1. Nature Nanotechnology：鋰離子電池內(nèi)部顆粒和電解質(zhì)不均勻性的三維操作光學(xué)成像
了解電池材料中的鋰化不均勻性是確保最佳電化學(xué)性能的關(guān)鍵。然而，由于電極顆粒的三維形態(tài)、固相和液相反應(yīng)物的參與以及一系列相關(guān)的時間尺度（秒到小時），使其仍極具挑戰(zhàn)性。在這里，索邦大學(xué)Raj Pandya、Sylvain Gigan、Hilton B. de Aguiar、波士頓學(xué)院Alexis Grimaud克服了這一問題，并演示了使用共焦顯微鏡同時對單個團(tuán)聚顆粒中的鋰離子動力學(xué)和電池中的電解質(zhì)進(jìn)行三維操作測量。1) 作者研究了兩種陰極材料：LixCoO2和LixNi0.8Mn0.1Co0.1O2。Li相表面到核心的傳輸速度和體積變化被捕獲為循環(huán)速率的函數(shù)。此外，作者觀察了循環(huán)過程中本體和團(tuán)聚體表面的不均勻性，并對微觀液體電解質(zhì)濃度梯度進(jìn)行了成像。2) 作者發(fā)現(xiàn)，表面限制反應(yīng)和團(tuán)聚體內(nèi)競爭速率控制了基于團(tuán)聚體電極中的鋰化和結(jié)構(gòu)不均勻性。作者概述了在電池電極的復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行光學(xué)成像的條件。
Raj Pandya, et al. Three-dimensional operando optical imaging of particle and electrolyte heterogeneities inside Li-ion batteries. Nature Nanotechnology 2023DOI: 10.1038/s41565-023-01466-4https://doi.org/10.1038/s41565-023-01466-4
2. Nature Catalysis：鹵化物引導(dǎo)的鉍電催化劑活性位點暴露用于選擇性CO2轉(zhuǎn)化為甲酸
在電化學(xué)CO2還原反應(yīng)中識別鉍催化劑的活性位點仍然是一個挑戰(zhàn)。在這里，烏得勒支大學(xué)Ward van der Stam、Bert M. Weckhuysen通過原位表征表明，鹵氧化鉍電催化劑對金屬鉍的活化是由鹵化物引導(dǎo)的。1) 原位X射線衍射結(jié)果表明，溴化物促進(jìn)了平面鉍表面的選擇性暴露，而氯化物和碘化物導(dǎo)致了更多無序的活性位點。此外，作者發(fā)現(xiàn)溴化物活化的鉍催化劑優(yōu)于氯化物和碘化物催化劑，實現(xiàn)了高電流密度（>100?mA?cm–2）和甲酸選擇性（>90%），表明平面鉍表面對電化學(xué)CO2還原反應(yīng)更具活性。2) 此外，原位X射線吸收光譜測量表明，在氯化物活化的鉍中，重建過程迅速進(jìn)行，當(dāng)存在溴化物時，重建過程逐漸進(jìn)行，有助于形成有序的平面。該發(fā)現(xiàn)表明，在電化學(xué)CO2還原反應(yīng)過程中，鹵素在活性鉍基電催化劑中的選擇性面暴露中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
Shuang Yang, et al. Halide-guided active site exposure in bismuth electrocatalysts for selective CO2 conversion into formic acid. Nature Catalysis 2023DOI: 10.1038/s41929-023-01008-0https://doi.org/10.1038/s41929-023-01008-0
3. Nature Catalysis：CO2電還原條件下銅電極的原子尺度表面重構(gòu)
誘導(dǎo)用于CO2（CO2RR）電化學(xué)還原的Cu催化劑結(jié)構(gòu)變化的電位動力學(xué)方法已被確定為引導(dǎo)催化劑選擇性產(chǎn)生多碳產(chǎn)物的一種有效策略。在目前方法中，活性物種是通過順序的銅氧化-還原過程產(chǎn)生的。近日，基爾大學(xué)Olaf M. Magnussen報道了CO2電還原條件下銅電極的原子尺度表面重構(gòu)。1) 作者通過原位掃描隧道顯微鏡、表面X射線衍射和拉曼光譜測量表明，在CO2電催化還原開始時，低配位的Cu表面物種自發(fā)形成。該過程始于反應(yīng)初始階段CO誘導(dǎo)的Cu納米團(tuán)簇形成，導(dǎo)致在寬電勢范圍內(nèi)持續(xù)的不可逆表面重組。2) 在隨后的電勢增加時，納米團(tuán)簇分散到Cu吸附原子中，從而穩(wěn)定表面上的反應(yīng)中間體。在CO2轉(zhuǎn)化Cu催化劑表面上觀察到的自誘導(dǎo)欠配位位點可以解釋其反應(yīng)活性，并且可以通過動電位策略來產(chǎn)生活性的CO2RR位點。
