1. Nature Commun.：面向機械超材料的有機金屬有機框架
折紙，近年來已成為一個令人著迷的研究課題。受折紙啟發的材料通常具有傳統材料難以實現的機械性能。然而，基于分子水平折紙鑲嵌的材料尚未得到充分探索。在此，蔚山國立科學技術學院Wonyoung Choe，Seung Kyu Min報道了一種二維（2D）卟啉金屬有機框架（MOF），由鋅節點和柔性卟啉連接體自組裝，顯示基于折紙鑲嵌的折疊運動。1）實驗和理論相結合的研究證明了二維卟啉 MOF 的折紙機制，其中柔性連接體充當樞軸點。2）隱藏在 2D MOF 中的 2D 鑲嵌的發現揭示了分子水平的折紙力學。預計這種基于折紙鑲嵌的 MOF 在不久的將來可以作為一類新興的機械超材料得到積極利用。
Jin, E., Lee, I.S., Yang, D.C. et al. Origamic metal-organic framework toward mechanical metamaterial. Nat Commun 14, 7938 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43647-8https://doi.org/10.1038/s41467-023-43647-82. Nature Commun.：梯度鎢摻雜 Bi3TiNbO9 鐵電光催化劑具有額外的內置電場，可實現高效的整體水分解Bi3TiNbO9 是一種層狀鐵電光催化劑，通過沿面內軸的去極化場驅動光生載流子的有效層內分離，在整體水分解方面表現出巨大的潛力。然而，由于層間勢壘較大，載流子沿面外c軸的層間傳輸較差，導致載流子復合的可能性很高，從而導致光催化活性較低。在這里，中國科學院金屬研究所Gang Liu開發了一種高效光催化劑，由 Bi3TiNbO9 納米片組成，沿 c 軸梯度鎢 (W) 摻雜。這導致沿 c 軸產生額外的電場，同時由于結構畸變的加強而增強了沿 a 軸的層內的去極化場的大小。1）沿c軸的內置場和沿a軸的極化的結合可以有效促進光生電子和空穴分別向納米片的基底{001}表面和橫向{110}表面各向異性遷移，實現載體的理想空間分離。2）因此，具有Rh/Cr2O3助催化劑的W摻雜Bi3TiNbO9鐵電光催化劑實現了高效且持久的整體水分解特性，從而為設計優異的層狀鐵電光催化劑提供了有效途徑。
Huang, J., Kang, Y., Liu, J. et al. Gradient tungsten-doped Bi3TiNbO9 ferroelectric photocatalysts with additional built-in electric field for efficient overall water splitting. Nat Commun 14, 7948 (2023).https://doi.org/10.1038/s41467-023-43837-43. Nature Commun.：完全植入的無電池高功率平臺，用于慢性脊柱和肌肉功能性電刺激神經肌肉系統的電刺激為科學和治療生物醫學應用帶來了希望。供應和維持長期驅動刺激所需的電力是這些應用中的基本挑戰，特別是在需要高電壓或電流時。無線系統通過近場電力傳輸提供能量，可以消除電池組或外部連接引起的復雜情況，但目前無法提供肌肉刺激等應用所需的采集電力和電壓。 在這里，亞利桑那大學Philipp Gutruf，美國西北大學Matthew C. Tresch引入了一種無源諧振器優化的功率傳輸設計，該設計克服了這些限制，在 0.2 cm2 的器件體積下實現 ±20 V 的電壓合規性和超過 300 mW 的功率，從而比以前的系統提高了 500% 的功率傳輸。1）研究表明，這種改進的性能可以在自由行為的動物中通過數字控制和遙測在臨床相關的電壓和電流范圍內實現多通道、雙相、電流控制操作。2）初步慢性結果表明，植入裝置在完整大鼠和脊髓損傷大鼠中均可保持運行超過 6 周，并且能夠對脊髓和肌肉刺激產生精細控制。
Burton, A., Wang, Z., Song, D. et al. Fully implanted battery-free high power platform for chronic spinal and muscular functional electrical stimulation. Nat Commun 14, 7887 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43669-2https://doi.org/10.1038/s41467-023-43669-2
