1. Nature：质子耦合电子转移介导电催化合成氨

人们认为新型电化学合成氨技术能够与传统的Haber-Bosch合成氨技术互补，同时电化学合成氨能够使用可再生电能制备的燃料。为了实现电化学合成氨，关于异相材料作为N₂RR的电催化剂的相关基础研究日益增加。但是这些电催化体系通常面临较差的稳定性和较低的NH₃选择性，而且在电催化反应过程中通常HER比N₂RR反应更容易发生。相比于异相催化剂体系，分子催化体系能够精确调控催化剂性质，为电催化反应提供一种可选方案，但是目前分子催化合成氨反应同样面临着反应选择性的挑战（主要是竞争性HER反应）。有鉴于此，加州理工学院Jonas C. Peters等报道一种级联催化方法解决电催化合成氨反应的选择性挑战。

本文要点：

1）合成了一种分子催化剂，能够与助催化剂配合进行电催化N₂还原，其中助催化剂修饰在电极界面，通过酸进行质子耦合电子转移，能够在合适的过电势（-1.2 V vs. Fc^+/0）形成N-H化学键，并且改善电催化反应的整体热力学反应效率。同时，一些N₂RR中间体在没有与电子/质子转移耦合的时候无法参与反应。

2）作者发现多种金属（W, Mo, Os, Fe）的不同结构分子催化剂都能够与介导分子配合，在相同的过电势进行N₂RR电催化，说明这种电催化反应体系的普适性。

Garrido-Barros, P., Derosa, J., Chalkley, M.J. et al. Tandem electrocatalytic N₂ fixation via proton-coupled electron transfer. Nature 609, 71–76 (2022)

DOI: 10.1038/s41586-022-05011-6

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05011-6

2. Nature：能够机械驱动的集成电路材料

目前人们将设计具有自主功能的工程材料的方法用于设计智能材料，从而实现了对环境刺激和功能有反应的人工智能材料。为了实现这种工程活性材料，研究者在软物质中引入传感和致动功能。但是，目前人们在使用新型技术构建自主功能的工程材料关键的信息处理单元时，面临着非常有限的信息计算能力。有鉴于此，宾夕法尼亚州立大学Ryan L. Harne等报道研究为了能够在软件中能够对软材料、电机械材料进行各种不同的逻辑运算进行结合，研究布尔数学运算（Boolean mathematics）与控制运动电路（kinematically reconfigurable electrical circuit）之间的关系，并建立了一套框架结构能通过Quine–McCluskey方法能够将逻辑运算结合所需要使用的正则函数数量减至最少，从而能够控制软材料中集成电路交换网络的机械结构设计。

本文要点：

1）构建的机械集成电路材料能够实现高水平的运算、比较数字、将二进制数据解码为可视的表示结果。简化了两种方法，能够基于正则布尔函数和单个栅极门控开关组件进行自动化设计。同时，通过单片逐层设计的方式提升了材料计算量的密度。

El Helou, C., Grossmann, B., Tabor, C.E. et al. Mechanical integrated circuit materials. Nature 608, 699–703 (2022)

DOI: 10.1038/s41586-022-05004-5

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05004-5

3. Nature Materials：异质结的铁电态引发电压放大效应

人们发现铁电材料在合适的电场条件中表现为负向电容效应。当铁电材料为异质结，并且异质结材料的其中一端电压表现出比另一侧材料更高，这种现象能够形成显著的电压放大效应，并且可能用于搭建低功耗电子学器件。但是，目前的相关研究主要是验证这种现象，如何优化和改善这种效应的相关研究非常罕见。有鉴于此，卢森堡科学技术研究所 (LIST) Jorge Íñiguez等报道发展了一种铁电/介电异质结材料的简单模型，研究了如何在PbTiO₃/SrTiO₃异质结中得到巨大电压放大效应。

本文要点：

1）通过发展的异质结模型，研究了其中铁电层负介电常数与介电材料的电压放大效应之间的关系，并通过这种理论模型研究PbTiO₃/SrTiO₃异质结超晶格体系，揭示影响这种电压放大效应的因素。特别的，当接近“初始铁电体”状态能够获得这种电压放大效应（电压放大达到10倍）。

