1. Nature Reviews Chemistry：高能鋰電池電解質(zhì)和界面的設(shè)計(jì)下一代電動(dòng)設(shè)備和車輛需要高能量和穩(wěn)定的鋰離子電池。為了促進(jìn)它們的發(fā)展，在高容量陽極和高壓陰極上形成穩(wěn)定的界面至關(guān)重要。然而，在某些商業(yè)化的鋰離子電池中，這種中間相是不穩(wěn)定的。由于操作過程中的內(nèi)應(yīng)力，在界面和電極中形成裂紋；這種裂紋的存在允許形成Li枝晶和新的界面，導(dǎo)致能量容量的衰減。近日，馬里蘭大學(xué)Xu Jijian、王春生重點(diǎn)介紹了在不同電池系統(tǒng)中形成富LiF界面的電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略。1) 在水性電解質(zhì)中，疏水性LiF可以延長(zhǎng)水性電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。在有機(jī)液體電解質(zhì)中，高疏鋰的LiF可以抑制Li枝晶的形成和生長(zhǎng)。因此，形成富LiF界面的電解質(zhì)設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)高能水性和非水性鋰離子電池。2) 此外，這里討論的電解質(zhì)和中間相設(shè)計(jì)原理也適用于固態(tài)電池，其也可作為在低堆壓下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)壽命的策略，從而構(gòu)建其他金屬電池。
Hongli Wan, et al. Designing electrolytes and interphases for high-energy lithium batteries. Nature Reviews Chemistry 2023DOI: 10.1038/s41570-023-00557-zhttps://doi.org/10.1038/s41570-023-00557-z2. Nature Reviews Materials：有機(jī)太陽能電池中不同材料類型的優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和分子設(shè)計(jì)由于光活性層中使用了各種高性能有機(jī)電子受體和電子供體材料，包括聚合物、小分子和富勒烯的開發(fā)，有機(jī)太陽能電池（OSCs）的性能在過去10年中得到了大幅提高。近日，香港科技大學(xué)Yan He、深圳技術(shù)大學(xué)Zhang Guangye綜述研究了有機(jī)太陽能電池中不同材料類型的優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和分子設(shè)計(jì)。1) 根據(jù)供體和受體材料的組合，OSC可分為幾種類型：聚合物-富勒烯、聚合物-小分子、全聚合物和全小分子，以及多組分OSC，其中光活性層包括三種或更多種光活性組分。2) 作者概述了溶液處理OSC的光活性層中不同材料類型的發(fā)展歷史，并比較了它們的優(yōu)勢(shì)和局限性。作者討論了每種OSC的有效分子設(shè)計(jì)策略，并強(qiáng)調(diào)了OSC的未來研究方向，特別是與促進(jìn)OSC工業(yè)制造相關(guān)的方向。
Jicheng Yi, et al. Advantages, challenges and molecular design of different material types used in organic solar cells. Nature Reviews Materials 2023
DOI: 10.1038/s41578-023-00618-1https://doi.org/10.1038/s41578-023-00618-13. Nature Reviews Materials：適用于極端環(huán)境的超高溫陶瓷清潔能源和太空探索的現(xiàn)代需求需要材料科學(xué)家開發(fā)出在宇宙極端條件下發(fā)揮作用的材料。近日，印第安納大學(xué)與普渡大學(xué)印第安納波利斯聯(lián)合分校Babak Anasori對(duì)適用于極端環(huán)境的超高溫陶瓷進(jìn)行了綜述研究。1) 高超音速飛行和核技術(shù)的最新進(jìn)展將一系列超高溫陶瓷（UHTC）的難熔過渡金屬碳化物、氮化物和二硼化物帶到了最科學(xué)前沿。這些材料具有極高的熔點(diǎn)（>4000?°C），高熱導(dǎo)率（>140?W?m?1 K?1）和強(qiáng)過渡金屬與非金屬結(jié)合（>600?GPa機(jī)械剛度），這有望使其能夠在極端環(huán)境中應(yīng)用。2) 該綜述涵蓋了金屬-非金屬（M–X）化學(xué)與UHTC的高溫、熱、機(jī)械和氧化行為的關(guān)系，并討論了合成和潛在添加劑對(duì)其性能的影響。此外，作者還介紹了新的研究領(lǐng)域，包括增材制造、高熵成分和2D材料的進(jìn)展，以改善UHTC的加工和性能。對(duì)化學(xué)-合成-加工關(guān)系的關(guān)注將是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，使UHTC成為極端環(huán)境材料。
