1. Nature Catalysis：PtRu催化劑與氮摻雜碳載體的協(xié)同作用促進(jìn)氫氧化
氫氧化物交換膜燃料電池（HEMFC）是一種極具成本效益的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而，目前的HEMFC需要高負(fù)載量的鉑族金屬（PGM）催化劑，特別是對(duì)于氫氧化反應(yīng)。近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院胡喜樂(lè)、南卡羅來(lái)納大學(xué)William E. Mustain開(kāi)發(fā)了一種在堿性條件下具有高質(zhì)量活性的多孔氮摻雜碳支持的PtRu氫氧化反應(yīng)催化劑（PtRu/pN-C）。1) 光譜和微觀數(shù)據(jù)表明，除了PtRu納米顆粒外，pN-C上還存在Pt單原子。機(jī)理研究表明，Ru調(diào)節(jié)Pt的電子結(jié)構(gòu)以獲得最佳的氫結(jié)合能，而pN-C上的Pt單原子優(yōu)化了界面水結(jié)構(gòu)。這些協(xié)同相互作用是該催化劑具有高催化活性的原因。2) 在HEMFC中，該催化劑和商業(yè)Fe–N–C氧還原反應(yīng)催化劑實(shí)現(xiàn)了高PGM利用率，并且在0.65 V時(shí)的電流密度高達(dá)1.5?A.?cm?2，這超過(guò)了美國(guó)能源部2022年的目標(biāo)（1?A.?cm?2）。
Weiyan Ni, et al. Synergistic interactions between PtRu catalyst and nitrogen-doped carbon support boost hydrogen oxidation. Nature Catalysis 2023DOI: 10.1038/s41929-023-01007-1https://doi.org/10.1038/s41929-023-01007-1
2. Nature Catalysis：原子金屬-非金屬催化對(duì)驅(qū)動(dòng)氫氧化催化
合理設(shè)計(jì)具有高效利用鉑族金屬位點(diǎn)的氫氧化反應(yīng)（HOR）電催化劑對(duì)氫燃料電池至關(guān)重要，但由于氫中間體（H*）在單個(gè)金屬中心的解吸具有較高的能壘，因此其仍然是燃料電池的主要挑戰(zhàn)。在這里，香港城市大學(xué)Liu Bin、蘇州科技大學(xué)Yang Hongbin、北京理工大學(xué)Li Yujing、南方科技大學(xué)Wang Yanggang、廈門(mén)大學(xué)Tao Huabing報(bào)道了原子金屬-非金屬催化對(duì)驅(qū)動(dòng)氫氧化催化。1) 作者報(bào)道了具有強(qiáng)電子耦合的原子分散銥-磷（Ir–P）催化對(duì)，其促進(jìn)了HOR動(dòng)力學(xué)，其中吸附在親氧P位點(diǎn)上的活性羥基物種可以很容易地與相鄰Ir原子上的H*結(jié)合，而分離的單原子Ir催化劑是非活性的。2) 在H2–O2燃料電池中，該催化劑的峰值功率密度為1.93?W?cm?2，陽(yáng)極質(zhì)量活性高達(dá)17.11?A.?mgIr?1，這顯著優(yōu)于商用Pt/C。該工作不僅推動(dòng)了燃料電池陽(yáng)極催化劑的開(kāi)發(fā)，而且為多中間體催化提供了一個(gè)精確而通用的活性位點(diǎn)設(shè)計(jì)策略。
Qilun Wang, et al. Atomic metal–non-metal catalytic pair drives efficient hydrogen oxidation catalysis in fuel cells. Nature Catalysis 2023DOI: 10.1038/s41929-023-01017-zhttps://doi.org/10.1038/s41929-023-01017-z
3. Nature Catalysis：通過(guò)調(diào)節(jié)H2O的活性促進(jìn)Cu催化CO2電還原為多碳產(chǎn)物
將CO2電化學(xué)還原為有價(jià)值的C2+原料受到C1產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)形成和H2析出的阻礙。在這里，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Anthony Shoji Hall使用鹽包水電解質(zhì)將H2O的熱力學(xué)活性調(diào)節(jié)在0.97和0.47之間，以揭示H2O在控制Cu電極上C–C耦合與C1產(chǎn)物形成中的作用機(jī)制。1) 通過(guò)將熱力學(xué)H2O活性降低到0.66，作者在?110 mA cm?2的電流密度下獲得了約73%的C2+產(chǎn)物法拉第效率。熱力學(xué)H2O活性的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)C2+/C1比率的精細(xì)控制。2) 此外，熱力學(xué)H2O活性在增加CO表面覆蓋率和促進(jìn)C–C偶聯(lián)為C2產(chǎn)物方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該發(fā)現(xiàn)突出了調(diào)整熱力學(xué)H2O活性作為指導(dǎo)原則的潛力，從而最大限度地將CO2還原為C2+產(chǎn)物。
