1. Science Advances：揭示熔鹽促進的 MgO 基 CO2 吸附劑的結構動力學及其在 CO2 吸收中的作用
開發有效的二氧化碳吸收劑對于實現二氧化碳凈零排放目標至關重要。熔融鹽促進型氧化鎂是一種新興的二氧化碳脫附劑。然而，支配它們表現的結構特征仍然難以捉摸。近日，蘇黎世聯邦理工學院Paula M. Abdala, Christoph R. Müller利用原位時間分辨粉末X-射線衍射儀，研究了納米氧化鎂促進的二氧化碳脫附劑的結構動力學。1）在二氧化碳捕獲和釋放的最初幾個循環中，由于氧化鎂微晶尺寸的增加，吸附劑失活，進而減少了可用于生長碳酸鎂的成核點的豐度，即氧化鎂表面缺陷。2）在第三次循環后，脫硫劑表現出持續的再活化，這與Na2Mg(CO3)2微晶的原位形成有關，Na2Mg(CO3)2微晶有效地作為碳酸鎂成核和生長的種子。Na2Mg(CO3)2是由于NaNO3在T≥450°C再生時部分分解，然后在CO2中碳化而形成的。
Margarita Rekhtina, et al, Deciphering the structural dynamics in molten salt–promoted MgO-based CO2 sorbents and their role in the CO2 uptake, Sci. Adv. 9, eadg5690 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adg5690https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg5690
2. Nature Commun.：激光切割納米包覆水煎餅加工水
由于水固有的無序性和流動性，通過激光切割對水進行精確加工具有挑戰性。在此，西安交通大學Fei Li，西北工業大學Xiaoguang Li報道了一種通過構建亞毫米深度的疏水二氧化硅納米顆粒包裹的水煎餅來實現水的激光切割加工的策略。1）通過理論分析、數值模擬和實驗研究，研究人員驗證和闡明了納米顆粒包裹水薄餅激光切割的工藝流程以及影響切割精度的參數。2）研究證明，激光制造的水圖案可以形成具有開放性、透明性、透氣性、液體形態和液體流動控制特性的多種自支撐芯片（SSC）。激光制造的SSC在化學合成、生化傳感、液態金屬操縱、圖案化水凝膠合成和藥物篩選等各個領域的應用也得到了概念性的論證。這項工作提供了一種利用激光切割精確加工水的策略，解決了現有的激光加工挑戰，并對生物、化學、材料和生物醫學研究中涉及流體圖案和流動控制的廣泛領域具有重要意義。
Niu, J., Liu, W., Li, J.X. et al. Machining water through laser cutting of nanoparticle-encased water pancakes. Nat Commun 14, 3853 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-39574-3https://doi.org/10.1038/s41467-023-39574-3
3. Nature Commun.：多模態移動形態機器人 （M4），帶附件再利用，可增強運動可塑性
機器人設計可以從大自然中汲取許多靈感，其中有許多高彈性和容錯運動策略的例子，通過招募多功能附肢來導航復雜的地形。例如，像楚卡爾和麝雉這樣的鳥類可以重新利用翅膀進行四足行走和翅膀輔助的傾斜跑步。這些動物在以不同方式使用相同的附肢并產生多種運動模式方面表現出令人印象深刻的靈活性，從而產生高度可塑性的運動特征，使它們能夠互動和導航各種環境并擴大其棲息地范圍。動物附肢重新利用的機器人仿生學可以產生具有無與倫比能力的移動機器人。受到動物的啟發，美國東北大學Alireza Ramezani設計了一種機器人，能夠通過以不同方式使用輪子、推進器和腿等組件來適應非結構化、多基質環境，包括陸地和空氣。1）該機器人被稱為多模式移動 Morphobot，簡稱 M4。M4 可以使用由多種執行器類型組成的多功能組件來 (1) 飛行、(2) 滾動、(3) 爬行、(4) 蹲伏、(5) 平衡、(6) 翻滾、(7) 偵察和 (8) ）運動。2）M4 可以穿越高達 45 度的陡坡。以及處于平衡模式時具有大障礙物的崎嶇地形。此外，M4 擁有機載計算機和傳感器，可以自主使用其模式來協商非結構化環境。3）研究人員展示了 M4 的設計和幾個展示其多模式功能的實驗。