4. Nature Commun.：Cu0-Cu+位點增強Cu基催化劑甲醇蒸汽重整
Cu催化劑是重要的甲醇蒸汽重整催化材料，但是人們對于Cu催化劑的活性中心位點和催化反應機理并不清楚。有鑒于此，浙江大學肖豐收、北京化工大學衛敏、張建、楊宇森等制備含有無定性Al2O3穩定Cu2O和Cu納米粒子的Cu/Cu(Al)Ox催化劑，該催化劑能夠形成Cu0-Cu+位點。研究發現這種Cu0-Cu+催化位點有助于甲醇蒸汽重整催化反應中切斷C-H化學鍵。 1）優化的催化劑在240 ℃進行甲醇蒸汽重整催化，制氫性能達到110.8 μmol s-1 gcat-1，催化穩定時間達到300 h。通過反應動力學研究，給出CH3OH反應速率和催化劑表面Cu0與Cu+濃度之間的關系。2）通過原位光譜表征和理論計算，得到催化劑的本征催化活性位點。發現吸附在Cu0-Cu+位點的含氧中間體物種（CH3O*和HCOO*）具有比較適中的吸附強度，而且促進催化劑和表面物種之間的電荷轉移，因此顯著緩解CH3O*和HCOO*中間體物種切斷C-H化學鍵的能壘。
Hao Meng, et al, Designing Cu0?Cu+ dual sites for improved C?H bond fracture towards methanol steam reforming. Nat Commun 14, 7980 (2023)DOI: 10.1038/s41467-023-43679-0https://www.nature.com/articles/s41467-023-43679-0
5. Nature Commun.：單晶ZrCo納米粒子存儲氫同位素
氫同位素存儲材料是受控核聚變的關鍵。但是目前人們使用的熔煉法得到的ZrCo合金通常具有嚴重的歧化反應，容易快速失活。有鑒于此，北京航空航天大學水江瀾、劉曉芳、于榮海等發現了缺陷導致歧化反應機理，而且提出通過納米單晶策略解決ZrCo合金的歧化反應。 1）通過濕法合成納米單晶ZrCo，發現單晶ZrCo具有優異的氫同位素存儲能力，包括超快速的存儲/釋放、較高的耐歧化能力、具有非常穩定的循環性能。2）發現Ti摻雜能夠阻礙ZrCo合金納米粒子的歧化反應，建立了歧化反應和ZrCo合金納米粒子粒徑之間的規律，而且發展了一種非破壞微波探測方法，能夠測試ZrCo合金的儲氫狀態。發現的歧化反應機理以及發展的耐歧化策略能夠應用于其他材料的類似問題。
Zhenyang Li, et al, Single-crystal ZrCo nanoparticle for advanced hydrogen and H-isotope storage. Nat Commun 14, 7966 (2023) DOI: 10.1038/s41467-023-43828-5https://www.nature.com/articles/s41467-023-43828-56. EES：IrOx/Ni(OH)2催化劑上的試劑自適應活性位點切換開發能夠實時適應復雜反應環境的智能催化劑仍極具挑戰性。在這里，南京大學Yan Shicheng報道了一種雙功能IrOx/Ni(OH)2催化劑。1) 該催化劑可以根據催化劑上的試劑覆蓋率在尿素氧化反應（UOR）和析氧反應（OER）之間切換，這種切換是通過改變Ir-O-Ni構型中的電子轉移路徑來實現的。在尿素的臨界濃度下，電子轉移從Ir位點轉移到Ni位點，導致從OER轉換到UOR。隨著試劑覆蓋范圍的增加，局部電荷重新分布促進了這種試劑自適應電子轉移路徑切換。2) 對于OER，催化劑具有1.42 V的低起始電勢，對于UOR，催化劑具有1.32 V的低起始電位。對于OER和UOR，該催化劑在10mA cm-2下都具有200小時的穩定性。這種試劑自適應活性中心切換使催化劑可用于氫氣生產和環境凈化，為高效和適應性催化提供了一種有效方法。
Qian Zheng, et al. Reagent-adaptive active site switching on IrOx/Ni(OH)2 catalyst. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02714G7. EES：三氟乙酰胺電解質添加劑實現高可逆穩定的鋅金屬陽極由于鋅陽極固有的副反應和枝晶生長，水性鋅離子電池的實際應用受到限制。在此，新疆大學Guo Jixi、Wang Xinghao提出了一種解決AZIB問題的方法，即通過添加三氟乙酰胺（TFA）來制造通用電解質。1) TFA的CO基團與Zn2+強烈相互作用，導致Zn（H2O）62+的固有結構發生變化，并增強Zn2+的傳輸。TFA和H2O之間的相互作用破壞了H2O的H鍵網絡結構，導致活性H2O的減少和電解質pH值的穩定。此外，具有低LUMO值的TFA分解成Zn4CO3（OH）6?H2O和ZnF2，形成堅固的SEI，導致均勻的Zn2+沉積和改善的Zn2+傳輸動力學。 2) 具有TFA電解質的Zn//Zn對稱電池分別在5mA cm-2和40mA cm-2的高電流密度下保持穩定運行超過1360小時和800小時。TFA電解質還使Zn//5，7，12，14五碳四烯全電池和Zn//活性炭電容器分別在25°C和70°C下穩定循環運行10000次。
