1. Sci. Adv.：一种固固金属转换电化学方法实现可持续水系电池中91%的锌利用率

在重复的固-液（Solid-to-Liquid，StoL）电镀和液-固（Liquid-to-Solid，LtoS）剥离过程中，金属离子（Mⁿ⁺）的扩散限制聚集（Diffusion-Limited Aggregation，DLA）加剧了金属阳极的致命枝晶生长。鉴于此，复旦大学晁栋梁教授等报道了一种新的固-固（Solid-to-Solid，StoS）转化电化学，以抑制枝晶并提高金属的利用率。

本文要点：

1）这项工作不依赖传统的StoL金属阳极，而是使用难溶的金属碳酸盐和独特的StoS转化反应来构建不含枝晶的水系电池。这种新的电化学可以抑制DLA效应，因为在电极和电解液之间的阴离子传输优先，而不是阳离子的长距离扩散，并具有长周期稳定性。具体来说，在放电过程中，难溶碳酸盐原位还原为金属，而在充电过程中，金属与电解液中可用的CO₃^2-和OH⁻发生反应成核，形成xM_n/2CO₃·yM(OH)_n晶体，与金属颗粒相邻，而不是Mⁿ⁺扩散到电解液中造成浓度差。

2）得益于这一新设计，难溶碳酸盐2ZnCO₃·3Zn(OH)₂可在95.7%的利用率下进行充放电，且在3500次循环中无枝晶生长。基于这种新阳极设计的全水系锌镍电池具有91.3%的高锌利用率和270 Wh·kg⁻¹的能量密度，以及超过2000次的长循环寿命。最后基于这种新颖的设计，商业级1-Ah原型软包电池（prototype pouch cell）的能量密度为135 Wh·kg⁻¹，500次循环后容量保持率为90%。

Z. Hou, A solid-to-solid metallic conversion electrochemistry toward 91% zinc utilization for sustainable aqueous batteries, Science Advances 2022, 8, eabp8960.

DOI: 10.1126/sciadv.abp8960

https://doi.org/10.1126/sciadv.abp8960

2. Sci. Adv.: 单壁碳纳米管在催化剂上的生长模式

要理解单壁碳纳米管（SWCNT）的生长机制并实现选择性生长，需要深入了解催化剂的结构-功能关系。利用原位畸变校正的环境透射电子显微镜，北京大学李彦教授、北京科技大学王荣明教授揭示了催化剂的状态和结构对SWCNT生长模式的影响。

本文要点：

1) 通过汽-液-固工艺从熔融催化剂中生长的SWCNT通常具有与催化剂相似的直径，表明纳米管和催化剂之间的尺寸相关性。然而，通过气固-固-固工艺从固体催化剂中生长的SWCNT的直径始终小于催化剂，即它们的尺寸之间存在独立的关系。

2) 由具有独特原子排列的晶体Co₇W₆生长的SWCNT的直径分布是离散的。相反，从晶体钴中获得的纳米管是随机分散的。不同的生长模式与生长在金属间和单金属催化剂上的SWCNT的不同手性选择性有关。该发现将有助于合理设计手性可控SWCNT催化剂。

Yang Feng et.al Growth modes of single-walled carbon nanotubes on catalysts Sci. Adv. (2022)

DOI: 10.1126/sciadv.abq0794

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq0794

3. Sci. Adv.：解析酶催化机制的集合功能关系

数十年的结构-功能研究确立了目前对酶的广泛理解。然而，传统的结构模型是交换态的更广泛构象集合的快照。斯坦福大学Herschlag Daniel、Yabukarski Filip以酮类甾体异构酶（KSI）为例，证明了构象系统群对理解功能的必要性。

本文要点：

1) 与先前KSI低温x射线结构的比较表明，氧阴离子孔催化残留物的失调会产生有害的突变效应。然而，来自室温x射线结晶学的系综信息，结合功能研究，排除了这个模型。系综函数分析可以通过改变占据状态的概率（P效应）和改变每个状态的反应性（k效应）来反褶积效应。

2) 通过系综函数分析，作者揭示了活性中心内氧阴离子空穴氢键减弱和底物重新定位引起的功能效应。集成功能研究将在理解酶以及实现对酶催化和工程新酶的预测性理解发挥不可或缺的作用。

Yabukarski Filip et. Al. Ensemble-function relationships to dissect mechanisms of enzyme catalysis Sci.Adv. (2022)

