1. JACS：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的銅納米粒子中銅氧化態(tài)的預(yù)先測(cè)定：在液體中激光燒蝕合成中的應(yīng)用
銅基納米晶體是集成到新興綠色技術(shù)中的參考納米材料，液體激光燒蝕 (LAL) 是一種出色的合成技術(shù)。然而，迄今為止，在使用 LAL 提供的整個(gè)納米材料庫(kù)中實(shí)現(xiàn)特定類型的納米晶體一直是基于改變合成參數(shù)和表征產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)努力。在這里，帕多瓦大學(xué)Vincenzo Amendola從銅基納米晶LAL合成的文獻(xiàn)分析入手，以確定銅氧化態(tài)預(yù)先確定的相關(guān)物理和化學(xué)特征。1）首先，通過(guò)線性回歸分析篩選單個(gè)特征及其組合，同時(shí)也使用遺傳算法，以找到與實(shí)驗(yàn)輸出的最佳相關(guān)性，并確定給出 LAL 結(jié)果最佳預(yù)測(cè)的方程。2）然后，利用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型來(lái)揭示線性回歸分析中隱藏的特征之間的互相關(guān)性。盡管 LAL 生成的 Cu 納米晶體可能以多種氧化態(tài)存在，從金屬銅到氧化亞銅 (Cu2O) 和氧化銅 (CuO)，但除了形成 Cu2S 和 CuCN 等其他材料外，ML 還能夠指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)最大限度地利用可持續(xù)過(guò)程中最需要的化合物。這種方法對(duì)其他納米材料具有普遍適用性，可以幫助理解 LAL 生成納米晶體的化學(xué)途徑的起源，為有意識(shí)地預(yù)先確定所需化合物的激光合成參數(shù)提供合理的指導(dǎo)。
Runpeng Miao, et al, Data-Driven Predetermination of Cu Oxidation State in Copper Nanoparticles: Application to the Synthesis by Laser Ablation in Liquid, J. Am. Chem. Soc., 2023https://doi.org/10.1021/jacs.3c09158
2. JACS：蒽醌基硅酸鹽共價(jià)有機(jī)框架作為高性能鋰金屬電池的固體電解質(zhì)中間相
鋰（Li）金屬電池（LMB）在當(dāng)前電池設(shè)計(jì)中擁有最高的理論能量密度，因此在儲(chǔ)能方面具有巨大的潛力。然而，由于枝晶生長(zhǎng)和鋰負(fù)極不穩(wěn)定界面引起的安全問(wèn)題，LMB的發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙。主鏈上包含氧化還原活性或陰離子部分的共價(jià)有機(jī)骨架 (COF) 具有高鋰離子 (Li+) 電導(dǎo)率和機(jī)械/化學(xué)穩(wěn)定性，因此有望用于 LMB 中的固體電解質(zhì)界面 (SEI)。在這里，香港科技大學(xué)Yoonseob Kim通過(guò)四羥基蒽醌與二氧化硅的縮合合成了基于蒽醌的硅酸鹽COF（AQ-Si-COF），其含有氧化還原活性位點(diǎn)和陰離子位點(diǎn)。1）九個(gè) Li+ 介導(dǎo)的充電/放電過(guò)程使 AQ-Si-COF 在室溫下表現(xiàn)出 9.8 mS cm?1 的離子電導(dǎo)率和 0.92 的單離子傳導(dǎo)遷移數(shù)。計(jì)算研究也支持九種Li+機(jī)制。2）研究人員使用 AQ-Si-COF 作為 Li 陽(yáng)極上的固體電解質(zhì)界面。具有 LiCoO2 陰極的 LMB 電池在高電壓運(yùn)行期間在 0.25 C 下獲得了 188 mAh g?1 的最大可逆容量。此外，該 LMB 電池表現(xiàn)出抑制枝晶生長(zhǎng)和穩(wěn)定的循環(huán)性能，在 100 次循環(huán)后容量下降不到 3%。這些發(fā)現(xiàn)證明了該氧化還原活性和陰離子 COF 的有效性及其在 LMB 中作為 SEI 的實(shí)際用途。
Chen Li, et al, Anthraquinone-Based Silicate Covalent Organic Frameworks as Solid Electrolyte Interphase for High-Performance Lithium?Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc.，2023https://doi.org/10.1021/jacs.3c06723
3. PNAS：量化等離子體光催化劑的超快和穩(wěn)態(tài)分子還原潛力
