1. Chem. Soc. Rev.：工程光催化合成氨
光催化合成氨（PAS）是一種新興的零碳排放技術，其對緩解能源危機和實現碳中和至關重要。在此，天津大學姜忠義、Yang Dong從工程的角度，基于PAS的全鏈條過程，即材料工程、結構工程和反應工程，總結了PAS的最新進展和挑戰。1) 在材料工程方面，作者討論了常用的光催化材料，包括金屬氧化物、鹵氧化鉍和石墨氮化碳，以及新興的材料，如有機框架，并分析了它們的特性和提高PAS性能的調節方法。在結構工程中，作者從形態、空位和能帶方面對光催化劑的設計進行了描述，分別對應于晶體、原子和電子尺度。2) 此外，作者還深入探討了光催化劑的結構與性能關系。對于反應工程，作者從化學反應和傳質中確定了三個關鍵過程，即氮活化、分子轉移和電子轉移，以加強和優化PAS反應。
Yonghui Shi, et al. Engineering photocatalytic ammonia synthesis. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS00797E
2. Chem. Soc. Rev.：氫鍵有機框架的生物醫學應用
氫鍵有機框架（HOFs）是一類新興的高結晶多孔材料，其具有獨特的生物相容性、豐富的化學功能和明確的孔隙率。近日，中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛綜述研究了氫鍵有機框架的生物醫學應用。1) 在生物技術和生物醫學領域，HOFs具有無金屬性質和可逆結合方式等獨特優勢，其顯著區別于其他多孔材料。然而，HOF研究仍處于起步階段。由于生理條件的復雜性和動態性，其主要挑戰在于體內HOFs的穩定性和結構多樣性。2) 作者總結了構建基于HOF的功能性生物材料的常見構建塊以及生物領域的最新發展。此外，作者強調了HOFs的穩定性和功能化方面的當前挑戰以及相應的潛在解決方案。該綜述將對基于HOF的生物材料的設計和應用產生深遠影響。
Dongqin Yu, et al. Hydrogen-bonded organic frameworks: new horizons in biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D3CS00408B
3. Nature Commun.：石墨炔中空微球的無表面活性劑界面生長及其SERS活性的機制起源
作為一種二維碳同素異形體，石墨二炔具有直接帶隙、優異的載流子遷移率和均勻分布的孔隙。近日，中國檢驗檢疫科學研究院Guangcheng Xi，北京師范大學毛蘭群教授開發了一種無表面活性劑生長方法，可在液-液界面高效合成具有自支撐結構的石墨二炔空心微球，避免了表面活性劑對產品性能的影響。1）研究表明，原始石墨二炔空心微球在沒有任何額外功能化的情況下，表現出強烈的表面增強拉曼散射效應，增強因子為 3.7 × 107，羅丹明 6 G 的檢測限為 1 × 10?12 M，約為 1000是石墨烯的幾倍。2）實驗測量和第一原理密度泛函理論模擬證實了這樣的假設：表面增強拉曼散射活性可歸因于石墨二炔分子系統內的高效界面電荷轉移。
Zhang,, L., Yi,, W., Li,, J. et al. Surfactant-free interfacial growth of graphdiyne hollow microspheres and the mechanistic origin of their SERS activity. Nat Commun 14, 6318 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42038-3https://doi.org/10.1038/s41467-023-42038-3
4. Nature Commun.：表面單原子合金 Ru1CoNP 催化劑上糠醛合成哌啶和吡啶
利用現有生物質可持續生產增值氮雜環可以減少對化石資源的依賴，并為經濟和生態改善精細和大宗化學品的合成創造可能性。在此，中科院大連化物所Aiqin Wang，萊布尼茨催化研究所Matthias Beller，華東理工大學Xuezhi Duan提出了一種獨特的Ru1CoNP/HAP表面單原子合金（SSAA）催化劑，它能夠實現從生物基平臺化學糠醛到N-雜環哌啶的新型轉化。1）在NH3和H2存在下，在溫和條件下形成所需產物，收率高達93%。動力學研究表明哌啶的形成是通過一系列反應步驟進行的。最初，在此級聯過程中，糠醛胺化為糠胺，然后氫化為四氫糠胺（THFAM），然后環重排為哌啶。2）DFT 計算表明，Ru1CoNP SSAA 結構有利于 THFAM 直接開環，生成 5-氨基-1-戊醇，并迅速轉化為哌啶。3）實際藥物、烷基化哌啶和吡啶的合成凸顯了所提出的催化策略的價值。