Reihaneh Amirbeigiarab, et al. Atomic-scale surface restructuring of copper electrodes under CO2 electroreduction conditions. Nature Catalysis 2023DOI: 10.1038/s41929-023-01009-zhttps://doi.org/10.1038/s41929-023-01009-z
4. Nature Energy：具有離聚物涂層的咪唑官能化Mo3P納米顆粒用于電催化CO2還原為丙烷
丙烷是一種廣泛用作燃料的三碳（C3）烷烴。盡管最近在CO2電催化方面取得了進(jìn)展，但由于高反應(yīng)能壘和對C1、C2和H2產(chǎn)物的競爭反應(yīng)，直接從CO2生產(chǎn)C3+分子仍極具挑戰(zhàn)性。在這里，伊利諾伊理工學(xué)院Mohammad Asadi報道了一個由1-乙基-3-甲基咪唑官能化的Mo3P納米顆粒組成的催化體系。1) 該納米顆粒涂有陰離子交換離聚物，可從電流密度為?395 mA?cm?2的CO2中產(chǎn)生丙烷?，并且在?0.8V（vs. RHE）時，超過100?h運行的法拉第效率為91%?。2) 表征和密度泛函理論計算表明，咪唑鎓官能化通過增加碳基中間體在Mo位點上的吸附能，改善了Mo原子在表面的電催化性能，并有利于通向丙烷的途徑。該結(jié)果表明，在長期測試中，離聚物涂層在穩(wěn)定Mo3P納米顆粒的咪唑功能化表面方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
Mohammadreza Esmaeilirad, et al. Imidazolium-functionalized Mo3P nanoparticles with an ionomer coating for electrocatalytic reduction of CO2 to propane. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01314-8https://doi.org/10.1038/s41560-023-01314-8
5. Nature Energy：Au濺射TiO2光催化劑對甲烷高選擇性氧化偶聯(lián)的有效空穴提取
甲烷的光催化氧化偶聯(lián)（OCM）產(chǎn)生C2分子，可以用作合成燃料和化學(xué)品的構(gòu)建塊。然而，由于甲烷分子的穩(wěn)定性質(zhì)，C2產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性仍然適中。在這里，利物浦大學(xué)Alexander J. Cowan、倫敦大學(xué)學(xué)院Junwang Tang報道了Au濺射TiO2光催化劑對甲烷高選擇性氧化偶聯(lián)的有效空穴提取。1) 作者通過濺射方法開發(fā)了一種負(fù)載Au納米團(tuán)簇的TiO2光催化劑，實現(xiàn)了1.1mmol?h?1的高甲烷轉(zhuǎn)化率?，C2選擇性為~90%，表觀量子效率為10.3?±?0.6%。2) 對于CO2還原，Au納米顆粒可將TiO2光電子壽命延長66倍，同時Au作為空穴受體和催化中心，促進(jìn)甲烷吸附、C–H活化和C–C偶聯(lián)。該工作強(qiáng)調(diào)了多功能助催化劑和機(jī)理理解對改善光催化OCM的重要性。
Xiyi Li, et al. Efficient hole abstraction for highly selective oxidative coupling of methane by Au-sputtered TiO2 photocatalysts. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01317-5https://doi.org/10.1038/s41560-023-01317-5
