1. Science Advances：晶體管上的閉環催化納米反應器系統
精密化學需要微型催化系統來實現具有明確路徑的復雜反應。理想的解決方案是構建一個充當化學實驗室的納米反應器系統，以分子精度執行完整的化學過程。然而，現有的納米級催化系統無法以閉環方式原位控制反應動力學，缺乏最終反應效率的精度。當在晶體管上操作 DNA 框架構建的酶級聯納米反應器時，研究人員發現了電化學間門控效應，從而實現了原位閉環反應電監測和調節?；诖?，復旦大學Dacheng Wei，上海交通大學Baijun Dong開發了一個綜合系統，封裝了納米反應器、分析器和調節器，其中柵極電位調節酶活性并將級聯反應切換為“開”或“關”。1）這種電場效應特性將酶的催化效率提高了 343.4 倍，并能夠對前列腺癌診斷進行靈敏的肌氨酸測定，檢測限比臨床實驗室方法低五個數量級。2）通過與固態電子學的結合，這項工作為構建用于精密化學的智能納米系統提供了一個視角。
Xuejun Wang, et al, A closed-loop catalytic nanoreactor system on a transistor, Sci. Adv., 9 (38), eadj0839.DOI: 10.1126/sciadv.adj0839https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj0839
2. EES：電化學CO2甲烷化反應中單位點催化劑的進展與挑戰
電化學CO2還原為有價值的產品是實現碳中和的一種可持續且經濟的方法。在電化學CO2還原反應（CO2RR）的不同產物中，甲烷是一種具有高燃燒熱的優異能量載體。然而，對于更高的甲烷產物選擇性，避免導致多碳產物的C–C偶聯至關重要。因此，具有單一活性位點的單位點催化劑（SSC）是理想的催化劑。近日，武漢理工大學麥立強、清華大學王定勝、西安交通大學Chen Shenghua對電化學CO2甲烷化反應中單位點催化劑的進展與挑戰進行了綜述研究。1) 作者綜述和討論了電化學CO2甲烷化在SSCs上的研究進展和未來應用前景。作者詳細討論了CO2甲烷化機理和主要活性描述符，并對SSCs的配位結構和設計進行了廣泛的概述。2) 此外，作者對用于跟蹤SSCs結構變化的幾種原位表征進行了概括。該綜述為進一步開發用于選擇性CO2甲烷化的SSC提供了重要見解，并促進了電化學CO2甲烷化研究中SSC的合理設計。
Jiexin Zhu, et al. Advances and Challenges in Single-Site Catalysts towards Electrochemical CO2 Methanation. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02196C
3. EES：交替異質超晶格控制晶格應變穩定富鋰陰極
富鋰氧化物（LRO）利用陽離子和陰離子氧化還原的協同作用，可以提供比商業陰極材料更高的能量密度。然而在循環過程中（尤其是在高壓區域），鋰離子（脫）嵌入引起的晶格應變和結構坍塌會導致性能快速衰減。近日，中國科學院Wu Shuai、中國科學技術大學余彥構建了一種層狀尖晶石交替異質結構，以緩解晶格應變引起的LRO結構演變。1) 該策略是在尖晶石相的錨定效應下實現的，并與Al2O3表面涂層結合以防止LRO的過渡金屬溶解。該富鋰材料實現了約100%的初始庫侖效率，307 mA h g?1的高放電容量。2) 此外，其循環穩定性顯著提高，即200次循環后的容量保持率為84%，這優于之前報道的大多數LRO。因此，這種交替異質結構和表面涂層的協同策略有助于解決LRO商業應用中由晶格應變引起的電化學衰減。
Ying Zhang, et al. Alternate heterogeneous superlattice control of lattice strain to stabilize Li-rich cathode. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01318A
4. AM：受粘膜啟發的電響應潤滑超分子共價水凝膠
對于粘膜啟發的水凝膠來說，實現由外部刺激動態觸發的分泌液體的生命能力，同時保持體積框架是一個重大挑戰。近日，吉林大學Wenlong Song利用電響應絲超分子非共價網絡與共價聚丙烯酰胺和聚乙烯醇聚合物網絡之間的協同作用，開發了一種粘膜啟發的電響應水凝膠。1）所形成的超分子共價水凝膠在施加電場時表現出部分凝膠-溶膠轉變，并且陰極附近的水凝膠表面上的液體層用于模擬粘液分泌能力以調節潤滑。2）電響應潤滑過程可以在安全電壓下運行，并表現出良好的可逆性。通過將電響應超分子網絡引入聚合物網絡來構建電響應水凝膠也是一種通用策略。這種受粘膜啟發的電響應超分子共價水凝膠為設計可以使用電動策略調節潤滑的軟執行器或機器人提供了一種有前景的方法。
