1. Chem. Soc. Rev.：元素磷材料的性能、合成及其在可持續(xù)能源和環(huán)境中的應(yīng)用
磷基材料的多態(tài)性引起了人們的廣泛關(guān)注，其化學(xué)鍵合結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生了各種各樣的微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)。在不同類型的含磷材料中，元素磷材料（EPMs）構(gòu)成了合成相關(guān)化合物的基礎(chǔ)。近日，中國(guó)科學(xué)院Wang Jiahong、Qu Guangbo、Yu Xuefeng對(duì)元素磷材料的性能、合成及其在可持續(xù)能源和環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述研究。1) 電子探針的復(fù)興主要?dú)w功于黑磷、無(wú)定形紅磷、紫磷和纖維狀磷的發(fā)展，因此，產(chǎn)生了具有獨(dú)特特性的各種低維電子探針片、帶和點(diǎn)。納米結(jié)構(gòu)的電子探針具有可調(diào)的帶隙、適度的載流子遷移率和優(yōu)異的光學(xué)吸收，在能量轉(zhuǎn)換、能量存儲(chǔ)和環(huán)境修復(fù)方面顯示出巨大的潛力。因此，充分了解不同電子探針之間的差異和相互關(guān)系、固有的物理和化學(xué)性質(zhì)、特定結(jié)構(gòu)的合成以及為特定應(yīng)用選擇合適的電子探針納米結(jié)構(gòu)具有重要意義。2) 作者深入分析和討論電子探針的基本物理化學(xué)性質(zhì)、合成以及在能源轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。基于磷同素異形體的文獻(xiàn)和新EPM的理論預(yù)測(cè)，該綜述的目的是增強(qiáng)科研工作者對(duì)電子探針特性的理解，了解最新進(jìn)展，并為電子探針在化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)研究提供指導(dǎo)。
Haijiang Tian, et al. Renaissance of elemental phosphorus materials: properties, synthesis, and applications in sustainable energy and environment. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS01018F
2. Nature Commun.：通過(guò)克萊森-施密特反應(yīng)合成丙烯酮連接的共價(jià)有機(jī)骨架用于光催化除鈾
用于合成 sp2-c 連接的共價(jià)有機(jī)骨架 (COF) 的反應(yīng)類型和單體的可用性很大程度上受到 C=C 鍵的不可逆性的限制。在此，南昌大學(xué)Jian-Ding Qiu，Ru-Ping Liang受克萊森-施密特縮合反應(yīng)的啟發(fā)，基于酮激活的α-H與芳香醛的堿催化親核加成反應(yīng)，開發(fā)了兩種丙烯酮連接的（C=C–C=O）COF（命名為PyDAB和PyN-DAB）。1）丙烯酮結(jié)構(gòu)的引入賦予COFs高結(jié)晶度、優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性和有趣的光電特性。2）得益于COFs骨架的合理設(shè)計(jì)，Py-DAB和PyNDAB被應(yīng)用于放射性核素鈾的提取。特別是，PyNDAB 在四個(gè)鈾礦廢水樣品中顯示出出色的去除率 (>98%)。研究人員強(qiáng)調(diào)，這樣的總體策略可以為各種功能性多孔晶體材料提供有價(jià)值的途徑。
Niu, CP., Zhang, CR., Liu, X. et al. Synthesis of propenone-linked covalent organic frameworks via Claisen-Schmidt reaction for photocatalytic removal of uranium. Nat Commun 14, 4420 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40169-1https://doi.org/10.1038/s41467-023-40169-1
3. Nature Commun.：用于耐熱照明和體內(nèi)生物成像的耐用有機(jī)非線性光學(xué)膜
