1. Joule：燃料電池堆重新設(shè)計(jì)和組件集成從根本上提高了功率密度
傳統(tǒng)通道肋流場(chǎng)和氣體擴(kuò)散層（GDL）的缺點(diǎn)極大地限制了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的傳質(zhì)和水管理能力，影響了體積功率密度。近日，天津大學(xué)Michael D. Guiver，Kui Jiao報(bào)道了一種由石墨烯涂層鎳泡沫和超薄（9.1毫米）碳納米纖維膜組成的電極流場(chǎng)集成的無GDL設(shè)計(jì)，作為傳統(tǒng)通道肋流場(chǎng)和GDL的替代品，它大大減少了膜電極組件的體積（90%））、反應(yīng)物傳輸距離（96%）和濃度阻抗（88.6%），導(dǎo)致功率密度顯著增加50%。1）無GDL設(shè)計(jì)為集成電極流場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)提供了有效的策略，并將指導(dǎo)PEMFC在能量轉(zhuǎn)換技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用的未來發(fā)展。2）研究人員估計(jì)，采用無GDL設(shè)計(jì)的PEMFC堆可實(shí)現(xiàn)的峰值體積功率密度為9.8kWL1，與最先進(jìn)的商用PEMFC堆相比增加了80%以上。
Tongsh et al., Fuel cell stack redesign and component integration radically increase power density, Joule (2023)DOI：10.1016/j.joule.2023.12.003https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.12.003
2. Joule：具有陽離子雙位移的單片鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)太陽能電池 2.0 eV 鈣鈦礦
鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)太陽能電池有望在性能上超越雙結(jié)太陽能電池。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要單片集成2.0eV帶隙鈣鈦礦子電池，其特點(diǎn)是高溴化物：碘化物比率（>7:3），并具有低溫可加工性和高光電質(zhì)量。然而，此類鈣鈦礦中的光誘導(dǎo)相分離仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 近日，為了解決這個(gè)問題，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Stefaan De Wolf，Erkan Aydin，F(xiàn)uzong Xu用硫氰酸鉀（KSCN）和碘化甲基銨（MAI）輔助添加劑對(duì)寬帶隙鈣鈦礦進(jìn)行改性，其中SCN增加了鈣鈦礦晶粒尺寸，降低了晶界缺陷密度；K+固定鹵化物，防止鹵化物空位的形成；MA+通過雙置換反應(yīng)消除了鈣鈦礦薄膜中殘留的光不穩(wěn)定SCN。1）共添加劑策略可以增強(qiáng)光穩(wěn)定性，而單獨(dú)使用MAI和KSCN會(huì)導(dǎo)致不利影響。2）三結(jié)串聯(lián)太陽能電池采用共添加劑改性的2.0 eV鈣鈦礦作為頂部電池吸收器，在1 cm2面積上達(dá)到3.04 V開路電壓和26.4%的PCE。
Xu et al., Monolithic perovskite/perovskite/silicon triple-junction solar cells with cation double displacement enabled 2.0 eV perovskites, Joule (2023)DOI：10.1016/j.joule.2023.11.018https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.11.018
3. Matter：有機(jī)軟多孔晶體的局部和全局動(dòng)力學(xué)
有機(jī)軟多孔晶體（OSPC）因其在客體捕獲、氣體存儲(chǔ)、分離和調(diào)制光電子學(xué)方面的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。OSPC 內(nèi)的擴(kuò)散過程被認(rèn)為受到電子親和力、客體尺寸、形狀以及重要的是其主鏈的動(dòng)態(tài)行為等因素的影響。近日，墨西哥國(guó)立自治大學(xué)Braulio Rodr?′guez-Molina重點(diǎn)介紹了近年來報(bào)道的這些多孔晶體的代表性研究。1）作者重點(diǎn)關(guān)注分子成分中具有運(yùn)動(dòng)的材料。此外還描述了分段動(dòng)力學(xué)也與晶格變化相關(guān)的實(shí)例，從而在內(nèi)部和全局運(yùn)動(dòng)以及其他可觀察量之間建立了潛在的三向聯(lián)系。2）通過深入研究這些材料的動(dòng)態(tài)特征，本綜述旨在引發(fā)詳細(xì)的分析和討論，并鼓勵(lì)對(duì)該主題進(jìn)行更多研究，這將有助于更好地理解多孔有機(jī)晶體的有趣特性。