6. Nature Commun.：在氧化鐵催化劑中構(gòu)建多個活性位點以改善羰基化反應(yīng)
表面工程是提高多相催化劑催化活性的一種有前景的策略。然而，很少有研究致力于研究催化表面缺陷引發(fā)的多個金屬活性位點的催化行為差異。在此，中科院蘭州化物所Xinjiang Cui報道了氧空位誘導(dǎo)的 Fe2O3 催化劑在一個氧空位周圍具有不同的 Fe 位點，并且對各種芳基鹵化物和胺/醇與 CO 的羰基化反應(yīng)表現(xiàn)出顯著的催化性能。1）所開發(fā)的催化體系對通過氨基羰基化和烷氧基羰基化合成羰基化化學(xué)品，包括藥物和手性分子。2）組合表征揭示了氧空位的形成。控制實驗和密度泛函理論計算表明，三個Fe位點的選擇性組合對于通過分別催化PhI活化、CO插入和C-N/C-O偶聯(lián)等基本步驟來提高催化性能至關(guān)重要，從而賦予組合位點催化劑用于多步反應(yīng)。
Liu, S., Li, T., Shi, F. et al. Constructing multiple active sites in iron oxide catalysts for improving carbonylation reactions. Nat Commun 14, 4973 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40640-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40640-z
7. Nature Commun.：快速自熱合成鐵基納米材料高級氧化催化劑
鐵基催化劑是基于高級氧化工藝的廢水修復(fù)的有希望的候選者。然而，這些材料的制備通常涉及復(fù)雜且能源密集的合成。此外，由于制備條件的固有限制，充分發(fā)揮催化劑的潛力具有挑戰(zhàn)性。在此，復(fù)旦大學(xué)Xiangdong Zhu，阿德萊德大學(xué)Shaobin Wang通過軟碳輔助閃速焦耳加熱（FJH）開發(fā)了一種鐵基納米材料催化劑。1）FJH涉及快速升溫、電擊和冷卻，該過程同時將低品位鐵礦物（FeS）和軟碳轉(zhuǎn)化為嵌入薄層石墨烯中的富電子納米Fe0/FeS異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該過程非常節(jié)能，消耗的能量比傳統(tǒng)熱解少 34 倍。2）密度泛函理論計算表明，F(xiàn)JH衍生異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子離域通過雙齒雙核模型提高了其與過二硫酸鹽的結(jié)合能力，從而提高了有機(jī)物礦化的·OH產(chǎn)率。3）Fe基納米材料催化劑在較寬的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的催化性能。類似的催化劑可以使用其他常用的鐵前體來制備。最后，還提出了鐵基納米材料催化劑的連續(xù)自動化生產(chǎn)策略。
Yu, F., Jia, C., Wu, X. et al. Rapid self-heating synthesis of Fe-based nanomaterial catalyst for advanced oxidation. Nat Commun 14, 4975 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40691-2https://doi.org/10.1038/s41467-023-40691-2
8. PNAS：電化學(xué)電池中兩個電極的相關(guān)表面充電行為
電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在電極-電解質(zhì)溶液界面的納米級雙電層（EDL）中。EDL中的局部電勢、電場、離子濃度和溶劑性質(zhì)對該區(qū)域發(fā)生的任何反應(yīng)都有至關(guān)重要的影響。近日，亞琛工業(yè)大學(xué)Huang Jun揭示了構(gòu)成電化學(xué)電池的兩個電極表面充電行為不能通過它們各自的電雙層（EDL）性質(zhì)來獨立描述。1) 作者通過一種新型方式將其相互關(guān)聯(lián)，即每個電極的表面充電行為由EDL和兩個電極的反應(yīng)動力學(xué)決定。從而導(dǎo)出了描述相關(guān)表面充電行為的兩個基本方程，并分別在低電流密度和高電流密度下獲得了近似解析解，以便于理解。2) 作者討論了所提出的概念分析對理論和計算電化學(xué)的重要意義，并演示了在雙電極電化學(xué)電池中通過調(diào)節(jié)另一個電極的EDL參數(shù)來調(diào)節(jié)一個電極活性的策略。