DOI: 10.1126/sciadv.abn7738

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7738

4. Sci. Adv.：三维原子力显微镜对结晶纤维素-水界面的分子观测

纤维素是一种自然界中普遍存在的可再生生物结构聚合物，还是植物、细菌和膜的自然层次结构的基本增强成分。然而，在分子水平上对结晶纤维素表面的直接观察仍很困难。鉴于此，金泽大学Yurtsever Ayhan、Fukuma Takeshi使用原子力显微镜（AFM）和分子动力学（MD）模拟，对结晶纤维素-水分子界面进行了观测。

本文要点：

1) 该工作揭示了水中单个纤维素纳米晶（CNC）表面上纤维素链排列的分子细节。此外，作者使用3D AFM可视化了CNC表面附近水分子的三维（3D）局部排列。

2) AFM实验和MD模拟显示了各向异性的水结构，这由表面拓扑结构和暴露的化学成分决定。这些发现为科研工作者在分子水平上理解CNC和水之间的界面相互作用提供了重要依据。

Yurtsever Ayhan et. Al. Molecular insights on the crystalline cellulose-water interfaces via three-dimensional atomic force microscopy Science Advance (2022)

DOI: 10.1126/sciadv.abq0160

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq0160

5. Nature Commun.：用于CO₂电还原为CO的原子分散镍催化剂中衰减的金属-载体共轭

原子分散在碳基芳香族载体上的过渡金属是一类新兴的二氧化碳（CO₂）电还原催化剂。然而，通过d-π共轭，金属中心与碳载体的电子离域强烈地阻碍了活性金属中心的CO₂活化。近日，中南大学Min Liu，慕尼黑大学Emiliano Cortés通过引入氰基（-CN），成功减弱了嵌入在C₃N₄中的原子分散的Ni位点上的d-π共轭。

本文要点：

1）密度泛函理论计算表明，由于d-π共轭的减弱，Ni@C₃N₄-CN催化剂具有良好的电催化CO₂还原（CO₂RR）活性。理论预测结果得到了实验验证。Ni@C₃N4-CN在H型电池中表现出显著的CO₂RR性能，TOF为22,000 hour⁻¹，FE_CO超过了90%。值得注意的是，即使在低CO₂浓度下，Ni@C₃N₄-CN仍可实现超过90%的FE_CO。进一步用Ni@C₃N₄-CN组装的液流电池的电流密度达到−300 mA/cm²，FE_CO超过了90%，具有良好的工业化应用前景。

2）程序升温脱附(TPD)和电催化测试也证实了Ni@C₃N₄-CN上较完整的C₃N₄基质具有更好的CO₂活性。此外，原位光谱分析表明，氰基改性的SAC更有利于*COOH中间体的形成，这是加速CO₂RR的关键步骤之一。

Wang, Q., Liu, K., Hu, K. et al. Attenuating metal-substrate conjugation in atomically dispersed nickel catalysts for electroreduction of CO₂ to CO. Nat Commun 13, 6082 (2022).

DOI：10.1038/s41467-022-33692-0

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33692-0

6. JACS：二维铁电Rashba半导体的高通量逆设计

可控电子自旋是自旋电子学的长期目标。近日，中国科学院大学杨金龙院士、胡伟研究员进行了一个逆向设计来搜索2D铁电Rashba半导体，其自旋织构可以通过电场切换铁电极化而精确且容易地反转。

本文要点：

1) 作者利用拉什巴效应定义和铁电性的设计原理进行反向设计。根据使能设计原则从数据库中筛选材料后，确定了同时具有Rashba效应和铁电性的三种潜在结构类型，包括A₂P₂X₆型（空间群P31m）、ABP₂X₆类型（空间群P1）和AB型（空间组P3m1）。

2) 通过利用优化设计原理对三种类型的结构和材料筛选进行高通量密度泛函理论计算，作者发现14个AB单层是很有潜力的2D铁电Rashba半导体，因为它们在导带最小处具有纯Rashba效应，2D Rashba结构最薄，铁电极化可克服能量障碍。电可逆自旋织构使得铁电Rashba半导体有望成为下一代自旋电子学材料。

Chen Jiajia et.al High-Throughput Inverse Design for 2D Ferroelectric Rashba Semiconductors JACS (2022)