有機(jī)非線性光學(xué)材料在照明和生物成像等應(yīng)用中具有潛力，但往往具有較低的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，并且容易失去非線性光學(xué)活性。在此，中山大學(xué)Wu-Qiang Wu，上海理工大學(xué)Bin Cai，廣東工業(yè)大學(xué)Mingyi Xu演示了編織由4-N,N-二甲基氨基-4′-N′-甲基-甲苯磺酸芪唑@環(huán)糊精主客體超分子復(fù)合物組成的大面積柔性有機(jī)非線性光學(xué)膜。1）這些膜表現(xiàn)出創(chuàng)紀(jì)錄的73.5%的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，并且即使在300℃下加熱也能持續(xù)發(fā)出橙色發(fā)光，從而能夠制造耐熱發(fā)光二極管。即使在極地環(huán)境中，這些膜的非線性光學(xué)性質(zhì)也能得到很好的保留。具有多光子吸收特性的超分子組裝體用于在1000 nm激發(fā)下對(duì)大腸桿菌進(jìn)行體內(nèi)實(shí)時(shí)成像。2）這些發(fā)現(xiàn)表明，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)非線性光學(xué)材料的可擴(kuò)展制造，該材料具有高光致發(fā)光量子產(chǎn)率，并且對(duì)熱應(yīng)力和極性環(huán)境具有良好的穩(wěn)定性，可用于高性能、耐用的光電器件和人性化多光子生物探針。
Tian, T., Fang, Y., Wang, W. et al. Durable organic nonlinear optical membranes for thermotolerant lightings and in vivo bioimaging. Nat Commun 14, 4429 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40168-2https://doi.org/10.1038/s41467-023-40168-2
4. Nature Commun.：利用吡咯氮位點(diǎn)促進(jìn)雙電子氧還原用于電化學(xué)制過(guò)氧化氫
電催化過(guò)氧化氫(H2O2)的雙電子氧還原反應(yīng)是一種很有前途的替代高耗能、高污染的蒽醌氧化法。然而，由于典型的含金屬催化劑，特別是最先進(jìn)的單原子催化劑上的活性中心數(shù)量有限，易于鈍化，開發(fā)出具有高H2O2產(chǎn)率、選擇性和耐久性的先進(jìn)電催化劑仍然具有挑戰(zhàn)性。為了解決這一問(wèn)題，天津大學(xué)Ji Liang，F(xiàn)eng Hou，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所Lichang Yin，天津師范大學(xué)Liqun Wang報(bào)道了一種用于高速高效2E?氧還原催化的石墨烯/介孔碳復(fù)合材料。1）吡咯酸-N位的配位--調(diào)節(jié)*OOH物種的吸附構(gòu)型，為過(guò)氧化氫的產(chǎn)生提供了一條動(dòng)力學(xué)上有利的途徑。2）因此，過(guò)氧化氫的產(chǎn)率接近30 mol g?1 h?1，法拉第效率為80%，耐久性好，過(guò)氧化氫濃度高達(dá)7.2 g L?1。因此，這種控制具有多個(gè)非金屬活性中心的反應(yīng)物的吸附構(gòu)型的策略為設(shè)計(jì)高效、耐用的2e?氧還原無(wú)金屬電催化劑提供了一種策略。
Peng, W., Liu, J., Liu, X. et al. Facilitating two-electron oxygen reduction with pyrrolic nitrogen sites for electrochemical hydrogen peroxide production. Nat Commun 14, 4430 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40118-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40118-y
5. Nature Commun.：用于綠色鋅離子電池的可回收生物質(zhì)電解質(zhì)
傳統(tǒng)的水電解液鋅離子電池由于鋅枝晶的生長(zhǎng)失控和副反應(yīng)的發(fā)生，嚴(yán)重影響了電池的正常運(yùn)行。這些問(wèn)題可以通過(guò)開發(fā)功能水凝膠電解質(zhì)作為水電解質(zhì)的替代品來(lái)避免。然而，大多數(shù)水凝膠電解液抑制鋅陽(yáng)極上鋅枝晶生長(zhǎng)的機(jī)理還沒(méi)有詳細(xì)的研究，也缺乏一種針對(duì)主流水凝膠電解液的大規(guī)模回收方法。近日，香港理工大學(xué)Bingang Xu，Jingxin Zhao，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院Guangmin Zhou以天然生物材料殼聚糖和聚天冬氨酸為原料，研制了一種可回收、可生物降解的水凝膠電解質(zhì)。1）殼聚糖和聚天冬氨酸在水凝膠電解液中的獨(dú)特吸附和誘導(dǎo)作用觸發(fā)了雙偶聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同緩蝕機(jī)理，從而有效地抑制了鋅陽(yáng)極上的副反應(yīng)。2）此外，這種水凝膠電解液通過(guò)維持其內(nèi)部的兩電子氧化還原反應(yīng)和抑制鋅樹枝的形成，在水基鋅錳電池中起到了至關(guān)重要的作用。3）可持續(xù)的生物質(zhì)基水凝膠電解液是可生物降解的，可以從鋅/錳電池中回收用于后續(xù)回收。