Huang Jun, et al. Correlated surface-charging behaviors of two electrodes in an electrochemical cell. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307307120https://doi.org/10.1073/pnas.2307307120
9. PNAS：定制短鏈硫分子以驅(qū)動硫基水電池的氧化還原動力學(xué)
固體-固體反應(yīng)在可充電硫基電池中脫穎而出，因為其在理論上具有高硫利用率。然而，由于硫的低電子電導(dǎo)率和各種電化學(xué)惰性中間體的產(chǎn)生，硫陰極中的固-固反應(yīng)總是具有緩慢的反應(yīng)動力學(xué)和巨大的氧化還原極化。有鑒于此，提高硫陰極的電化學(xué)活性和調(diào)整氧化還原方向至關(guān)重要。在熱力學(xué)分析的指導(dǎo)下，寧波大學(xué)Shu Jie利用空間有限域原理成功合成了短鏈硫分子（S2-4）。1) 與固-固反應(yīng)中路線復(fù)雜的傳統(tǒng)環(huán)狀S8分子不同，短鏈硫分子不僅縮短了氧化還原鏈的長度，而且抑制了不可逆中間體的形成，從而帶來了優(yōu)異的氧化還原動力學(xué)和可逆性。2) 由短鏈硫分子構(gòu)建的Cu-S電池可以提供3133 mAh g?1的高可逆容量。為了實現(xiàn)這一點，作者還設(shè)計并評估了基于短鏈硫分子的準(zhǔn)固態(tài)水性柔性電池，并顯示出優(yōu)異的機(jī)械柔性和電化學(xué)性能。這表明，在可充電電池中引入短鏈硫分子可以促進(jìn)高性能硫基水性儲能系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。
Zhonghao Miao, et al. Tailoring short-chain sulfur molecules to drive redox dynamics for sulfur-based aqueous battery. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307646120https://doi.org/10.1073/pnas.2307646120
10. EES：通過新型硝酸鹽添加劑提高聚DOL準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的可行性
準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)（QSSE）的原位聚合是開發(fā)可擴(kuò)展、安全和高性能準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池的一種有效方法。在這種情況下，聚DOL基電解質(zhì)由于其寬的電化學(xué)窗口和與鋰金屬的強(qiáng)兼容性而極具潛力。通過添加LiNO3可以增強(qiáng)鋰金屬的穩(wěn)定性，因為它在鋰金屬陽極的表面上產(chǎn)生了富含Li3N的固體電解質(zhì)界面。然而，LiNO3阻止了DOL的開環(huán)聚合，使這兩種化合物不相容。為了解決這個問題，香港科技大學(xué)Francesco Ciucci、防化研究院Wang Weikun開發(fā)了一種新型硝酸鹽添加劑二硝酸三甘醇（TEGDN）來代替LiNO3。1) 與LiNO3一樣，TEGDN在鋰表面形成致密、富氮的固體電解質(zhì)界面，保護(hù)其免受寄生反應(yīng)的影響。然而，與LiNO3不同的是，TEGDN不會干擾DOL的聚合，從而可以制造高效電解質(zhì)，在室溫下提供2.87 mS cm?1的離子電導(dǎo)率和4.28 V的氧化穩(wěn)定電位。2) 為了證明該方法的可行性，作者制備了在1C下穩(wěn)定循環(huán)2000次以上的Li|LiFePO4紐扣型電池。此外，作者制備了1.7 A h的軟包鋰硫電池，其初始比能為304 W h kg?1，50次循環(huán)后的容量保持率為79.9%。該研究首次提出了一種新的添加劑來解決聚DOL和LiNO3的不相容性，并開發(fā)了原位聚合的準(zhǔn)固態(tài)電池。該電池通過形成富氮固體電解質(zhì)界面而表現(xiàn)出優(yōu)異的容量和穩(wěn)定性。
