1. Nature Materials：双重有机纤维网络构建高性能有机太阳能电池
有机光伏器件中控制改善供体和受体的纳米尺度分布与形貌是实现激子高效扩散和解离、载流子传输、抑制载流子复合的关键。有鉴于此，上海交通大学刘烽、北京航空航天大学孙艳明、伦敦帝国理工学院 Jun Yan等报道一种基于三元供体-受体的双重有机纤维网络结构，这种纤维网络结构由共轭聚合物晶体和非富勒烯受体的丝状结构组装形成，因此实现了优异的有机光电太阳能电池性能。通过设计供体-受体的组分，能够对相分离、晶化、纤维的尺寸进行调控，因此改善激子和载流子传输，激子的扩散距离达到~40 nm，自由电荷的扩散距离达到~105 nm，电荷漂移距离达到~2700 nm。
本文要点：
1)通过双重纤维结构，实现了~82 %的填充因子，19.3 %的有机光电太阳能电池效率（认证效率为19.2 %），这项研究结果对应于改善的激子扩散距离、显著抑制的复合速率，最大程度上缓解了光子-电子转变过程损失。
2)这种双重纤维网络形貌策略能够降低损失，最大程度增加电池性能，为单节有机光伏器件实现20 %的效率提供机会。
Zhu, L., Zhang, M., Xu, J. et al. Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology. Nat. Mater. (2022)
DOI: 10.1038/s41563-022-01244-y
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01244-y
2. Nature Commun.：纳米褶皱诱导的具有中等电子库的Sn-Bi双金属界面图案用于高效的CO2电还原
CO2电还原反应为全球碳中和提供了一个有吸引力的途径。工业CO2电解成甲酸盐需要增加电流密度，这受到精确调和竞争中间体(OOH*和HCOO*)困难的严重限制。近日，滑铁卢大学陈忠伟教授，Aiping Yu，Luis Ricardez–Sandoval，华南师范大学Xin Wang在CO2电解条件下，通过定制的电沉积原位设计了纳米褶皱诱导的Sn-Bi双金属富界面材料，显著加快了甲酸盐的生成。
本文要点：
1）这种界面设计策略展示了应对上述挑战的多种优点，在H电池中实现了甲酸盐的高局部电流密度（高达140 mA/cm2）这归因于在CO2RR条件下源自纳米褶皱/折皱的大量暴露的活性Sn-Bi双金属界面图案。
2）通过同时抑制COOH*与CO形成的结合和增强HCOO*与甲酸形成的结合，在较低电位（0.84 V vs. RHE）下获得高达96.4%的最高FEfromate。并在宽电位窗口（0.74至1.14 V vs. RHE）下保持高甲酸盐法拉第效率（＞90%），耐久性为160 h，这归因于在互连多孔碳织物网络上生长的稳定褶皱处结构清晰的表面结构，这提供了快速的质量传输和电子导电性。
纳米褶皱对活性位点电子结构的操纵阐明了形貌、表面结构、电子性质和反应途径之间的相关性，提供了一种合理的设计策略来增强纳米结构材料的催化性能。
Bohua Ren, et al, Nano-crumples induced Sn-Bi bimetallic interface pattern with moderate electron bank for highly efficient CO2 electroreduction, Nat Commun, 2022
DOI: 10.1038/s41467-022-29861-w
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29861-w
3. Chem：异质结构铜/氧化物电极助力CO2电还原为C2+产物
将CO2电化学还原为增值的多碳产品受到了Cu上C-C偶联过程效率低的限制。将金属氧化物与Cu表面结合提供了打破比例关系的新自由，进而调节Cu上的产物分布。近日，浙江大学吴浩斌教授结合实验和理论研究，揭示了CO2吸附增强的金属氧化物偶联的Cu表面可以通过路易斯酸碱相互作用促进CO2分子的活化，并提高CO2RR的催化活性。此外，铜-氧化物界面边界对C-C偶联显示出不同的CO*吸附强度和反应能垒，从而对C2+产物显示出不同的选择性。
本文要点：