Graf, M., Aramberri, H., Zubko, P. et al. Giant voltage amplification from electrostatically induced incipient ferroelectric states. Nat. Mater. (2022)

DOI: 10.1038/s41563-022-01332-z

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01332-z

4. Nature Energy：CoO_x(OH)_y纳米粒子OER电催化机理

电解分解水反应是实现具有非排放CO₂制氢技术的关键，但是目前人们对阳极产氧电催化剂在OER反应过程中的界面结构变化情况并不十分清楚，这严重阻碍了催化剂的优化。有鉴于此，弗里茨·哈伯研究所Beatriz Roldan Cuenya、Arno Bergmann等报道通过Operando XAS光谱以及DFT计算，通过对精度达到1 nm的CoO_x(OH)_y纳米粒子在OER电催化反应过程中的结构变化情况实现定量研究。

本文要点：

1）通过研究发现OER反应过程中，催化剂表面的Co-O化学键收缩效应，是导致小于粒径5 nm的CoO_x(OH)_y纳米粒子产生优异电催化活性的原因。发现催化剂纳米粒子表面的Co³⁺O₆结构发生氧化电荷累积，并且导致电子重新分布，主要的表面端基基团是氧自由基（oxyl radical）。

2）本文研究结果与人们普遍认为的高价态金属离子用于OER电催化反应的看法不同，展示了Operando光谱表征技术对于研究含氧催化剂的机理非常有用。

Haase, F.T., Bergmann, A., Jones, T.E. et al. Size effects and active state formation of cobalt oxide nanoparticles during the oxygen evolution reaction. Nat Energy 7, 765–773 (2022)

DOI: 10.1038/s41560-022-01083-w

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01083-w

5. Nature Commun.：双中心铜配合物中分子构型和铜配位的调控用于电催化CO₂还原生成醇类化合物

电催化二氧化碳（CO₂）还原制取具有较高经济价值的醇为实现CO₂资源化利用提供了一条很有前途的途径。近日，苏州大学彭扬教授，邓昭教授，阿德莱德大学Yan Jiao选择了三种基于不同空间构型和配位构型的双中心铜配合物模型催化剂，揭示了它们在催化CO₂电化学还原反应中的结构-性质-性能关系。

本文要点：

1）结果表明，分子内张力和配位不对称性越高的配合物，其电化学稳定性越低，从而表现出较高的Cu中心活性，在电解过程中，这些Cu中心可以被还原，形成带有部分还原或碎裂的配体的Cu团簇。

2）研究人员证明了Cu原子簇和部分还原的含氧己烷配体的杂化结构在将CO₂转化为醇中具有高法拉第效率，最高可达32.5%的乙醇和18.3%的正丙醇的法拉第效率。

3）更重要的是，研究人员揭示了无机相和有机相之间的相互作用以协同生产醇，其中的中间体通过有限的空间稳定以提供额外的 O-Cu 键合。

本研究强调了利用结构依赖性电化学特性来引导 CO₂还原途径，以及通过构建有机/无机 Cu 杂化物来靶向醇合成的潜在通用策略。

Yang, B., Chen, L., Xue, S. et al. Electrocatalytic CO₂ reduction to alcohols by modulating the molecular geometry and Cu coordination in bicentric copper complexes. Nat Commun 13, 5122 (2022).

