所有形式的能量都遵循能量守恒定律，即能量既不能被創(chuàng)造也不能被摧毀。而光熱轉(zhuǎn)換作為一種傳統(tǒng)但不斷發(fā)展的將光轉(zhuǎn)化為熱能的方法，對研究人員極具吸引力。隨著先進納米技術(shù)的不斷發(fā)展，各種光熱納米材料具有優(yōu)異的光捕獲和光熱轉(zhuǎn)換能。在此， 武漢大學(xué)徐紅星院士、香港中文大學(xué)Wang Jianfang 綜述研究了光熱納米材料。1) 作者回顧了光熱納米材料的最新進展，并重點介紹了它們作為光熱轉(zhuǎn)換器的潛在機制。作者介紹了大量的納米結(jié)構(gòu)光熱材料，包括金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、碳材料、有機聚合物和二維材料。然后討論了提高光熱性能的適當材料選擇和合理結(jié)構(gòu)設(shè)計。2) 我們還在納米尺度上探測光熱產(chǎn)生熱量的最新技術(shù)進行概述。最后，作者回顧了光熱應(yīng)用的最新重大發(fā)展，并簡要展望了光熱納米材料的當前挑戰(zhàn)和未來方向。
Ximin Cui, et al. Photothermal Nanomaterials: A Powerful Light-to-Heat Converter. Chem. Rev. 2023DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00159https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.3c001592. Chem. Rev.: 納米多孔金---從結(jié)構(gòu)演變到催化和電化學(xué)中的功能性質(zhì)納米多孔金（NPG）具有由納米尺寸的金屬支柱和互連的孔組成的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些孔通過金合金中非貴元素的氧化溶解自發(fā)形成的。所得材料對低溫、好氧的總氧化反應(yīng)和部分氧化反應(yīng)表現(xiàn)出良好的催化活性，其中甲醇與甲酸甲酯的氧化偶聯(lián)是典型的例子。近日，奧登堡大學(xué)Gunther Wittstock從結(jié)構(gòu)演變到催化和電化學(xué)中的功能性質(zhì)對納米多孔金進行了綜述研究。1) 作者不僅對調(diào)整這種材料的形態(tài)和組成方法及其對催化和電催化的影響進行了批判性討論，而且還將利用量子化學(xué)研究、單晶表面模型研究、氣相催化，好氧液相氧化和電催化。尤其是在這方面，作者重點介紹了尚未被很好理解的反應(yīng)機理。2) 除了催化的機理方面外，作者還將討論材料制備和表征方面的最新進展，進而提高材料性質(zhì)的再現(xiàn)性，如催化活性和選擇性，以及催化反應(yīng)范圍，這也被認為是NPG在靶向有機合成應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)。
Gunther Wittstock, et al. Nanoporous Gold: From Structure Evolution to Functional Properties in Catalysis and Electrochemistry. Chem. Rev. 2023DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00751https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00751
3. Chem. Soc. Rev.: CO2響應(yīng)凝膠
使用二氧化碳作為刺激的響應(yīng)材料極具應(yīng)用潛力，因為它豐富、廉價，并且不會在系統(tǒng)中積累。許多CO2響應(yīng)材料已經(jīng)被探索出來，包括聚合物、膠乳、表面活性劑和催化劑。作為CO2響應(yīng)性聚合物的子集，CO2響應(yīng)性凝膠（不溶性、交聯(lián)聚合物）的研究是一門獨特的學(xué)科，因為CO2引起凝膠中的一系列獨特變化，如溶脹或變形形態(tài)。近日，女王大學(xué)Philip Jessop綜述研究了CO2響應(yīng)凝膠。1) 在過去的15年里，科研工作者報道了CO2響應(yīng)凝膠和自組裝凝膠在各種新興應(yīng)用中的研究。其中兩種最廣泛研究的特性包括通過CO2觸發(fā)的聚集控制流量（流體）及其可逆的CO2吸收-解吸能力，其分別應(yīng)用于提高采收率（EOR）和CO2封存。2) 作者綜述了這些CO2響應(yīng)凝膠的制備、性能和應(yīng)用，按粒徑大致分為納米凝膠、微凝膠、氣凝膠和大凝膠。此外，作者還對關(guān)于CO2誘導(dǎo)的自組裝凝膠（包括聚（離子液體）凝膠）進行了綜述研究 。
Ross D. Jansen-van Vuuren, et al. CO2-responsive gels. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS00053A
4. Nature Synthesis：高溫表面配體切換組裝的納米團簇超結(jié)構(gòu)