1）在筛选的Cu/氧化物异质结构体系中，Cu/ZrO2对C2+产物表现出最佳的催化活性。这种Cu/ZrO2异质结构电极是通过在铜箔上涂覆ZrO2纳米颗粒，然后原位重建Cu表面以形成坚固的Cu-ZrO2界面。
2）原位表面增强拉曼光谱揭示了CO*在Cu/ZrO2电极上的吸附和覆盖增强，这与理论预测相一致。密度泛函理论（DFT）计算还表明，与裸露的Cu表面相比，C-C耦合过程在Cu-ZrO2界面处更有利，而主要的竞争反应如C1途径(如CH4的形成)被抑制。
3）实验结果显示，Cu/ZrO2电极对C2+产物(即乙烯、乙醇和正丙醇)的法拉第效率(FE)为85%，可在H型电解槽中稳定运行66 h以上，超过了以往报道的大多数类似条件下的Cu基催化剂/电极。
Li et al., Enhanced electroreduction of CO2 to C2+ products on heterostructured Cu/oxide electrodes, Chem (2022)
DOI：10.1016/j.chempr.2022.04.004
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.04.004
4. Matter：在电解液中植入离子选择性“皮肤”助力高能安全的锂-硫电池
电解液中离子的动电调节对于缓解锂-硫（Li-S）电池中锂多硫化物的穿梭效应和枝晶生长具有重要意义。近日，受离子交换膜可调的溶质-聚合物相互作用的启发，中南大学韦伟峰教授通过原位凝胶法在电解液中植入了一种由甲基丙烯酸异氰乙酯接枝聚乙烯亚胺（PEI-IEM）构建的离子选择性“皮肤”。
本文要点：
1）这种量身定制的皮肤赋予了基于PEI-IEM的凝胶聚合物电解质(GPE)一个含有丰富极性基团的超支化网络，从而提高了电解液的阻燃性，实现了对锂多硫化物迁移的阻挡，并促进了Li+的传输，防止了不均匀的沉积。
2）基于PEI-IEM的GPE增强了S的电化学可逆性和高安全性，10 Ah Li-S软包电池具有2.6的低电解质/S比和1.43的过量Li负极，可提供412.7 Wh kg-1的能量密度。
这一概念验证研究为调整电解液的离子行为以实现高能和安全的Li-S电池提供了新的见解。
Ma et al., Implanting an ion-selective “skin”in electrolyte towards high-energy and safe lithium-sulfur battery, Matter (2022)
DOI：10.1016/j.matt.2022.04.017
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.017
5. Matter: 机器学习加速卤化物钙钛矿的商业化和放大进程
虽然卤化物钙钛矿引起了学术界的广泛关注，但大规模工业生产的例子仍然很少。从这个角度来看，圣地牙哥加利福尼亚大学David P. Fenning，麻省理工学院Tonio Buonassisi以及西北工业大学刘哲等人回顾了阻碍卤化物钙钛矿商业化的实际挑战，并讨论了机器学习 (ML) 工具如何提供帮助。
本文要点：
1）融合机构知识和人类专业知识的主动学习算法有助于稳定和快速更新基线制造流程。
2) 使用基于 ML 的分类工具的计算机成像方法可以帮助缩小大面积和小面积设备之间的性能差距。
3) 推理方法可以通过协调多个数据流和模拟来帮助加速根本原因分析，将研究工作集中在概率最高的领域。我们得出的结论是，为了应对其中的许多挑战，需要对现有 ML 方法进行渐进式（而非激进式）调整。
4）研究人员提出了产学合作如何帮助调整“现成的”机器学习工具以适应特定的行业需求，通过揭示底层机制进一步改进过程控制，并开发“游戏改变者”面向发现的算法，以更好地驾驭广阔的材料选择空间。
Rishi E.Kumar, et al. Opportunities for machine learning to accelerate halide-perovskite commercialization and scale-up, Matter, 2022.
DOI：10.1016/j.matt.2022.04.016
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238522001680#!