Sihite, E., Kalantari, A., Nemovi, R. et al. Multi-Modal Mobility Morphobot (M4) with appendage repurposing for locomotion plasticity enhancement. Nat Commun 14, 3323 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-39018-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-39018-y
4. Joule：拉曼光譜表征石墨烯表面限域水分子
在電場中的石墨烯的表面限域界面水分子具有高度限域電荷，在能源領域具有重要意義，但是由于復雜的限域環境，如何探測兩相邊界的表面限域界面水產生的獨特信號變得非常困難。在限域于原子厚度石墨烯表面的水分子情況，這個問題變得更加困難。有鑒于此，廈門大學李劍鋒、程俊等在Au(111)單晶表面上組裝石墨烯，通過原位Raman光譜和從頭算分子動力學模擬，表征石墨烯的表面限域界面水分子結構。1）界面水分子主要的存在方式為氫鍵結合或者陽離子配位的水分子，通過動態改變電勢數值，直接觀測發現水分子的結構隨著電勢的變化而改變，水分子從平行構象轉變為一個H原子朝下的結構，隨后變為兩個H原子朝下的結構。2）本文研究結果有助于理解石墨烯的表面限域水分子基本性質，有助于設計電催化劑界面。
Yao-Hui Wang, et al. Characterizing surface-confined interfacial water at graphene surface by in situ Raman spectroscopy, Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.008https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435123002313
5. Angew：三甘醇二甲醚-LiNO3 協同電解質添加劑對快速充電石墨陽極的鍍鋰調節
石墨負極在快速充電過程中很容易出現危險的鍍鋰現象，但難以確定限速步驟，這給徹底消除鍍鋰帶來了挑戰。因此，抑制鋰沉積的固有思維需要妥協。近日，上海交通大學Zheng Liang通過在商用碳酸鹽電解質中引入三甘醇二甲醚(G3)-LiNO3協同添加劑(GLN)，在石墨負極上構建具有均勻鋰離子通量的彈性固體電解質中間相(SEI)，以實現無枝晶和高度可逆的Li高速率下電鍍。1）GLN 衍生的交聯低聚醚和 Li3N 顆粒極大地提高了鍍鋰前后 SEI 的穩定性，并有利于均勻的鋰沉積。2）當 51% 的鋰化容量由鍍鋰貢獻時，具有 5 vol.% GLN 的電解液中的石墨陽極在 100 個循環中實現了平均 99.6% 的鍍鋰可逆性。此外，1.2-Ah LiFePO4|添加 GLN 電解質的石墨軟包電池在 3 C 下穩定運行超過 150 次循環，有力地證明了 GLN 在商業鋰離子電池快速充電應用中的前景。
Xuejiao Xu, et al, Li Plating Regulation on Fast-Charging Graphite Anodes by a Triglyme-LiNO3 Synergistic Electrolyte Additive, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202306963DOI: 10.1002/anie.202306963https://doi.org/10.1002/anie.202306963
6. Angew：低催化劑負載增強光電化學水分解的電荷積累
太陽能水氧化是人工光合作用的關鍵步驟。成功完成該過程需要四個孔并釋放四個質子。它取決于活性位點電荷的連續積累。雖然最近的研究表明反應動力學明顯依賴于異質（光）電極表面的空穴濃度，但人們對催化劑密度如何影響反應速率知之甚少。近日，波士頓學院Dunwei Wang，Matthias M. Waegele使用赤鐵礦上原子分散的 Ir 催化劑，研究了催化劑密度和表面空穴濃度之間的相互作用如何影響反應動力學。1）在低光子通量下，表面空穴濃度較低，與高催化劑密度相比，在具有低催化劑密度的光電極上觀察到更快的電荷轉移；在高光子通量和高施加電勢下，其中表面空穴濃度適中或高，低密度催化劑提供較慢的表面電荷復合。2）研究結果證實了光吸收劑和催化劑之間的電荷轉移是可逆的；此外，揭示了低密度催化劑負載在促進所需化學反應的正向電荷轉移方面的意想不到的好處。這意味著對于實際的太陽能水分解裝置，合適的催化劑負載對于最大化性能非常重要。