Qi, H., Li, Y., Zhou, Z. et al. Synthesis of piperidines and pyridine from furfural over a surface single-atom alloy Ru1CoNP catalyst. Nat Commun 14, 6329 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42043-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-42043-6
5. Nature Commun.：相調節為固態鋰金屬電池提供基于致密聚合物的復合電解質
具有大規模加工性能和界面相容性的固體聚合物電解質是固態鋰金屬電池的有希望的候選者。在各種系統中，具有殘留溶劑的基于聚偏二氟乙烯的聚合物電解質對于室溫電池操作很有吸引力。然而，它們的多孔結構和有限的離子電導率阻礙了實際應用。在此，浙江大學陸盈盈教授提出了一種相調節策略，以破壞聚偏二氟乙烯鏈的對稱性，并通過摻入MoSe2片來獲得致密的復合電解質。1）高介電常數電解質可以優化溶劑化結構，實現高離子電導率和低活化能。MoSe2和Li金屬之間的原位反應在固體電解質界面中生成Li2Se快速導體，從而提高了庫侖效率和界面動力學。2）固態 Li||Li 電池在 1 mA cm?2 下實現了穩健的循環，并且 Li|| LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全電池在高倍率（3 C）、高負載（2.6 mAh cm?2）和軟包電池中表現出實用性能。
Wu, Q., Fang, M., Jiao, S. et al. Phase regulation enabling dense polymer-based composite electrolytes for solid-state lithium metal batteries. Nat Commun 14, 6296 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41808-3https://doi.org/10.1038/s41467-023-41808-3
6. Nature Commun.：結構超潤滑材料全自動傳輸和測量系統
結構超潤滑是指兩個接觸面在相對滑動下幾乎為零摩擦、無磨損的狀態，在微機電系統器件、機械工程和能源領域具有巨大的研究和應用前景。結構超潤滑實際應用的關鍵一步是傳質和高通量性能評估。受材料制備良率的限制，現有的自動化系統（例如滾筒印刷或大規模沖壓）不足以完成這項任務。近日，清華大學Ming Ma，清華大學深圳研究院Jinhui Nie提出了一種機器學習輔助系統來實現結構超潤滑材料的全自動選擇性轉移和摩擦學性能測量。1）具體來說，系統對具有結構超潤滑性能的微米級石墨片的選擇判斷準確率超過98%，并在100分鐘內完成100片石墨片組裝陣列，形成各種預先設計的圖案，速度比傳統石墨片快15倍。手動操作。2）此外，該系統能夠自動測量100多種選定的Si3N4薄片的摩擦學性能，為新界面提供傳統方法無法達到的統計結果。該機器學習輔助系統以其高精度、高效率和魯棒性，促進了結構超潤滑的基礎研究和實際應用。
Chen, L., Lin, C., Shi, D. et al. Fully automatic transfer and measurement system for structural superlubric materials. Nat Commun 14, 6323 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41859-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-41859-6
7. JACS：通過犧牲溶劑化殼實現可逆鋅金屬電池的富含氟化物的有機-無機梯度界面相
