1. Nature Materials：单层α-RuCl3中结构对称断裂驱动的磁各向异性反转
Nature Materials：单层α-RuCl3中结构对称断裂驱动的磁各向异性反转具有层状结构的α-RuCl3是一种极具潜力的工程材料，有望实现构建具有分数激发的Kitaev量子自旋液体。然而，虽然现有研究在适度的面内磁场下，已经实现了这种分数激发的Kitaev量子自旋液体状态，但这种行为在很大程度上与仅在面外磁场中出现自旋液相的理论不相符。实际上，由于块状晶体的强易平面具有各向异性，因此，这些预测的场致状态其实在很大程度上是无法实现的。最近，来自加拿大滑铁卢大学量子计算研究所的Adam W. Tsen教授等人通过使用隧穿光谱、磁输运、电子衍射和理论计算相结合的方法，系统研究了原子薄样品中与层相关的磁振子、磁各向异性、结构和交换耦合等性质，为在真正意义上的二维极限中探索Kitaev物理学开辟了道路。1) 该研究对二维α-RuCl3的隧穿测量研究揭示了单层极限下的单磁振子和两磁振子模式的存在，以及3L α-RuCl3中的磁振子连续体；2) 研究者们发现由于微尺度发生畸变，单层α-RuCl3中平均非对角交换的符号发生变化，导致自旋各向异性逆转为易轴各向异性，同时Kitaev相互作用也随之增强。Yang, B., Goh, Y.M., Sung, S.H. et al. Magnetic anisotropy reversal driven by structural symmetry-breaking in monolayer α-RuCl3. Nat. Mater. (2022).DOI: 10.1038/s41563-022-01401-3https://doi.org/10.1038/s41563-022-01401-3
2. Angew：一种通过氯呼吸机制的高功率和能量密度超级电容器
超级电容器是一种重要的电能存储技术，具有高功率性能和优异的循环性能。然而，目前商业化的超级电容器仍然受到能量密度的限制。近日，华东理工大学李春忠教授，Long Chen，Cheng Lian，牛津大学Xiangwen Gao探索了一条提高超级电容器能量和功率密度的新途径，为未来的电化学储能器件提供了一个气体呼吸的概念。1）研究人员构建了一个呼吸式超级电容器，在饱和NaCl水溶液中充电/放电期间，氯气在多孔碳中反复吸入和呼出，从而提供高功率和能量密度。2）孔径约为3 nm的多壁碳纳米管表现出最佳的析氯和吸附性能。在充电/放电期间，氯析出的原位显微图像和微分电化学质谱(DEMS)曲线证明没有氯气从电极逸出。当孔径小于2 nm时，由于高形成能，很难放出和保持氯气。在MCNTs上呼吸的氯(CR- MCNTs)可以将比容量增加一个数量级，从4 mAh/g增加到10A/g时的39 mAh/g，甚至在55000次循环后仍保持98%的极高容量。Cl2/Cl在1.35 V时的高电位也显著提高了能量密度。3）CR-MCNTs/NaTi2(PO4)3超级电容器装置在257 C的速率下提供33 Wh/kg的能量密度(充电/放电14秒)，在30000次循环后容量损失可忽略不计。它还可以在2571 C的速率下提供50000 W/kg的极高功率密度，同时保持16 Wh/kg的能量密度。当使用锌负极时，能量密度可以进一步提高到53 Wh/kg。这些性能优于同类商用超级电容器和传统水系电池。Xiaotong Fan, et al, High Power- and Energy-density Supercapacitors through the Chlorine Respiration Mechanism, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202215342DOI: 10.1002/anie.202215342https://doi.org/10.1002/anie.202215342
3. Angew：碳化锆在镍锆催化剂上介导抗焦甲烷干重整
