1. Chem. Soc. Rev.：單原子催化劑介導的水處理中活性物種的產生
隨著全球水資源短缺的加劇，水的再利用受到越來越多的關注。在水中存在更高水平的無機離子和天然有機物（NOM）的情況下，傳統處理工藝處理水的一個關鍵挑戰是難以處理低濃度的污染物。高級氧化工藝（AOPs）已成為一種極具潛力的處理技術，可產生具有高氧化還原電位（E0）的活性物質（例如，羥基自由基（HO?）、單線態氧（1O2）、硫酸根自由基（SO4??）和高價金屬，如鐵（IV）（Fe（IV））、銅（III）（Cu（III））和鈷（IV）（Co（IV））。單原子催化劑（SAC）在AOP和水處理技術中的應用直到最近才出現。近日，德州農工大學Virender K. Sharma、帕拉茨基大學Radek Zboril綜述研究了SAC在過氧化氫和過硫酸鹽活化處理過程中產生活性物質的應用。1) 作者致力于傳統AOP的機制研究，以及它們與SAC引發的AOP的比較。在傳統和SACs活化的AOP中產生的自由基物種SO4??和HO?，比非自由基物種1O2和高價金屬物種具有更高的氧化還原電位。然而，SO4??和HO?自由基是非選擇性的，容易受到水的影響，而非自由基則能抵抗水中這些成分的影響。2) 具有不同配位環境和結構的SAC可以被調節為專門產生非自由基物種，以處理具有復雜基質的水。當非自由基物種占主導地位時，氯化物、碳酸鹽、磷酸鹽和NOM對SAC處理水中污染物的性能幾乎沒有影響。
Virender K. Sharma, et al. Single atom catalyst-mediated generation of reactive species in water treatment. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D3CS00627A
2. Nature Commun.：在壽命和成本方面對水系氧化還原液流電池的有機活性材料進行基準測試
液流電池是未來低成本固定能源存儲的一種選擇。近日，布倫瑞克技術大學Daniel Schr?der，克勞斯塔爾理工大學Christine Minke基于綜合數學模型對水液流電池有機活性材料的潛在成本進行了概述。1）研究人員闡明了 38 種不同有機活性材料以及最先進的釩系統的電池資本成本。研究發現，只有少量的有機分子就會導致接近釩參考系統的成本。我們確定最有前途的候選物是吩嗪 3,3′-(吩嗪-1,6-二基雙(氮雜二基))二丙酸)[1,6-DPAP]，表明其成本甚至低于釩。2）通過大規模生產這些活性材料，有望節省額外的成本；盡管應用有機材料時工廠維護是一個主要挑戰，但主要好處在于降低了電解質成本和電力成本。此外，這項工作被設計為可擴展的。隨附的已開發計算工具 (ReFlowLab) 已開放，可以使用新數據進行更新。
Emmel, D., Kunz, S., Blume, N. et al. Benchmarking organic active materials for aqueous redox flow batteries in terms of lifetime and cost. Nat Commun 14, 6672 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42450-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-42450-9
3. Nature Commun.：通過具有穩定 Li+ 嵌入的相干界面在 MoO3 中進行晶格釘扎
電極活性材料的Li+嵌入/脫嵌引起的大晶格膨脹/收縮會導致電極嚴重結構退化，并對固態鋰基電池的循環壽命產生負面影響。對于層狀斜方MoO3(α-MoO3)，在Li+嵌入/脫嵌過程中，其沿b軸的大晶格變化會引起不可逆的相變和結構退化，從而導致不良的循環壽命。在此，南京理工大學Hui Xia，Teng Zhai，中國科學院物理研究所Dong Su提出了一種晶格釘扎策略，以在α-MoO3和η-Mo4O11之間構建具有外延共生結構的相干界面。1）由于在Li+插入/脫出過程中，η-Mo4O11的晶格變化最小，因此，η-Mo4O11域作為pin中心，可以有效抑制α-MoO3的晶格膨脹，沿b方向晶格膨脹從約16%顯著降低至2%就證明了這一點。2）設計的α-MoO3/η-Mo4O11共生異質結構通過利用外延穩定和釘扎效應的優點，在循環過程中實現了強大的結構穩定性（在2 A g?1和298±2K的特定電流下，3000次循環后容量保持率約為81%）。3）最后，受益于穩定的正極-固體電解質界面，進一步證明了高度耐用且靈活的全固態薄膜鋰微電池。這項工作增進了對α-MoO3不穩定結構演化的基本理解，并可能為開發先進電池的高度穩定的電極材料提供合理的策略。