6. EES：用于促进氧还原的高度可及和致密的表面单金属FeN4活性位点
铁单原子和氮共掺杂碳（Fe-N-C）电催化剂在催化动力学缓慢的氧还原反应(ORR)方面具有巨大的潜力，被认为是贵金属铂（Pt）的最有前途的替代催化剂。不幸的是，现有Fe-N-C催化剂的ORR性质受到FeN4部分的较差可及性和固有活性的显著阻碍。近日，德累斯顿工业大学冯新亮教授，Thomas Heine，纽约州立大学布法罗分校武刚教授使用含氮多孔碳(NHPC)作为支架，通过铁离子锚定和随后的热解策略，在多孔碳上构建了密集暴露的表面FeN4（sur-FeN4-HPC）。
本文要点：
1）具有丰富表面Fe锚定位点的NHPC的高表面积使得能够在sur-FeN4-HPC上成功制造密集可及的FeN4活性部分（34.7ⅹ1019 sites g-1）。第一性原理计算进一步表明，边缘效应可以调节单个Fe位点的电子结构，从而促进FeN4部分的固有ORR活性。
2）实验结果显示，在酸性介质中，sur-FeN4-HPC电催化剂表现出优异的ORR活性，具有0.83 V的高半波电位(相对于可逆氢电极)。研究人员进一步研究了sur-FeN4-HPC作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阴极催化剂。在1.0 bar O2下，膜电极组件在0.9 VIR(内阻补偿电压)下的电流密度为24.2 mA cm-2，在1.0 bar空气下的最大峰值功率密度为0.412 W cm-2。重要的是，该催化剂在恶劣的氢气和空气条件下表现出了良好的耐用性，可以在30000次电压循环中使用。sur-FeN4-HPC的PEMFC性能优于已报道的Fe-N-C电催化剂。
这种在sur-FeN4-HPC上构建高度可及且致密的表面FeN4位，为设计适用于不同电化学过程的高性能电催化剂提供了一条有效途径。
Guangbo Chen, et al, Highly Accessible and Dense Surface Single Metal FeN4 Active Sites for Promoting Oxygen Reduction, Energy Environ. Sci., 2022
DOI: 10.1039/D2EE00542E
https://doi.org/10.1039/D2EE00542E
7. EES：微网格化硅电极作为电活性锂载体
锂(Li)基质是一种先进的高能量密度金属锂电池电极结构，它可以在三维骨架的预制孔中电化学地容纳Li。然而，以往对锂电池的研究大多使用电化学惰性材料作为骨架成分，导致电池的重量/体积能量密度的损失。近日，延世大学Sang-Young Lee提出了一种基于微栅图案硅电极的电活性锂电极（简称MPS电极）。
本文要点：
1）研究人员使用微型直接墨水书写技术制造出MPS主体，并定制了MPS主体的亲锂性、电子导电性和多孔结构，以确保锂离子通量和电子传导到有序孔空间的优先方向，同时提供氧化还原能力。
2）由此得到的MPS主体实现了逐步顺序的Si锂化/脱锂(从微网架中的硅)和镀锂/剥离(在微栅之间的孔空间内)反应，验证了其作为电活性Li主体的独特行为。
3）此外，由MPS主体和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)正极组装的全电池具有高的电池能量密度（644 Wh kgcell-1/1538 Wh Lcell-1）和可靠的循环性能。
Myeong-Hwa Ryou, et al, Microgrid-patterned silicon electrode as an electroactive lithium host, Energy Environ. Sci., 2022
DOI: 10.1039/D2EE00981A
https://doi.org/10.1039/D2EE00981A
8. Angew：聚离子液体-铠甲MXene膜:促进水传输的夹层工程
基于二维MXene的层状膜具有可调的亲水性，在高性能净水领域具有广阔的应用前景。目前的挑战主要在于如何在亚纳米限制环境中设计孔壁的表面性质，同时确保其高选择性。基于此，华中科技大学Yan Wang，中国科学院过程工程研究所Yanlei Wang，斯德哥尔摩大学Jiayin Yuan，Miao Zhang成功地在MXene基膜中利用聚(离子液体)（PILs）作为定制的表面改性剂，通过静电相互作用组装了MXene层板，从而实现了纳米通道的亲水性，解决了上述问题。