鋅金屬電池受到水腐蝕的強烈阻礙，因為溶劑化的鋅離子會不斷地將活性水分子帶到電極/電解液界面。在這里，阿貢國家實驗室Jiantao Li，洛桑聯邦理工學院Kangning Zhao，浙江大學陸俊教授報道了一種犧牲溶劑化殼，以排斥電極/電解質界面上的活潑水分子，并幫助形成富氟的有機?無機梯度固體電解質界面層。1）甲醇和Zn(CF3SO3)2的同時犧牲過程導致了梯度SEI層，表面是富有機的(CH2OC?和C5產物)，底部是富無機的(ZnF2)，結合了離子快速擴散和高柔韌性的優點。2）結果表明，甲醇添加劑可在銅箔上實現無腐蝕脫鋅/電鍍300次，平均庫侖效率為99.5%，在鋅/鋅對稱電池中，40mA/cm2的累積電鍍容量達到了創紀錄的10Ah/cm2。更重要的是，在超低N/P比為2時，實用化的VO2//20μm厚鋅板全電池具有4.7 mAh/cm2的高面積容量，穩定地工作在250次以上，為其在網格型儲能設備中的應用奠定了基礎。此外，將20 μm厚的鋅直接用于商業級面積容量(4.7 mAh/cm-2)的全鋅電池，將簡化制造工藝，促進商用固定式鋅電池的發展。
Wangwang Xu, et al, Fluoride-Rich, Organic?Inorganic Gradient Interphase Enabled by Sacrificial Solvation Shells for Reversible Zinc Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c06523https://doi.org/10.1021/jacs.3c06523
8. JACS：強金屬-載體相互作用促進金屬氧化物載體上多組分合金的形成
多元合金（MA）通過熵穩定包含幾乎無限數量的前所未有的活性位點，這是探索高性能催化劑的理想平臺。然而，MA催化劑通常在惡劣的條件下合成，這會導致載體結構崩潰并進一步惡化MA與載體之間的協同作用。近日，中科院大連化物所Wei Liu，Botao Qiao，Junju Mu報道了強金屬-載體相互作用（SMSI）可以通過在低還原溫度（400?600 °C）下建立用于金屬原子傳輸的氧空位隧道來促進MA的形成，這例證了MA催化劑的整體設計，無需停用支持。1）在SMSI的加持下，PtPdCoFe MA很容易在銳鈦礦型TiO2上合成，對甲烷燃燒表現出良好的催化活性和穩定性。2）該策略在各種載體和多組分合金組合物上表現出優異的通用性。研究人員不僅報道了通過協同可還原氧化物的獨特性質和合金的混合熵來合成MA的整體合成策略，而且還提供了新的見解，即SMSI在可還原氧化物上合金納米粒子的形成中發揮著積極作用。
Jianyu Han, et al, Strong Metal?Support Interaction Facilitated Multicomponent Alloy Formation on Metal Oxide Support, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c07915https://doi.org/10.1021/jacs.3c07915
9. JACS：還原偶聯機理提高鈉離子氧化物陰極中陰離子氧化還原化學的可逆性和動力學
在層狀氧化物陰極中激活陰離子氧化還原化學是設計高能鈉離子電池的一種典型方法。不幸的是，過多的氧氧化還原通常會導致不可逆的晶格氧損失和陽離子遷移，導致容量和電壓的快速衰減和反應動力學的遲緩。為了提高陰離子氧化還原反應的可逆性和動力學，北京科技大學Yongchang Liu在新型的P2-Na0.8Cu0.22Li0.08Mn0.67O2陰極中，揭示了氧向銅離子異常電子轉移的還原耦合機理。1）生成的強共價Cu?(O-O)鍵可以有效地抑制過多的氧氧化和不可逆陽離子遷移。2）因此，P2-Na0.8Cu0.22Li0.08Mn0.67O2正極具有驚人的倍率能力(0.1 C和100 C時分別為134.1和63.2 mAh g?1)，并具有出色的長期循環穩定性(10 C下500次循環后容量保持率為82%)。3）研究人員通過系統的原位/非原位表征和理論計算，充分了解了RCM的內在作用機理。因此，這項研究為提高氧氧化還原化學的穩定性和動力學開辟了一條新的途徑。
Yao Wang, et al, Boosting the Reversibility and Kinetics of Anionic Redox Chemistry in Sodium-Ion Oxide Cathodes via Reductive Coupling Mechanism, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c08070https://doi.org/10.1021/jacs.3c08070