等離子體材料是極具潛力的光催化劑，因?yàn)樗鼈兎浅＿m合將光轉(zhuǎn)化為熱載流子和熱。熱電子轉(zhuǎn)移被認(rèn)為是許多等離子體驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。然而，到目前為止，在等離子體衰減的時(shí)間尺度上，還沒(méi)有直接的分子測(cè)量方法來(lái)量化等離子體到分子電子轉(zhuǎn)移的速率。近日，明尼蘇達(dá)大學(xué)Renee R. Frontiera對(duì)等離子體光催化劑的超快和穩(wěn)態(tài)分子還原潛力進(jìn)行了量化。1) 作者使用超快和光譜電化學(xué)表面增強(qiáng)拉曼光譜來(lái)量化從等離子體基質(zhì)到吸附的甲基紫精分子的電子轉(zhuǎn)移。作者在皮秒時(shí)間尺度上觀察到2.4%至3.5%的還原率，等離子體誘導(dǎo)電位范圍從-3.1至-4.5 mV。2) 此外，這些還原物種中的一些被穩(wěn)定下來(lái)并持續(xù)數(shù)十分鐘。該工作為優(yōu)化高效等離子體驅(qū)動(dòng)光催化的材料-分子相互作用提供了具體的指標(biāo)。
Christopher L. Warkentin and Renee R. Frontiera. Quantifying the ultrafast and steady-state molecular reduction potential of a plasmonic photocatalyst. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2305932120 https://doi.org/10.1073/pnas.2305932120
4. PNAS：實(shí)現(xiàn)原子有序的GaN/AlN量子異質(zhì)結(jié)構(gòu)
原子尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的界面工程一直是納米尺度和量子材料科學(xué)的核心研究領(lǐng)域。盡管原子有序異質(zhì)界面至關(guān)重要，但異質(zhì)結(jié)構(gòu)中界面原子的強(qiáng)擴(kuò)散特性嚴(yán)重限制了其實(shí)現(xiàn)。近日，密歇根大學(xué)Mi Zetian報(bào)道了界面擴(kuò)散對(duì)表面極性的強(qiáng)烈依賴性。1) 在GaN/AlN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半極性平面上可以很容易地合成接近完美的量子界面，而不是傳統(tǒng)的c平面。半極性平面上的化學(xué)鍵合構(gòu)型可以顯著抑制陽(yáng)離子取代過(guò)程，這產(chǎn)生了原子尖銳的界面。此外，通過(guò)改變核殼納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變弛豫過(guò)程，可以很容易地控制GaN/AlN的表面極性。2) 所獲得的超薄GaN量子阱具有約75%的內(nèi)部量子效率。作者利用可擴(kuò)展和可靠的方法制造了深紫外發(fā)光二極管，并且電致發(fā)光幾乎不受斯塔克效應(yīng)的影響，這對(duì)超穩(wěn)定器件的操作具有重要意義。
Yuanpeng Wu, et al. Achieving atomically ordered GaN/AlN quantum heterostructures: The role of surface polarity. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2303473120https://doi.org/10.1073/pnas.2303473120
5. PNAS：用于CO2-C2H4光合作用的Cu–Ag合金亞納米團(tuán)簇增強(qiáng)的C–C耦合
CO2和H2O選擇性光催化轉(zhuǎn)化為高附加值C2H4仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，主要?dú)w因于反應(yīng)中間體的C–C偶聯(lián)和C2H4*中間體從催化劑表面解吸的困難。這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題可以通過(guò)將Ag與Cu合金化來(lái)同時(shí)克服，進(jìn)而增強(qiáng)了兩種反應(yīng)的活性。在此，電子科技大學(xué)Dong Fan開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的分步光沉積策略，將Cu–Ag合金亞納米團(tuán)簇（ASNCs）負(fù)載在TiO2上，用于CO2光還原以合成C2H4。 1) 優(yōu)化后的催化劑具有優(yōu)異的C2H4形成率（1110.6±82.5μmol g?1 h?1），選擇性為49.1±1.9%。作者將原位FT-IR光譜與DFT計(jì)算相結(jié)合，揭示了Cu和Ag在Cu–Ag ASNCs中的協(xié)同作用，使其能夠像Ag一樣具有優(yōu)異的C–C耦合能力，并像Cu一樣促進(jìn)C2H4*的解吸性能，從而促進(jìn)了C2H4的選擇性和高效合成。2) 該工作對(duì)ASNCs上CO2還原的團(tuán)簇化學(xué)和C–C耦合機(jī)制有了更深入的了解，并開發(fā)了一種可行的將CO2光還原為C2燃料或工業(yè)原料的策略。