Herna′ndez-Santiago et al., Local and global dynamics in organic soft porous crystals, Matter (2023)DOI：10.1016/j.matt.2023.11.020https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.020
4. JACS：用于重組酶純化和多相生物催化的共價(jià)有機(jī)框架
重組酶因其多樣化的功能和特異性而受到關(guān)注，并且通常是生物催化中更環(huán)保的替代品。這種情況使得從宿主細(xì)胞和其他雜質(zhì)中純化重組酶變得至關(guān)重要。主要目標(biāo)是分離感興趣的純酶并確保其在環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。共價(jià)有機(jī)框架(COF)以其良好的有序結(jié)構(gòu)和滲透性而聞名，為純化組氨酸標(biāo)簽(His標(biāo)簽)酶提供了一種有前途的方法。此外，將酶固定在COF中代表了多相生物催化領(lǐng)域的一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域。在這項(xiàng)研究中，印度科學(xué)教育研究所Satyadip Paul，Supratim Datta，Rahul Banerjee開發(fā)了一種基于流的技術(shù)，利用注入鎳的共價(jià)有機(jī)框架(Ni-TpBpyCOF)來結(jié)合兩個(gè)不同的過程：同時(shí)純化His標(biāo)記的酶和酶的固定化。1）研究工作主要集中于純化三種組標(biāo)記酶β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶和內(nèi)切葡聚糖酶以及兩種不同分子量的蛋白質(zhì)，即綠色熒光蛋白(27kDa)和BGRho(88kDa)。2）研究人員采用Ni-TpBpy作為列矩陣來展示我們系統(tǒng)的多功能性。此外，成功獲得了固定有酶的Ni-TpBpyCOF，它可以作為對(duì)硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷和羧甲基纖維素水解的非均相催化劑。這些固定化酶表現(xiàn)出與游離酶相當(dāng)?shù)拇呋钚裕⒕哂锌苫厥招院驮诃h(huán)境條件下長(zhǎng)期（60至90天）穩(wěn)定性增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。這與游離酶形成鮮明對(duì)比，游離酶不能隨著時(shí)間的推移有效地保持其活性。
Satyadip Paul, et al, Covalent Organic Frameworks for the Purification of Recombinant Enzymes and Heterogeneous Biocatalysis, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c11169https://doi.org/10.1021/jacs.3c111695. JACS：低溫水暴露和去除對(duì) HY 沸石的影響對(duì)工業(yè)上重要的 Y 型沸石進(jìn)行水相合成后改性通常用于改變總酸位濃度、引入穩(wěn)定的稀土陽離子、通過金屬陽離子交換賦予雙功能特性以及定制布朗斯特德和路易斯酸位的分布。已知在超過 100 °C 的溫度下，在氣相和液相水存在的情況下，Y 型沸石會(huì)發(fā)生骨架降解，而稀土交換和穩(wěn)定的 HY 催化劑由于其較高的水熱彈性而通常用于流化催化裂化。在這里，俄克拉荷馬州立大學(xué)Jeffery L. White利用詳細(xì)的光譜學(xué)、晶體學(xué)和流動(dòng)反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)，揭示了即使暴露于室溫液態(tài)水后，HY 型沸石的布朗斯臺(tái)德酸位點(diǎn) (BAS) 密度也會(huì)出現(xiàn)意想不到的降低。1）這些數(shù)據(jù)表明，通常用于改性Y沸石的水相離子交換程序受到液態(tài)水及其去除的影響，即使當(dāng)使用比標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐嚴(yán)格得多的分級(jí)加熱速率和惰性條件用于催化劑脫水時(shí)也是如此。2）X 射線衍射、熱重和光譜分析表明，大部分骨架降解發(fā)生在去除 HY 中強(qiáng)結(jié)合水部分的過程中，而當(dāng) NH4Y 浸入液態(tài)水中時(shí)不會(huì)形成這種部分，從而導(dǎo)致 HY 中的酸度降低，甚至當(dāng)脫水條件比通常采用的條件溫和得多時(shí)。3）通過室溫水溶解制備的 Na+ 交換的 HY 表明，布朗斯臺(tái)德酸位點(diǎn)的損失超過了鈉滴定可能的理論最大值。低溫水相離子交換方法的結(jié)構(gòu)影響使后續(xù)數(shù)據(jù)的解釋變得復(fù)雜，并可能解釋了報(bào)道的高鋁含量 HY 沸石的酸位濃度和催化活性的廣泛變化。
