Ritesh Haldar實現了分子擴散方向可以與濃度梯度垂直。
本文要點：
1）為了實驗上確定這種復雜的擴散速率依賴關系，并深入了解微觀擴散路徑，研究人員設計了一個模型納米孔結構，金屬-有機骨架(MOF)。在這個模型中，兩個化學和幾何上不同的孔窗口通過外延逐層生長的方法進行空間定向。
2）納米孔道的具體設計和定量質量吸收速率的測量表明，質量吸收是由垂直于濃度梯度方向的孔間擴散控制的。這一發現允許對納米孔進行化學雕刻，并加速了孔間擴散和動力學擴散選擇性。
Maity, T., Malik, P., Bawari, S. et al. Chemically routed interpore molecular diffusion in metal-organic framework thin films. Nat Commun 14, 2212 (2023).
DOI：10.1038/s41467-023-37739-8
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37739-8
3. Nature Commun.：適應性共價交聯纖維
纖維的年產量超過1億噸，在各個領域得到了廣泛的應用。最近的努力集中在通過共價交聯來改善纖維的力學性能和耐化學性。然而，共價交聯聚合物通常是不溶不熔的，因此制造纖維是困難的。所報道的那些需要復雜的多步驟制備過程。
在這里，東華大學Zhengwei You提出了一種簡單而有效的策略，通過直接熔融紡絲共價自適應網絡(CAN)來制備自適應共價交聯纖維。
本文要點：
1）在加工溫度下，動態共價鍵可逆地解離/締合，并且CAN暫時斷開以實現熔融紡絲；在使用溫度下，動態共價鍵被凍結，并且CAN具有良好的結構穩定性。
2）研究人員通過動態氧氨酯CAN展示了這一策略的有效性，并成功地制備了適應性強的共價交聯纖維，具有強大的機械性能(最大伸長率為2639%，拉伸強度為87.68兆帕，伸長率為800%幾乎完全恢復)和耐溶劑性。進一步，這項技術的應用以一種耐有機溶劑和可伸縮的導電纖維為例。
Tan, H., Zhang, L., Ma, X. et al. Adaptable covalently cross-linked fibers. Nat Commun 14, 2218 (2023).
DOI：10.1038/s41467-023-37850-w
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37850-w
4. Joule: 氫鍵稠合芳烴中的高速率、高容量電化學儲能
設計具有短充電時間和高充電容量的電化學儲能材料是一項長期的挑戰。其根本的困難在于將高密度的氧化還原偶結合到能夠有效傳導離子和電子的穩定材料中。近日，麻省理工學院Mircea Dinc?報道了氫鍵稠合芳烴中的高速率、高容量電化學儲能。
本文要點：
1) 作者報道了所有有機的稠合芳香族材料，其儲存容量高達310 mAh g?1，充電時間短至33 s。而這種性能源于豐富的醌/亞胺官能團，這些官能團修飾了延伸的芳香主鏈，充當氧化還原活性位點。
2) 此外，這些官能團還能參與形成氫鍵，從而在循環時具有穩定的離域高速儲能性能。而擴展的共軛和氫鍵輔助體電荷存儲與傳統無機電極的表面受限或依賴水合的行為形成鮮明的對比。
Tianyang Chen, et al. High-rate, high-capacity electrochemical energy storage in hydrogen-bonded fused aromatics. Joule 2023
DOI: 10.1016/j.joule.2023.03.011
https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.03.011
5. Joule: 基于統計和機器學習的儲能耐久性測試策略
開發新的電網儲能技術受到科研工作者的極大關注，但經濟可行性要求制造商提供保證15年以上使用壽命的電網儲能技術。盡管人們已經做出了大量努力來對新儲能技術的預期壽命進行早期預測，但為了對保修定價和評估第二壽命等因素，需要完整的故障概率分布，而不僅僅是預期壽命。近日，勞倫斯伯克利國家實驗室Stephen J. Harris報道了基于統計和機器學習的儲能耐久性測試策略。
本文要點：
1) 作者使用已公布的電池循環壽命數據來構建有效的統計和基于機器學習的測試分析策略，這些策略可以快速估計并利用故障概率分布。一種方法是威布爾分析，它可以減少設置保修所需的測試機器小時數，快速確定新技術是否優于現有技術，以及估計不會改變故障模式的測試加速度的最大強度。