DOI：10.1038/s41467-022-32740-z

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32740-z

6. Nature Commun.：智能低界面韧性涂层用于按需除冰而不融化

结冰会在重要行业造成问题，在过去几十年里，人们已经通过被动或主动除冰系统解决了这一问题。近日，不列颠哥伦比亚大学Kevin Golovin，Mohammad H. Zarifi提出了一种智能的混合(被动和主动)除冰系统，通过结合低界面韧性涂层、印刷电路板加热器和结冰探测微波传感器来实现。

本文要点：

1）涂层与冰的界面韧性是温度相关的，可以使用嵌入式加热器进行调节。因此，在不熔化界面的情况下实现了除冰。与全覆盖加热器系统相比，低界面韧性涂层和周期性加热器的协同组合可产生更大的除冰功率密度。此外，混合除冰系统还表现出对反复结冰/除冰、机械磨损、室外暴露和化学污染的耐用性。

2）此外，研究人员还设计和实现了一种非接触式平面微波谐振器传感器，可在涂层下工作时精确地检测表面上的温度和温度，从而进一步提高系统的效率。智能涂层的可伸缩性使用大型(高达1米)的结冰接口进行了演示。

总体而言，所设计的智能混合动力系统提供了一种除冰模式的转变，可以有效地使表面不结冰，而不需要昂贵的界面融化。

Azimi Dijvejin, Z., Jain, M.C., Kozak, R. et al. Smart low interfacial toughness coatings for on-demand de-icing without melting. Nat Commun 13, 5119 (2022).

10.1038/s41467-022-32852-6

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32852-6

7. EES：设计无氟电解质通过SEI改性获得稳定的钠金属负极和高功率海水电池

随着电动汽车日益增长的需求，锂离子电池（LIBs）生产已成为核心产业。然而，尽管研究人员做出了大量努力，LIBs的能量密度（~250 Wh kg^-1）的提高一直进展缓慢，并已达到理论极限。此外，由于地壳中锂的比例较低（20 ppm）以及资源分配的不平衡，关于LIBs的可持续性尚不清楚。在这种情况下，钠金属电池（SMB）成为新兴的候选者，Na在地壳(2%)和海水中储量丰富。此外，由于钠金属负极(SMA)的理论容量超过了目前报道的钠离子电池(SIB)中的负极，SMB具有潜在的高能量密度。由于钠的高活性，金属钠与电解液发生化学和电化学反应，电解液作为分解产物形成不均匀的SEI层。

近日，韩国科学技术院Jinwoo Lee，浦项科技大学Changshin Jo基于最近对NaHSEI层的认识，设计了一种新型的无F、1 M NaBH₄/乙醚(glyme)电解质（记为NaBH₄/DEGDME和NaBH₄/TEGDME）。

本文要点：

1）在对照实验中，研究人员使用分别应用于SIB和SWBs 的EC/PC中的1M NaClO₄+5wt%FEC和TEGDME中的1M NaOTf（记为NaClO₄ EC/PC+5wt%FEC和NaOTf/TEGDME）作为参考电解质。

2）正如预期的那样，NaH主要由1M NaBH₄/glyme电解液在SEI层中形成，恒流循环后的TOF-SIMS深度剖析证实了这一点。与之形成鲜明对比的是，氟基参考电解液形成的NaF比NaH多得多。研究人员进一步阐明NaH的形成是由钠的天然氧化层与NaBH₄之间的化学反应引起的。NaBH₄导致的自然氧化层的部分还原导致了“SEI重建”，导致NaH的形成，这在热力学上是有利的。

Jinuk Kim, et al, Designing Fluorine-Free Electrolytes for Stable Sodium Metal Anodes and High-Power Seawater Batteries via SEI reconstruction, Energy Environ. Sci., 2022

DOI: 10.1039/D2EE01295B

https://doi.org/10.1039/D2EE01295B

8. EES：高效稳定的无Ru催化剂用于氨分解制氢：接近450 °C时的完全转换

氢(H₂)是一种潜在的零碳、高能量密度的燃料，可以用来发电和清洁能源，而不是使用化石燃料。氨(NH₃)是一种很有前途的氢气(17.7%)载体，可以很容易地克服其储存和运输方面的缺点。热催化氨分解反应(ADR)是获得清洁氢气的一种有效方法，但依赖于昂贵的稀有Ru基催化剂的使用，这无疑是不可持续和经济可行的。