Anya Zornes, et al, Impact of Low-Temperature Water Exposure and Removal on Zeolite HY, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c12437https://doi.org/10.1021/jacs.3c124376. PNAS：高性能鉀離子電池中具有高電子態(tài)活性位點(diǎn)的工程接觸彎曲界面鉀離子電池（PIBs）因其豐富的鉀資源和低廉的成本而受到了人們的極大關(guān)注，被認(rèn)為是一種可持續(xù)的儲(chǔ)能技術(shù)。近日，福建師范大學(xué)Li Xiaoyan、Chen Yuming、悉尼科技大學(xué)汪國(guó)秀報(bào)道了在碳納米管（CNTs）上具有接觸彎曲界面（CCI）的氮摻雜、富含缺陷的中空碳納米球，即CCI-CNS/CNT，以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移和鉀離子吸附。1) 密度泛函理論計(jì)算驗(yàn)證了工程CCI顯著增強(qiáng)了費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)，從而促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移。此外，CCI對(duì)鉀離子表現(xiàn)出顯著的親和力，并促進(jìn)了它們的吸附，隨后有利于鉀的儲(chǔ)存。2) 合理設(shè)計(jì)的CCI-CNS/CNT陽極具有顯著的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該工作提供了一種通過CCI工程提高碳質(zhì)材料儲(chǔ)鉀性能的策略，從而可以進(jìn)一步推廣到其他電池系統(tǒng)。
Xuan Li, et al. Engineering contact curved interface with high-electronic-state active sites for high-performance potassium-ion batteries. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307477120https://doi.org/10.1073/pnas.23074771207. PNAS：基于廢鋰離子電池高效催化劑的硫氧化輔助自供電制氫系統(tǒng)利用電催化技術(shù)將廢舊鋰離子電池和工業(yè)廢水轉(zhuǎn)化為高附加值物質(zhì)對(duì)可持續(xù)能源發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。近日，清華大學(xué)Zhou Guangmin提出了一種自供電系統(tǒng)，其使用硫化物燃料電池（SFC）為雙電極電催化硫氧化反應(yīng)（SOR）輔助氫氣（H2）生產(chǎn)電解槽（ESHPE）供電，其中含硫廢水用作液體燃料，并且產(chǎn)物為清潔水、硫和氫氣。 1) 自供電系統(tǒng)的催化劑主要由廢LIBs制備以降低成本，例如由廢LiCoO2制備的雙功能Co9S8催化劑用于SOR和析氫反應(yīng)（HER）。作者以廢LiFePO4為原料，制備了Fe–N–P共摻雜珊瑚狀碳納米管陣列封裝的Fe2P（C-ZIF/sLFP）催化劑，用于氧還原反應(yīng)。Co9S8催化劑在SOR和HER中都具有優(yōu)異的催化活性，其在ESHPE中僅需0.426 V的低電池電壓就可達(dá)到20 mA cm?2的電流密度。2) 以Co9S8為陽極、C-ZIF/sLFP為陰極的SFC在20 mA cm?2下具有0.69 V的開路電壓和300 h的長(zhǎng)放電穩(wěn)定性。通過集成SFC和ESHPE，自供電系統(tǒng)提供了0.44 mL cm?2 min?1的氫氣生產(chǎn)速率。該工作利用廢LIBs制備的高性能催化劑構(gòu)建了一個(gè)自供電系統(tǒng)，將含硫廢水轉(zhuǎn)化為純凈水并制備氫氣，這有望實(shí)現(xiàn)高經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展。