2) 第二種方法是將所有的測量數據作為時間或循環數的函數，如容量或能量等數據都富有價值，并且其是由潛在函數生成的。該分析采用高斯過程來尋找潛在函數及其不確定性，從而使其可用于計算故障分布。
Stephen J. Harris, et al. Statistical and machine learning-based durability-testing strategies for energy storage. Joule 2023
DOI: 10.1016/j.joule.2023.03.008
https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.03.008
6. JACS：室溫下動態鍵定向合成穩定的介孔金屬-有機框架
具有介孔（2–50 nm）的穩定金屬-有機框架（MOFs）是固定納米功能化合物的有效平臺，如金屬氧簇、金屬硫化物量子點和配位絡合物。然而，這些物質在酸性條件或高溫下很容易分解，阻礙了它們在穩定MOFs中的原位包封，而MOFs通常在過量酸調節劑和高溫的苛刻條件下合成的。近日，南京大學左景林、袁帥、國民核生化災害防護國家重點實驗室Zhang He報道了室溫下動態鍵定向合成穩定的介孔金屬-有機框架。
本文要點：
1) 作者報道了一種在室溫和無酸調節劑條件下合成穩定的中孔MOFs和MOF催化劑的路線，作者最初通過連接穩定的Zr6團簇和不穩定的Cu聯吡啶部分來構建MOF模板； 隨后通過有機連接體交換Cu聯吡啶部分以提供穩定的Zr-MOFs；作者將包括多金屬氧酸鹽（POM）、CdSeS/ZnS量子點和Cu配位籠在內的酸敏感物種原位封裝到MOFs中。
2)此外，在MOF合成過程中，作者不僅保持了酸敏感物種的穩定和活性，還將其鎖定在框架內。這是源于POM@Zr-MOF中氧化還原活性POM和Lewis酸性Zr位點之間的協同作用。動態鍵導向方法將加速大孔穩定MOF的發現，并提供一種溫和途徑來避免MOF合成過程中催化劑的分解。
Youcong Li, et al. Dynamic Bond-Directed Synthesis of Stable Mesoporous Metal–Organic Frameworks under Room Temperature. JACS 2023
DOI: 10.1021/jacs.3c01219
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c01219
7. Angew：以冰為模板的空間受限聚合使大規模合成二維聚合物片材成為可能
盡管在二維(2D)材料的制備和表征方面取得了重大進展，但二維有機材料的合成仍然具有挑戰性。在這里，北京化工大學Jianxin Geng報道了一種新型的空間限制聚合方法，該方法能夠大規模合成功能性共軛聚合物的二維片，即聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）。
本文要點：
1）該方法的一個關鍵步驟是使用膠束將單體限制在冰晶的邊界。這種空間限制引導聚合形成具有高結晶度和可控形態的2D PEDOT片材。
2）由2D PEDOT片材制備的超級電容器表現出出色的性能指標。在水性電解質中，在0.2 mA cm-2下實現了898 mF cm-2的高面積比電容以及出色的倍率性能（例如，在50倍高電流下的電容保持率為67.6%）。
3）此外，基于二維PEDOT的超級電容器表現出出色的循環穩定性（30,000次循環后的電容保持率為98.5%）。當使用有機電解質時，器件性能進一步提高。
Xiaomeng Peng, et al, A Space-Confined Polymerization Templated by Ice Enables Large-Scale Synthesis of Two-Dimensional Polymer Sheets, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301940
DOI: 10.1002/anie.202301940
https://doi.org/10.1002/anie.202301940
8. Angew：用于固定化催化DNA的動態氫鍵鋅骨架(ZAF)
遺傳物質的有效固定和傳遞處于生物和醫學研究的前沿，旨在應對基因治療和癌癥治療等科學挑戰。在這里，阿卜杜拉國王科技大學Niveen M. Khashab提出了一種受生物學啟發的氫鍵腺嘌呤酸鋅框架 (ZAF)，它由腺嘌呤酸鋅大環化合物組成，通過腺嘌呤相互作用自組裝成 3D 框架。