Jianye Kang, et al, Mucosa-Inspired Electro-Responsive Lubricating Supramolecular-Covalent Hydrogel, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202307705https://doi.org/10.1002/adma.202307705
5. AM：用于鋰金屬電池的Li0.95Na0.05FePO4基固態電解質
固態電解質（SSE）在開發具有高安全性和能量密度的鋰金屬電池（LMB）方面發揮著至關重要的作用。探索綜合性能優良的SSE是實現LMB實際應用的關鍵。在這項工作中，南京工業大學吳宇平教授，Lili Liu，威特沃特斯蘭德大學Kenneth I. Ozoemena展示了Li0.95Na0.05FePO4(LNFP)作為理想SSE的巨大潛力，因為它具有增強的離子電導率和與鋰金屬陽極接觸的可靠穩定性。1）研究人員制備了基于LNFP的復合固體電解質（CSE）以進一步提高電子絕緣性和界面穩定性。含有50wt%LNFP(LNFP50)的CSE顯示出高離子電導率（25 ℃下3.58×10-4 S cm-1），并且與鋰金屬負極和正極具有良好的相容性。2）令人驚訝的是，Li|LNFP50|LiFePO4電池在0.5 C電流密度下的LMB表現出良好的循環穩定性（500次循環151.5 mAh g-1，容量保持率96.5%，庫侖效率99.3%），并且Li|LNFP50|LiFePO4電池的高能LMB表現出良好的循環穩定性（500次循環151.5 mAh g-1，容量保持率96.5%，庫倫效率99.3%）。LNFP50|Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2電池在170次循環后仍保持80%的容量保持率，優于傳統液體電解質（LE）。這項研究為高性能LMB的綜合性能優異的SSE商業化提供了一種新方法。
Bohao Peng, et al, A Solid-State Electrolyte Based on Li0.95Na0.05FePO4 for Lithium Metal Batteries, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202307142https://doi.org/10.1002/adma.202307142
6. AM：使用層狀蕨狀合金氣凝膠自支撐電極的動態自適應鼓泡用于提高析氧反應
采用間歇性可再生電力生產“綠色”氫氣一直是一個嚴峻的挑戰，因為在高電流密度下，大多數催化電極的傳質能力顯著惡化。在這里，清華大學Cheng Yang報道了一種獨特的片狀蕨類合金氣凝膠(LFA)作為自支撐電極，顯示出獨特的動態自適應鼓泡能力，并可以有效地避免氣泡聚集引起的應力集中。1）LFA電極本質上是高度催化活性的，并顯示出高度多孔、彈性、分級有序和良好滲透的導電網絡。它不僅表現出優異的氣體排空能力，而且在高電流密度下表現出顯著改善的穩定性，在1000 mA cm-2時表現出創紀錄的最低析氧反應(OER)過電位244 mV，并連續催化OER超過6000小時。2）LFA具有機械穩定性好、電子傳輸性能好、氣泡排出效率高等優點，是陰離子膜水電解中一種理想的自立式催化電極，兼有氣體擴散層的作用，在1.88 V的低槽電壓下可達到3000 mA?cm-2，并可在2000?mA cm-2下穩定電解1300h以上。該策略可以推廣到各種氣體析出反應，作為多相催化應用的一般設計規則。
Juan Wang, et al, Dynamically adaptive bubbling for upgrading oxygen evolution reaction using lamellar fern-like alloy aerogel self-standing electrodes, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202307925https://doi.org/10.1002/adma.202307925
7. AM：用于可持續太陽能制氫的高效固氮微生物水凝膠裝置
通過微生物代謝將陽光和有機碳底物轉化為可持續能源對于可再生能源行業具有巨大潛力。盡管微生物光合作用最近取得了進展，但保證高效和可擴展燃料生產的微生物平臺的開發仍處于起步階段。氣態反應物和產物與微生物的有效轉移和回收是特別的障礙。在這里，受到漂浮在水面上的睡蓮葉子的啟發，韓國基礎科學研究所Dae-Hyeong Kim，Yeong-Jae Seo，Taeghwan Hyeon提出了一種微生物裝置，設計用于在空氣-水界面上運行，并促進氣態反應物的同時供應、氣態產物的順利捕獲和高效的陽光傳輸。1）通過本研究首次確定了攜帶副紅假單胞菌的氣浮裝置的固氮活性，其產氫速率為104mmo1/h?m2，是放置在介質中2 cm深度的常規裝置的53倍。2）此外，一個面積為144cm2的放大裝置產生氫氣的速率高達1.52cm2 L/h?m2。3）高效的固氮和制氫、低制造成本和機械耐用性證實了可漂浮微生物裝置在實際和可持續的太陽能轉換方面的潛力。