Boran Wang, et al. Sulfion oxidation assisting self-powered hydrogen production system based on efficient catalysts from spent lithium-ion batteries. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2317174120https://doi.org/10.1073/pnas.23171741208. PNAS：通過熱打印策略精確排列界面上的金屬原子大多數(shù)催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和途徑取決于存在的界面，這使得在反應(yīng)界面上精確構(gòu)建高活性單原子位點(diǎn)成為一個(gè)重要目標(biāo)。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Lin Yue、Wu Yuen，Huang Zhou提出了一種熱打印策略，該策略不僅將金屬原子排列在二氧化硅和碳層界面，還通過強(qiáng)配位來穩(wěn)定它們。1) 該策略依賴于納米顆粒在兩個(gè)接觸基板之間的受控遷移，以及在高溫下從納米顆粒表面發(fā)射原子。作者通過原位透射電子顯微鏡觀察到，單個(gè)Fe3O4納米顆粒在高溫下像液滴一樣從SiO2球體的核心遷移到表面，并沿著SiO2和碳層的界面移動(dòng)，從而釋放金屬原子，直到其完全消失。2) 這些分離的原子被碳層中的氮和硫缺陷捕獲，以產(chǎn)生Fe單原子位點(diǎn)，其對(duì)氧還原反應(yīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。此外，還可以通過控制Fe3O4納米顆粒在兩個(gè)表面之間的尺寸來調(diào)節(jié)位點(diǎn)的密度。該策略適用于合成Mn、Co、Pt、Pd、Au單原子位點(diǎn)，為各種應(yīng)用提供了在不同載體界面上排列單原子位點(diǎn)的通用途徑。
Lin Tian, et al. Precise arrangement of metal atoms at the interface by a thermal printing strategy. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2310916120https://doi.org/10.1073/pnas.2310916120 9. PNAS：通過質(zhì)子供體促進(jìn)CF4分解的C–F鍵活化四氟甲烷（CF4）是最簡(jiǎn)單的全氟碳化合物，由于其強(qiáng)大的紅外輻射吸附能力，導(dǎo)致其是一種永久有效的溫室氣體。高度對(duì)稱和穩(wěn)定的C–F鍵結(jié)構(gòu)使其活化成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近日，中南大學(xué)Liu Min利用質(zhì)子化硫酸鹽（-HSO4）修飾的Al2O3@ZrO2(S-Al2O3@ZrO2)催化劑有效活化C–F鍵，導(dǎo)致高效地CF4分解。1) 通過結(jié)合原位紅外光譜測(cè)試和密度函數(shù)理論模擬，作者證明了引入的–HSO4質(zhì)子供體比羥基（–OH）質(zhì)子供體對(duì)C–F鍵具有更強(qiáng)的相互作用，可以有效地拉伸C–F鍵并對(duì)其進(jìn)行活化。2) 因此，S-Al2O3@ZrO2催化劑在580°C的低溫下實(shí)現(xiàn)了100%的CF4分解，周轉(zhuǎn)頻率比未經(jīng)-HSO4改性的Al2O3@ZrO2催化劑高8.3倍。該工作為在低溫下實(shí)現(xiàn)有效的C–F鍵活化以分解CF4鋪平了道路。
Yingkang Chen, et al. Promoting C–F bond activation via proton donor for CF4 decomposition. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2312480120https://doi.org/10.1073/pnas.231248012010. AEM：高性能全固態(tài)鋰電池的界面設(shè)計(jì)全固態(tài)電池具有高界面電阻和鋰枝晶生長(zhǎng)，導(dǎo)致低的Li電鍍/剝離庫侖效率(CE )< 90 %，以及高容量下的低臨界電流密度。馬里蘭大學(xué)王春生教授等通過在Li6PS5Cl電解質(zhì)和Li陽極之間插入混合離子-電子導(dǎo)電(MIEC)和疏鋰LiF-C-Li3N-Bi納米復(fù)合中間層，同時(shí)解決了這兩個(gè)挑戰(zhàn)。1）在0.2mA cm-2/0.2 mAh cm-2和> 3.0mA cm-2/3.0 mAh cm-2的臨界電流密度(CCD)下，Li電鍍/剝離CE顯著增加到99.6%。具有高離子電導(dǎo)率(10-5S cm-1)和低電子電導(dǎo)率(3.4×10-7S cm-1)的高度疏鋰的LiF-C-Li3N-Bi中間層使Li能夠鍍?cè)诩黧w(CC)表面上，而不是Li6PS5Cl表面上，從而避免Li6PS5Cl電解質(zhì)還原。在CC上初始鍍鋰期間，鋰滲入多孔LiF-C-Li3N-Bi中間層，鋰化Bi納米粒子進(jìn)入Li3Bi。LiF-C-Li3N-Li3Bi子中間層中的親鋰Li3Bi和Li3N納米粒子將與鍍覆的Li一起移動(dòng)到CC，在隨后的Li剝離期間形成LiF-C/Li3N-Li3Bi親鋰/親鋰子層。2）這種中間層使得面積容量為1.4 mAh cm-2的Co0.1Fe0.9S2/Li6PS5Cl/Li電池在150mA g-1下的循環(huán)壽命超過850次。疏鋰/親鋰中間層使得固態(tài)金屬電池能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量和長(zhǎng)循環(huán)壽命。