Brian C. Wyatt, et al. Ultra-high temperature ceramics for extreme environments. Nature Reviews Materials 2023DOI: 10.1038/s41578-023-00619-0https://doi.org/10.1038/s41578-023-00619-04. Chem. Soc. Rev.：陶瓷電化學(xué)電池中的納米技術(shù)陶瓷電化學(xué)電池（CECs），即固體氧化物電解電池（SOECs）和燃料電池（SOFCs），盡管是實(shí)現(xiàn)高效、綠色、環(huán)保能源轉(zhuǎn)換的新興技術(shù)，但其發(fā)展仍受到低溫下的催化活性差、熱機(jī)械穩(wěn)定性差、材料成本高等限制。電解質(zhì)和電極中使用的材料是CEC中最重要的成分，與電池性能密切相關(guān)。因此，以相對(duì)較低的成本合理設(shè)計(jì)具有優(yōu)異催化活性和高穩(wěn)定性的電解質(zhì)和電極是開發(fā)CECs的一種有效方法。納米技術(shù)是提高CECs材料性能的有力工具，因?yàn)殡娊赓|(zhì)和電極的納米化具有良好的效果。在此，安徽工業(yè)大學(xué)Cao Jiafeng、科廷大學(xué)Shao Zongping對(duì)CECs中實(shí)施的納米技術(shù)進(jìn)行了全面綜述。1) 作者首先介紹了CECs的工作原理和相應(yīng)的挑戰(zhàn)，然后全面了解了納米晶體材料在CECs中的工作機(jī)制。作者系統(tǒng)總結(jié)和分析了CEC材料制備中常用的納米工程策略，包括物理和化學(xué)方法。2) 此外，作者還討論了電解質(zhì)和電極材料的研究前沿，特別強(qiáng)調(diào)了納米技術(shù)的改性電化學(xué)性能。最后，作者強(qiáng)調(diào)了納米技術(shù)的瓶頸，為CECs納米材料的合理設(shè)計(jì)提供了重要參考。
Jiafeng Cao, et al. Nanotechnologies in ceramic electrochemical cells. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D3CS00303E5. Nature Commun.：由本征微孔聚合物配體構(gòu)建的 PolyMOF 納米粒子用于 CO2 分離的可擴(kuò)展復(fù)合膜將不同的改性策略整合到一個(gè)步驟中以實(shí)現(xiàn)金屬有機(jī)框架（MOF）所需的性能在綜合上非常具有挑戰(zhàn)性，特別是在開發(fā)先進(jìn)的MOF/聚合物混合基質(zhì)膜（MMM）方面。在此，漢陽大學(xué)Ho Bum Park報(bào)道了一種由具有固有微孔性（cPIM-1）配體的羧化聚合物構(gòu)建的聚合物-MOF（polyMOF）系統(tǒng)。 1）這種本質(zhì)上微孔的配體可以與金屬配位，產(chǎn)生約 100 nm 大小的聚 MOF 納米顆粒。2）與對(duì)照 MOF 相比，這些聚 MOF 表現(xiàn)出增強(qiáng)的超微孔隙率，可實(shí)現(xiàn)有效的分子篩分，并且它們?cè)谥苽?MMM 的澆鑄溶液中具有更好的分散性能。3）最終，通過 cPIM-1 和基于聚合物的功能將配位化學(xué)集成到多孔材料中，得到的聚 MOF/PIM-1 MMM 表現(xiàn)出優(yōu)異的 CO2 分離性能（超過 CO2/N2 和 CO2/CH4 上限）。4）除了探索這種聚 MOF 系統(tǒng)的物理化學(xué)和傳輸特性之外，研究人員還通過將開發(fā)的 MMM 材料轉(zhuǎn)化為大面積（400 cm2）薄膜納米復(fù)合材料（TFN）膜來證明可擴(kuò)展性。
Lee, T.H., Lee, B.K., Yoo, S.Y. et al. PolyMOF nanoparticles constructed from intrinsically microporous polymer ligand towards scalable composite membranes for CO2 separation. Nat Commun 14, 8330 (2023). DOI：10.1038/s41467-023-44027-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-44027-y6. Nature Commun.：有機(jī)凝膠的仿生機(jī)械礦化礦化是生物材料常用的一種持久方法，用于選擇性強(qiáng)化以響應(yīng)部位特定的機(jī)械應(yīng)力。在合成聚合物復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)類似形式的增韌仍然具有挑戰(zhàn)性。近日，芝加哥大學(xué)Aaron P. Esser-Kahn 開發(fā)了通過壓電電化學(xué)效應(yīng)與無機(jī) ZnO 納米粒子的機(jī)械響應(yīng)來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的方法。1）研究人員報(bào)道了機(jī)械介導(dǎo)反應(yīng)的一個(gè)獨(dú)特例子，其中球形 ZnO 納米粒子自身發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致在有機(jī)凝膠內(nèi)形成由 Zn/S 礦物組成的微棒。2）微棒可用于在材料內(nèi)選擇性地產(chǎn)生礦物沉積物，從而增強(qiáng)整體復(fù)合材料的強(qiáng)度。
Ayarza, J., Wang, J., Kim, H. et al. Bioinspired mechanical mineralization of organogels. Nat Commun 14, 8319 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43733-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-43733-x7. Nature Commun.：發(fā)現(xiàn)塊狀六方氧化鉬中快速穩(wěn)定的質(zhì)子存儲(chǔ)電極中的離子和電子傳輸對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)至關(guān)重要。為了優(yōu)化離子和電子的傳輸路徑，電極材料被最小化到納米尺寸，從而導(dǎo)致體積性能、穩(wěn)定性、成本和污染等問題。