Lu, H., Hu, J., Wei, X. et al. A recyclable biomass electrolyte towards green zinc-ion batteries. Nat Commun 14, 4435 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40178-0https://doi.org/10.1038/s41467-023-40178-0
6. Nature Commun.：水促進(jìn)室溫下空氣高選擇性氧化苯生成苯酚
苯酚是塑料和藥品合成中最重要的精細(xì)化學(xué)中間體之一，市場(chǎng)規(guī)模約為30b美元，商業(yè)化生產(chǎn)是通過(guò)苯兩步選擇性氧化，在腐蝕性酸性介質(zhì)中需要高能量輸入(高溫和高壓)，并造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。近日，倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授報(bào)道了原子包裹銅的鈀納米粒子已經(jīng)成功地錨定在P25上。1）優(yōu)化后的樣品對(duì)苯酚的選擇性最高，為92.6%，生成速率為4833 umol g?1 h?1。同時(shí)，Pd0.006Cu0.002/P25(相對(duì)于最外層的銅物種)獲得了超過(guò)100,000噸的最高產(chǎn)量(或2.7 S?1的TOF)。2）根據(jù)結(jié)構(gòu)表征、同位素標(biāo)記、動(dòng)力學(xué)分析、光譜測(cè)量和密度泛函理論計(jì)算，Pd-Cu共修飾樣品的優(yōu)異活性可以歸因于P25向Pd-Cu納米結(jié)構(gòu)的有效空穴轉(zhuǎn)移。水作為促進(jìn)劑對(duì)苯酚的高選擇性也是至關(guān)重要的。更重要的是，Pd-Cu納米結(jié)構(gòu)能夠控制苯酚而不是聯(lián)苯的選擇性，為C-H鍵的斷裂開辟了一條新的低能途徑，避免了苯基物種的二聚化。3）此外，懸浮系統(tǒng)中優(yōu)化的界面反應(yīng)策略可以產(chǎn)生自然保護(hù)高價(jià)值產(chǎn)品免受過(guò)度氧化的氧化劑貧乏環(huán)境。該反應(yīng)很有可能在商業(yè)上可用的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器中放大。這種新穎的光催化劑和反應(yīng)體系的設(shè)計(jì)方案可以為高度對(duì)稱的分子的選擇性轉(zhuǎn)化開辟一條經(jīng)濟(jì)的途徑。
Xie, J., Li, X., Guo, J. et al. Highly selective oxidation of benzene to phenol with air at room temperature promoted by water. Nat Commun 14, 4431 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40160-whttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40160-w
7. Sci. Adv.：基于膜受體雙單層探針和石墨烯晶體管陣列的可擴(kuò)展仿生傳感系統(tǒng)
基于親和力的生物傳感可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)診斷和持續(xù)的健康監(jiān)測(cè)，這通常遵循自下而上的方法，并固有地受到BioProbe的固有屬性、批次到批次的一致性和生物流體中穩(wěn)定性的限制。近日，上海交通大學(xué)Rui Qing，麻省理工學(xué)院Shuguang Zhang，Tomás Palacios提出了一種仿生的自上而下的平臺(tái)來(lái)規(guī)避這些困難，方法是將“雙單分子層”生物識(shí)別結(jié)構(gòu)與基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列相結(jié)合。1）該構(gòu)建采用重新設(shè)計(jì)的水溶性膜受體作為特異性傳感單元，由二維結(jié)晶S層蛋白定位，作為密集的抗污染連接物指導(dǎo)其定位。成百上千的晶體管從轉(zhuǎn)換的信號(hào)中提供統(tǒng)計(jì)意義。2）研究人員用rSbpA-ZZ/CXCR4QTY-FC組合論證了系統(tǒng)的可行性。在生理相關(guān)濃度下，CXCL12配體和HIV外殼糖蛋白與CXCL12配體和HIV外殼糖蛋白發(fā)生了與自然界相似的特異性相互作用，在100%人血清中沒(méi)有明顯的靈敏度損失。3）該結(jié)構(gòu)可通過(guò)酸性緩沖液再生，允許設(shè)備重復(fù)使用和功能調(diào)整。模塊化和通用化的體系結(jié)構(gòu)的行為類似于自然系統(tǒng)，但提供了電子輸出，這使得能夠制造具有定制接收器面板的多路傳感器，以用于指定的診斷目的。
Rui Qing, et al, Scalable biomimetic sensing system with membrane receptor dual-monolayer probe and graphene transistor arrays, Sci. Adv. 9, eadf1402 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adf1402https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1402
