1. Nature Nanotechnology：用于電容儲能的聚合物納米復合電介質
聚合物納米復合材料由于其在寬溫度范圍內優異的放電能量密度，在智能電動汽車、智能電網和可再生能源發電等電氣和電子系統中作為介電材料具有巨大應用潛力。近日，清華大學Shen Yang、Nan Cewen、臥龍崗大學Zhang Shujun對用于電容儲能的聚合物納米復合電介質進行了綜述研究。1) 作者從三個關鍵方面討論了具有高能量密度的聚合物納米復合材料：偶極活性、耐擊穿性和耐熱性。作者還描述了聚合物-納米復合材料界面的物理性質，并且還分析了電、機械和熱特性如何影響儲能性能，以及它們是如何相互關聯的。2) 此外，作者還討論了多層納米技術，包括單體設計、交聯、聚合物共混、納米填料摻入和多層制造。最后，作者介紹了該領域的當前挑戰和未來機遇。
Minzheng Yang, et al. Polymer nanocomposite dielectrics for capacitive energy storage. Nature Nanotechnology 2024DOI: 10.1038/s41565-023-01541-whttps://doi.org/10.1038/s41565-023-01541-w2. Nature Nanotechnology：3D納米制造的軟微型機器人具有作為板載傳感器和致動器的超柔順皮力彈簧微型生物和運動細胞使用基于蛋白質的彈簧狀響應結構來感知、抓握和移動。在人工微機械中實現這種生物力學功能以用于單細胞操作仍極具挑戰性，因為需要對皮牛頓級力具有可編程應變響應的納米級彈簧系統。近日，中國科學院深圳先進技術研究院Haifeng Xu、德國萊布尼茨固態和材料研究所Mariana Medina-Sánchez、開姆尼茨工業大學Oliver G. Schmidt報道了具有超柔順皮力彈簧的軟微型機器人。1) 基于丙烯酸彈性體光致抗蝕劑，作者介紹了磁性彈簧系統的3D納米制造和單片集成，該系統具有對0.5 pN敏感的可量化順應性?，可用以納米級的定制彈性和磁化分布構建。2) 作者展示了這些“皮彈簧”組件作為能量轉換結構的可編程性，可用于定制軟微機械的集成構建，并且具有板載傳感和驅動功能，從而用于微型機器人的抓取和移動。
Haifeng Xu, et al. 3D nanofabricated soft microrobots with super-compliant picoforce springs as onboard sensors and actuators. Nature Nanotechnology 2024DOI: 10.1038/s41565-023-01567-0https://doi.org/10.1038/s41565-023-01567-03. Nature Materials：用光電流隧道顯微鏡對莫爾激發態成像莫爾超晶格提供了一個高度可調的通用平臺，其可用于探索從絕緣體到莫爾激子的新型量子相和奇異激發態。掃描隧道顯微鏡在探測原子尺度上莫爾基態的微觀行為方面發揮了關鍵作用。然而，莫爾異質結構中量子激發態的成像仍極具挑戰性。近日，加州大學Wang Feng、Michael F. Crommie、Steven G. Louie用光電流隧道顯微鏡對莫爾激發態成像。 1) 作者開發了一種光電流隧道顯微鏡技術，該技術結合了激光激發和掃描隧道光譜，其可以直接觀察扭曲雙層WS2中光激發莫爾激子內的電子和空穴分布。2) 隧道光電流在莫爾單胞內不同位置的正極性和負極性之間交替。這種交變光電流源于扭曲雙層WS2中的平面內電荷轉移莫爾激子，其可由GW Bethe–Salpeter方程計算預測，這源于電子-空穴庫侖相互作用和莫爾勢結構之間的競爭。
Hongyuan Li, et al. Imaging moiré excited states with photocurrent tunnelling microscopy. Nature Materials 2024DOI: 10.1038/s41563-023-01753-4https://doi.org/10.1038/s41563-023-01753-44. NC：用于水下機器人的蛋白質水凝膠的可編程粘附和變形能夠在浸入液體的環境中有效執行任務的軟機器人為各種應用帶來了巨大的希望。然而，實現依賴于動態水下粘附和變形能力的機器人化仍然具有挑戰性。上海交通大學Zhi-Gang Qian和Xiao-Xia Xia等提議用設計好的蛋白質材料來建造這樣的機器人。1）首先，resilin樣蛋白與多金屬氧酸鹽陰離子復合形成水凝膠，該水凝膠可以響應微小的溫度變化，在水性環境中快速在軟粘合和硬非粘合狀態之間切換。為了實現對動態粘附和變形的遠程控制，Fe3O4納米顆粒被整合到水凝膠中，形成具有光熱和磁響應性的軟機器人。2）這些機器人被證明可以承擔復雜的任務，包括修復人造血管，在紅外光和磁場的協同控制下捕獲和運送水中的多種貨物。這些發現為創造具有按需功能的基于蛋白質的水下機器人鋪平了道路。