具有納米級構(gòu)建塊的上層構(gòu)筑塊，當與組成單元的精確控制相結(jié)合時，為合理設(shè)計和制造所需的功能材料提供了機會。然而，大規(guī)模生產(chǎn)上層建筑的綜合戰(zhàn)略卻很少。近日，弗吉尼亞大學(xué)Sen Zhang，加州理工學(xué)院William A. Goddard III報道了一種可擴展和通用的方法來合成由原子精確的Ce24O28(OH)8和其他稀土金屬氧化物納米團簇組裝的超結(jié)構(gòu)，并詳細描述了自組裝機制。1）結(jié)合OPANDO小角X射線散射、非原位分子和結(jié)構(gòu)表征以及分子動力學(xué)模擬表明，從油酸到苯甲酸的高溫配體切換機制控制著納米簇組裝的形成。2）表面配體的化學(xué)調(diào)節(jié)控制著超結(jié)構(gòu)的拆解和重組，進而使多組分超結(jié)構(gòu)的合成成為可能。這種合成方法和對機理的準確理解，有望制備用于電子學(xué)、等離子體、磁學(xué)和催化的超結(jié)構(gòu)。
Johnson, G., Yang, M.Y., Liu, C. et al. Nanocluster superstructures assembled via surface ligand switching at high temperature. Nat. Synth (2023).DOI：10.1038/s44160-023-00304-8https://doi.org/10.1038/s44160-023-00304-8
5. Nature Commun.：端羥基氮化鎳納米片表面等離激元增強光驅(qū)動CO2氫化
大多數(shù)可見光活性等離子體催化劑通常僅限于Au、Ag、Cu、Al等，這些材料在成本、可及性和不穩(wěn)定性方面都有考慮。在這里，塔塔基礎(chǔ)研究所Vivek Polshettiwar展示了羥基封端的氮化鎳(Ni3N)納米片作為這些金屬的替代品。1）Ni3N納米片催化CO2加氫，在可見光下具有高CO生成率(1212 mmol g?1 h?1)和選擇性(99%)。反應(yīng)速率顯示出對光強度的超線性冪律依賴性，而量子效率隨著光強度和反應(yīng)溫度的增加而增加。2）瞬態(tài)吸收實驗表明，羥基增加了可用于光催化的熱電子數(shù)量。原位漫反射紅外傅立葉變換光譜表明，CO2加氫是通過直接解離途徑進行的。3）這些Ni3N納米片（不含助催化劑或犧牲劑）的出色光催化性能表明使用金屬氮化物代替?zhèn)鹘y(tǒng)的等離子體金屬納米粒子。
Singh, S., Verma, R., Kaul, N. et al. Surface plasmon-enhanced photo-driven CO2 hydrogenation by hydroxy-terminated nickel nitride nanosheets. Nat Commun 14, 2551 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-38235-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-38235-96. Angew：開發(fā)不溶性多金屬氧酸鹽簇以橋接均相和非均相水氧化光催化團簇催化劑因其原子精確結(jié)構(gòu)、確定的組成、可調(diào)配位環(huán)境、均勻的活性位點及其多電子轉(zhuǎn)移能力而具有吸引力，但穩(wěn)定性和可回收性較差。在這里，蘭州大學(xué)Xinbao Han，Yong Ding報道了一種用Ag+、Cs+、Sr2+、Ba2+、Pb2+、Y3+和Ce3+為反陽離子的水溶性多金屬氧酸鹽 (POM) [{(B-α-PW9O34)Co3(OH)(H2O)2(O3PC(O)(C3H6NH3)PO3)}2Co]14- (Co7) 直接不溶于一系列多金屬氧酸鹽固體催化劑的一般方法。1）按照 CsCo7 > SrCo7 > AgCo7 > CeIIICo7 > BaCo7 > YCo7 > PbCo7 的趨勢，它們對可見光驅(qū)動的水氧化表現(xiàn)出更高的催化活性。雖然 CsCo7 主要表現(xiàn)出均相催化，但其他主要是多相催化劑。 SrCo7 獲得了 41.3% 的最佳氧產(chǎn)率和 30.6% 的高表觀量子產(chǎn)率 (AQY)，這與母體均質(zhì) POM 相當。2）帶隙結(jié)構(gòu)、紫外-可見光譜和實時激光閃光光解實驗共同表明，電子從固體 POM 催化劑轉(zhuǎn)移到光敏劑越容易，光催化水氧化性能越高。這些固體 POM 催化劑表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，這通過傅里葉變換紅外光譜、電子顯微鏡、X 射線衍射圖、拉曼光譜、X 射線光電子能譜、五個循環(huán)測試和毒物實驗的組合直接證實。
Qiyu Hu, et al, Developing Insoluble Polyoxometalate Clusters to Bridge Homogeneous and Heterogeneous Water Oxidation Photocatalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303290DOI: 10.1002/anie.202303290https://doi.org/10.1002/anie.202303290