Miaomiao Wu, et al. Highly Reversible and Stable Zn Metal Anodes Realized by Trifluoroacetamide Electrolyte Additive. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE03040G8. Angew：基于共價有機框架的膜，通過綠色和可擴展的界面聚合，使用離子液體進行抗生素海水淡化 共價有機骨架（COF）膜具有均勻的拓撲結構和可設計的功能，在水凈化和分子分離方面顯示出巨大的潛力。然而，均勻的COF膜無法在工業規模上生產以及其不環保的制造方法是阻礙其工業應用的瓶頸。在此，新疆大學Hong Meng，江南大學LiangLiang Dong，杭州電子科技大學LiJun Liang報道了一種新的綠色且工業適應性的刮輔助界面聚合（SAIP）技術，用于制造可擴展且均勻的 TpPa COF 膜。1）該工藝采用無毒、低揮發性的離子液體（ILs）作為有機相替代傳統的有機溶劑，在支撐膜上界面合成TpPa COF層，可同時達到（i）提高成膜綠色性的目的工藝和（ii）制造堅固的膜，其功能超越傳統膜。2）這種方法可在短短 2 分鐘內產生厚度為 78 nm 的大面積、連續 COF 膜 (19 × 25 cm2)。所得膜表現出前所未有的高滲透性（48.09 L m-2 h-1 bar-1 ）和抗生素脫鹽效率（例如，氯化鈉/阿霉素分離因子為 41.8）的組合，優于商業基準膜。
Yan Pan, et al, Membranes based on Covalent Organic Frameworks through Green and Scalable Interfacial Polymerization using Ionic Liquids for Antibiotic Desalination, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202316315 DOI: 10.1002/anie.202316315https://doi.org/10.1002/anie.2023163159. Angew：通過離子錨定沸石基隔膜防止耐用水系鋅電池陰極活性材料溶解水系鋅電池由于其安全性和低成本而成為有前景的儲能裝置。然而，它們面臨陽極枝晶形成和陰極化合物溶解等挑戰。在這里，松山湖材料實驗室Xin Wang介紹了通過在柔性聚合物膜上合成沸石材料來開發聚合物基質沸石分離器（SZ）。1）該隔膜充當有效的離子屏障，防止釩從陰極浸出和穿梭，同時顯著抑制副產物和鋅枝晶的形成。2）SZ電池在0.5 A g?1 下穩定運行超過400次循環，初始容量為375.4 mAh g-1 ，在15 A g?1 下穩定運行超過10,000次循環。3）值得注意的是，當預錨定釩離子時，SZ-V 電池在 1000 次循環中表現出高達 94.6% 的出色容量保持率。具有離子屏障的 SZ 分離器代表了鋅存儲設備商業化的關鍵進步。
Yao Qin, Xin Wang, et al, Preventing Dissolution of Cathode Active Materials by Ion-anchoring Zeolite-based Separators for Durable Aqueous Zinc Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202315464DOI: 10.1002/anie.202315464https://doi.org/10.1002/anie.202315464電纜細菌是多細胞絲狀細菌，它們利用內部導電纖維將電子從缺氧沉積層內的供體在厘米距離內傳輸到表面的氧氣。近日，奧胡斯大學Lars Peter Nielsen，波爾多大學Alexander Kuhn提出了一個有趣的觀察結果，即提取的電纜細菌周質導電纖維（電纜細菌骨架，CBS）催化氧氣和水的相互轉化。1）首次證明 CBS 既可以用作經典的電化學工作電極，也可以集成到封閉的雙極電化學裝置中，從而充當生物雙極電極。