8. Sci. Adv.：用于血糖連續(xù)監(jiān)測(cè)的電偶聯(lián)型全印刷自補(bǔ)償生物可吸收電化學(xué)裝置
傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)血糖監(jiān)測(cè)涉及非生物可吸收的半植入式葡萄糖傳感器，在移除過(guò)程中會(huì)造成感染和疼痛。盡管生物可吸收電子設(shè)備是很好的替代品，但生物可吸收傳感器在含有干擾生物分子的水環(huán)境中溶解。在這里，天津大學(xué)Xian Huang提出了利用生物可吸收材料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電極電位和準(zhǔn)確的電化學(xué)檢測(cè)的理論，從而得到了一種完全印刷的生物可吸收電化學(xué)裝置。1）鉬鎢參比電極通過(guò)電流耦合和自補(bǔ)償模塊提供穩(wěn)定的電位，克服了材料退化造成的不利影響。研究人員在體外和體內(nèi)分別進(jìn)行了7天和5天的血糖監(jiān)測(cè)，然后在2個(gè)月內(nèi)完全降解。2）結(jié)果顯示，該設(shè)備提供了0至25毫米的葡萄糖檢測(cè)范圍和0.2458微安/毫米的靈敏度，具有抗干擾能力和生物兼容性，表明利用印刷和低溫水燒結(jié)技術(shù)批量生產(chǎn)高性能的生物可吸收電化學(xué)設(shè)備是可能的。這些機(jī)制可能被用于開發(fā)更全面的用于慢性病的生物可吸收傳感器。
Jiameng Li, et al, Fully printed and self-compensated bioresorbable electrochemical devices based on galvanic coupling for continuous glucose monitoring, Sci. Adv. 9, eadi3839 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adi3839https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi3839
9. EES：開發(fā)高可逆性Li-CO2電池：從片上探索到實(shí)際應(yīng)用
鋰電池在滿足能源轉(zhuǎn)型要求和減少全球二氧化碳排放方面具有巨大潛力。然而，高效LCB的開發(fā)仍處于早期階段，需要高效的電催化劑和對(duì)其機(jī)制的更深入理解。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，薩里大學(xué)Zhao Yunlong、北京大學(xué)潘鋒設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的片上電化學(xué)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)能夠同時(shí)篩選催化劑，并對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)成分和形態(tài)演變進(jìn)行原位分析。1) 通過(guò)對(duì)六種不同的金屬納米顆粒催化劑進(jìn)行了評(píng)估，作者發(fā)現(xiàn)Pt基LCBs具有低過(guò)電勢(shì)（~0.55 V）。作者使用原位電化學(xué)拉曼光譜和原子力顯微鏡研究了LCBs的反應(yīng)途徑和可逆性質(zhì)，并得到了從頭計(jì)算的驗(yàn)證。2) 此外，作者制造了LCB紐扣電池和軟包電池，并證明其具有高容量、穩(wěn)定性和高達(dá)90%的能源效率。多模式芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)在金屬-空氣電池、電催化、燃料電池和光電化學(xué)系統(tǒng)等其他系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，從而為快速篩選催化劑、機(jī)理研究和開發(fā)實(shí)際應(yīng)用開辟了新的途徑。
Manman Wang, et al. Developing highly reversible Li-CO2 battery: from on-chip exploration to practical application. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE00794D
10. EES：Bi2S3-PPy復(fù)合材料的生物啟發(fā)工程用于高效電催化還原二氧化碳