本文要點：
1）ZAF 可以有效地固定 DNAzyme，并全面保護其免受酶降解和生理條件的影響，直到它被成功輸送到細胞核中。
2）與沸石咪唑酯骨架 (ZIF) 相比，ZAF 的生物相容性高 2 倍，負載效率高達 96%。總的來說，該設計為擴展基于氫鍵的功能系統鋪平了道路，使其成為生物制劑裝載和輸送的潛在平臺。
Walaa S. Baslyman, et al, Dynamic Hydrogen-Bonded Zinc Adeninate Framework (ZAF) for Immobilization of Catalytic DNA, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302840
DOI: 10.1002/anie.202302840
https://doi.org/10.1002/anie.202302840
9. Angew：電脈沖驅動的銅鎳串聯高效硝酸鹽合成氨催化劑的周期自修復
電催化硝酸鹽還原可持續地產生氨并減輕水污染，但由于動力學不匹配和析氫競爭而具有挑戰性。Cu/Cu2O異質結被證明可有效打破決定NO3?至NO2?的步驟以實現高效的NH3轉化，但通過電化學重構它是不穩定的。近日，南京大學Guandao Gao，揚州大學Chao Wang提出了一種通過脈沖電解進行的原位電化學過氧化策略，其中施加的陽極電位足以產生CuO躍遷以恢復活性Cu/Cu2O。
本文要點：
1）X射線光電子能譜(XPS)和俄歇電子能譜(AES)分析表明，隨著CuO的建立，大量的Cu/Cu2O配合物在隨后的負電位下自修復還原過程中生成。
2）通過調整電解質的施加電位和pH值，可以很好地控制NO3-生成NH3的反應性和選擇性。此外，與Ni合金化可以進一步平衡NO3-到NO2-和NO2-到-NH3反應的速率困境，通過在脈沖下促進Ni/Ni(OH)2界面上的水離解來促進加氫生成氨，這在低過電勢下推動了轉變。
2）在脈沖NO3RR條件下，自修復Cu-Ni串聯催化劑的NH3產率優于靜態NO3RR條件下的大多數最先進的電催化劑。
這項研究證明了NO3-脈沖電解的巨大潛力，其中原位過氧化和自我修復策略的有利組合以定制結構敏感催化劑值得關注。
Yongguang Bu, et al, Electrical Pulse-Driven Periodic Self-Repair of Cu-Ni Tandem Catalyst for Efficient Ammonia Synthesis from Nitrate, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202217337
DOI: 10.1002/anie.202217337
https://doi.org/10.1002/anie.202217337
10. AM：具有超大放電容量和超長循環壽命的可充電鋅-空氣電池
傳統的兩電極可再充電鋅-空氣電池（RZAB）目前具有兩個主要問題：（1）空氣正極的催化劑對氧還原（ORR）和析氧（OER）反應的要求相反。（2）鋅負極處的鋅枝晶形成、氫氣生成和鋅腐蝕。為了解決這些問題，中國科學院深圳先進技術研究院的成會明院士、清華大學深圳國際研究生院的周光敏和Li Jia等開發了一種三電極RZAB（T-RZAB），用于超大放電容量和超長循環壽命的可充電鋅-空氣電池。
本文要點：
1）三電極RZAB（T-RZAB）包括疏水放電正極、親水充電正極和無鋅負極。解耦的正極能夠實現快速的ORR和OER動力學，并避免ORR催化劑的氧化。
2）使用鍍錫銅泡沫的無鋅負極可誘導 (002)Zn平面的生長，抑制析氫并防止Zn腐蝕。因此，T-RZAB具有800 mAh cm?2的高循環放電容量，0.66 V的放電/充電平臺低電壓間隙，以及在10 mA cm?2電流密度下5220小時的超長循環壽命。
3）開發了一種大的T-RZAB，其放電容量為每循環10安培小時，并且循環1000小時后沒有減少。最后，組裝了一個T-RZAB電池組，其能量密度為每公斤151.8瓦時，成本低至為每千瓦時46.7美元。
Zhong, X., et al, Rechargeable zinc-air batteries with an ultra-large discharge capacity per cycle and an ultra-long cycle life. Adv. Mater. 2301952.