傳統和定制設計的電化學系統都表明 CBS 發生特定的氧依賴性催化作用。它們催化 ORR 的功能是不依賴于膜結合蛋白的生物氧還原的一個例子。2）更重要的是，CBS 通過 OER 產生氧氣的能力表明 CBS 的催化位點可能是雙向的，類似于其他生物系統的討論。研究人員可以證明觀察到的范圍由氧梯度驅動的 CBS 的電流與先前報告的活電纜細菌的值非常吻合。該結果在自然沉積物環境中也有意義，其中電纜細菌將自身定位在缺氧界面，因此能夠利用氧濃度梯度的化學能進行 ORR 和 OER。明顯的雙向性可能是活電纜細菌中證明的非常有效的 ORR 還原的結果，因為這樣的 ORR 催化劑可能以相反模式工作，純粹是通過具有較低的 ORR 活化能，如 w以及開放教育資源 (OER)。 3）值得注意的是，許多微生物已被證明可以在黑暗中在細胞內產生分子氧。這項研究的結果為全球圖景增添了另一個證據，即電纜細菌是非常有效的生物導體，具有奇特且獨特的特征，特別是在其催化功能方面。
Leonid Dige, et al, Cable Bacteria Skeletons as Catalytically Active Electrodes, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202312647DOI: 10.1002/anie.202312647https://doi.org/10.1002/anie.20231264711. Angew：通過調節強金屬載體相互作用促進鎳基催化劑的低溫二氧化碳加氫合理設計低成本、高效的過渡金屬催化劑用于低溫CO2活化具有重要意義，也提出了巨大的挑戰。在此，中科院大連化物所Jian Liu，太原理工大學Riguang Zhang，懷俄明大學Maohong Fan開發了一種通過調節活性位點局部電子密度來促進二氧化碳甲烷化的策略，而商業鎳催化劑通常需要>350℃。1）迄今為止，最佳的Ni/ZrO2催化劑具有優異的低溫性能，即使在230 ℃下，CO2轉化率為84.0%，CH4選擇性為98.6%，106 h的GHSV為12,000 mL·g-1·h-1，反映了迄今為止鎳基催化劑上具有最佳 CO2 甲烷化性能的產品之一。2）結合一系列原位光譜表征研究表明，重建具有豐富氧空位的單斜ZrO2負載的Ni物質可以促進CO2活化，這是由于強金屬-載體相互作用引起的Ni局部電子密度的增強。這些發現可能對構建具有增強的二氧化碳減排等性能的強大催化劑有很大幫助。
Runping Ye, et al, Boosting Low-Temperature CO2 Hydrogenation over Ni-based Catalysts by Tuning Strong Metal-Support Interactions, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202317669DOI: 10.1002/anie.202317669https://doi.org/10.1002/anie.202317669
12. AM綜述：壓電，熱電和鐵電生物材料的生物醫學應用
天津大學姬曉元教授對壓電，熱電和鐵電生物材料的生物醫學應用研究進行了綜述。1）壓電、熱電和鐵電材料具有介電晶體和不對稱中心，可以直接將環境中的多種初級能量(如陽光、機械能和熱能)轉化為次級能量(如電和化學能)，是具有獨特性能的生物醫學材料。這些材料具有優異的能量轉換能力和催化性能，在疾病治療、生物傳感和組織工程等生物醫學領域中表現出了巨大的應用潛力。已有研究表明，壓電材料可刺激細胞生長以促進骨再生，熱電材料能夠用于皮膚癌檢測和成像，而鐵電材料則能夠作為大腦中的神經植入物以用于記錄和刺激電活動。2）作者在文中綜述了鐵電效應、壓電效應和熱電效應之間的關系以及不同催化反應的基本原理，并重點介紹了這三種材料的制備方法及其在生物醫學應用方面所取得的重大進展；此外，作者也討論了基于壓電、熱電和鐵電納米材料的高效催化劑在生物醫學應用中面臨的關鍵挑戰和未來的發展前景。 Xue Yuan. et al. Piezoelectricity, Pyroelectricity, and Ferroelectricity in Biomaterials and Biomedical Applications. Advanced Materials. 2023DOI: 10.1002/adma.202308726https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308726