Huang, SC., Zhu, YJ., Huang, XY. et al. Programmable adhesion and morphing of protein hydrogels for underwater robots. Nat Commun 15, 195 (2024).DOI: 10.1038/s41467-023-44564-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-44564-6
5. Angew：具有自清潔表面的鈣鈦礦單晶，用于高效光伏發電
金屬鹵化物鈣鈦礦單晶在多種光電應用中具有廣闊的前景。作為溶液生長鈣鈦礦單晶的普遍問題，表面污染會對材料性能和器件性能造成不利影響。在此，山東大學Zhaolai Chen借鑒荷葉的自清潔作用，通過在鈣鈦礦晶體生長溶液中引入兩親性長鏈有機胺來解決表面污染問題。1）CTAC的自組裝提供了疏水性晶體表面，誘導殘余生長溶液的自發去除，從而導致鈣鈦礦單晶的清潔表面和更好的光電性能。2）獲得了 23.4% 的令人印象深刻的效率，創下了 FAxMA1-xPbI3 單晶鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的新紀錄。3）此外，該策略也適用于不同形貌和成分的鈣鈦礦單晶，這可能有助于其他單晶鈣鈦礦光電器件的改進。
Nianqiao Liu, et al, Perovskite Single Crystals with Self-Cleaning Surface for Efficient Photovoltaics, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202314089 DOI: 10.1002/anie.202314089https://doi.org/10.1002/anie.2023140896. Angew：金屬卟啉和聚電解質受生物啟發自組裝成多級超分子納米結構，用于增強水中光催化產氫多肽作為天然聚電解質，被組裝成定制的蛋白質，以整合發色團和光合作用的催化位點。模仿自然，從合成聚電解質和光催化分子物種中創建水溶性納米組件以進行人工光合作用仍然很少見。在這里，鄭州大學Bo Yang，國科大Jia Tian報道了通過陰離子金屬卟啉與陽離子聚電解質在水中共組裝構建的超分子系統內全光譜太陽光驅動的氫氣生產的增強。1）該超分子光催化體系以鎂卟啉或鋅卟啉為光敏劑，銅卟啉為催化劑，在24小時內實現了793和685 μmol h-1 g-1的H2產率，比游離態高出23倍以上。當光敏劑與催化劑的比例為10000:1時，在24小時的照射下，最高的氫氣產率可達>51,700 μmol h-1 g-1，每個分子催化劑的周轉數(TON)>1,290。2）分層自組裝不僅通過形成金屬卟啉的有序堆疊來增強光穩定性，而且還促進能量和電子從天線分子到催化劑的轉移，從而促進光催化。這項研究提供了自組裝增強超分子光催化系統的光穩定性和催化性能的結構和機制見解。
Qingxuan Tang et al, Bioinspired Self-Assembly of Metalloporphyrins and Polyelectrolytes into Hierarchical Supramolecular Nanostructures for Enhanced Photocatalytic H2 Production in Water, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202315599DOI: 10.1002/anie.202315599https://doi.org/10.1002/anie.202315599
7. Angew：Ru-Sn 氧化物中應變調制的 Ru-O 共價能夠在酸性溶液中實現高效穩定的水氧化
RuO2是質子交換膜水電解槽陽極材料的基準電催化劑之一。然而，由于析氧反應（OER）過程中晶格氧和金屬溶解的參與，其長期穩定性受到損害。在這項工作中，格里菲斯大學Huijun Zhao, Porun Liu, 中國科學院合肥物質科學研究院Huajie Yin報道了通過向二元Ru-Sn氧化物基體中的RuO6八面體引入拉伸應變來定制弱化的Ru-O鍵共價鍵，阻止晶格氧的參與和Ru的溶解，從而顯著提高長期穩定性。此外，拉伸應變還優化了中間體的吸附能并提高了OER活性。 1）值得注意的是，RuSnOx電催化劑在0.1 M HClO4中表現出優異的OER活性，并且在10 mA cm-2的電流密度下僅需要184mV的過電勢。2）此外，它能夠提供10 mA cm-2的電流密度至少150小時，而電位增加可以忽略不計。這項工作例證了設計具有卓越水分解性能的釕基催化劑的有效策略。