本文要点：
1）通过聚离子液体装甲MXene纳米片的组装，构建了具有可调节亲水性的纳米通道的层状膜。选择适当的反阴离子不仅可以赋予膜更疏水的纳米通道以更好地传输水，而且还可以保持纳米通道的所需参数以进行精确的筛分。
2）通过简单的阴离子交换将层间走廊从亲水性转变为更疏水性，MXene膜在渗透率(提高两倍)和截留率（约99%）方面都得到显著改善。
这项研究为MXene膜以及其他具有可工程的纳米通道用于靶分子传输和筛选的离子材料的未来发展铺平了道路。
Ming Yi, et al, Poly(ionic liquid)-Armored MXene Membrane: Interlayer Engineering for Facilitated Water Transport, Angew. Chem. Int. Ed. 2022
DOI: 10.1002/ange.202202515
https://doi.org/10.1002/ange.202202515
9. Angew：仿生设计的seco-Chlorin光敏剂用于克服光动力治疗中的光毒性效应
光动力治疗(PDT)是一种针对癌症或非恶性疾病的非侵入性治疗方式，但其往往也会面临在治疗后引起光毒性反应的风险。北京大学张俊龙教授设计开发了一种仿生设计的新型光敏剂(PSs)，其不仅能有效地产生ROS，而且在治疗后能快速代谢以减少所产生的不良副作用。
本文要点：
1）实验构建了一系列β-吡咯开环secochlorins，并将其命名为beidaphyrin(BP)、beidapholactone(BPL)以及它们的锌(II)衍生物(ZnBP和ZnBPL)，它们具有强烈的近红外吸收和有效的O2光敏作用。
2）时间分辨吸收、动力学和同位素标记等机理研究表明，ZnBPL会在辐照下通过原位生成O2•−(而非1O2)以产生非细胞毒性、可代谢的beidaphodiacetamide(ZnBPD)。实验结果表明，水溶型ZnBPL具有高效的治疗效果、快速的代谢和极低的光毒性效应。
Mengliang Zhu. et al. Bioinspired Design of seco-Chlorin Photosensitizers to Overcome Phototoxic Effects in Photodynamic Therapy. Angewandte Chemie International Edition. 2022
DOI: 10.1002/anie.202204330
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202204330
10. Nano Letters：离子交联常温干燥法制备纤维素−石墨泡沫塑料
传统的塑料泡沫通常是由化石燃料衍生的聚合物生产的，这种聚合物在自然界中很难降解。作为替代品，纤维素是一种很有前途的可生物降解聚合物，可以用来制造更环保的泡沫，但这种工艺通常依赖于难以扩展和耗时的方法（如冷冻干燥和超临界干燥）。近日，马里兰大学胡良兵教授，李腾教授开发了一种简单、可扩展的方法，即离子交联和常温干燥，以制备轻密度、坚固和可生物降解的纤维素−石墨泡沫。
本文要点：
1）由于金属离子与带负电荷的纤维素纤维之间的静电相互作用建立了三维离子交联网络，湿式纤维素−石墨泡沫可以抵抗常温干燥过程中增加的毛细管力。值得注意的是，与未经离子交联处理的泡沫相比，Fe3+交联的纤维素−石墨泡沫具有多孔结构（平均孔径约为200 μm）、较高的水中抗离解能力和较高的压缩模数（1213 kPa）。
2）一价钾离子、二价钙离子、锌离子、铜离子和三价铝离子都可以用来制备孔结构均匀、抗压强度高的纤维素−石墨泡沫，具有很好的通用性。密度泛函理论（DFT）计算表明，不同金属离子与纤维素链的结合能大小顺序为：Ca2+>Fe3+>Al3+>Cu2+>Zn2+>K+>Na+，这与实验结果一致。
研究方法展示了在成本效益、能源效率和可扩展生产可持续泡沫材料方面的巨大潜力，适用于一系列应用。
Ruiliu Wang, et al, Fabrication of Cellulose−Graphite Foam via Ion Cross-linking and Ambient-Drying, Nano Lett., 2022
DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00167
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00167
11. ACS Energy Lett.：用于高性能和稳定二维钙钛矿太阳能电池的定向大晶粒的伪卤化物辅助生长
晶粒和边界的缺陷以及二维钙钛矿薄膜的随机相分布通常会导致非辐射复合以及载流子传输和稳定性的降低。国家纳米中心周惠琼、刘新风和北京航空航天大学张渊等人发现类卤化物可以促进定向大晶粒二维钙钛矿薄膜的生长。
本文要点：
1）结果表明，类卤化物添加剂可以诱导二维钙钛矿的聚集和组装，有效促进随机低n相组装成纯高n相，并扩大相应的薄膜晶粒尺寸。
2）同时，钙钛矿薄膜的相分布、结晶质量和载流子传输也得到改善。结果，类卤化物优化的钙钛矿太阳能电池实现了 18.72% 的显着改善的 PCE 和可忽略的滞后。
3）重要的是，未封装的设备在 55°C 持续加热 1180 小时时保持 100% 的初始效率。在它们在最大功率点 (MPP) 下持续工作约 1200 小时后，器件的效率仅下降 13.3%。
Weichuan Zhang, et al. Pseudohalide-Assisted Growth of Oriented Large Grains for High-Performance and Stable 2D Perovskite Solar Cells, ACS Energy Lett. 2022, 7, 1842–1849
DOI：10.1021/acsenergylett.2c00485
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c00485
12. ACS Nano：无机离子低聚物在聚合物网络中的集成制备仿生超韧复合材料
以珍珠层为灵感的层压板具有优异的力学性能，是一种很有前途的材料。然而，有机−无机相之间的界面缺陷通常会导致这些材料在应力作用下的裂纹扩展和断裂失效。一种天然的生物矿物，骨，比珍珠层具有更高的弯曲韧性。骨中无机结构单元的小尺寸提高了有机−无机相互作用，从而优化了材料的韧性。
近日，受超小尺寸无机离子低聚物在构建新型结构复合材料方面的巨大优势的启发，浙江大学刘昭明研究员，唐睿康教授以环氧氯丙烷为原料，通过三步(组装取向-交联)策略，展示了一种具有超高力学性能(超高弯曲韧性(21.5−31.0 MJ m−3)和应变(>50%无断裂))的仿生纳米复合材料层板。
本文要点：
1）首先，将超细碳纳米管与聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(AlG)水溶液混合，在室温下通过蒸发诱导自组装得到具有高度集成的有机−无机纳米结构的各向同性复合膜。其次，通过拉伸对复合膜施加各向异性应力，得到由一维(1D)HAP纳米线和有机基质组成的层次化有序纳米结构。第三，将这些复合膜沿拉伸方向堆叠在一起，在10 kPa的压应力下通过胶合实现层间的二次交联，得到三维(3D)体层压板。
2）由于超细的1D HAP纳米线(直径<3 nm)，增加了HAP与有机基质的接触面积，产生了强烈的多分子相互作用，导致了从纳米到宏观的高度集成的有机−无机层次结构。因此，所制备的复合材料层压板具有优异的弯曲韧性和抗冲击性能。此外，通过简单的浸泡和干燥过程，层压板可以可逆地转变为超粗水凝胶。
这项研究表明，超细无机结晶单元与有机聚合物网络的增强整合可以解决以前有机−无机复合材料中存在的相分离和界面缺陷问题，并显着提高其机械韧性。因此，这项工作对于发展基于超小型无机离子低聚物和简单的三步策略的先进复合材料具有重要意义。
Yadong Yu, et al, A Bioinspired Ultratough Composite Produced by Integration of Inorganic Ionic Oligomers within Polymer Networks, ACS Nano, 2022
DOI: 10.1021/acsnano.2c00663
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00663