Tianying Liu, et al, Low Catalyst Loading Enhances Charge Accumulation for Photoelectrochemical Water Splitting, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202307909DOI: 10.1002/anie.202307909https://doi.org/10.1002/anie.202307909
7. Angew：用于高選擇性電催化乙炔半加氫的銅單原子催化劑
位點隔離策略已應用于熱催化乙炔半氫化中以抑制過度氫化和C-C偶聯。然而，電催化系統中缺乏類似的研究。在這項工作中，華東理工大學李春忠教授，Hongliang Jian ,Jianhua Sheng利用密度泛函理論 (DFT) 計算發現，孤立的銅金屬位點在過度氫化和 C-C 耦合方面具有更高的能壘。1）根據這一結果，研究人員開發了高度分散在氮摻雜碳基質上的 Cu 單原子催化劑，該催化劑在高濃度的乙炔。2）DFT 計算和實驗結果證實，乙炔電催化選擇性加氫中觀察到的優異性能可歸因于乙烯中間體的弱吸附和隔離位點 CC 耦合的高能壘。這項研究提供了對抑制電催化乙炔半氫化副反應的孤立位點的全面了解。
Xiaoli Jiang, et al, Cu Single-Atom Catalysts for High-Selectivity Electrocatalytic Acetylene Semihydrogenation, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202307848DOI: 10.1002/anie.202307848https://doi.org/10.1002/anie.202307848
8. Angew：可在-40°C下工作的可充電鉀離子全電池
鉀離子電池（PIB）在低溫儲能方面很有前景。然而，目前對低溫PIB的研究僅限于利用鉀金屬作為陽極的半電池，并且由于缺乏可行的陽極材料和兼容的電解質，實現可充電全電池面臨挑戰。在此，北京航空航天大學Hua Wang首次成功制備了硬碳（HC）基低溫鉀離子全電池。1）實驗結果和理論分析表明，HC陽極在匹配的低溫電解液中的儲鉀行為涉及缺陷吸附、層間共插和納米孔填充。值得注意的是，這些獨特的鉀化工藝表現出較低的界面電阻和較小的反應活化能，使得HC具有優異的循環性能，在-40°C下容量為175mAh g-1（室溫容量的68%）。2）因此，基于HC的全電池在-40°C下表現出令人印象深刻的可充電性和高于100 Wh kg-1陰極的高能量密度，代表了PIB開發的重大進步。
Jiangchun Chen, et al, Rechargeable Potassium-Ion Full Cells Operating at ?40 °C, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202307122DOI: 10.1002/anie.202307122https://doi.org/10.1002/anie.202307122
9. Angew：聚合物的Co-N4位點調控促進ORR
含M-Nx催化位點的電催化劑是優異的ORR電催化劑，但是人們對于M-Nx催化劑的結構-性能關系并不清楚。有鑒于此，南昌大學陳義旺、袁凱等構筑1,4,8,11-四氮雜[14]環烯聚合物納米粒子，通過缺電子β-位點的取代基調控電子的供體/受體相互作用，從而能夠調控電子微環境。1）DFT計算說明，通過優化-Cl取代基（CoTAA-Cl@GR），調控d軌道和關鍵中間體OH*與Co-N4位點之間的相互作用，因此實現最好的ORR性能，TOF達到0.49 e s-1 site-1。2）通過原位電化學顯微鏡和變頻方波伏安法表征，說明CoTAA-Cl@GR催化劑的優異ORR性能來自非常高的催化位點密度（7.71×1019 site g-1）和快速的電子傳播。這項工作為設計高性能ORR電催化劑提供理論指導。
Bingyu Huang, et al, Electron-Donors/Acceptors Interaction Enhancing Electrocatalytic Activity of Metal Organic Polymers for Oxygen Reduction, Angew. Chem. Int. Ed. 2023DOI: 10.1002/anie.202306667https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202306667
