1.Nature Synthesis：光誘導合成雙原子催化劑雙原子催化劑具有非常高的原子利用率、并且具有協同催化功能，因此受到人們的廣泛關注，但是目前仍沒有一種普適性的雙原子合成方法。有鑒于此，天津理工大學魯統部、張志明等提出一種“導航-定位”（navigation and positioning）策略能夠在氮化碳基底精確和大規模的合成一系列雜核雙原子催化劑（M1M2 DACs）。1）在這種雙原子合成方法學中，首先通過煅燒尿素和M1金屬鹽合成M1-PCN，隨后通過光照射方法安裝另外一個金屬原子位點。由于M1位點能夠起到導航光電子聚集和M2陽離子定位，因此M2能夠在M1相鄰的位置，從而實現精確合成雜核雙原子催化位點。2）通過DFT理論計算說明Zn的s軌道和Ru的d軌道之間發生雜化有助于在PCN基底生成穩定的ZnRu雙原子位點。作者考察了ZnRu DAC催化劑的光催化制氫性能，發現Ru位點將H+還原為H*，Zn位點能夠將H*脫附，因此Zn和Ru在光催化制氫反應中發生協同作用提高光催化制氫性能。 Zhao, QP., Shi, WX., Zhang, J. et al. Photo-induced synthesis of heteronuclear dual-atom catalysts. Nat. Synth (2024)DOI: 10.1038/s44160-024-00486-9https://www.nature.com/articles/s44160-024-00486-92.Nature Chemistry：CO2電催化還原反應的原位成像技術電解槽是能夠將CO2轉化為高附加值化學品的一種具有前景的技術，但是電解槽通常缺乏能夠追蹤反應的表征技術。有鑒于此，不列顛哥倫比亞大學Curtis P. Berlinguette等報道光學相干層析成像（OCT，optical coherence tomography platform）技術實現了觀測CO2電解槽發生的化學反應情況，這種表征技術具有高時空分辨率的三維成像的能力。1）作者對含有多孔電極和隔膜的電解槽進行12 h電催化反應過程觀測，電流密度達到50-800 mA cm-2，在流動相KHCO3的條件下CO2還原為CO。2）這種觀測能夠對反應物、中間體、產物進行成像，而且對電極和隔膜在電催化反應過程中的動態移動情況進行觀測。而且這種觀測發現生成CO的區域位于CO2與隔膜和催化劑直接接觸的地方。這些結果說明這種表征技術能夠用于研究流動相電化學反應體系的反應情況。Lu, X., Zhou, C., Delima, R.S. et al. Visualization of CO2 electrolysis using optical coherence tomography. Nat. Chem. (2024)DOI: 10.1038/s41557-024-01465-5https://www.nature.com/articles/s41557-024-01465-5
3.Chem. Soc. Rev.：電化學光譜的60年回顧
60年前，Reddy、Devanatan和Bockris進行了第一次原位電化學橢圓偏振實驗，開創了利用光譜學研究電化學的新時代。近日，廈門大學田中群院士等人綜述研究了電化學光譜。1)經過60年的發展，電化學光譜，特別是電化學振動光譜，已經從方法很少、應用有限的不成熟階段發展到具有優異底物通用性和顯著提高分辨率的成熟階段。2) 作者將電化學光譜的發展分為四個階段，其中包括不同電化學光譜研究的概念驗證，基于等離子體增強的電化學光譜（特別是振動光譜）方法的出現，電化學振動光譜在特定表面上的實現，以及實現操作光譜電化學應用的研究進展。最后，作者討論了電化學光譜的未來發展趨勢，以及操作光譜電化學的新方法和未來研究方向。Chao-Yu Li and Zhong-Qun Tian Sixty years of electrochemical optical spectroscopy: a retrospective Chem. Soc. Rev. 2024https://doi.org/10.1039/D3CS00734K4.JACS：N2電催化合成NH3的挑戰與發展前景綠氨（Green ammonia）是指通過可再生電能將儲量無窮盡的N2分子分解制備得到的NH3，這種綠氨是非常重要的平臺分子，而且是理論上優秀的燃料，而且避免CO2排放問題。目前電化學合成NH3面臨產率低和電催化反應效率低的問題。