Wang Hee Lee, et al, Highly-efficient nitrogen-fixing microbial hydrogel device for sustainable solar hydrogen production, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202306092https://doi.org/10.1002/adma.202306092
8. ACS Nano：非化學計量 Cu2?xSe 作為水系鋅離子電池陽極的相工程
水系鋅離子電池（AZIBs）因其資源豐富、材料成本低、安全性高等優點而受到廣泛關注。然而，鋅金屬陽極對腐蝕和析氫的敏感性限制了其進一步的實際應用。用插層型負極材料代替金屬鋅并構建搖椅型電池可能是顯著延長AZIBs循環壽命的有效方法。在這里，華中科技大學黃云輝教授，Zhen Li通過簡單的氧化還原反應呈現出具有不同晶相結構的硒化銅作為AZIBs的陽極。1）通過比較和分析不同的硒化銅相，發現立方Cu2?xSe表現出優異的結構穩定性和高度可逆的Zn2+存儲。2）理論計算結果進一步表明，立方Cu2?xSe具有更高的電導率、更高的Zn2+吸附能和更低的擴散勢壘，從而促進Zn2+離子的儲存可逆性和（脫）插動力學。3）因此，Cu2?xSe陽極具有超過15000次循環的長期使用壽命和令人印象深刻的累積容量。此外，與MnO2/CNT陰極組裝的全電池在6 mAcm?2、負/正（N/P）容量比約為1.53的情況下穩定運行超過1500個循環。這項工作提供了一種更理想的無鋅金屬陽極，有助于推動AZIBs的實際應用。
Jianbo Li, et al, Phase Engineering of Nonstoichiometric Cu2?xSe as Anode for Aqueous Zn-Ion Batteries, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c06361https://doi.org/10.1021/acsnano.3c06361
9. ACS Nano：靈活單原子整體催化劑的可擴展合成，實現低溫下高效、持久的一氧化碳氧化
創造大尺寸、高產、穩定的單原子催化劑是未來高效工業催化的一個重要方向。鑒于此，東華大學丁彬、劉一濤等報告了一種基于單原子負載氧化物陶瓷納米纖維的分層三維組裝合成柔性單原子整體催化劑（SAMC）的策略。1）該納米纖維可以以連續和可擴展的方式生產，是單原子在紡絲過程中通過柯肯達爾效應（Kirkendall effect）實現原位離子遷移而自發并幾乎完全暴露于表面的理想載體，從而實現了高產率和高負載量。2）這些納米纖維分層三維組裝成多孔柔性結構，使SAMC在面對高通量氣態介質時具有足夠的浸潤性和振蕩耐受性，從而實現了高催化效率和出色的耐用性。3）作為概念驗證，合成了一種鉑SAMC，它在低溫（～170 °C）下表現出100%的一氧化碳氧化能力，對高頻（10 Hz）振蕩具有極佳的不變性，并且在25至300 °C的溫度范圍內具有很高的結構穩定性。這項工作有利于在廣泛的工業應用中大規模生產SAMC。
Hualei Liu, et al, Scalable Synthesis of Flexible Single-Atom Monolithic Catalysts for High-Efficiency, Durable CO Oxidation at Low Temperature. ACS Nano Article ASAPDOI: 10.1021/acsnano.3c07888https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07888
10. ACS Nano：PtNi/PtIn 皮魚骨狀納米線增強堿性氫氧化催化
氫燃料電池非常需要開發用于氫氧化反應（HOR）的高性能鉑（Pt）基電催化劑，但它受到堿性介質中緩慢的動力學和嚴重的一氧化碳（CO）中毒的限制。在此，廈門大學黃小青教授，Lingzheng Bu探索了一類面選擇的 Pt?鎳?銦魚骨狀納米線（PtNiIn FNW），其特征是 Pt3In 皮的高指數面（HIF）作為高效的堿性 HOR 催化劑。1）令人印象深刻的是，優化的 Pt66Ni6In28 FNW 顯示出最高的質量和比活度，分別為 4.02 A mgPt?1 和 6.56 mA cm?2 ，分別比商業 PtRu/C 和商業 Pt/C 大 2.0/2.1 和 13.9/15.6 倍。以及具有競爭力的CO耐受能力。2）具體來說，在 1000 ppm CO 存在的情況下，它們在運行 10000 秒后僅表現出 6.0% 的電流密度衰減，在 2000 秒后表現出 25.7% 的活性損失。此外，同位素實驗和密度泛函理論 (DFT) 計算進一步證明，獨特的Pt、Ni 和 In 之間的結構和協同作用賦予這些 Pt66Ni6In28 FNW 優化的氫結合能 (HBE) 和有利的氫氧根結合能 (OHBE)，從而賦予它們優異的堿性 HOR 性能。PtNiIn FNW 中表面表皮和 HIF 的組合結構將為實現先進非 PtRu 基催化劑在燃料電池及其他領域的潛在應用提供一種可行的方法。