Hao Zhang, et al. Promoting Cu-catalysed CO2 electroreduction to multicarbon products by tuning the activity of H2O. Nature Catalysis 2023DOI: 10.1038/s41929-023-01010-6https://doi.org/10.1038/s41929-023-01010-6
4. Nature Commun.：微電池與薄膜電子器件集成構(gòu)建基于 InGaZnO 的集成透明微系統(tǒng)
將微型透明能源器件（鋰離子電池）、電子器件（薄膜晶體管）和傳感器件（光電探測(cè)器）充分集成，形成單片集成微系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了透明電子的功能。這里，東南大學(xué)Xiaodong Huang報(bào)道了InGaZnO由于其多功能特性而用于制備上述器件和微系統(tǒng)。1）作者提出以 InGaZnO 作為陽(yáng)極的透明鋰離子電池（容量~9.8 μAh cm?2 ）作為片上電源。然后，在基板上制備以InGaZnO為溝道的薄膜晶體管（遷移率~23.3 cm2 V?1 s?1）和以InGaZnO為感光層的光電探測(cè)器（響應(yīng)度~0.35 A W?1），構(gòu)建全集成的透明微系統(tǒng)。2）每個(gè)設(shè)備都顯示出可接受的性能。此外，利用薄膜晶體管作為片上整流器，可以成功地將交流信號(hào)充電到鋰離子電池中，并且利用充電后的電池作為片上電源，光電探測(cè)器工作良好，展示了協(xié)作能力各設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。
Jia, B., Zhang, C., Liu, M. et al. Integration of microbattery with thin-film electronics for constructing an integrated transparent microsystem based on InGaZnO. Nat Commun 14, 5330 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41181-1https://doi.org/10.1038/s41467-023-41181-1
5. Nature Commun.：通過(guò)3D空間分離的活性位點(diǎn)進(jìn)行級(jí)聯(lián)催化系統(tǒng)的細(xì)胞啟發(fā)設(shè)計(jì)
細(xì)胞擁有隔離的隔室，在空間上限制不同的酶，從而實(shí)現(xiàn)高效的酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)。在此，中科大Yuen Wu，Huang Zhou，Suowen Xu，Xiaoping Gao報(bào)道了一種仿生級(jí)聯(lián)催化系統(tǒng)的細(xì)胞啟發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)將 Fe 單原子和 Au 納米顆粒分別固定在三維納米膠囊的內(nèi)層和外層。1）不同的金屬位點(diǎn)獨(dú)立催化并協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)工程化和級(jí)聯(lián)葡萄糖檢測(cè)。仿生催化系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)活性分別比傳統(tǒng)混合和共面構(gòu)建系統(tǒng)增強(qiáng)約9.8倍和2倍。此外，仿生催化系統(tǒng)已成功證明可用于比色葡萄糖檢測(cè)，具有高催化活性和選擇性。2）所提出的基于凝膠的傳感器與智能手機(jī)集成，以實(shí)現(xiàn)葡萄糖的實(shí)時(shí)和視覺(jué)測(cè)定。更重要的是，基于凝膠的傳感器在實(shí)際樣品檢測(cè)中表現(xiàn)出與商用血糖儀的高度相關(guān)性。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)用于生物測(cè)定和納米生物醫(yī)學(xué)的有效仿生催化系統(tǒng)提供了策略。
Wang, Q., Chen, K., Jiang, H. et al. Cell-inspired design of cascade catalysis system by 3D spatially separated active sites. Nat Commun 14, 5338 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41002-5https://doi.org/10.1038/s41467-023-41002-5
6. Nature Commun.：具有scu拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的TPE基Zr-MOF的各向異性柔性和剛性