使用表面工程化學(xué)復(fù)合材料來(lái)提高反應(yīng)中間體的結(jié)合能和導(dǎo)電性是實(shí)現(xiàn)高局部電流密度和提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率的一條有效途徑。中國(guó)科學(xué)院Cheng Hangrong、Zhou Xiaoxia、復(fù)旦大學(xué)鄭耿鋒使用導(dǎo)電聚合物聚吡咯（PPy）來(lái)調(diào)節(jié)Bi2S3的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)CO2分子的活化，以增強(qiáng)CO2電還原的活性。1)具有獨(dú)特3D形態(tài)的電催化劑由具有豐富S空位的Bi2S3納米線組裝體通過(guò)PPy修飾組成，其提高了電子轉(zhuǎn)移能力，實(shí)現(xiàn)了91.18%的優(yōu)異甲酸鹽法拉第效率和-56.95mA cm-2的電流密度，以及在H型電池中具有良好的穩(wěn)定性。更重要的是，它可以提供超過(guò)-300 mA cm-2的電流密度，而不會(huì)影響流動(dòng)池反應(yīng)器中甲酸鹽的選擇性。2) 基于原位ATR-IR光譜，作者提出了與HCO3-有關(guān)的甲酸鹽形成的反應(yīng)機(jī)制，這將為CO2還原帶來(lái)新的科學(xué)認(rèn)識(shí)。DFT計(jì)算進(jìn)一步表明，優(yōu)化的電子結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)的CO2吸附和活化以及質(zhì)子化過(guò)程有助于降低甲酸酯中間體*OCHO的形成能，從而提高性能。此外，配備Bi2S3-PPy的Zn-CO2電池具有2.4 mW cm-2的最大功率密度和>110小時(shí)的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。
Chengjin Li, et al. Bio-inspired engineering of Bi2S3-PPy composite for efficient electrocatalytic reduction of carbon dioxide. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02029K
11. EES：析氫反應(yīng)過(guò)程中的瞬態(tài)相變
2H-MoS2是用于析氫反應(yīng)（HER）的有效且不含貴金屬的電催化劑之一。關(guān)于其HER機(jī)制的一個(gè)廣泛接受的觀點(diǎn)是，其邊緣位點(diǎn)具有高HER活性，而其基面在HER過(guò)程中是惰性的。在這里，華中科技大學(xué)翟天佑、浙江師范大學(xué)楊發(fā)確認(rèn)這種觀點(diǎn)是有問(wèn)題的。1) 作者基于第一性原理計(jì)算和原位衰減全反射表面增強(qiáng)紅外吸收光譜和X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量的結(jié)果確定了瞬態(tài)相變行為，這使得2H-MoS2的部分基面表現(xiàn)出高HER活性。2) 具體而言，在HER過(guò)程中，MoS2可以經(jīng)歷從HER的惰性2H相到具有高HER活性的1T′相的局部相變，并且相變是瞬態(tài)的，其在反應(yīng)后恢復(fù)到2H相。該工作報(bào)道了一種新的反應(yīng)機(jī)制（即瞬態(tài)相變），從而為多相電催化劑的設(shè)計(jì)和多相電催化的機(jī)理研究開辟了新的機(jī)遇。
Zhao Yinghe, et al. Transient phase transition during the hydrogen evolution reaction. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01409F
12. AEM：生物硅化制備高容量亞納米二價(jià)硅
就高容量和安全性而言，具有小晶粒度的低價(jià)硅基復(fù)合材料是用于鋰離子電池的有效陽(yáng)極材料。然而，穩(wěn)定的四價(jià)硅前體使合成難以實(shí)現(xiàn)綠色化。近日，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)、王選朋利用鳳眼蓮的生物硅化作用，發(fā)現(xiàn)它是低價(jià)硅的優(yōu)良天然前體。1) 生物亞納米（0.5nm）硅點(diǎn)復(fù)合材料（EC-SiOC）具有Si─O和C─O鍵之間的可逆轉(zhuǎn)換機(jī)制，這不同于以前與合金化反應(yīng)相關(guān)的鋰存儲(chǔ)機(jī)制。由于均勻的生物結(jié)構(gòu)促進(jìn)了固相反應(yīng)，熱解EC-SiOC的標(biāo)準(zhǔn)化能耗比二氧化硅的碳熱還原低約80%，其類似于熔鹽電解。2) 從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，來(lái)自不同EC-SiOC的抽樣調(diào)查顯示，在100 mA g?1的電流密度下，其高平均容量為749.9 mAh g?1。該研究揭示了生物質(zhì)前驅(qū)體在合成Si─O─C材料方面的巨大潛力。
Zi'ang Liu, et al. High-Capacity Sub-Nano Divalent Silicon from Biosilicification. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202301715https://doi.org/10.1002/aenm.202301715