7. Angew：化學(xué)預(yù)插層法制備氮化碳柱撐釩酸鹽助力高性能水系鋅離子電池
釩基化合物由于其高比容量而成為水系鋅離子電池 (AZIB) 的有前途的正極材料。然而，層間距窄、本征電導(dǎo)率低和釩溶解等問題仍然限制了它們的進一步應(yīng)用。在此，內(nèi)蒙古大學(xué)Yan Guo，Xiaojun Gu，武利民教授，北京化工大學(xué)Le Yu通過一種簡便的自接合水熱策略提出了一種由氮化碳(C3N4)支撐的缺氧釩酸鹽作為AZIB的正極。1）值得注意的是，C3N4納米片可以作為氮源和預(yù)插層物質(zhì)，將正交晶系V2O5轉(zhuǎn)化為具有擴大層間距的層狀NH4V4O10。由于柱狀結(jié)構(gòu)和豐富的氧空位，促進了NH4V4O10陰極中的Zn2+離子（脫）嵌入動力學(xué)和離子電導(dǎo)率。2）因此，NH4V4O10正極具有出色的儲鋅性能，在0.5 A g-1時具有約370 mAh g-1的高比容量，在20 A g-1時具有194.7 mAh g-1的高倍率性能以及10000次循環(huán)的穩(wěn)定循環(huán)性能。
Yue Xu, et al, Carbon Nitride Pillared Vanadate Via Chemical Pre-Intercalation Towards HighPerformance Aqueous Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303529DOI: 10.1002/anie.202303529https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2023035298. Angew：調(diào)節(jié)共價有機骨架中活性鈷位點的高自旋態(tài)和受限電荷行為以促進電催化氧還原燃料電池等電化學(xué)儲能和轉(zhuǎn)換技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用具有解決能源和環(huán)境挑戰(zhàn)的潛力。然而，主要用于陰極氧還原反應(yīng) (ORR) 的鉑族金屬 (PGM) 基催化劑的高成本仍是一個重大障礙。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了各種價格合理的耐用材料來替代 PGM 基催化劑。近日，華中科技大學(xué)夏寶玉教授，云南大學(xué)Hong Guo通過使用具有不同電子效應(yīng)的接頭將確定的鈷氮-碳構(gòu)型組裝到碳納米管上，開發(fā)了一種新型的共價有機框架。1）這種創(chuàng)新方法產(chǎn)生了一種有效的氧還原電催化劑，這可以通過結(jié)合原位光譜電化學(xué)和鍵序定理來理解。2）供電子碳納米管與受電子連接體之間的強相互作用減輕了鈷位點電荷損失的趨勢，同時誘導(dǎo)了高自旋態(tài)的產(chǎn)生。這增強了鈷中心與反應(yīng)物/中間體之間的吸附強度和電子轉(zhuǎn)移，從而提高了氧還原能力。3）這項工作不僅提出了一種通過網(wǎng)狀化學(xué)開發(fā)高效非貴金屬電催化劑的有效策略，而且為在設(shè)計高性能電催化劑時調(diào)節(jié)活性位點的電子構(gòu)型和電荷行為提供了有價值的見解。
Zhi-yuan Mei, et al, Regulated High-Spin State and Constrained Charge Behavior of Active Cobalt Sites in Covalent Organic Frameworks for Promoting Electrocatalytic Oxygen Reduction, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303871DOI: 10.1002/anie.202303871https://doi.org/10.1002/anie.202303871
9 AM：正極界面鹵化物固體電解質(zhì)的老化特性
由于鹵化物固體電解質(zhì)具有優(yōu)異的高壓氧化穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性，近年來已成為固態(tài)電池正極相容陰極的一種很有前途的選擇。然而，到目前為止，它們在陰極界面上的逐日老化還沒有得到探索，而它的闡明對于實際部署是必不可少的。在這里，首爾大學(xué)Kisuk Kang研究了鹵化物固體電解質(zhì)(例如，Li3InCl6)在延長日歷老化期間與傳統(tǒng)的層狀氧化物陰極一起使用時的穩(wěn)定性。1）研究發(fā)現(xiàn)，與眾所周知的氧化穩(wěn)定性相反，鹵化物固體電解質(zhì)長期容易與氧化物陰極(如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)發(fā)生還原副反應(yīng)。更重要的是，與典型的鋰離子電池相比，低電荷態(tài)或預(yù)制狀態(tài)下的日歷老化會導(dǎo)致比高電荷狀態(tài)下更顯著的退化，后者更容易受到高電荷狀態(tài)日歷老化的影響。2）鹵化物固體電池的這一獨特特性與金屬離子在鹵化物固體電解液中的還原傾向有關(guān)，也與鋰化態(tài)氧化物陰極引發(fā)還原分解而形成的界面相有關(guān)。這種對長期老化性能的理解為開發(fā)陰極相容的鹵化物固體電解質(zhì)提供了新的指導(dǎo)方針。