DOI: 10.1021/jacs.2c08827

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c08827

7. Chem：作为质子-电子双导体的2D共轭金属有机骨架

随着对高效能量存储和转换技术的需求增加，质子-电子双导体已经成为各种电化学应用中非常需要的组件，例如燃料电池、蓄电池和电催化剂。目前，金属有机骨架（MOFs）引起了人们对其电子或质子传导可能性的极大关注。近日，科罗拉多大学博尔德分校Jihye Park合成了一种具有质子/电子双电导的二维（2D）共轭MOF，即Zn-HHTP-H₂O（HHTP，六羟基三苯基）。

本文要点：

1）由于Zn的配位构型从四面体到八面体，研究人员选择了Zn(II)作为金属节点。与其他导电MOF中的四面体Zn(II)节点不同，合成产生了具有八面体Zn(II)节点的MOF，其具有面内HHTP和轴向H₂O配位。水充当弱配位配体，因此不仅增强亲水性以更好地传导质子，而且为功能分子提供后功能化位点。

2）所得的Zn-HHTP-H₂O在343 K和95%相对湿度下，显示出4.5×10^-2 S cm^-1的电导率，质子传导率为1.6×10^-5 S cm^-1。此外，与原始MOF相比，合成后功能化的具有脲的Zn-HHTP-H₂O将质子传导率提高了10倍，同时保持了相同数量级的电导率。

Choi et al., 2D conjugated metal-organic framework as a proton-electron dual conductor, Chem (2022)

DOI：10.1016/j.chempr.2022.09.016

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.09.016

8. Joule: LLZO原位成形薄锂阳极的空洞形成与再润湿分析

锂离子电池（LIB）在乘用车电气化中发挥了重要作用。然而，为了促进和加速向电动汽车的过渡，需要具有更高能量密度、更低成本和更高安全性的电池。锂金属因其高容量（2062 mAh cm^-3），远大于传统石墨基电极（760 mAh cm^-3），以及低电化学电位（与标准氢电极SHE相比，为3 V），被认为是负极的理想材料。从实验室规模的厚锂金属阳极（>500μm）到薄锂金属阳极的转变(∼10–30μm）锂阳极是成功实施锂金属固态电池（LMSSB）广泛应用的必经之路。然而，Li沿界面的机械变形取决于其厚度，因此急需了解薄Li层与固体电解质之间的界面力学特性。密歇根大学Dasgupta Neil P.、Sakamoto Jeff团队研究了Li₇La₃Zr₂O₁₂石榴石型固体电解质上原位镀Li形成的薄Li电极的剥离行为。

本文要点：

1) 作者证明，可用放电容量随着电流密度的降低和锂阳极厚度的增加而增加。两种不同的机制根据电流密度限制薄锂电极的剥离。

2) 剥离过程中的去湿Li/LLZO界面可以通过热处理重新建立。这种方法可以集成到未来的充电策略中，该结果为LMSSB的设计、实现和操作提供了新思路。

Lee Kiwoong et.al Analyzing void formation and rewetting of thin in situ-formed Li anodes on LLZO Joule (2022)

DOI: 10.1016/j.joule.2022.09.009

https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.09.009

9. Angew：将吩噻嗪组装到多孔配位笼中以提高其光催化有机转化效率

小分子的光催化通常受到催化剂降解和低电子转移效率的限制。近日，德州农工大学周宏才教授，俄勒冈大学Christopher H. Hendon报道了一种稳定的N-苯基吩噻嗪(PTH)衍生的多孔配位笼(PCC)作为高效光催化剂。

本文要点：

1）通过将光催化PTH部分结合到PCC中，聚集诱导的淬灭(AIQ)显示出减少。发现催化剂稳定性的改善归因于PTH部分的协同效应。

2）该催化剂通过光解单电子转移进行操作，用于光催化脱卤和硼化。对硼化反应中的催化机理的评估表明，性能的改善是由于电子给体-受体(EDA)与笼更有效地形成。

这一发现为通过超分子化学改善小分子有机光催化剂的光物理性质和稳定性提供了一种潜在的策略。

Hengyu Lin, et al, Assembling Phenothiazine into a Porous Coordination Cage to Improve Its Photocatalytic Efficiency for Organic Transformations, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