基于四苯乙烯（TPE）的配體對(duì)于構(gòu)建具有新功能和響應(yīng)能力的金屬有機(jī)框架（MOF）很有吸引力。在這里，南京師范大學(xué)古志遠(yuǎn)教授報(bào)道了一種具有各向異性柔性的非互穿 TPE 基 scu Zr-MOF，即 Zr-TCPE（H4TCPE = 1,1,2,2-四（4-羧基苯基）乙烯），剩余兩個(gè)各向異性口袋。1）通過(guò)在特定的口袋處單獨(dú)安裝連接器，進(jìn)一步各向異性地增強(qiáng)框架的靈活性。通過(guò)在口袋A或B處單獨(dú)安裝二羧酸L1或L2，沿b軸或c軸的框架柔性被剛性化，并且分別限制有機(jī)配體的分子間或分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)。2）協(xié)同作用下，通過(guò)雙連接體的安裝，靈活性被完全剛性化，配體運(yùn)動(dòng)受到限制，從而使 MOF 具有增強(qiáng)的穩(wěn)定性和改善的分離能力。此外，通過(guò)2H固態(tài)NMR對(duì)苯環(huán)的翻轉(zhuǎn)及其剛性化過(guò)程進(jìn)行了原位觀察。scu Zr-MOF 中柔性的各向異性剛性可指導(dǎo)配體運(yùn)動(dòng)的方向控制，從而設(shè)計(jì)刺激響應(yīng)發(fā)射或高效分離材料。
Meng, SS., Xu, M., Guan, H. et al. Anisotropic flexibility and rigidification in a TPE-based Zr-MOFs with scu topology. Nat Commun 14, 5347 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41055-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-41055-6
7. Nature Commun.：用于像素級(jí) X 射線到近紅外圖像融合的柔性寬帶膠體量子點(diǎn)光電二極管陣列
將多光譜圖像的信息組合成融合圖像可以提供豐富的信息，并且有利于人類(lèi)或機(jī)器的感知。目前，使用多個(gè)具有不同響應(yīng)帶的光電探測(cè)器，需要復(fù)雜的算法和系統(tǒng)來(lái)解決像素和位置失配問(wèn)題。理想的解決方案是像素級(jí)多光譜圖像融合，其中涉及使用相同光電探測(cè)器的多光譜圖像并避免不匹配問(wèn)題。近日，華中科技大學(xué)Jiang Tang，Liang Gao展示了一種采用低溫方法制造的柔性 PbS CQDs 光電二極管陣列，其具有從 X 射線到近紅外 (NIR) 的超寬帶響應(yīng)范圍。1）光電二極管的結(jié)構(gòu)和厚度經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可減少通過(guò)界面缺陷的載流子復(fù)合并改善耗盡區(qū)的載流子生成。像素光電二極管在可見(jiàn)光-近紅外照明下具有低暗電流密度（50.9 nA cm?2 at -1 V）、大線性動(dòng)態(tài)范圍（> 85 dB）和高探測(cè)率（1.01 × 1012 Jones），從而獲得了令人印象深刻的性能。2）它可以在極低的電壓（0.1–1.25 V）下工作，面積靈敏度為17.8 μC Gy?1 cm?2，與X射線照射下的商用α-Se探測(cè)器相當(dāng)，并且在彎曲后仍保持高性能反復(fù)或長(zhǎng)時(shí)間X射線照射。3）研究人員進(jìn)一步展示了使用 PbS CQD 光電二極管陣列對(duì)膠囊進(jìn)行的無(wú)損測(cè)試，這證明了通過(guò)單個(gè)光電探測(cè)器進(jìn)行像素級(jí) X 射線到紅外圖像融合的巨大潛力。
Liu, J., Liu, P., Shi, T. et al. Flexible and broadband colloidal quantum dots photodiode array for pixel-level X-ray to near-infrared image fusion. Nat Commun 14, 5352 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40620-3https://doi.org/10.1038/s41467-023-40620-3
8. Angew：具有咪唑基團(tuán)的共價(jià)有機(jī)框架中的自加速效應(yīng)促進(jìn) CO2 電還原為 CO
溶劑效應(yīng)在催化反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，但在電化學(xué)CO2還原反應(yīng)（eCO2RR）中對(duì)其研究和關(guān)注卻很少。在此，中山大學(xué)廖培欽報(bào)道了一種帶有咪唑基團(tuán)的穩(wěn)定共價(jià)有機(jī)骨架（表示為PcNi-im）作為eCO2RR轉(zhuǎn)化為CO的新型電催化劑。1）有趣的是，與中性條件相比，PcNi-im不僅表現(xiàn)出高法拉第CO產(chǎn)物效率（~100% ）在酸性條件下（pH ≈ 1），而且部分電流密度也從 258 mA cm–2 增加到 320 mA cm–2 。在250 mA cm?2 的電流密度下連續(xù)運(yùn)行10 小時(shí)沒(méi)有觀察到明顯的退化。2）機(jī)理研究表明，骨架上的咪唑基團(tuán)在酸性介質(zhì)中可質(zhì)子化形成咪唑陽(yáng)離子，從而降低活性金屬中心的表面功函數(shù)和電荷密度。結(jié)果，CO中毒效應(yīng)減弱，關(guān)鍵中間體*COOH也穩(wěn)定，從而加快了催化反應(yīng)速率。