Yangyang Yu, et al. Boosted C–C coupling with Cu–Ag alloy sub-nanoclusters for CO2-to-C2H4 photosynthesis. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307320120https://doi.org/10.1073/pnas.2307320120
6. Angew：將血紅素/銅位點(diǎn)的合成模型應(yīng)用于節(jié)能電催化氧還原反應(yīng)
在自然界中，細(xì)胞色素c氧化酶在血紅素/銅位置催化4E-氧還原反應(yīng)(ORR)，其中CuI被用來(lái)協(xié)助O2的活化。由于生成CuI的熱力學(xué)障礙，合成的鐵卟啉/銅配合物通常表現(xiàn)出中等的電催化ORR活性。在此，陜西師范大學(xué)曹睿報(bào)道了一種用于節(jié)能電催化ORR的鈷/鈷配合物1-Co。1）通過(guò)在鈷鈷上懸掛CoII離子，1-Co實(shí)現(xiàn)了電催化4E-ORR，與RHE相比，半波電位為0.89 V，這在鈷基電催化劑中是杰出的。2）值得注意的是，1-Co的性能優(yōu)于與CuII或ZnII掛起的Co corole。研究發(fā)現(xiàn)，懸掛的CoII離子可以提供一個(gè)電子來(lái)改善O2的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)合，這一功能由血紅素/銅位置的生物CuI離子表示。這項(xiàng)工作對(duì)于展示一種引人注目的ORR電催化劑和顯示第二球狀氧化還原活性金屬離子在促進(jìn)O2結(jié)合和活化中的重要作用具有重要意義。
Jia Meng, et al, Adapting Synthetic Models of Heme/Cu Sites to Energy-Efficient Electrocatalytic Oxygen Reduction Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202312255DOI: 10.1002/anie.202312255https://doi.org/10.1002/anie.202312255
7. EES：質(zhì)子陶瓷電化學(xué)電池研究進(jìn)展綜述
質(zhì)子陶瓷電化學(xué)電池（PCEC）作為一種新興的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，引起了政府機(jī)構(gòu)和研究機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注。PCEC作為高溫電化學(xué)器件之一，取得了令人矚目的進(jìn)展，使其成為能源領(lǐng)域的重要研究方向。高效、穩(wěn)定和長(zhǎng)壽命的PCEC器件的開發(fā)在很大程度上依賴于新材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開發(fā)。近日，東南大學(xué)Li Tao、南京工業(yè)大學(xué)Yang Guangming、邵宗平對(duì)質(zhì)子陶瓷電化學(xué)電池的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述研究。1) 作者對(duì)質(zhì)子傳輸機(jī)制和PCEC的基本工作原理進(jìn)行了綜述，并全面總結(jié)了過(guò)去幾年來(lái)提高電化學(xué)性能的策略，包括電極和電解質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新方法以及電化學(xué)電池器件的重要發(fā)展。2) 作者重點(diǎn)介紹了PCEC的各種應(yīng)用，包括H2O電解、電解模式下的CO2/H2O共轉(zhuǎn)化，以及通過(guò)與H2、C2H6或NH3等質(zhì)子供體的CO2電化學(xué)轉(zhuǎn)化合成CH4和CO等高價(jià)值化學(xué)品。最后，作者提供了PCEC商業(yè)化的未來(lái)前景，并強(qiáng)調(diào)了需要解決的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。
Yakun Wang, et al. A Review of Progress in Proton Ceramic Electrochemical Cells: Material and Structural Design, Coupled with Value-Added Chemicals Production. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE03121G
8. EES：調(diào)節(jié)高效和熱穩(wěn)定聚合物太陽(yáng)能電池的溶液聚集和分子順序