基于此，纽约州立大学布法罗分校武刚教授，Eleni A. Kyriakidou ，南伊利诺伊大学Qingfeng Ge，布鲁克海文国家实验室Sooyeon Hwang报道了一种新的协同策略来设计一种异质结构的无Ru催化剂，该催化剂由均匀分散在MgO-CeO₂-SRO混合氧化物载体上的CoNi合金纳米颗粒组成，并进一步促进了钾的作用。

本文要点：

1）在空速为6000 mL h^-1 g_cat^-1和12000 mL h^-1g_cat^-1的条件下，K-CoNi合金-MgO-CeO₂-SRO催化剂在450 °C时的NH₃转化率分别为97.7%和87.50%。而在500 °C时，氢气的生成速率(57.75 mmol g_cat^-1 min^-1)已经与大多数已报道的Ru基催化剂相当。

2）进一步，研究人员在高压固定床反应器(5.0 bar，120 h)和膜反应器样机(1.5 bar，600 h，500 °C)中成功地证明了催化剂的稳定性。

3）通过高温原位XPS分析、程序升温脱附/还原和密度泛函理论（DFT）计算，阐明了可能的活性中心和性能增强机理。

这项工作强调了在活性金属纳米颗粒和氧化物载体之间构建最佳界面对于提高NH₃到H₂的转化效率和长期稳定性的重要性。

Hassina Tabassum, et al, Hydrogen Generation via Ammonia Decomposition on Highly Efficient and Stable Ru-free Catalysts: Approaching Complete Conversion at 450 °C, Energy Environ. Sci., 2022

DOI: 10.1039/D1EE03730G

https://doi.org/10.1039/D1EE03730G

9. AM：二维膜中限域的金属用于乙烯/乙烷分离的分子识别和筛选

具有纳米通道的膜在分子分离方面显示出巨大的潜力，但由于缺乏尺寸筛选性能和特定的亲和力，分离物理性质和动力学直径非常接近的分子(如乙烯/乙烷)仍然是一个巨大的挑战。近日，南京工业大学Gongping Liu报道了一种金属限制的二维(2D)亚纳米通道，通过分子识别和筛选成功地区分了乙烯和乙烷。

本文要点：

1）过渡金属阳离子与聚电解质阴离子配对，获得高解离活性，与乙烯形成可逆络合。同时，像差校正的透射电子显微镜观察到，尺寸为2 nm的金属均匀地限制在平均高度为0.44 nm的GO层间通道中，从而使尺寸筛选效应与分子对乙烯的识别能力相配合，刺激了乙烷对乙烯的选择性传输。得到的超薄(~60 nm)膜表现出远远超出聚合物上限的优异的乙烯/乙烷分离性能。

2）密度泛函理论(DFT)和分子动力学模拟表明，金属@2D层间通道为选择性气体传输提供了分子识别途径。因此，这种被限制在二维通道中的金属具有分子识别和筛选特性，在单原子催化、传感器和能量转换等相关领域具有广泛的应用前景。

Long Cheng, et al, Metal Confined in Two-dimensional Membranes for Molecular Recognition and Sieving towards Ethylene/ethane Separation, Adv. Mater. 2022

DOI: 10.1002/adma.202206349

https://doi.org/10.1002/adma.202206349

10. AEM：准固态锂硫电池锂负极添加剂调节演化的直接跟踪

锂(Li)负极面临的复杂问题阻碍了准固态锂硫电池（QSSLS）的实际应用。然而，关于界面过程和反应机理仍然含糊不清。近日，中科院化学研究所文锐研究员采用多尺度和多光谱技术对凝胶聚合物电解质(GPE)制备的准固态锂硫电池(QSSLS)中锂负极的形态演化和动态过程进行了原位研究。

本文要点：

1）研究发现，绝缘Li₂S₂/Li₂S的堆积和Li枝晶的穿透共同恶化了Li负极/GPE界面。在添加LiNO₃的GPE中，Li金属首先在开路电位(OCP)下与LiNO₃反应生成以LiNO₂为主的疏松纳米颗粒(NPs)。当LiPS在放电时扩散到Li阳极时，LiNO₃和LiPS的协同作用导致了由LiNO₂和Li₂SO₄组成的致密NPs层。