Meng-Di Zhang, et al, Self-Accelerating Effect in a Covalent–Organic Framework with Imidazole Groups Boosts Electroreduction of CO2 to CO, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202308195DOI: 10.1002/anie.202308195https://doi.org/10.1002/anie.202308195
9. Angew：乙胺和乙腈在異質(zhì)結(jié)構(gòu) Pd-Ni(OH)2 納米片上的電化學(xué)可逆重整
電催化劑的合理設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)電化學(xué)合成過(guò)程的理想性能至關(guān)重要。異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑因其多功能的內(nèi)在特性、多樣化的催化應(yīng)用以及相應(yīng)的突出活性而引起了廣泛的關(guān)注。在這里，河南大學(xué)Lei Dai，安徽師范大學(xué)Qing Qin，合肥工業(yè)大學(xué)Qi Zhang，安徽醫(yī)科大學(xué)Peiqun Yin報(bào)道了一種用于合成超薄 PdNi(OH)2 納米片的原位修復(fù)策略。這種Pd-Ni(OH)2納米片對(duì)乙胺和乙腈的可逆電化學(xué)重整表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性。1）在乙腈還原過(guò)程中，Pd作為反應(yīng)中心，而Ni(OH)2通過(guò)促進(jìn)水的解離提供質(zhì)子氫。2）乙胺氧化過(guò)程也可以在具有豐富Ni(II)缺陷的異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片表面實(shí)現(xiàn)。3）更重要的是，研究人員成功構(gòu)建了太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的電解槽，實(shí)現(xiàn)了乙胺-乙腈可逆重整。這項(xiàng)工作證明了異質(zhì)結(jié)構(gòu)工程在合理合成多功能催化劑對(duì)精細(xì)化學(xué)品電化學(xué)合成中的重要性。
Weidong Ao, et al, Electrochemical Reversible Reforming between Ethylamine and Acetonitrile on Heterostructured Pd-Ni(OH)2 Nanosheets, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202307924DOI: 10.1002/anie.202307924https://doi.org/10.1002/anie.202307924
10. Angew：通過(guò)羧化水凝膠電解液的鏈液協(xié)同效應(yīng)改善鋅金屬陽(yáng)極的界面離子遷移和沉積
鋅金屬負(fù)極的枝晶生長(zhǎng)、析氫復(fù)雜、鈍化反應(yīng)不可控等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。在此，浙江師范大學(xué)Hongfei Wang，Bin-Bin Xie，浙江農(nóng)林科技大學(xué)Yong Hu開(kāi)發(fā)了一種帶負(fù)電的羧化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠電解質(zhì)（明膠/海藻酸鈉-乙酸鈉，表示為Gel/SA-acetate）來(lái)穩(wěn)定界面電化學(xué)，它通過(guò)鏈液協(xié)同效應(yīng)優(yōu)化了一種鋅離子溶劑鞘。1）通過(guò)親鋅官能團(tuán)與水分子重建新的氫鍵，從而誘導(dǎo)水合鋅離子的定向遷移。同時(shí)，這種水凝膠層與鋅片之間牢固的化學(xué)結(jié)合顯示出理想的抗催化作用，從而大大降低了水的活度并消除了副反應(yīng)。2）隨后，使用Gel/SA-醋酸酯電解液的對(duì)稱(chēng)電池實(shí)現(xiàn)了1580h的可逆電鍍/剝離性能，而非對(duì)稱(chēng)電池的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了5600h，平均庫(kù)侖效率高達(dá)99.9%。所制得的鋅離子混合電容器具有優(yōu)異的性能，包括在15000次循環(huán)中保持98.5%的容量，能量密度為236.8 Wh kg-1，以及高機(jī)械適應(yīng)性。這項(xiàng)工作有望為新型水凝膠電解液開(kāi)發(fā)安全穩(wěn)定的鋅陽(yáng)極開(kāi)辟一條新的途徑。
Cong Tian, et al, Improved Interfacial Ion Migration and Deposition through the Chain–Liquid Synergistic Effect by a Carboxylated Hydrogel Electrolyte for Stable Zinc Metal Anodes, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202310970DOI: 10.1002/anie.202310970https://doi.org/10.1002/anie.202310970