Sun, S., Han, Z., Liu, W. et al. Lattice pinning in MoO3 via coherent interface with stabilized Li+ intercalation. Nat Commun 14, 6662 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42335-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-42335-x
4. Nature Commun.：用于催化轉移加氫的高活性、超低負載單原子鐵催化劑
高效、選擇性的不含貴金屬的催化劑引起了人們的廣泛關注。在此，中國石油大學（北京）Zhenxing Li，Jiang Li，特拉華大學Dionisios G. Vlachos，中科大Ran Long通過將痕量鐵飽和吸附到沸石咪唑骨架-8 (ZIF-8)上，然后進行熱解，制備了鐵單原子催化劑。1）制備的鐵單原子催化劑的糠醛催化轉移加氫性能可與最先進的催化劑相媲美，并且比其他鐵催化劑高出四個數量級。2）同位素標記實驗證明了分子間氫化物轉移機制。第一原理模擬、光譜計算和實驗以及動力學相關性表明，合成產生了吡咯 Fe(II)-plN3 作為活性中心，其靈活性通過缺陷從平面中拉出而表現出來，對于配置試劑和藥物至關重要。3）該催化劑對多種底物進行化學選擇性催化，并具有獨特的特性，即與氫供體相比，酸性底物會阻礙化學反應。因此，這項工作為重要化學反應的無貴金屬單原子催化劑鋪平了道路。
An, Z., Yang, P., Duan, D. et al. Highly active, ultra-low loading single-atom iron catalysts for catalytic transfer hydrogenation. Nat Commun 14, 6666 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42337-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-42337-9
5. Nature Commun.：原子級石墨烯毛細管的異常水分子門控，用于精確和超快的分子篩分
清潔水短缺的緊迫危機要求膜具有有效的離子篩分以及快速的水通量。然而，有效的離子篩分需要減小孔徑，這不可避免地阻礙親水膜中的水通量，對有效的水/離子分離提出了重大挑戰。在此，鄭州大學Xinwei Cui，Qun Xu，阿爾伯塔大學Hongbo Zeng介紹了一種基于充滿 6 ? 石墨烯毛細管的納濾膜的反常水分子門控，該膜是通過納米片上島石墨微結構的自發 π-π 重新堆疊而制成的。1）研究發現，該膜可以通過將滲透驅動的離子擴散抑制到可忽略的水平（~10–4 mol m–2 h–1）來提供有效的離子篩分；出乎意料的是，超快的整體水流 (45.4 L m–2 h–1 ) 仍然可以輕松發揮作用，只需在 10–2 bar 內調節靜水壓力即可打開/關閉。2）研究人員將這種看似不相容的觀察結果歸因于石墨烯納米限制效應，其中限制在毛細管內的晶體狀水阻礙了滲透作用下的擴散，但以類似于Newton’s cradle-like Grotthus傳導的方式促進了高速、無擴散的水傳輸。該策略建立了一種液-固-液相變分子傳輸，用于精確和超快的分子篩分。
Zhang, Q., Gao, B., Zhang, L. et al. Anomalous water molecular gating from atomic-scale graphene capillaries for precise and ultrafast molecular sieving. Nat Commun 14, 6615 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42401-4https://doi.org/10.1038/s41467-023-42401-4
6. Nature Commun.：用于持續藥物遞送的芳香化脂質體
藥物載藥量不足和有效載荷的泄漏仍然是設計脂質體給藥系統的主要挑戰。這些現象會限制作用的持續時間，并導致毒性。近日，針對脂質體中藥物釋放的限速步驟，哈佛醫學院Daniel S. Kohane對它們進行了修飾(芳香化)，使它們的脂雙層中含有芳香基團。1）芳香化脂質體是用合成的磷脂設計的，其中芳香族基團共價連接到酰基鏈上。優化的芳香化脂質體增加了載藥量，顯著減少了大范圍有效載荷(小分子和大分子，不同親水性)的突然釋放，并延長了它們的釋放時間。2）包裹麻醉劑河豚毒素(TTX)的芳香化脂質體在脂質體臨床使用的應用中具有顯著的延長效應和降低毒性：局部麻醉，盡管TTX是一種親水性小分子，通常很難被包裹。因此，脂雙層的芳構化可以改善脂質體給藥系統的性能。