Zilong Wang, et al. Towards durable practical lithium–metal batteries: advancing the feasibility of poly-DOL-based quasi-solid-state electrolytes via a novel nitrate-based additive. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02020G
11. AEM：用于堅固電極-電解質(zhì)界面的碳粘合劑設(shè)計以實現(xiàn)電池的高性能微型硅陽極
微米硅（μ-Si，>1μm）因其低成本、高振實密度和高比容量而成為鋰離子電池的理想負(fù)極之一。然而，在反復(fù)的鋰化/脫鋰過程中，μ-Si會發(fā)生巨大的體積變化。由于嚴(yán)重的顆粒粉碎、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的分離以及不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）的不受控制的生長，這導(dǎo)致循環(huán)過程中容量持續(xù)損失。在此，季華實驗室Jun Tan, Chengzhi Zhang提出了通過漿料鑄造μ-Si電極碳化的電極構(gòu)造策略。有機(jī)粘合劑既充當(dāng)碳源又充當(dāng)物理框架，其被碳化以形成與μ-Si顆粒化學(xué)鍵合并在電極內(nèi)的碳粘合劑。1）具有碳粘合劑的電極確保了穩(wěn)定的電通道，并促進(jìn)界面處形成穩(wěn)定且鈍化的SEI，μ-Si含量高達(dá)82 wt%。2）碳粘合劑提供物理緩沖，防止局部應(yīng)變并改變表面反應(yīng)性，從而實現(xiàn)高初始庫侖效率（91.85%）和商業(yè)級面積容量（2 mAh cm?2）下穩(wěn)定的循環(huán)性能。這項工作為當(dāng)前電池行業(yè)提供了一種易于擴(kuò)展且實用的方法，無需任何電解質(zhì)修改或復(fù)雜的制造方法。
Fei Wang, et al, Carbon-Binder Design for Robust Electrode–Electrolyte Interfaces to Enable High-Performance Microsized-Silicon Anode for Batteries, Adv. Energy Mater. 2023, 2301456DOI: 10.1002/aenm.202301456https://doi.org/10.1002/aenm.202301456
12. Nano Letters：用于人工視覺神經(jīng)系統(tǒng)的螺旋納米纖維光電突觸裝置
受生物分子螺旋結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的精細(xì)功能的啟發(fā)，螺旋聚合物受到了越來越多的關(guān)注。合肥工業(yè)大學(xué)邱龍臻和南開大學(xué)徐文濤采用簡單的一鍋活性聚合方法制備了一系列聚（3-己基噻吩）-嵌段聚（苯基異氰）（P3HT-b-PPI）共聚物。1）在一系列共聚物中，研究發(fā)現(xiàn)P3HT80-b-PPI30薄膜具有螺旋狀納米纖維結(jié)構(gòu)，而相應(yīng)的器件則具有優(yōu)異的光電特性，例如從可見光波段到深紫外（DUV）的光譜響應(yīng)范圍變寬，并且在DUV光刺激后載流子衰減時間延長了約5倍。特別是，每個突觸事件的能量消耗為1.44fJ，這是迄今為止DUV光刺激實現(xiàn)的最低能量消耗。2）研究進(jìn)一步使用相應(yīng)的器件陣列來實現(xiàn)圖像的加密和解密。最后，研究還構(gòu)建了光感受器神經(jīng)通路，可實現(xiàn)對有害光顯示的識別預(yù)警。這項研究為開發(fā)一種新型光電突觸器件提供了一種有效的策略。
Longlong Jiang, et al. Helical Nanofiber Photoelectric Synaptic Devices for an Artificial Vision Nervous System. Nano Letters. 2023DOI：10.1021/acs.nanolett.3c02266https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02266