2）充电后均匀沉积的锂球在后续放电过程中进一步表现出良好的溶解性。此外，原位拉曼光谱(RS)揭示了LiPSs穿梭在添加LiNO₃的GPE中具有相当大的可逆性。结果表明，LiNO₃的加入可以利用可溶LiPS沉淀出致密的SEI膜来保护Li负极，有助于改善界面离子传递，提高容量性能。

了解锂负极失效机理和添加剂对锂负极的调节机理，对于指导实际QSSLS电池的锂负极保护和性能提升具有重要意义。

Gui-Xian Liu, et al, Direct Tracking of Additive-Regulated Evolution on the Lithium Anode in Quasi-Solid-State Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Energy Mater. 2022

DOI: 10.1002/aenm.202201411

https://doi.org/10.1002/aenm.202201411

11. ACS Nano：三元低共熔电解质的竞争性溶剂化定制电极/电解质界面助力锂金属电池

开发具有高安全性、高离子电导率和抑制锂枝晶生长能力的电解质对于制造高能量密度锂金属电池至关重要。近日，哈尔滨工业大学Lijie Ci，哈尔滨工业大学(深圳)Mingyu Li，Jiaheng Zhang用LiTFSI（TFSI =双(三氟甲磺酰基)酰亚胺）、丁内酰胺（BL）和丁二腈（SN）设计了一种三元共晶电解质。这种电解质表现出高离子电导率、不易燃性和宽电化学窗口。

本文要点：

1）研究发现，SN、BL和Li⁺之间的竞争性溶剂化效应降低了低共熔电解质的粘度并提高了其稳定性。BL对Li⁺的优先配位有利于形成稳定的固体电解质界面膜，导致均匀和无枝晶的Li电镀。

2）采用这种三元低共熔电解质的LiFePO₄/Li电池在2 C下循环500次后，容量保持率高达90%，平均库仑效率为99.8%。此外，基于改性三元共晶电解质的富镍LiNi_0.8Co_0.1Al_0.1O₂/Li和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/Li电池具有优异的循环性能。

这项研究为了解和设计更好的锂金属电池和类似的钠/钾金属电池电解质提供了见解。

Wanbao Wu, et al, A Competitive Solvation of Ternary Eutectic Electrolytes Tailoring the Electrode/Electrolyte Interphase for Lithium Metal Batteries, ACS Nano, 2022

DOI: 10.1021/acsnano.2c05016

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05016

12. ACS Nano：揭示可在在宽pH范围内高效电解水的硫化铜和硒化钼之间pn结的空间电荷效应

空间电荷转移对于高效的电催化过程至关重要，特别是对于窄带隙金属硫化物/硒化物。近日，安徽师范大学张小俊教授设计并合成了一种核壳结构，这是一种超薄的MoSe₂纳米片包覆的CuS中空纳米盒（CuS@MoSe₂）,以形成开放的p-n结结构。

本文要点：

1）p-n结区的空间电荷效应将极大地改善电子的质量传递和传导，并且具有丰富的活性界面。它被用作一种双功能电催化剂，用于在较宽的pH范围内电解水。在电流密度为10 mA cm^-2的酸性pH条件下，用于HER和OER的过电位分别低至49和236 mV。在碱性pH条件下，用于HER为72 mV，用于OER为219 mV。在中性条件下，用于HER为62 mV，用于OER为230mV（10mA cm^-2）。

2）实验结果和密度泛函理论计算证明，所设计和合成的CuS@ MoSe₂中的p-n结有一个具有协同效应的强空间电荷区。内置场可以促进电催化过程中的电子传输，并可以稳定pn结的带电活性中心。这将有利于提高电催化性能。

这项工作提供了半导体异质结应用的理解和调节活性位点的电子结构。

Mingzheng Gu, et al, Deciphering the Space Charge Effect of the p−n Junction between Copper Sulfides and Molybdenum Selenides for Efficient Water Electrolysis in a Wide pH Range, ACS Nano, 2022

DOI: 10.1021/acsnano.2c07255

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07255