Wonju Kim, et al, Aging property of halide solid electrolyte at the cathode interface, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202301631https://doi.org/10.1002/adma.20230163110. ACS Nano：pH 介導(dǎo)的金納米顆粒在二嵌段共聚物刷上的尺寸選擇性吸附通過設(shè)計與納米粒子具有可調(diào)相互作用的刺激響應(yīng)表面，可以實現(xiàn)對界面處納米粒子的精確控制。近日，賓夕法尼亞大學(xué)Russell J. Composto，Karen I. Winey證明了聚合物刷可以通過調(diào)整緩沖溶液的pH值，根據(jù)大小選擇性地吸附納米粒子。1）具體來說，研究人員開發(fā)了一種簡便的聚合物刷制備方法，該方法使用沉積在接枝聚苯乙烯層上的對稱聚苯乙烯-b-聚（2乙烯基吡啶）（PS-b-P2VP）嵌段共聚物。2）該方法基于PS-b-P2VP薄膜的組裝，該薄膜定向有平行薄片，在PS-b-P2VP頂部層剝離后仍然存在。研究人員使用X射線反射率和原子力顯微鏡對P2VP刷進行了表征。3）緩沖液pH值用于調(diào)整檸檬酸鹽包覆的金納米粒子(AuNP)與行為類似于聚合物刷的頂部P2VP塊之間的相互作用。在低pH值（~4.0）下，P2VP刷子被強烈拉伸并顯示出高密度的吸引點，而在中性pH值（~6.5）下，P2VP刷子僅輕微拉伸并且吸引點較少。4）具有耗散功能的石英晶體微天平監(jiān)測吸附熱力學(xué)作為AuNP直徑（11和21nm）和緩沖液pH值的函數(shù)。中性pH值為納米粒子提供了有限的滲透深度，并提高了11 nm AuNP吸附的尺寸選擇性。作為概念證明，研究人員將P2VP刷子暴露于各種大小AuNP的混合物中，以展示對較小AuNP的選擇性捕獲。這項研究顯示了使用pH敏感聚合物刷創(chuàng)建用于納米顆粒大小分離的設(shè)備的潛力。
Ye Chan Kim, et al, pH-Mediated Size-Selective Adsorption of Gold Nanoparticles on Diblock Copolymer Brushes, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c00212https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00212
12. ACS Nano：具有高比表面積的納米質(zhì)子導(dǎo)體陣列提高了低鉑負載下的燃料電池性能
使用基于微/納米結(jié)構(gòu)陣列（例如有序Nafion陣列）的有序催化劑層，已顯示出在減少催化劑負載和提高燃料電池性能方面的巨大潛力。然而，大多數(shù)現(xiàn)有有序Nafion陣列的基本單元（例如Nafion柱或錐）的尺寸（直徑）通常限于微米或亞微米尺寸。如此小的尺寸僅提供有限數(shù)量的質(zhì)子轉(zhuǎn)移通道和小的催化劑負載比面積。近日，中科大Yi Cui，Xiaochun Zhou，大連理工大學(xué)Yujiang Song通過優(yōu)化Nafion溶劑、熱退火溫度和陽極氧化鋁(AAO)模板的剝離模式，成功制備了柱直徑僅為40 nm(D40)的有序Nafion陣列。1）D40的密度為2.7×1010 pillars/cm2，提供了豐富的質(zhì)子傳輸通道。此外，D40的比表面積高達51.5 cm2/cm2，為催化劑負載提供了較大的面積。這又導(dǎo)致催化劑層和氣體擴散層之間的界面變得更近。2）因此，燃料電池的峰值功率密度為1.47（陣列作為陽極）和1.29W/cm2（陣列作為陰極），分別是沒有陣列的3.3和2.9倍。此外，催化劑負載量顯著降低至17.6（陣列作為陽極）和61.0 μg/cm2（陣列作為陰極）。因此，納米級Nafion陣列已被證明具有高燃料電池性能和低Pt催化劑負載。此外，該研究還為水電解和電合成催化劑層的設(shè)計提供了指導(dǎo)。
Fandi Ning, et al, Nanosized Proton Conductor Array with High Specific Surface Area Improves Fuel Cell Performance at Low Pt Loading, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c01690https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01690