DOI: 10.1002/adma.202301952
https://doi.org/10.1002/adma.202301952
11. AM：通過在金屬酞菁催化劑中誘導面外極化促進氧還原反應
金屬酞菁(MPC)材料具有良好的Mn4基團，為催化氧還原反應(ORR)提供了一個平臺，但由于其平面Mn4的性質，其實際應用性能往往受到O2吸附不足的限制。在這里，中科大Jun Jiang，宋禮，安徽大學Yunxiang Lin提出了一種設計(稱為Gr-MG-O-MPPc)，通過橋鍵氧原子(O)將金屬MPC(MP)與石墨烯中的單個金屬原子(Gr-MG)進行軸向配位，引入有效的面外極化促進O2在MPC上的吸附。
本文要點：
1）研究人員用密度泛函理論方法研究了不同類型的MP和MG(MP=Fe/Co/Ni，MG=Ti/V/Cr/Mn/Fe/Co/Ni)對-MG-O-MP-軸向配位區的離面極化電荷的影響。
2）成功合成的Gr-V-O-FePc催化劑具有最高的O2吸附能，并通過系統的X射線吸收光譜測試進行了驗證。重要的是，它提供了顯著的ORR性能，半波電位為0.925 V(vs.RHE)，動能電流密度為26.7mA cm-2。
這項研究證明了一種通過在催化劑中誘導平面外極化來追求高催化性能的新的、簡單的方法。
Xiyu Li, et al, Promoting Oxygen Reduction Reaction by Inducing Out-of-plane Polarization in Metal Phthalocyanine Catalyst, Adv. Mater. 2023
DOI: 10.1002/adma.202302467.
https://doi.org/10.1002/adma.202302467
12. AM：使用濃縮電解質制備具有強共聚氫鍵的極其堅韌、可拉伸的凝膠電解質以穩定鋰金屬陽極
高能量密度二次電池的發展正引起相當大的科學關注，因為電動汽車的需求不斷增長，無人機等新型移動車輛的出現，以及隨著物聯網(IoT)時代的到來，柔性和可穿戴設備的激增。近日，日本國家材料科學研究所Kei Nishikawa，Ryota Tamate通過利用濃電解液中聚合物間的氫鍵相互作用，制備了極堅韌、可伸展的凝膠電解質。
本文要點：
1）分子動力學模擬和光譜分析證實，由于缺乏阻礙聚合物間氫鍵的自由溶劑分子，在濃縮液中形成了比在典型濃度的電解液中更強的聚合物間氫鍵。這使得基于濃縮電解質的氫鍵凝膠電解質表現出優異的機械性能。
2）優化的氫鍵凝膠電解質-MMN-35-[Li(G4)][FSI]-表現出超過16MJ m?3的極高機械韌性，可與最先進的韌性水凝膠和離子凝膠相媲美。將優化后的氫鍵凝膠電解質用作鋰金屬陽極的人工保護層，提高了鋰/鋰對稱電池的循環性能。
3）X射線光電子能譜(XPS)和掃描電子顯微鏡(SEM)表征表明，即使在循環后，金屬鋰表面仍存在光滑的保護性凝膠層，說明堅韌、可拉伸的凝膠電解液可以抑制不均勻的鋰沉積。最后，在鋰金屬負極上應用氫鍵凝膠-電解液保護涂層，顯著提高了鋰離子電池的循環性能。
Ryota Tamate, et al, Extremely Tough, Stretchable Gel Electrolytes with Strong Interpolymer Hydrogen Bonding Prepared Using Concentrated Electrolytes to Stabilize Lithium-Metal Anodes, Adv. Mater. 2023
DOI: 10.1002/adma.202211679
https://doi.org/10.1002/adma.202211679