Yiming Xu, et al, Strain-modulated Ru-O Covalency in Ru-Sn Oxide Enabling Efficient and Stable Water Oxidation in Acidic Solution, Angew. Chem. Int. Ed. 2024,DOI: 10.1002/anie.202316029https://doi.org/10.1002/anie.202316029
8. Angew：通過冠醚柱埃通道的高選擇性鋰傳輸
生物離子通道利用多種策略的協同作用來實現高選擇性離子篩分。例如，鉀通道利用官能團和埃大小的孔來區分競爭離子并富集目標離子。在這項工作中，中國科學院青島生物能源與過程技術研究所Jun Gao，溫州大學Nannan Liu，青島大學Xueli Liu展示了一種仿生策略，通過將尺寸排阻、特定相互作用和離子富集效應結合到層狀二維材料中來實現高Li+選擇性。1）研究人員通過將1-Aza-15-crown-5(A15C5)嵌入層狀氫氧化硝酸鋅(ZHN)晶體中來實現這一目標。與二維層狀材料相比，ZHN是一種難以剝離的材料。通常，二維層狀材料容易在水中膨脹，從而損害離子選擇性。ZHN的難以剝落的特性將降低腫脹的風險并有助于離子篩分。2）A15C5和插層ZHN具有埃級孔隙/通道，排斥比水合Li+更大的水合離子。此外，插入的A15C5可以區分Na+和Mg2+。因此，所制備的材料對Li+對Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Al3+等常見離子具有選擇性，當Li+、Na+和Mg2+的摩爾濃度達到一定濃度時，表現出中等的Li+/Na+選擇性和高的Li+/Mg2+選擇性是相同的。然而，當Li+濃度急劇下降時，ZHN通道仍然高度吸引和富集Li+，阻礙Li+通量的下降。因此，我們的通道的有效選擇性隨著Li+濃度的降低而增加。在Li+濃度為25μM、Na+濃度為0.5M的人造海水中，通道顯示出有效的Li+/Na+選擇性為1422。
Tingyan Ye, et al, Highly Selective Lithium Transport through Crown Ether Pillared Angstrom Channels, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202316161DOI: 10.1002/anie.202316161https://doi.org/10.1002/anie.202316161
9. Angew：固定化四烷基銨陽離子可在酸和純水中實現無金屬 CO2 電還原
二氧化碳還原反應（CO2RR）提供了將二氧化碳轉化為所需產品的有效途徑，但由于二氧化碳損失和再生造成的巨大能源成本，極大地阻礙了其商業化。在含有堿性陽離子的酸性條件下進行 CO2RR 可能會解決這個問題，但在高電流密度下仍然會導致碳酸氫鹽沉積，從而損害當今酸供給膜電極組件中的產品法拉第效率 (FE)。近日，蘇州大學Yanguang Li，Yuhang Wang通過靜電相互作用成功制備了陽離子固定化的PDDA-GO修飾層。1）研究人員通過優化改性層的厚度（~0.6 μm）和成分比（PDDA:GO = 1:2），證明了在電流下>85%的CO FE、93%的CE和35%的EE酸供給 MEA 中的密度為 100 mA cm-2，電壓為 3.5 V。2）下一步，將改性銀催化劑應用于純水供給的 MEA，并在 3.5 V 和 40 oC 下實現了 70% CO FE 和 ~94% CE。3）該策略也可以應用于銅催化劑，通過調整界面電荷密度和選擇更合適的官能團（例如咪唑和吡啶）來實現優異的性能。4）最后，利用固定化陽離子的策略還為研究酸性CO2RR的界面性能相互關系提供了新思路。
Jia Fan, et al, Immobilized Tetraalkylammonium Cations Enable Metal-free CO2 Electroreduction in Acid and Pure Water, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202317828DOI: 10.1002/anie.202317828https://doi.org/10.1002/anie.20231782810. Angew：使用基于寶石二氟化離子液體的雙鹽電解質高安全性高壓富鎳鋰金屬電池的溶劑化結構和衍生的相間調節穩定高壓鋰金屬電池(LMB)的電解質至關重要但又具有挑戰性，因為它們需要確保鋰陽極和高壓陰極（相對于Li/Li+高于4.5V）的穩定性，解決循環不良和熱失控等問題。在此，深圳大學Zhenbo Wang，Gang Sun，Fangwei Ding，哈工大Jia Zhou設計并合成了一種新型離子液體（IL）的寶石二氟化骨架，其不易燃電解質成功克服了上述挑戰。1）通過創造性地使用雙鹽、氟化離子液體和碳酸二甲酯作為共溶劑，通過靜電和弱相互作用有效地控制Li+離子的溶劑化結構，這些相互作用通過核磁共振譜很好地揭示和闡明。