1. Nature Commun.：開發一類用于多功能催化反應的雙原子材料
雙原子催化劑橋接單原子和金屬/合金納米粒子催化劑，為增強氧還原/析出和析氫反應的動力學和多功能性能提供了更多機會。然而，高效多功能雙原子催化劑的合理設計仍然是一個盲區且具有挑戰性。在這項研究中，中國海洋大學Minghua Huang，中國科學院青島生物能源與過程研究所Heqing Jiang，韓國科學技術院Jinwoo Lee通過氮剝離和熱遷移過程，采用霧化和燒結策略，實現了從Co納米顆粒到CoN4單原子再到Co2N5雙原子的可控調控。1）該策略可以擴展到 22 種不同的雙原子催化劑的制造。特別是，具有定制自旋態的Co2N5雙原子可以實現中間體的理想平衡吸附/解吸，從而實現優異的多功能活性。2）Co2N5雙原子還賦予鋅空氣電池800小時的長期穩定性，使水分解能連續運行1000小時，并使太陽能水分解系統能夠全天候不間斷地大規模制氫。這種通用且可擴展的策略為能量轉換技術中高效多功能雙原子催化劑的受控設計提供了機會。
Wang, X., Xu, L., Li, C. et al. Developing a class of dual atom materials for multifunctional catalytic reactions. Nat Commun 14, 7210 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42756-8https://doi.org/10.1038/s41467-023-42756-8
2. Nature Commun.：雙緩沖層提高 Cu2O 光電陰極的光電壓
氧化亞銅（Cu2O）是一種很有前景的光電化學水分解（PEC）氧化物材料，提高其光電壓是創造高效的整體PEC水分解裝置的關鍵。之前的報道主要集中在優化Cu2O和n型緩沖層之間的能帶排列以提高Cu2O光電陰極的光電壓。然而，n型緩沖層和保護層之間的能帶排列常常被忽視。在這項工作中，南開大學Jingshan Luo制備了具有單緩沖層（Ga2O3）和雙緩沖層（Ga2O3/ZnGeOx）的Cu2O光電陰極，并比較了它們的PEC性能。 1）結果表明，插入第二緩沖層（ZnGeOx）后，Cu2O光電陰極的起始電位增加了0.16V。2）操作電化學阻抗譜測量和各層能級圖分析表明，Ga2O3和Ga2O3之間的能級梯度引入ZnGeOx時會產生TiO2，消除了Ga2O3/TiO2界面處的勢壘，提高了Cu2O光電陰極的光電壓。研究工作提供了一種通過引入雙緩沖層來提高太陽能水分解光電極的光電壓的有效方法。Cheng, J., Wu, L. & Luo, J. Improving the photovoltage of Cu2O photocathodes with dual buffer layers. Nat Commun 14, 7228 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42799-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-42799-x
3. Nature Commun.：工業規模電流密度下木質纖維素衍生芳烴的電催化增值
將木質纖維素生物油電催化氫化為增值化學品，為使用日益增加的間歇性可再生電力和生物質衍生原料提供了一條有吸引力的途徑。然而，迄今為止，這些反應的目標產物的部分電流密度低于工業規模生產力所需的電流密度，這限制了其前景。在這里，深圳大學Wei Zhao報告了一種配備 Rh 擴散電極的流通池系統，用于將木質纖維素衍生的芳香族單體（例如呋喃和木質素單體）氫化成增值化學品。1）研究人員在 300–500 mA cm?2 的工業規模電流密度下實現了高達 64% 的法拉第效率，這代表了目標產品的高生產率。2）電催化劑的篩選表明，只有通過高電解質滲透性的 Rh 擴散電極，才能將電流密度與法拉第效率結合起來。3）研究人員應用原位紅外反射吸收光譜來研究電極電位依賴性反應途徑和中間體，確認了木質纖維素衍生芳族化合物有效電催化氫化為目標產品的寬電位窗口。
Peng, T., Zhang, W., Liang, B. et al. Electrocatalytic valorization of lignocellulose-derived aromatics at industrial-scale current densities. Nat Commun 14, 7229 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43136-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-43136-y