H. Wan, et al, Interface Design for High-Performance All-Solid-State Lithium Batteries. Adv. Energy Mater. 2023, 2303046.DOI: 10.1002/aenm.202303046https://doi.org/10.1002/aenm.20230304611. AFM：不對(duì)稱Ce?O?Zn位點(diǎn)上CH4和CO2光催化偶聯(lián)制備乙醇甲烷（CH4）氧化為增值化學(xué)品是非常具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)镃H4在環(huán)境條件下具有高度惰性的化學(xué)性質(zhì)，并且在升高的溫度和壓力下容易過度氧化為二氧化碳（CO2）或一氧化碳（CO）。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，復(fù)旦大學(xué)鄭耿鋒、Han Qing通過使用具有摻雜鈰（Ce）的氧化鋅（ZnO）光催化劑證明了不對(duì)稱Ce?O?Zn位點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)CH4和CO2光催化偶聯(lián)制備乙醇1) 在光照下，CO2吸附在Ce原子上并被光還原為CO，CH4被Zn原子捕獲并被光氧化為CH3OOH。Ce和Zn原子在Ce─O─Zn位點(diǎn)上的緊密接觸允許其進(jìn)一步將CO和CH3OH偶聯(lián)生成乙醇。2) 在沒有額外的氧氣（O2）氧化劑或犧牲劑的情況下，乙醇的生產(chǎn)速率達(dá)到580μmol g?1 h?1。該工作通過不對(duì)稱反應(yīng)位點(diǎn)將兩種溫室氣體轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品，并促進(jìn)了CH4和CO2利用的發(fā)展。
Shuya Hao, et al. Photocatalytic Coupling of CH4 and CO2 to Ethanol on Asymmetric Ce?O?Zn Sites Adv. Functional Mater. 2023DOI: 10.1002/adfm.202314118https://doi.org/10.1002/adfm.20231411812. AFM：路易斯酸催化有機(jī)碘開環(huán)反應(yīng)同時(shí)生成氧化還原介體和混合SEI面對(duì)高過電位、嚴(yán)重的鋰腐蝕和活性氧引起的電解質(zhì)降解，鋰氧電池的發(fā)展受到嚴(yán)重限制。盡管碘物種是降低充電過電位的有效氧化還原介質(zhì)（RM），但氧化的I3?穿梭會(huì)攻擊鋰金屬陽極，損害RM的數(shù)量、循環(huán)穩(wěn)定性和能源效率。近日，浙江大學(xué)陸俊、西南交通大學(xué)Chen Weirong、Zhang Xiaoping、電子科技大學(xué)Fan Cong將3-碘氧雜環(huán)丁烷（C3H5OI，IOD）引入TEGDME基電解質(zhì)中，并在Li表面形成保護(hù)性SEI層，以抵御I3-的攻擊。 1) 由于IOD中的碘很難離解，作者將三氯化鋁（AlCl3）作為催化劑來離解I?并引發(fā)C3H5O+離子的開環(huán)反應(yīng)。這不僅可以離解氧化還原對(duì)I3?/I?，還可以在親核試劑的攻擊下形成低聚物或聚合物。此外，AlCl3可以形成Al2O3和LiCl無機(jī)物種。2)總之，將IOD和AlCl3引入電解質(zhì)中可以有效獲得降低的過電位和由柔性有機(jī)物和剛性無機(jī)物組成的原位SEI層，使鋰氧電池在150次循環(huán)中具有顯著提高的穩(wěn)定性和壽命。
Qian-Yan Wang, et al. Simultaneously Generating Redox Mediator and Hybrid SEI for Lithium–oxygen Batteries by Lewis Acid Catalyzed Ring-opening Reaction of Organic Iodine. Adv. Functional Mater. 2023 DOI: 10.1002/adfm.202312723https://doi.org/10.1002/adfm.202312723