在這里，南京航空航天大學(xué)申來法教授發(fā)現(xiàn)具有非常規(guī)離子通道的塊狀六方氧化鉬即使其粒徑為數(shù)十微米，也可以高速存儲(chǔ)大量質(zhì)子。1）基于氫鍵拓?fù)浠瘜W(xué)的無擴(kuò)散質(zhì)子傳輸動(dòng)力學(xué)在六方氧化鉬中得到證明，其質(zhì)子電導(dǎo)率比傳統(tǒng)的斜方氧化鉬高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。原位X射線衍射和理論計(jì)算表明，第一次放電中的結(jié)構(gòu)自優(yōu)化有效促進(jìn)了后續(xù)質(zhì)子的可逆嵌入/脫嵌。2）開放的晶體結(jié)構(gòu)、合適的質(zhì)子通道和可忽略的體積應(yīng)變可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的質(zhì)子傳輸和存儲(chǔ)，從而產(chǎn)生極高的體積電容（~1750 F cm–3）、優(yōu)異的倍率性能和超長(zhǎng)的循環(huán)壽命（>10,000次循環(huán)） 。這種能夠在幾秒鐘內(nèi)存儲(chǔ)微米級(jí)粒子質(zhì)子的非常規(guī)材料和機(jī)制的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了快速充電儲(chǔ)能系統(tǒng)和高功率實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展。
Xu, T., Xu, Z., Yao, T. et al. Discovery of fast and stable proton storage in bulk hexagonal molybdenum oxide. Nat Commun 14, 8360 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43603-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-43603-68. Nature Commun.：通過氟改性銅上的氫定位轉(zhuǎn)移，高效工業(yè)電流密度乙炔轉(zhuǎn)化為聚合物級(jí)乙烯利用可再生電力驅(qū)動(dòng)的電催化乙炔半加氫制乙烯是一種可持續(xù)的途徑，但電流密度和單程收率不足極大地阻礙了生產(chǎn)效率和工業(yè)應(yīng)用。在此，西北大學(xué)屈云騰教授和Kunyue Leng，北京高能物理研究所Lirong Zheng開發(fā)了一種F修飾的Cu催化劑，其工業(yè)分流密度高達(dá)0.76 A cm?2，乙烯法拉第效率超過90%，最大單程產(chǎn)率達(dá)到顯著的78.5%。1）開發(fā)的Cu-F 展示了在串聯(lián)流動(dòng)池中直接將乙炔轉(zhuǎn)化為聚合物級(jí)乙烯的能力，生產(chǎn)中幾乎沒有乙炔殘留。2）綜合表征和計(jì)算表明，Cuδ+（靠近氟）增強(qiáng)了水的解離，產(chǎn)生的活性氫立即轉(zhuǎn)移到Cu0（遠(yuǎn)離氟）并與局部吸附的乙炔發(fā)生反應(yīng)。因此，超越了析氫反應(yīng)并提高了乙炔半加氫的整體性能。研究結(jié)果為合理設(shè)計(jì)大規(guī)模電合成乙烯和其他重要工業(yè)原料的催化劑提供了新的機(jī)會(huì)。
Bai, L., Wang, Y., Han, Z. et al. Efficient industrial-current-density acetylene to polymer-grade ethylene via hydrogen-localization transfer over fluorine-modified copper. Nat Commun 14, 8384 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-44171-5https://doi.org/10.1038/s41467-023-44171-59. Chem：利用稀土鋁調(diào)節(jié)價(jià)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行高性能酸性析氧反應(yīng)氧化銥（IrO2）是用于質(zhì)子交換膜水電解槽（PEMWE）的陽極催化劑。然而，其高成本和較差的催化活性阻礙了其實(shí)際應(yīng)用，這需要開發(fā)不含Ir或Ir含量低的催化劑。在此，首爾大學(xué)Taeghwan Hyeon、Yung-Eun Sung、西江大學(xué)Seoin Back設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的合成路線，將Al摻入RuO2和RuIrOx中，制成了耐用的PEMWE。 1) Al摻雜劑可以調(diào)節(jié)Ru–O雜化軌道的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)氧中間體的吸附能，進(jìn)而促進(jìn)O–O鍵的形成。優(yōu)化的Al摻雜RuIrOx在10 mA cm?2下僅需要178 mV的過電位。2) 此外，該催化劑在100 mA cm?2中可以保持高活性超過300小時(shí)。在PEMWE中，在2.0 V下實(shí)現(xiàn)了4.1 A cm?2的高電流密度，而在1.0 A cm?2中持續(xù)60小時(shí)的性能衰減可以忽略不計(jì)。Kangjae Lee, et al. Modulating the valence electronic structure using earth-abundant aluminum for high-performance acidic oxygen evolution reaction. Chem 2023DOI: 10.1016/j.chempr.2023.08.006https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.08.006