用于有機(jī)光伏的活性層通常包括半準(zhǔn)結(jié)晶聚合物。然而，這些光伏混合物的溶液聚集和分子順序以及它們?nèi)绾慰刂乒夥阅芎头€(wěn)定性仍不明確。在這里，天津大學(xué)Ye Long、華南理工大學(xué)Duan Chunhui表明結(jié)晶-非晶相互作用參數(shù)在決定以半準(zhǔn)結(jié)晶聚合物為特征的有機(jī)光伏共混物的結(jié)構(gòu)和性能方面起著至關(guān)重要的作用。1) 溶液小角度中子散射和微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果表明，分子有序的2D半準(zhǔn)結(jié)晶聚合物體系P5TCN:Y6在共混溶液中獲得了更強(qiáng)的聚集體剛性，并在薄膜中形成“鎖定”晶疇和晶間連接，這導(dǎo)致聚噻吩太陽(yáng)能電池具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。2) 通過(guò)建立各種相互作用參數(shù)和溶液結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性，作者全面了解了半準(zhǔn)結(jié)晶聚合物在與非富勒烯受體共混時(shí)聚集體剛性的變化，以及溶液聚集體與太陽(yáng)能電池性能之間的關(guān)系。
Mengyuan Gao, et al. Tuning the Solution Aggregation and Molecular Order for Efficient and Thermally Stable Polymer Solar Cells. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02354K
9. EES：1,3-二惡烷的原位聚合實(shí)現(xiàn)4.5V鋰金屬電池
1，3-二氧戊環(huán)（DOL）的原位聚合作為鋰金屬電池（LMBs）的聚合物電解質(zhì)（PE），由于其良好的界面接觸和與鋰金屬的良好相容性而受到極大關(guān)注，但它們的氧化穩(wěn)定性較差，因此不適合高壓陰極。近日，華南師范大學(xué)Zheng Qifeng、Ding Kui、華盛頓大學(xué)Li Jinghao通過(guò)將液體前體的分子結(jié)構(gòu)從五元環(huán)狀DOL調(diào)節(jié)為六元環(huán)狀1，3-二惡烷（DOX），獲得的聚（DOX）PE由于其延長(zhǎng)的烯基鏈降低了其HOMO能級(jí)而表現(xiàn)出優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性（超過(guò)4.7V）。 1) 延長(zhǎng)的烯基鏈削弱了其溶劑化能力，這不僅提供了高的Li+轉(zhuǎn)移數(shù)（0.75），而且有助于形成高度穩(wěn)定和導(dǎo)電的固體電解質(zhì)界面，賦予高度致密的Li沉積形態(tài)以及優(yōu)異的Li鍍覆/剝離可逆性超過(guò)1300小時(shí)。2) 因此，這種新開發(fā)的聚（DOX）PE在4.5V的高電壓下為包括但不限于LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和LiCoO2在內(nèi)的多種高壓陰極提供了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，并為高壓高能量密度固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。
Yang Liu, et al. In-situ polymerization of 1,3-dioxane as highly compatible polymer electrolytes to enable 4.5 V Li-metal batteries. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02797J
10. EES：陰離子交換膜燃料電池的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)
氫能及相關(guān)技術(shù)對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化和滿足日益增長(zhǎng)的能源需求至關(guān)重要。盡管質(zhì)子交換膜燃料電池被認(rèn)為是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但它尚未克服對(duì)貴金屬催化劑的依賴，阻礙了氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Hee-Tak Kim綜述研究了離子交換膜燃料電池的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)。1) 最近，由于在堿性環(huán)境中使用廉價(jià)金屬作為催化劑和雙極板，陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）已成為PEMFC的有效替代品。盡管AEMFC技術(shù)在材料開發(fā)方面取得了巨大進(jìn)展，但仍有幾個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題需要解決。2) 本綜述全面概述了AEMFC發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題以及之前為解決這些問(wèn)題所做的努力。此外，作者還對(duì)PEMFC和AEMFC進(jìn)行了比較分析，以從應(yīng)用角度分析AEMFC的現(xiàn)狀，并提出未來(lái)發(fā)展的潛在途徑。