Liyuan Wang, et al, PtNi/PtIn-Skin Fishbone-Like Nanowires Boost Alkaline Hydrogen Oxidation Catalysis, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c02832https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02832
11. ACS Nano：揭示電荷稀釋和陰離子化學在雙離子電池高倍率 p 型聚合物陰極中的作用
氧化還原活性有機聚合物（ROP）已成為下一代可充電電池的有吸引力且可持續的電極材料，并且與傳統無機材料相比，由于其靈活的結構設計性、重量輕、元素豐富和環境友好，近年來引起了人們的廣泛興趣。近日，中山大學Zishou Zhang，Dingshan Yu介紹了一種p型氧化還原共價有機聚合物（p-PNZ）作為各種雙離子電池的通用高倍率陰極。1）通過構建具有類似網狀結構和氧化還原位點組成的n型氧化還原對應物（n-PNZ），研究人員還獲得了一個比較平臺來探討氧化還原位點性質和反離子化學如何影響聚合物陰極的倍率性能。2）p型氧化還原位點和大體積陰離子中的電荷稀釋導致它們在電極中的弱相互作用和快速陰離子擴散，而溶劑與陰離子的微弱相互作用促進陰離子去溶劑化和界面電荷轉移。因此，p-PNZ 具有快速表面控制的氧化還原動力學和高陰離子擴散系數，盡管其孔隙率和電導率相對于 n-PNZ 較差。3）除了超過 50000 次循環的長循環壽命外，采用稀電解質的 p-PNZ 接合鋅基雙離子電池在 ≤10 A g?1 的各種倍率下可提供近乎恒定的容量 ～149 mAh g?1 。這種不尋常的倍率性能以前很少觀察到，并且在 40 A g?1 下保留了約 99 mAh g?1 ，超過了 n-PNZ 對應物和大多數現有的 p 型有機陰極。p-PNZ正極還可用于構建高倍率鋰基電池，體現了其通用性，而p-PNZ的“隨時充電”特性使無陽極雙離子電池具有高倍率能力和長壽命。
Linfeng Zhong, et al, Unveiling the Role of Charge Dilution and Anionic Chemistry in Enabling High-Rate p?Type Polymer Cathodes for Dual-Ion Batteries, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c05077https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05077
12. ACS Nano：使用中間鎳層實現單壁碳納米管纖維與銅基底的強連接
具有高導電性和高拉伸強度的輕質碳納米管纖維（CNTF）被認為是廣泛應用的理想布線介質。然而，由于碳納米管的非反應性和較差的潤濕性，通過焊接將碳納米管與金屬連接起來非常困難。近日，中科院沈陽金屬所Peng-Xiang Hou，Chang Liu報道了在單壁CNTF（SWCNTF）表面的焊接位置電沉積了一層Ni，以改善與Sn-37Pb合金的界面結合。1）結果，SWCNTF 使用商用 Sn-37Pb 焊料在 250 °C 的最佳溫度下與 Cu 連接。研究人員還研究了接頭的耐熱沖擊性和相應的電氣穩定性。對于熱沖擊測試，接頭被加熱至 150°C，然后浸入液氮中。這個循環重復了很多次。研究發現，即使在 450 次熱沖擊循環后，互連的電性能仍保持穩定。2）理論計算表明，Ni層顯著提高了異質界面的結合強度，從而實現了界面上的電子轉移。這些結果應有助于在極端使用條件下將 SWCNTF 用作輕質且高導電性的電線。
Zhaoqing Gao, et al, Strong Connection of Single-Wall Carbon Nanotube Fibers with a Copper Substrate Using an Intermediate Nickel Layer, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c05374https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05374