10. Angew：埋入界面上的分子橋用于高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的界面對于電荷轉移和器件穩定性非常重要，而埋入界面對鈣鈦礦薄膜生長的影響卻很少受到關注。在這里，陜西師范大學Wanchun Xiang，中國科學院化學研究所Yuan Lin，Yanyan Fang使用分子改性劑甘藍胺（GDA）在 SnO2/鈣鈦礦的埋入界面上構建分子橋，從而產生優異的界面接觸。1）這是通過 GDA 和 SnO2 之間的強烈相互作用實現的，這也明顯調節了能級。此外，GDA可以調節鈣鈦礦晶體的生長，產生晶粒尺寸增大且無針孔的鈣鈦礦薄膜，缺陷密度顯著降低。2）因此，經過 GDA 修改的 PSC 表現出開路電壓（接近 1.2 V）和填充因子的顯著改善，從而使功率轉換效率從 22.60% 提高到 24.70%。此外，GDA 器件在最大功率點和 85°C 熱量下的穩定性均優于控制器件。
Haodan Guo, et al, Molecular Bridge on Buried Interface for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304568DOI: 10.1002/anie.202304568https://doi.org/10.1002/anie.202304568
11. Nano Letters：多元素合金催化劑可實現高度選擇性電化學硝酸鹽-氨轉變
硝酸鹽電化學還原為氨（NH3）的過程可將環境污染物轉化為關鍵營養物質。然而，目前基于單金屬和雙金屬催化劑的電化學硝酸鹽還原操作在NH3選擇性和催化劑穩定性方面均具有明顯的不足，特別是在酸性環境中。普林斯頓大學Zhiyong Jason Ren、馬里蘭大學帕克分校胡良兵和匹茨堡大學Guofeng Wang報道了一種具有分散Ru（Ru-MEA）和其他協同組分（Cu、Pd、Pt）的多元素合金納米顆粒催化劑。1）密度泛函理論闡明了Ru-MEA比Ru更能展現協同效應，其中在工業相關酸性廢水中可實現更好的反應性（NH3部分電流密度為?50.8 mA cm–2）和更高NH3法拉第效率（93.5%）。2）此外，Ru-MEA催化劑顯示出良好的穩定性（例如，在FENH3中在三小時內僅衰減19.0%）。這項工作提供了一個系統有效的催化劑開發過程，集成了數據引導的催化劑設計和一系列應用的新型催化劑合成。
Meiqi Yang, et al. Highly Selective Electrochemical Nitrate to Ammonia Conversion by Dispersed Ru in a Multielement Alloy Catalyst. Nano Letters. 2023DOI：10.1021/acs.nanolett.3c01978https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01978
12. AEM：小面終止促進高穩定鋅離子電池的均勻 Zn (100) 沉積
可逆性通常通過庫侖效率（CE）來評估并受到枝晶生長的限制，已成為鋅離子電池廣泛商業化的主要障礙。調整鋅沉積行為對于防止枝晶生長至關重要。在這項工作中，中科大Linhua Hu，華盛頓大學曹國忠引入了刻面終止絲氨酸來調節界面并阻礙 Zn (100) 平面的快速生長。1）研究表明絲氨酸陽離子（Ser+）優先吸附在電極/電解質界面上，抑制界面寄生反應。理論分析和事后/操作實驗技術表明，Ser+ 賦予鋅陽極以 (100) 為主的形態，從而實現高度可逆且無枝晶的鋅陽極。2）這些特性賦予鋅負極 Zn//Zn 電池超過 800 h 的長循環壽命，以及 Zn//Cu 電池在 5 mA cm?2 和 5 mAh cm?2 下平均庫侖效率高達 99.8% 的高平均庫侖效率。當與商用 V2O5 組裝時，全電池在 5 A g?1 下可提供 345.1 mAh g?1 的高容量，2000 次循環后容量保持率為 74.1%。
Yifan Wang, et al, Facet-Termination Promoted Uniform Zn (100) Deposition for High-Stable Zinc-Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202301517https://doi.org/10.1002/aenm.202301517