因為電催化合成NH3的反應體系包含復雜過程和相互交叉的問題（比如其中包括電化學、催化、界面、處理等），將這些復雜的問題分開解決并且為電催化合成NH3的發展方向提供指導并不簡單。有鑒于此，北京化工大學邱介山、大連理工大學于暢等通過反應過程的區別對電催化合成NH3領域進行分類討論，從直接還原N2、非直接（Li介導/plasma處理）電催化還原N2兩個方面進行總結。1）通 1）過對電催化合成NH3過程進行分類，有助于將復雜的反應過程進行解耦，并且明確反應決速步驟，理解N2活化、生成H2副反應、固體電解液界面工程、plasma處理等基元反應步驟的難題。2）對解決這些難題最近提出的一些方法進行詳細的總結，內容包括電催化劑、電極、電解液等方面。最后，作者討論NH3電催化合成領域未來過程可能具有前景的策略，主要從原子尺度的機理、納米尺度的電催化劑、微米尺度電極/界面、宏觀的電解液/處理過程等多個尺度討論。這項綜述工作有助于研究者深入理解電催化制備NH3領域的困境，而且能夠幫助設計高效的電催化合成NH3體系。 Yongwen Ren, Shaofeng Li, Chang Yu*, Yihan Zheng, Cheng Wang, Bingzhi Qian, Linshan Wang, Wenhui Fang, Ying Sun, and Jieshan Qiu*, NH3 Electrosynthesis from N2 Molecules: Progresses, Challenges, and Future Perspectives, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.3c11676https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c116765.JACS：三元共晶電解液輔助形成高穩定性水基鎂離子電池固體-電解液界面的動態呼吸效應水性可充電鎂電池在本質安全、經濟高效和可持續的能源儲存方面具有巨大的潛力。然而，它們的可行性受到狹窄的電壓范圍以及電解質和電極之間的次優兼容性的限制。在此，南京大學Jing Ma推出了一種創新的三元深共晶鎂離子電解質，由 MgCl2·6H2O、乙酰胺和尿素以精確平衡的 1:1:7 摩爾比組成。該配方通過利用 Mg2+ 離子和兩種有機成分之間的競爭性溶劑化效應進行了優化。1）基于這種三元共晶電解質、錳摻雜釩酸鈉（Mn-NVO）陽極和六氰基鐵酸銅陰極的全電池表現出較高的電壓平臺和高倍率性能，并表現出穩定的循環性能。2）非原位表征揭示了 Mn-NVO 的 Mg2+ 存儲機制，涉及初始的 Na+ 提取，隨后是 Mg2+ 嵌入/脫嵌。詳細的光譜分析揭示了陽極表面上關鍵的固體電解質界面的形成。此外，固體電解質界面表現出動態吸附/解吸行為，稱為“呼吸效應”，大大減輕了電極材料的不良溶解和副反應。這些發現強調了合理的電解質設計在促進有利的固體電解質界面的發展方面的關鍵作用，該界面可以顯著增強電極材料和電解質之間的相容性，從而推動水性多價離子電池的進步。Xinmei Song, et al, Ternary Eutectic Electrolyte-Assisted Formation and Dynamic Breathing Effect of the Solid-Electrolyte Interphase for HighStability Aqueous Magnesium-Ion Full Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2024https://doi.org/10.1021/jacs.4c002276.JACS：具有優異氧化還原活性的導電金屬?有機骨架作為高溫K離子電池穩定的大容量負極高溫充電電池對于高溫情況下的能量存儲至關重要。由于鉀資源豐富，高溫鉀離子電池引起了越來越多的研究興趣。然而，提高工作溫度會加劇KIB陽極的化學和機械不穩定性，導致容量快速衰減，特別是在追求高容量時。在這里，暨南大學De-Shan Bin，Dan Li證明了由富氮芳香分子和 CuO4 單元通過 π?d 共軛構建的多孔導電金屬有機框架（MOF）可以提供多個可接近的氧化還原活性位點，并為高效鉀提供強大的結構穩定性。1）即使在 60 °C 下工作，這種 MOF 負極也能提供高初始容量（455 mAh g?1 ）、令人印象深刻的倍率和非凡的循環性能（1600 次循環后容量保持率為 96.7%），這比報道的高溫負極要好得多KIB 陽極。