Jonghyun Hyun and Hee-Tak Kim, Powering the hydrogen future: current status and challenges of anion exchange membrane fuel cells. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01768K
11. EES：走向應(yīng)用的無(wú)陽(yáng)極鋰軟包電池
無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池（AFLMB）由于其高能量密度、低成本和簡(jiǎn)單的組裝工藝，在下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)中極具應(yīng)用潛力。然而，AFLPB的設(shè)計(jì)策略、優(yōu)化原則和未來(lái)前景尚未得到詳細(xì)總結(jié)。因此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)He Weidong對(duì)高能量密度AFLPBs進(jìn)行系統(tǒng)綜述，并重點(diǎn)介紹近年來(lái)的研究進(jìn)展，以及預(yù)測(cè)后續(xù)的發(fā)展方向。1) 首先，作者提出了實(shí)現(xiàn)超高能量密度AFLMB的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。隨后，作者分析了AFLPBs的失效機(jī)理和電化學(xué)性能評(píng)估，揭示了需要解決的失效機(jī)制。2) 最后，作者通過(guò)揭示該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，對(duì)實(shí)用AFLPB的前景進(jìn)行了深入分析。總之，AFLPB的開發(fā)正在取得逐步進(jìn)展，然而，仍需要做出重大努力來(lái)促進(jìn)AFLPBs的實(shí)際應(yīng)用。
Liwei Dong, et al. Toward practical anode-free lithium pouch batteries. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01599H
12. ACS Nano：高氟化碳點(diǎn)的分子工程：穩(wěn)定固體鋰電池的Li+動(dòng)力學(xué)和界面氟化
含氟碳點(diǎn)(FCDs)因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而引起人們的興趣。然而，復(fù)雜的合成工藝和相當(dāng)?shù)偷姆鷵诫s水平限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。在這里，中南大學(xué)Hongshuai Hou提出了一種基于Claisen?Schmidt反應(yīng)的簡(jiǎn)便方法，實(shí)現(xiàn)了克級(jí)規(guī)模的高氟碳點(diǎn)(高達(dá)20.79 at.%)，并對(duì)具體的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了全面的探討。此外，考慮到氟含量高、分散性好、與聚合物電解質(zhì)相容，將所合成的FCDs用作鋰電池PEO基固體電解質(zhì)的添加劑，以改善其離子導(dǎo)電性、界面穩(wěn)定性和力學(xué)性能。 1）FCDs的引入不僅可以降低PEO的結(jié)晶度，增強(qiáng)聚合物鏈之間的相互作用，而且有助于在界面上建立不間斷的路徑和原位氟化，這一點(diǎn)得到了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí)。2）結(jié)果表明，在0.4 mA cm?2的電流密度下，鋰對(duì)稱電池可以穩(wěn)定工作1000h。同時(shí)，使用該復(fù)合電解液的LiFePO4/Li電池在保持95.10%的容量保持率的同時(shí)，在300次循環(huán)中表現(xiàn)出130.3 mAh g?1的容量。這項(xiàng)研究開發(fā)了一種合成高氟化碳點(diǎn)的策略，這對(duì)PEO電解液產(chǎn)生了有益的影響，從而促進(jìn)了FCDs和固態(tài)電池的發(fā)展。
Laiqiang Xu, et al, Molecular Engineering of Highly Fluorinated Carbon Dots: Tailoring Li+ Dynamics and Interfacial Fluorination for Stable Solid Lithium Batteries, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.3c08935 https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08935