甲烷干重整（DRM）可以以理想的CH4 +CO2化学计量比将不利于气候的温室气体CH4 和CO2转化为富含CO的合成气。DRM的实际问题与由于水煤气变换平衡而导致的H2选择性的进一步损失有关，特别是在高压下，并且与不可逆的焦化现象有关，特别是在成本较低的镍基和钴基催化剂上。近日，因斯布鲁克大学Bernhard Klötzer报道了石墨沉积物反偏析到Ni0纳米粒子中，以提供恢复的CH4吸附位点和近表面/溶解的C原子，其迁移到Ni0/ZrO2界面并诱导局部ZrxCy形成。1）所得的缺氧碳化物相边界位置有助于动力学上增强的CO2向CO(g)的活化。2）这种界面碳化物机制实现了碳向ZrO2载体的增强溢出，并且代表了相对于Ni-CeZrxOy催化剂上的反向氧溢出的替代催化剂再生途径。因此，有望应用在具有有限氧储存/交换动力学但具有显著碳热还原性的载体上。Leander Haug, et al, Zirconium Carbide Mediates Coke-Resistant Methane Dry Reforming on Nickel-Zirconium Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202213249DOI: 10.1002/ange.202213249https://doi.org/10.1002/ange.202213249
4. Angew：共价有机框架中Salen金属分子催化剂的多相化助力光催化析氢
将分子催化剂和集光器集成到光催化剂中是太阳能光转换的有效策略。然而，建立一个有利于电荷分离和转移的组织良好的连接的结晶框架是具有挑战性的。近日，山东大学邓伟侨教授，Zhen Li通过共轭连接将分子催化剂整合到共价有机框架中，以构建具有更快电子转移的光催化剂。1）研究人员采用有效的析氢分子催化剂，Salen金属分子催化剂，作为构建模块来构建COFs （M/Zn-Salen-COF，其中M是Fe，Co，Ni）作为光催化剂。2）X射线吸收精细结构(XAFS)光谱证实了金属-N2O2的配位。通过在COFs的晶体框架中邻近光敏芘放置质子还原活性位点，通过荧光光谱和纳秒瞬态吸收光谱证明了电荷分离和转移。3）实验结果显示，由于用于析氢反应的低能垒，Co/Zn-Salen-COF表现出最好的析氢活性（1378 mol g-1 h-1）。这项工作证明了在各种COFs中多相化分子催化剂以构建原子高效光催化剂的可行性和潜在应用。Wei Zhou, et al, Heterogenization of Salen Metal Molecular Catalysts in Covalent Organic Frameworks for Photocatalytic Hydrogen Evolution, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202214143DOI: 10.1002/anie.202214143https://doi.org/10.1002/anie.202214143
5. Angew：赤铁矿光阳极上NH3氧化和H2O氧化的竞争性非自由基亲核攻击路径
光阳极上缓慢的H2O氧化动力学严重阻碍了光电化学（PEC）电池的整体太阳能转化效率。近日，中科院张玉超发现在接近中性pH（9-11）和中等外加电势（1.0-1.4 V）下，在赤铁矿（α-Fe2O3）光阳极上进行的氨氧化反应（AOR）光电流比H2O氧化反应增加了10-55倍 。1) 通过速率定律分析和操作光谱研究，证实了NH3分子对高价表面的Fe−O结构（例如FeIV=O）和Fe−N结构进行非自由基亲核攻击并且产生氮氧化物NOx−和N2。2) 通过克服H2O对表面FeIV=O的亲核攻击，有助于达到80 %以上的高AOR法拉第效率。该工作揭示了一种新的非自由基亲核攻击策略，该策略与传统的间接自由基介导的AOR机制显著不同，用于合理设计高性能AOR光电催化剂。Wu Lei et.al Competitive Non-Radical Nucleophilic Attack Pathways for NH3 Oxidation and H2O Oxidation on Hematite Photoanodes Angew. Chem. Int. Ed. 2022DOI: 10.1002/anie.202214580https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214580
6. Angew：近红外AIE探针用于阿尔茨海默病的体内诊疗
针对阿尔茨海默病(AD)的优化治疗策略目前仍是一项亟待解决的研究空白。用于预防β-淀粉样蛋白(Aβ)纤维化的探针和药物往往会由于对血脑屏障(BBB)的穿透性差和盲目干预的时间窗而失败。有鉴于此，香港中文大学（深圳）唐本忠院士、河南大学师冰洋教授和王杰菲副教授设计了一种疏-亲水性平衡的近红外聚集诱导发光(AIE)探针DNTPH，其能够选择性结合Aβ纤维，并实现具有高信噪比的活体成像。1）体内成像结果表明，DNTPH具有良好的血脑屏障通透性和长期示踪的能力，能够实现高性能的AD诊断。此外，DNTPH也能够有效抑制Aβ纤维化，和纤维拆卸，从而减弱Aβ诱导的神经毒性。2）研究表明，DNTPH治疗能够显著减少AD小鼠的Aβ斑块，进而缓解学习障碍。综上所述，该研究构建的DNTPH是首个针对于AD的体内AIE诊疗试剂，其能够同时实现对Aβ斑块的实时近红外成像和AD治疗。Tianfu Zhang. et al. Near-Infrared Aggregation-Induced Emission Luminogens for In Vivo Theranostics of Alzheimer’s Disease. Angewandte Chemie International Edition. 2022DOI: 10.1002/anie.202211550https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211550