2）機理研究表明C=N基團和CuO4單元提供了豐富的氧化還原活性位點；π?d共軛特性和網狀多孔結構的協同作用促進了K+/e?傳輸，并確保了不溶性電極的體積變形小，從而實現了穩定的高容量儲鉀。Menghua Yang, et al, Conductive Metal?Organic Framework with Superior Redox Activity as a Stable High-Capacity Anode for High-Temperature K?Ion Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2024https://doi.org/10.1021/jacs.3c131137.JACS：聚合物陶瓷復合固體電解質中鋰離子互穿通道的通道傳輸陶瓷聚合物復合固體電解質（PIC?CSE）比單獨的有機或無機固體電解質具有重要的優勢。在傳統的 PIC-CSE 中，離子傳導路徑主要局限于陶瓷，而與陶瓷-聚合物界面相關的更快路徑仍然被阻塞。這一挑戰與兩個關鍵因素相關：(i) 由于陶瓷聚集，難以建立廣泛且不間斷的陶瓷-聚合物界面；(ii) 陶瓷-聚合物界面由于其固有的不相容性而對導電離子無響應。在這里，拉德堡德大學Junchao Chen，上海交通大學Weiping Tang，復旦大學Yongyao Xia提出了一種策略，通過引入聚合物相容的離子液體（PCIL）來調節陶瓷和聚合物基體之間的關系。1）這種中介作用涉及 PCIL 的極性基團與陶瓷表面上的 Li+ 離子的相互作用，以及 PCIL 的極性組分與聚合物鏈之間的相互作用。該策略解決了陶瓷聚合問題，從而產生統一的 PIC?CSE。同時，它通過建立互穿通道來激活陶瓷-聚合物界面，促進Li+離子在陶瓷相、陶瓷-聚合物界面和介入路徑上的有效傳輸。2）因此，所獲得的 PIC?CSE 表現出高離子電導率、卓越的靈活性和強大的機械強度。PIC?CSE 包含聚偏二氟乙烯 (PVDF) 和 60 wt% PCIL 涂層的 Li3Zr2Si2PO12 (LZSP) 填料，其離子電導率為 0.83 mS cm?1，優異的 Li+ 離子遷移數為 0.81，伸長率為～ 25 °C 時可實現米級生產 300%。其鋰金屬軟包電池具有424.9 Wh kg?1的高能量密度（不包括包裝膜）和穿刺安全性。這項工作為設計具有商業可行性的 PIC?CSE 鋪平了道路Lei Zhu, et al, Tunneling Interpenetrative Lithium Ion Conduction Channels in Polymer-in-Ceramic Composite Solid Electrolytes, J. Am. Chem. Soc., 2024https://doi.org/10.1021/jacs.3c119888.ACS Nano：用于柔性鋅離子電池和多功能健康監測電子設備的水凝膠電解質環境適應性電池和效應器的緊湊設計構成了能夠進行時間分辨、長期信號監測的可穿戴電子產品的基礎。在這里，西北工業大學Yue Ma提出了一種一體策略，利用水凝膠作為柔性水性鋅離子電池和可穿戴應變傳感器的離子導電介質。1）聚乙烯醇水凝膠網絡在乙二醇/水混合溶劑中結合了納米SiO2和纖維素納米纖維（簡稱PSC），平衡了機械性能（拉伸強度為6 MPa）和-20℃下的離子擴散率（比 2 M ZnCl2 電解質高 2 個數量級）。2）同時，溶劑化Zn2+嵌入期間的陰極晶格呼吸和陽極界面處的枝晶Zn突出得到緩解。除了 Zn∥PSC∥V2O5 原型在較寬的溫度范圍（-20 至 80 °C）內具有強大的循環性能外，該微型設備還將鋅離子電池與應變傳感器無縫集成，從而能夠精確監測身體運動動態過程中的肌肉反應。 3）通過采用傳輸模式操作 XRD，自供電傳感器準確記錄了層狀陰極的實時相演化和鋅沉積引起的同步應變變化，為小型化電子設備的健康監測提供了可行的解決方案。Zhiqiao Wang, et al, A Hydrogel Electrolyte toward a Flexible ZincIon Battery and Multifunctional Health Monitoring Electronics, ACS Nano, 2024DOI: 10.1021/acsnano.4c00085https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00085