Li, Y., Ji, T., Torre, M. et al. Aromatized liposomes for sustained drug delivery. Nat Commun 14, 6659 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41946-8https://doi.org/10.1038/s41467-023-41946-8
7. Nature Commun：非線性協同：實現高靈敏度和寬線性范圍壓力傳感的策略
柔性壓力傳感器是智能機器人和可穿戴設備等各種應用中不可缺少的元件，但開發具有高靈敏度和寬線性范圍的柔性壓力傳感器仍然是一個巨大的挑戰。在這里，廈門大學Wei Zhou，香港理工大學Haimin Yao提出了一種巧妙的策略來應對這一挑戰，利用金字塔碳泡沫陣列作為敏感層，彈性體間隔件作為剛度調節器，實現了前所未有的24.6 kP a?1的高靈敏度和1.4兆帕的超寬線性范圍。1）如此寬的線性范圍是由于傳感層的非線性壓阻和剛度調節器的非線性彈性之間的協同作用。2）該傳感器在機器人操作、醫療保健監控和人機界面方面具有巨大的應用潛力。3）設計策略可以擴展到要求高靈敏度和寬線性度的其他類型的柔性傳感器，促進用于智能機器人和可穿戴設備的高性能柔性壓力傳感器的開發。
Chen, R., Luo, T., Wang, J. et al. Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing. Nat Commun 14, 6641 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42361-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-42361-9
8. PNAS：水彎曲-振動作為水合作用的細胞拉曼成像探針
水是生態系統中無處不在的重要組成部分，水合作用是水和細胞內生物分子之間的相互作用，在細胞過程中發揮著重要作用。然而，直接研究細胞內的水結構在技術上極具挑戰性。近日，美國國立衛生研究院Jennifer C. Lee將水彎曲-振動作為水合作用的細胞拉曼成像探針。1) 作者展示了彎曲-振動組合帶作為細胞水合作用的獨特拉曼光譜成像探針的實用性。由于這種耦合振動帶的光譜敏感性，獲得的水合圖揭示了亞細胞室（如核仁和脂滴）內不同的水環境。2) 作者證明了水彎曲-振動的光譜研究具有廣泛的適用性，其可以捕捉許多系統中水合作用的化學復雜性。
Sashary Ramos and Jennifer C. Lee. Water bend–libration as a cellular Raman imaging probe of hydration. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2313133120https://doi.org/10.1073/pnas.2313133120
9. PNAS：三重協同小分子硫陰極有望實現高能Cu-S電化學
金屬硫電池由于其高理論容量和低成本而在電化學儲能方面受到了極大的關注，但其進一步發展受到了硫利用率低、電化學動力學差和硫陰極嚴重穿梭效應的阻礙。為了避免這些問題，寧波大學Shu Jie通過在水性Cu-S電池中使用N，S共摻雜的分級多孔竹炭作為硫主體，設計了一種三重協同小分子硫陰極。1) 除了N，S協同共摻雜誘導的導電性和化學吸附性增強外，宏觀/中孔/微孔三元結構的內在協同作用也確保了空間受限的小分子硫作為高效反應物，并有效緩解了轉化反應過程中的體積膨脹。在分級結構和雜原子摻雜之間的進一步聯合協同作用下，所得到的硫陰極賦予了Cu-S電池優異的電化學性能。2) 在5 A g?1下循環，該電池可以提供2509.8 mAh g?1的高可逆容量，800次循環后具有97.9%的容量保持率。此外，由小分子硫陰極、鋅陽極和凝膠電解質構建的柔性混合軟包電池可以在各種破壞性條件下穩定地提供約1.3 V的平均工作電壓，可逆容量超過2500 mAh g?1，這表明三重協同小分子硫陰極有望實現高能金屬硫電池。
Xia Lin, et al. A triple-synergistic small-molecule sulfur cathode promises energetic Cu-S electrochemistry. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2312091120https://doi.org/10.1073/pnas.2312091120