7. Adv. Mater.：明亮圆偏振发光全无机组装体的合理设计
具有优异的圆偏振发光性能的材料在三维显示、防伪、传感、自旋电子学等领域有着重要的应用。尽管从传统的手性有机分子到新兴的手性无机纳米材料及其组装体，CPL的性质已经得到了广泛的研究，但发光效率(量子产率，ϕ)和发光不对称因子(glum)之间的权衡一直是所有手性发光材料的瓶颈，阻碍了它们的实际应用。国家纳米科学中心唐智勇研究员等报道了一种新的方法来克服这个悖论，通过合理地将量子纳米棒和超薄无机纳米线组装成有序的多层结构，实现了高ϕ和超晶格常数。1）作者采用定向排列的量子纳米棒作为光源，避免了光强损失，发射出高质量的线偏振光。在这个发光层的顶部，沉积了多层超薄无机纳米线(NWs),作为无机四分之一波片。与从具有固有双折射的大单晶切割的传统波片不同，作者基于溶液加工的无机纳米材料的自下而上的组装方法在制造中提供了超级灵活性。2）在这些组装结构中，对齐的量子纳米棒发射线偏振光，然后通过具有精确控制的相位延迟的对齐的超薄纳米线组件将该线偏振光转换为CPL。这种方法是通用的，很容易扩展到通用的一维纳米材料，为CPL活性材料的实际应用铺平了道路。Lv, J., Yang, X. and Tang, Z. (2022), Rational Design of all-inorganic Assemblies with Bright Circularly Polarized luminescence. Adv. Mater. 2209539.DOI: 10.1002/adma.202209539https://doi.org/10.1002/adma.202209539
8. AM：稳定的三层梯度锌负极
水基锌离子电池是一种非常理想的可持续储能材料，但锌枝晶的生长严重缩短了电池的循环寿命。近日，西北工业大学Cao Guan构建了一种集梯度电导率、亲锌性和孔隙率于一体的无枝晶锌负极三梯度电极。1）简单的机械轧制诱导三梯度设计有效地优化了锌负极中的电场分布、锌离子通量和锌沉积路径，从而协同实现了锌金属自下而上的沉积行为，并防止了短路从顶部枝晶生长。2）结果表明，具有三个梯度的电极具有35 mV的低过电位，在5 mA cm-2/2.5 mAh cm-2下稳定工作400 h，在10 mA cm-2/1mAhcm-2下稳定工作250 h，远远超过无梯度、单梯度和双梯度电极。3）采用三次梯度法制作的材料和结构具有良好的可调性，将给高性能储能器件带来新的启示。Yong Gao, et al, Stable Zn Anodes with Triple Gradients, Adv. Mater., 2022DOI: 10.1002/adma.202207573https://doi.org/10.1002/adma.202207573
9. AM：锂离子电池正极材料的超快速非平衡合成
正极材料的合成在决定锂离子电池的生产效率、成本和性能方面起着重要的作用。然而，传统的合成方法总是经历缓慢的加热速率，并且涉及复杂的多步反应过程和缓慢的反应动力学，导致高能量和长时间消耗。天津大学陈亚楠等报道了一种在几秒钟内超快速合成阴极材料的高温冲击(HTS)策略。1）HTS工艺经历超高的加热速率，导致非平衡反应和快速反应动力学，并避免高能量和长时间消耗。与需要长时间热处理和多步反应的传统合成方法相比，HTS的非平衡特性使一步反应在几秒钟内合成阴极材料成为可能。此外，非平衡过程倾向于引入氧空位并形成小晶粒，这有利于增强电化学性能。2）主流阴极材料(如LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4和富锂层状氧化物/NiO异质结构材料)成功合成，具有纯相、氧空位、超小颗粒尺寸和良好的电化学性能。高温合成工艺不仅为阴极材料提供了一种有效的合成方法，而且还可以扩展到锂离子电池之外。Zhu, W., et al, Ultra-fast non-equilibrium synthesis of cathode materials for Li-ion batteries. Adv. Mater. 2208974.DOI: 10.1002/adma.202208974https://doi.org/10.1002/adma.202208974