10. Joule：通過形態設計實現乙醇氧化反應的超長耐久性
直接醇燃料電池商業化的一個主要挑戰是電催化劑的耐久性差。近日，西湖大學Chen Hongyu、香港城市大學Liu Bin證明了催化劑的形態設計可以是一種替代解決方案。1) 硫化物介導Au@Pd納米線陣列在計時電流測量中顯示出超長的耐久性，即在1小時后保留了86%的初始電流，56小時后的保持率為38%。此外，作者發現循環伏安法中的關斷電壓可以延遲到5.2V，這表明催化位點的延遲抑制。2) 垂直陣列具有濃度梯度的開放擴散通道，使得活性位點將隨著抑制而逐漸向下移動以形成Pd-O-Pd。該抑制作用取決于兩個Pd-OH基團之間的偶聯，這在富含Pd-Ox的區域更可能，而在底部富含乙醇的區域則不太可能。
Dongmeng Su, et al. Ultralong durability of ethanol oxidation reaction via morphological design. Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.09.008https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.008
11. Joule：鋰離子電池高鎳陰極的開裂與表面反應性
高鎳層狀氧化物陰極LiNixMnyCozO2（NMC）在循環過程中會出現微裂紋，從而暴露新的陰極表面以進行寄生反應，并將活性陰極材料與導電電極矩陣隔離，進而導致阻抗增加和容量衰減。近日，德克薩斯大學奧斯汀分校Arumugam Manthiram對鋰離子電池高鎳陰極的開裂與表面反應性進行了展望研究。1) 人們普遍認為，微裂紋是由于循環過程中初級粒子的各向異性晶格體積變化引起的。然而，某些電解質會在深度循環過程中減少NMC陰極中的微裂紋。這就提出了一個關于微裂紋起源的關鍵問題：微裂紋是加劇了表面穩定性，還是表面穩定性差導致了微裂紋的形成？為此，作者旨在為這一“雞還是蛋”的問題進行闡述。2) 作者認為，表面反應性對高鎳陰極循環壽命的影響比顆粒破裂的影響更明顯，并且顆粒破裂更多的是表面反應性的癥狀，而不是容量衰減的原因。
Steven Lee, et al. Cracking vs. surface reactivity in high-nickel cathodes for lithium-ion batteries. Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.09.006https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.006
12. Joule：用于高效穩定鈣鈦礦硅串聯太陽能電池的高帶隙鈣鈦礦空穴選擇層的分子工程
鈣鈦礦太陽能電池受到了人們的極大關注。近日，悉尼大學Anita Ho-Baillie、Zheng Jianghui、德國于利希研究中心光伏研究所Kaining Ding、南方科技大學Cheng Chun開發了一種新的基于咔唑的SAM（Ph-2PACz），并將其用于促進高帶隙（1.67eV）鈣鈦礦中的有效空穴提取和抑制載流子復合。1) 具有21.3%效率的1.67eV電池具有82.6%的高填充因子（FF）和1.26V的開路電壓（VOC），并且具有0.41V的低帶隙電壓偏移。當將Ph-2PACz應用于單片鈣鈦礦-硅串列的鈣鈦礦電池時，作者獲得了28.9%的PCE（在1cm2上）和1.91V的VOC。2) 封裝后，串聯電池在連續1次陽光照射（680小時）和濕熱（85°C+85%相對濕度下280小時）下表現出優異的穩定性，并通過了國際電工委員會（IEC）61215熱循環（?40°C和85°C之間的200次循環）測試，其保留了98.8%的初始PCE。
Guoliang Wang, et al. Molecular engineering of hole-selective layer for high band gap perovskites for highly efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells. Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.09.007https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.007