4. Nature Commun.：使用溶液處理的 TADF 墨水進行大面積噴墨印刷 OLED 制造
有機發光二極管（OLED）由于具有高亮度、快速響應時間、寬視角、低功耗和高靈活性等吸引人的特點，一直處于下一代平板顯示器和固體顯示器的最前沿。近日，印度坎普爾理工學院Monica Katiyar，昆士蘭大學Ebinazar B. Namdas，Shih-Chun Lo展示了熱激活延遲熒光（TADF）材料作為有機發光二極管（OLED）發光層的成功大面積噴墨打印。1）TADF 材料無需依賴鉑或銥等重金屬即可實現高效發光。然而，大規模TADF OLED的低成本制造由于其與溶液加工技術不兼容而受到限制。在這項研究中，開發了 TADF 材料的墨水配方，并展示了在不使用任何平版印刷的情況下，在大面積 (6400 mm2) 上成功噴墨打印復雜圖案。2）使用非氯化二元溶劑混合物成功地獲得了穩定的墨水，該混合物用于可溶液加工的 TADF 材料，3-(9,9-二甲基吖啶-10(9H)-基)-9H-xanthen-9-one 分散在 4,4 中'-雙-(N-咔唑基)-1,1'聯苯主體。使用這種墨水，成功實現了大面積噴墨印刷 OLED，其性能與對照旋涂 OLED 相當。3）研究人員還展示了油墨粘度、密度和表面張力對液滴形成和薄膜質量的影響，及其在柔性基材上大面積卷對卷印刷的潛力。該結果代表了在不使用任何光刻的情況下將 TADF 材料用于大面積 OLED 的重要一步。
Kant, C., Shukla, A., McGregor, S.K.M. et al. Large area inkjet-printed OLED fabrication with solution-processed TADF ink. Nat Commun 14, 7220 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43014-7https://doi.org/10.1038/s41467-023-43014-7
5. Nature Commun.：具有多米諾骨牌結構的二維準層狀材料
層間耦合強度將二維（2D）材料分為層狀和非層狀類型。傳統上，它們可以被視為通過范德華（vdW）力或共價鍵本質上連接的原子層，其方向垂直于其生長平面。近日，武漢大學付磊教授，曾夢琪教授報告了一種不同于層狀和非層狀材料的材料系統，稱為準層狀多米諾結構（QLDS）材料，有效地彌合了這兩個典型類別之間的差距。1）考慮到傾斜結構，垂直于 2D QLDS-GaTe 生長平面的力構成了 vdW 力和共價鍵的協同混合，它們都不垂直于 2D 生長平面。2）這種獨特的混合產生的力超過了層狀材料，但比非層狀材料弱。因此，沿這種獨特取向的晶格常數收縮可高達7.7%，非常接近理論預測的10.8%。同時，這一特征賦予了顯著的各向異性，二次諧波產生增強，磁化率達到驚人的 394.3 pm V?1 。這些發現賦予了非線性光學、傳感器和催化方面的進一步應用。
Lan, H., Wang, L., He, R. et al. 2D quasi-layered material with domino structure. Nat Commun 14, 7225 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42818-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-42818-x
6. JACS：用于工業氧氣生產的并行納米片陣列
根據傳統的成核理論，溶液中的晶體在熱波動下以隨機晶體取向成核。因此，在基底上生長的納米片陣列總是表現出無序排列，這阻礙了催化過程中的傳質。為了克服這一限制，北京航空航天大學Li-Min Liu，Leiting Dong，郭林教授在這里演示了應力誘導的納米片陣列的定向成核和生長。在彎曲生長基底上實現了規則自生長的平行納米片陣列。 1）在電化學氧氣生產過程中，有序陣列保持微通道中液體的穩定流動，抑制隨機取向納米片陣列典型的阻礙流動的氧氣氣泡的有害產生。2）可控的平行陣列、完全覆蓋的蓬松狀超薄納米片和無定形無序結構共同實現了從微觀到原子尺度的分層界面的全面設計，顯著改善了工業超快生產的緩慢析氧動力學。3）在具有競爭力的 2.862 V 低電池電壓下，在 4000 mA·cm?2 的高工作電流下，穩定實現了 135 L·min?1 ·m?2 的創紀錄高超快氧氣產量。這些結果和相關見解奠定了基礎超越經典成核方法的晶體定向成核和生長的進一步發展，有利于大規模工業電化學過程，如此處所示的超快氧氣生產。