2）所制備的電解質具有高安全性，可以避免熱失控，并且與高壓正極具有良好的兼容性。此外，溶劑化結構產生了堅固且穩定的富氟界面，從而實現高可逆性和防止鋰枝晶。 3）LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/LiLMB(4.5V)表現出優異的長期穩定性，平均庫侖效率(CE)至少為99.99%，300次循環后容量保持率為90.4%，甚至可以在更高的電壓為4.7V。此外，超高富鎳LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2/Li系統還具有出色的電化學性能，凸顯了基于氟化IL的電解質設計和增強的相間化學在提高電池性能方面的重要性。
Yixing Li, et al, Solvation Structure and Derived Interphase Tuning for High- Voltage Ni-Rich Lithium Metal Batteries with High Safety Using Gem-Difluorinated Ionic Liquid Based Dual-Salt Electrolytes, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202317148DOI: 10.1002/anie.202317148https://doi.org/10.1002/anie.20231714811. AEM：通過界面平坦化和高極性自組裝單層在倒置鈣鈦礦太陽能電池中實現高開路電壓 面積縮放導致的效率損失是阻礙鈣鈦礦太陽能電池產業發展的關鍵因素之一。近日，上海交通大學Chen Chunchao獲得了具有大偶極矩（2.32D）的自組裝單層（SAM），Ph-4PACz。1) 研究發現，具有高極性的Ph-4PACz可以改善能帶排列并最大限度地減少能量損失，導致1.55eV鈣鈦礦的開路電壓（Voc）高達1.2V。然而，當應用于大面積器件時，填充因子（FF）發生顯著衰減。因此，作者將氧化鋁納米顆粒（Al2O3-NP）引入Ph-4PACz和粗糙FTO襯底之間的界面，以進一步提高平坦度，從而在界面中形成幾乎沒有空隙的共形鈣鈦礦膜，進而促進低激子結合能、快速熱載流子提取和低非輻射復合。2) 最終的器件實現了25.60%的小面積功率轉換效率（PCE）和24.61%的大面積（1 cm2）PCE。此外，作者還進行了小型模塊和穩定性測試，以證明商業化的可行性。
Anxin Sun, et al. High Open-Circuit Voltage (1.197 V) in Large-Area (1 cm2) Inverted Perovskite Solar Cell via Interface Planarization and Highly Polar Self-Assembled Monolayer. Adv. Energy Mater. 2024DOI: 10.1002/aenm.202303941 https://doi.org/10.1002/aenm.20230394112. AEM：高性能鋅金屬負極用多孔碳上氮氧共摻銅單原子的配位工程鋅(Zn)金屬負極循環穩定性差和庫侖效率低的傳統挑戰限制了它們的實際應用。佐治亞理工學院Seung Woo Lee、漢陽大學Byung-Hyun Kim和韓國科學技術院Bumjoon J. Kim等引入了一種單金屬原子設計，其特征是在3D氮(N)和氧(O)共摻雜的多孔碳(CuNOC)上原子分散的單個銅(Cu)原子作為高度可逆的Zn宿主。1）CuNOC結構為初始鋅成核提供了高活性位點，并進一步促進了鋅的均勻沉積。3D多孔結構進一步減輕了在具有均勻Zn2+通量的循環過程中的體積變化。因此，CuNOC在2和5mA cm-2下以1 mAh cm-2的固定容量進行1000次循環的鍍鋅/退鋅過程中表現出優異的可逆性，同時在5mA cm-2和5 mAh cm-2下實現了700 h的穩定運行和低電壓滯后。此外，密度泛函理論計算表明，在具有原子分散的單個Cu原子的多孔碳上共摻雜N和O為穩定的Zn成核創造了有效的親鋅位點。2）具有CuNOC陽極和高負載V2O5陰極的全電池表現出高達5 A g-1的出色倍率性能，以及在0.5A g-1下超過400次循環的穩定循環壽命。
K. Lee, et al, Coordination Engineering of N, O Co-Doped Cu Single Atom on Porous Carbon for High Performance Zinc Metal Anodes. Adv. Energy Mater. 2024, 2303803.DOI: 10.1002/aenm.202303803https://doi.org/10.1002/aenm.202303803