10. AM：基于光刻的可生物降解柔性和可拉伸传感器的微制造
目前，已经建立了基于以柔性和可拉伸形式将导电层与聚合物材料集成的生物可降解传感器。然而，与通过批量兼容的微制造工艺制造的硅基器件相比，缺乏通用的微制造方法导致大尺寸、低空间密度和低器件成品率。土耳其Koç大学Levent Beker等提出了一种批量制造兼容的基于光刻的微制造方法，用于在柔性和可拉伸的基底上制造可生物降解和高度小型化的基本传感器元件。1）作者在1 cm2的占地面积内制造了多达1600个设备，然后在柔性和可拉伸的基板上展示了各种可生物降解的无源电子元件、机械传感器和化学传感器的功能。结果具有高度的可重复性和一致性，证明了所提出的方法的高器件成品率和高密度潜力。这种简单、创新和稳健的制造方法允许对具有不同性质的各种生物可降解材料的适用性进行完全自由的选择，以满足感兴趣的独特应用。2）作者的工艺提供了一条路线，利用标准的微制造程序来大规模制造高度小型化、柔性和可拉伸的瞬态传感器和电子器件。Bathaei, M.J., et al, Photolithography-Based Microfabrication of Biodegradable Flexible and Stretchable Sensors. Adv. Mater. 2207081.DOI: 10.1002/adma.202207081https://doi.org/10.1002/adma.20220708111. AEM：钾离子电池层状过渡金属氧化物阴极精细结构优化研究进展由于钾元素丰富且理论输出电压高，钾离子电池(PIBs)在推动电网储能发展的背景下吸引了大量的研究兴趣。PIBs面临的主要挑战是找到具有快速传输动力学和稳定框架结构的合适阴极材料来嵌入/脱嵌大尺寸K+。在这些候选物中，过渡金属层状氧化物由于其稳定的骨架结构、简单的合成化学和高的工作潜力而具有优异的潜力并被广泛开发。武汉理工大学麦立强教授和Xuanpeng Wang等综述了层状过渡金属氧化物阴极的研究现状和发展前景，重点介绍了精细结构优化工程和储能机理。1）作者总结了PIBs中层状过渡金属氧化物阴极的研究进展和前景，首先介绍其分类、优势和挑战，然后详细介绍精细结构优化和储能机制以及它们的晶体结构、相组成、结构表征分析和电化学性质。此外，作者还将详细介绍PIBs的高级表征技术。最后，作者对未来PIBs领域的主要研究方向和热点进行了展望。2）总的来说，这篇综述提供了先进PIB新型层状氧化物阴极设计的见解和观点。Wang, X., et al, Advances in Fine Structure Optimizations of Layered Transition-Metal Oxide Cathodes for Potassium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2022, 2202861.DOI: 10.1002/aenm.202202861https://doi.org/10.1002/aenm.202202861
12. ACS Nano：用于电催化的自支撑金属有机框架纳米阵列
在可再生能源储存和转化技术的大规模商业应用中，用于替代粉末催化剂的自支撑替代物对催化各种电化学反应极其重要。具有金属有机框架（MOF）结构的纳米阵列具有可调的成分组成、明确的结构、丰富的活性位点、有效的质量和电子传输等特点，使得它们能够在多种电化学反应中表现出优异的电催化性能。近日，南方科技大学徐强院士、Xiao Xin综述研究了用于电催化的自支撑金属有机框架纳米阵列。1) 本文综述了开发基于MOF的电催化纳米阵列的最新研究进展。首先强调了MOF基纳米阵列的结构特征和电催化优势，然后详细总结了MOF基纳米阵列设计和合成策略，然后描述了它们在各种电催化反应中的应用的最新进展。 2) 最后，讨论了挑战和前景，进一步探索MOF基纳米阵列将促进电化学能量转换技术的发展。Li Fayan, et al. Self-Supporting Metal-Organic Framework-Based Nanoarrays for Electrocatalysis. ACS Nano 2022DOI: 10.1021/acsnano.2c09396https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c09396