Jianxin Kang, et al, Parallel Nanosheet Arrays for Industrial Oxygen Production, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c05688https://doi.org/10.1021/jacs.3c05688
7. JACS：Ni吡啶COF光催化有機轉化
COF是一種容易調控的晶化多孔有機功能材料，但是因為COF的激發態容易快速淬滅，導致COF的光催化應用比較少。有鑒于此，芝加哥大學林文斌等首次報道由sp2結構碳原子螺環雙芴（spirobifluorene）構筑的COF用于光催化/Ni催化協同催化體系。1）由螺環雙芴和Ni-聯吡啶構成的NiSCN COF具有二維堆疊結構。在光照條件，NiSCN能夠通過光催化反應方式進行芳基鹵化物的酰胺化或者酯化，而且催化反應的活性達到均相催化劑的23倍。當NiSCN催化劑連續進行5次催化反應，催化活性未見明顯衰減。2）設計的螺環雙芴COF材料具有交錯的堆疊結構，而且激發態壽命降低。螺環雙芴的激發態能夠將Ni(II)還原為Ni(I)用于對芳基鹵化物氧化加成，促進催化反應的發生。此外，光催化劑能夠將Ni(II)中間體氧化為Ni(III)，促進還原消除和催化劑重生。
Yingjie Fan, et al, A Spirobifluorene-Based Covalent Organic Framework for Dual Photoredox and Nickel Catalysis, J. Am. Chem. Soc. 2023DOI: 10.1021/jacs.3c09729https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c09729
8. JACS：通過在缺陷碳中設計豐富的空位耦合五邊形來促進氧還原反應動力學
在能量轉換領域，設計和合成具有拓撲缺陷的高性能無金屬碳納米材料對于氧還原反應（ORR）至關重要。在此，中科大Jing Li首次報道了一種模板輔助策略來制造碳缺陷電催化劑，該催化劑具有豐富的空位耦合五邊形（VP）作為二維（2D）碳納米片（VP/CN）中的活性位點。1）實驗表征驗證了VP/CNs電催化劑中存在豐富的VP活性位點，并且ORR活性與VP活性位點的數量呈線性相關。原位光譜結果表明，VP/CN 可以催化直接 O?O 鍵斷裂，繞過傳統 *OOH 中間體的形成，從而通過解離途徑實現 ORR 的快速動力學。2）所制備的 VP/CN 對堿性 ORR（與可逆氫電極相比，半波電位為 0.86 V）表現出出色的固有活性，四電子選擇性效率接近 99%，優于使用 Pt/C 基準的效率。3）密度泛函理論計算進一步表明，與相鄰五邊形或單個五邊形相比，碳空位與相鄰五邊形之間的協同效應顯著增加了電荷轉移，并實現了較低的ORR反應能壘。因此，精心設計的碳缺陷為高效無金屬電催化劑的合理設計開辟了新途徑。
Hongyin Xia, et al, Boosting Oxygen Reduction Reaction Kinetics by Designing Rich Vacancy Coupling Pentagons in the Defective Carbon, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c08556https://doi.org/10.1021/jacs.3c08556
9. JACS：長循環固態鋰金屬電池中游離殘留溶劑的離子偶極相互作用誘導封裝
由于具有高離子電導率和機械強度，聚偏二氟乙烯（PVDF）電解質在固態鋰電池中引起了越來越多的關注，但高活性殘留溶劑嚴重影響了循環穩定性。在此，哈工大Shuaifeng Lou，Jiajun Wang報道了一種由 Li+ 和殘留溶劑分子之間增強的離子偶極相互作用觸發的游離溶劑捕獲策略。1）具有吸電子能力的二氟草酸硼酸鋰 (LiDFOB) 鹽添加劑可作為 Li+ 正電態的再分配劑，為殘留溶劑提供更多的結合位點。2）受益于改進的配位環境，優先形成動力學穩定的陰離子衍生界面，有效減輕電極和電解質之間的界面副反應。3）結果，組裝的固態電池的壽命超過2000次循環，平均庫侖效率為99.9%，容量保持率為80%。研究發現為有針對性地調節反應性殘留溶劑以延長固態電池的循環壽命提供了新的思路。Menglu Li, et al, Ion?Dipole-Interaction-Induced Encapsulation of Free Residual Solvent for Long-Cycle Solid-State Lithium Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c07482https://doi.org/10.1021/jacs.3c07482