DOI: 10.1002/anie.202214055

https://doi.org/10.1002/anie.202214055

10. Angew：用于不对称Csp³-Csp³交叉电偶联的光激发酶

与传统的有机合成催化剂相比，酶有几个优点。在过去的二十年里，人们做出了许多努力来进一步扩大合成化学家可用的生物催化反应的范围，特别是通过扩大用于非生物转化的酶的谱系。在这方面，光生物催化领域令人振奋的新发展使得现在可以在酶中引入非自然反应性来解决长期存在的合成挑战。最近来自Hyster小组的研究以前所未有的方式展示了光化学和酶催化的结合如何使Csp³-Csp³键的催化不对称结构具有高的化学和对映选择性，格罗宁根制药研究所Sandy Schmidt对其进行了解读。

本文要点：

1）研究人员展示了一种全新的策略，通过光激发酶实现对映体会聚Csp³-Csp³成键反应。虽然该范围被证明适用于广泛的偶联体，但这一概念有望将进一步利用前所未有的化学和对映选择性sp³-sp³ XEC。由于这种反应性在小分子催化中是未知的，它通过探索光化学和蛋白质科学之间的界面，展示了实现非自然酶反应的力量。此外，这个研究进一步强调，酶反应范围越来越多地克服了以前的限制，从而解决了人们长期以来的合成挑战。

Sandy Schmidt, et al, Photoexcited Enzymes for Asymmetric Csp³-Csp³ Cross-Electrophile Couplings, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

DOI: 10.1002/anie.202214313

https://doi.org/10.1002/anie.202214313 

11. AEM：在低温热和太阳能加热条件下利用氨无碳化制氢

催化裂解NH₃制H₂是构建无碳H₂能源体系的基础之一，但需要具有高活性和低温耐用的NH₃裂解催化剂。虽然设计了各种非贵金属催化剂，但NH₃裂解仍然在相对较高的温度(600-850°C)下进行。日本国立材料研究所叶金花教授、河北大学Yaguang Li和广东省科学院新材料研究所Zhibo Zhang等通过理论计算预测，Ni单原子可以将Ni/N的键合模式由共价键转变为离子键，从而提高NH₃裂解活性。

本文要点：

1）作者采用溶胶-凝胶法合成了负载在CeO₂纳米片上的Ni单原子(SA Ni/CeO₂)，其在300℃下催化NH₃裂解的H₂生成速度为3.544 mmol g⁻¹ min⁻¹，优于所有非贵金属催化剂和大多数贵金属催化剂。

2）结合自制的太阳能加热装置，在SA Ni/CeO₂上进行一次太阳驱动的NH₃裂解，其H₂产率稳定在1.58 mmol g⁻¹ min⁻¹，是先进弱太阳能驱动NH₃裂解记录值的100倍，显示出在无碳H₂体系中的实际应用潜力。

Li, Y., Guan, Q., Huang, G., Yuan, D., Xie, F., Li, K., Zhang, Z., San, X., Ye, J., Low Temperature Thermal and Solar Heating Carbon-Free Hydrogen Production from Ammonia Using Nickel Single Atom Catalysts. Adv. Energy Mater. 2022, 2202459.

DOI: 10.1002/aenm.202202459

https://doi.org/10.1002/aenm.202202459

12. AFM: 单片集成灵活而坚固的液滴式发电机

开发从环境中获取能量的可靠技术对自给能电子产品的应用至关重要。而由电极和介电材料组成的具有晶体管启动结构的液滴式发电机具有从水中获得可持续能源的优异性能。但是不可避免的机械磨损、化学腐蚀以及电极和电介质材料的界面分离、器件的灵活性不足和性能不稳定等因素限制了它的发展。近日，香港城市大学王钻开、张超团队报道了一种简易的方法来搭建一种单片集成液滴式发电机（MI-DEG）装置。

本文要点：

1) 该装置具有高度的灵活性和强大的电气性能。MI-DEG设备如此灵活和坚固的关键在于它充分利用热熔策略，使设计的聚合物电极和介电材料无缝集成在一起。

2) 结果表明，MI-DEG在长期机械形变和磨损下表现出稳定的电输出，衰减可以忽略不计，并且在恶劣的腐蚀环境下保持了超过60%的初始电输出。该研究为灵活、稳健的发电机的合理设计提供了一条新思路，使其在实际应用中更进一步。

Wang, L., Li, W., Song, Y., Xu, W., Jin, Y., Zhang, C., Wang, Z., Monolithic Integrated Flexible Yet Robust Droplet-Based Electricity Generator. Adv. Funct. Mater. 2022, 2206705.

DOI: 10.1002/adfm.202206705

https://doi.org/10.1002/adfm.202206705