10. PNAS：利用h-BN層可控合成硼酚氣凝膠
硼酚由于其各向異性、高電荷容量和低離子擴散能壘，正成為一種極具潛力的鋰、鈉、鎂和鈣離子電池電極材料。然而，在生產電化學器件方面，活性和穩定硼酚的實際合成仍極具挑戰性。在此，伊斯坦布爾科技大學Onur Ergen介紹了一種利用六方氮化硼氣凝膠制備硼酚氣凝膠（BoAs）的方法。1) 硼烯利用硼-硼橋作為成核位點在h-BN層之間生長，其中硼烯形成了sp2-sp3雜化混合的單層。這種多功能方法可產生穩定的BoAs，并與各種電池化學物質兼容。2) 有了這些BoA，作者成功創造了高性能電池的一個重要里程碑，包括鈉離子（在478 mAh g–1和0.5C下，>300次循環）、鎂離子（在297 mAh g-1和0.5 C下，>300次循環）和鈣離子（在332 mAh g-1和0.5 C，>400次循環），以及高容量的鋰硫電池（在1559 mAh g-1和0.3 C下，>1000次循環）。
Niyazi Okan ?ift?i, et al. Controllable synthesis of borophene aerogels by utilizing h-BN layers for high-performance next-generation batteries. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307537120https://doi.org/10.1073/pnas.2307537120
11. PNAS：通過控制原位重建進行順序*CO管理實現高效的CO2電還原
順序管理*CO在Cu催化劑上的覆蓋和二聚化有利于實現工業電流密度CO2還原（CO2R）到C2+，這需要表面原子/結構的多尺度設計。在這里，華中科技大學Liu Youwen利用配體分子的同步浸出來操縱CO2R重建過程中的種子生長過程，并構建具有（100）晶面的Cu陣列。1) 重建陣列中的梯度擴散保證了更高的*CO覆蓋率，這可以連續地提供反應物，以匹配C2+的高速率消耗。隨后，（100）晶面上*CO二聚的較低能壘有助于C2+的高選擇性。2) 得益于這種順序*CO管理，重建的Cu陣列在700 mA cm?2時具有86.1%的FEC2+和60.8%的FEC2H4。CO2R過程中催化劑和反應中間體演變的原子-分子尺度描述可以促進各種電催化反應。
Mao Wu, et al. Sequential *CO management via controlling in situ reconstruction for efficient industrial-current-density CO2-to-C2+ electroreduction. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2302851120https://doi.org/10.1073/pnas.2302851120
12. PNAS：通過晶界工程優化氧空位以增強電催化氮還原
電催化氮還原是一個極具挑戰的過程，需要實現高的氨產率和合理的法拉第效率。為了解決這一問題，江蘇科技大學Yang Fu、Yuan Aihua、南洋理工大學Edison Huixiang Ang通過在氮摻雜的碳纖維上原位錨定界面共生的超細MoO2納米顆粒來開發催化劑。1) 通過優化熱處理條件，在MoO2納米顆粒之間產生了大量的晶界，這導致氧空位的比例增加。這反過來又改善了電子的轉移，從而產生了高活性的反應位點和有效的氮捕獲。由此產生的MoO2/C700催化劑優于商業MoO2催化劑，在1M KOH電解質中，該催化劑在?0.7 V下，NH3產率和法拉第效率分別為173.7μg h?1 mgcat?1和27.6%。2) 原位X射線光電子能譜表征和密度泛函理論計算揭示了N2和氧空位的主要相互作用，并在氮和Mo（IV）之間產生電子轉移。所獲得的催化劑在60小時的連續電解過程中表現出優異的催化穩定性。
Xiu Zhong, et al. Optimizing oxygen vacancies through grain boundary engineering to enhance electrocatalytic nitrogen reduction. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2306673120https://doi.org/10.1073/pnas.2306673120