10. JACS: 氮化碳薄膜光充電用于液滴力梯度傳感器的可控操作
化學梯度的有意生成、放大和釋放是許多納米和顯微操作技術的核心。近日，馬克斯·普朗克膠體與界面研究所Lukas Zeininger，Paolo Giusto描述了一種簡單的策略，通過有機半導體薄膜的局部光電表面充電來引導溶液內的化學梯度。1）研究人員觀察到，用紫外線照射氮化碳薄膜會在照射區域產生局部且持續的表面電荷，通過表面活性劑在基材上的電荷選擇性固定來誘導相鄰溶液中的化學梯度。2）研究人員使用液滴力梯度傳感器、具有同時和獨立響應模式的復雜乳液來研究這些梯度，通過傾斜、形態重構和趨化性來轉換溫度、化學和濃度的瞬態梯度信息。3）對局部光電圖案半導體氮化碳薄膜與其環境之間相互作用的精細控制，產生了一種設計化學機械響應材料的新方法，可能適用于微操作技術，包括微流體、芯片實驗室設備、軟機器人、生物化學測定以及膠體和細胞的分選。
Bradley D. Frank, et al, Photocharging of Carbon Nitride Thin Films for Controllable Manipulation of Droplet Force Gradient Sensors, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c09084https://doi.org/10.1021/jacs.3c09084
11. JACS：調整三維自組裝二維片晶的功能
使用異質外延生長裝飾二維納米結構對于實現生物醫學、電氣和機械應用中的功能組裝非常重要。盡管已經研究了自組裝之前聚合物的功能化，但迄今為止，尚未探索從二維納米結構進行三維直接表面改性的探索。近日，伯明翰大學Andrew P. Dove，Rachel K. O’Reilly報道了一種活結晶驅動的自組裝方法，通過添加基于 PCL 的均聚物和不同的電暈化學嵌段共聚物混合物來形成均勻的 2D 片晶，并具有受控的空間尺寸和均勻的分散性。1）通過選擇性地順序添加熒光改性 PCL 混合物到 1D 或 2D 前體中獲得多層片晶，表現出優異的痕量跟蹤能力和具有整體結構形態的膠體穩定性。此外，使用 DMA 或染料作為單體，使用原位光誘導（光引發劑或 PET-RAFT）聚合來選擇性修飾和空間功能化片晶表面。2）此外，通過在光誘導聚合過程中調節單體濃度，制備了不同高度的均勻片晶。這表現出良好的控制和表面高度增長的線性關系，直至并包括添加 100 質量當量的 DMA。二維片晶表面的原位光裝飾能力開啟了軟材料受控選擇性和空間表面功能化的可能性，可能會開發材料科學和高分子化學領域的巨大多樣性應用。
Tianlai Xia, et al, Tuning the Functionality of Self-Assembled 2D Platelets in the Third Dimension, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c08770https://doi.org/10.1021/jacs.3c08770
12. ACS Nano：在枝晶上快速形成外延析氧反應催化劑，具有高催化活性和穩定性
析氧反應是許多能量儲存和轉化過程中必不可少但動力學緩慢的步驟，因此正在尋求高效和穩定的催化劑。盡管納米級過渡金屬基氧化物/氫氧化物對析氧反應（OER）表現出高催化活性，但它們中的許多在工業規模的陽極電流密度下穩定性較低。在此，東南大學Yuqiao Zeng通過將快速外延形成方法與動態氣泡模板電沉積相結合，我們成功開發了具有分級多孔結構的單晶NiFeCu氧化物催化劑。1）研究發現，該結構可以促進催化劑的快速電子傳輸并阻止O原子擴散到內部金屬集流體。繼承自氫氣泡模板的分層孔隙為氧氣氣泡的大量快速釋放建立了理想的通道。2）因此，在工業規模的陽極電流密度（300 mA/cm2）下，NiFeCu氧化物比商用RuO2催化劑更有效、更穩定地催化OER。因此，這項工作通過解決納米氧化物的耐久性問題，提供了一系列高效穩定的OER催化劑，以及提高非導電催化劑催化活性和穩定性的結構構建策略。
Peng Cui, et al, Rapid Formation of Epitaxial Oxygen Evolution Reaction Catalysts on Dendrites with High Catalytic Activity and Stability, ACS Nano, 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c02662
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02662