11. AM：具有超柔性單色光源的室內(nèi)自供電鈣鈦礦光電器件
在超薄聚合物薄膜上制造的自供電皮膚光電器件正在成為下一代物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)最有前途的組件之一。然而，一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)是由于聚合物基板的工藝溫度較低而導(dǎo)致器件性能不佳。此外，基于有機(jī)或聚合物半導(dǎo)體的寬帶電致發(fā)光（EL）不可避免地會(huì)因基板彎曲時(shí)的法布里-珀羅（FP）干擾而遭受周期性光譜失真，從而阻礙了先進(jìn)的應(yīng)用。在這里，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Chih-Jen Shih展示了使用溶液處理的鈣鈦礦半導(dǎo)體集成高性能太陽(yáng)能電池和單色發(fā)光二極管的超柔性皮膚光電器件。1）研究人員展示了 n-i-p 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦納米晶體發(fā)光二極管 (PNC-LED)，在具有高熱穩(wěn)定性的超薄聚合物基板上，功率轉(zhuǎn)換效率和電流效率分別為 18.2% 和 15.2 cd A-1 ，這是創(chuàng)紀(jì)錄的超柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的高效率。2）半峰全寬為 23 nm 的窄帶 EL 成功消除了 FP 干擾，即使在 50% 的機(jī)械壓縮下也能產(chǎn)生彎曲不敏感的光譜。此外，使用開(kāi)發(fā)的皮膚光電設(shè)備進(jìn)行的光電體積描記法顯示，87 bpm 脈沖的信號(hào)選擇性為 98.2%。這里介紹的結(jié)果為可穿戴顯示器和室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)傳感器等自供電應(yīng)用的廉價(jià)高性能超薄光電器件鋪平了道路。
Hiroaki Jinno, et al, Indoor Self-Powered Perovskite Optoelectronics with Ultraflexible Monochromatic Light Source, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202304604https://doi.org/10.1002/adma.202304604
12. AM: 液晶彈性體 - 液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料：通過(guò)感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)超快、不受束縛和可編程驅(qū)動(dòng)
液晶彈性體（LCE）是一類(lèi)刺激響應(yīng)材料，由于其具有大、可編程和完全可逆的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變能力，因此在人造肌肉、形狀變形結(jié)構(gòu)和軟機(jī)器人等應(yīng)用中得到了深入研究。為了充分利用 LCE，非常需要快速、不受限制且可編程的驅(qū)動(dòng)方法。在這里，斯坦福大學(xué)Ruike Renee Zhao報(bào)道了一種液晶彈性體-液態(tài)金屬（LCE-LM）復(fù)合材料，它可以通過(guò)渦流感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)超快和可編程驅(qū)動(dòng)。1）該復(fù)合材料由夾在兩個(gè)通過(guò)直接墨水書(shū)寫(xiě) (DIW) 打印的 LCE 層之間的 LM 組成。2）當(dāng)受到高頻交變磁場(chǎng)時(shí)，復(fù)合材料會(huì)在幾毫秒內(nèi)被驅(qū)動(dòng)。通過(guò)移動(dòng)磁場(chǎng)，可以在空間上控制渦流以進(jìn)行選擇性致動(dòng)。3）此外，通過(guò)對(duì)樣本中的 LM 厚度分布進(jìn)行編程可以實(shí)現(xiàn)順序驅(qū)動(dòng)。憑借這些功能，LCE-LM 復(fù)合材料可進(jìn)一步用于彈出結(jié)構(gòu)的多模態(tài)變形、地面全向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以及水中目標(biāo)物體操縱和爬行。
Victor Maurin, et al, Liquid Crystal Elastomer - Liquid Metal Composite: Ultrafast, Untethered, and Programmable Actuation by Induction Heating, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202302765https://doi.org/10.1002/adma.202302765
