1. Nature Commun.：用于可调谐气体分离的快速光开关聚合物氮化碳薄膜
可切换气体分离膜是调节气体传输特性的有趣系统。然而，现有的刺激响应型气体分离膜要么响应时间非常慢，要么需要高能量输入才能发生切换。近日，弗里堡大学Ali Coskun，马克斯·普朗克胶体和界面研究所Markus Antonietti介绍了以三聚氰胺为前驱体，采用化学气相沉积法在多孔载体上原位沉积聚碳氮化碳(PCN)制备的具有快速响应时间的光开关聚碳氮化碳气体分离膜。1）系统分析表明，光照射下的气体输运行为完全由渗透气体的极化率及其与带电PCN表面的相互作用决定，并且可以很容易地通过控制光的功率和/或照射的时间来调节。2）研究人员还证明，在光照射下，具有较高极化率的气体(如CO2)可以有效地从低极化率的气体(如H2和He)中分离出来，气体/CO2的选择性提高了22%以上。3）此外，该膜具有较快的响应时间(<1s)，并且可以在550 nm处用单一光源开启和关闭。Ashirov, T., Siena, J.S., Zhang, M. et al. Fast light-switchable polymeric carbon nitride membranes for tunable gas separation. Nat Commun 13, 7299 (2022).DOI：10.1038/s41467-022-35013-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-022-35013-x
2. NSR：六电子氧化还原介晶NiS2活化硫氧化反应助力硫基水系电池
硫基水系电池（SABs）被认为是安全、低成本和高容量储能的有前途的候选电池。然而，尽管它们具有高理论容量，但由于元素硫的热力学和动力学问题，实现高可逆性能仍然是一个巨大的挑战。近日，复旦大学赵东元院士，晁栋梁通过高度可逆的6e-硫氧化还原电化学实现了SOR过程的活化。1）通过精细的介晶NiS2（M-NiS2）确定了热力学上可行的S ⟷ NiS2 ⟷ NiS +Cu2S 的6e−全固态反应路径反应路线，有效地避免了H2S和O2的逃逸、多硫化物的氧化还原穿梭和寄生反应。通过M-NiS2中间体在单质硫形成过程中的动力学可行性和热力学稳定性，最终可以提高SOR效率。2）实验结果显示，M-NiS2电极达到了前所未有的96.0%的SOR，提高了整体的电化学性能，即在12 A g−1下的倍率容量为932 mAh g−1，在20 A g−1下的长期倍率稳定性为2000次。3）作为概念验证，M-NiS2||Zn杂化水电池表现出722.4 WH kgcath−1的出色的比能量密度和0.13 V的低极化。Zhoudong Yang, et al, Activating sulfur oxidation reaction via six-electron-redox mesocrystal NiS2 for sulfur-based aqueous battery, NSR, 2022DOI: 10.1093/nsr/nwac268/6847168https://academic.oup.com/nsr/advancearticle/doi/10.1093/nsr/nwac268/6847168
3. NSR：具有超高系统体积性能和面输出电压的单片集成微型超级电容器
单片集成微型超级电容器（MIMSC）具有高的系统性能和单元数密度，对于支持物联网的小型化电子产品具有重要意义。然而，考虑到材料选择、电解液限制、微制造和器件性能一致性等关键因素，在极小的空间内制造可定制的MIMSC仍然是一个巨大的挑战。近日，中科院大连化物所吴忠帅研究员，Yao Lu，中国科学院深圳先进技术研究成会明院士开发了一种通用的大产量微制造策略，通过结合多步骤光刻图案化、MXene微电极喷印和凝胶电解质的可控三维(3D)打印来解决所有这些问题。1）研究人员通过利用用于微电极沉积的高分辨率微图案化技术和用于精确电解液沉积的3D打印技术，实现了近距离电化学隔离的微型超级电容器的单片集成。2）值得注意的是，所获得的MIMSC显示出28 cells cm-2的高面数密度(3.5×3.5 cm2上有340个单元)，创纪录的75.6 V cm-2的面输出电压，可接受的系统体积能量密度为9.8 MWh cm-3，在162 V的极高输出电压下，4000次循环后保持了92%的空前高的电容保持率。这项工作为为未来微电子提供动力的单片集成和微型储能组件铺平了道路。Sen Wang, et al, Monolithic integrated micro-supercapacitors with ultrahigh systemic volumetric performance and areal output voltage, NSR, 2022DOI: 10.1093/nsr/nwac271/6847747https://academic.oup.com/nsr/advancearticle/doi/10.1093/nsr/nwac271/6847747
4. AM：面向复杂三维微结构的预打印水凝胶支架的受控干燥
增材制造(AM)是制造各种具有独特和可编程功能的三维(3D)结构的关键。直接墨水书写是广泛使用的AM技术之一，具有许多可打印的材料。然而，基于挤压的方法受到低制造分辨率的限制，其局限于印刷宏观结构。中国科学技术大学俞书宏院士和Huai-Ling Gao等报告了一种新的AM策略，使用低成本的挤压3D打印机，通过预打印水凝胶支架的受控干燥，然后填充目标组件，在宏观水平上创建3D微结构。1）高含水量的可打印水凝胶可确保打印支架的最大收缩率(体积的99.5%)以实现高分辨率。稳定的共价交联和合适的干燥速率能够使支架均匀收缩，以保持其原始结构。2）特别是，这种方法可以适用于生产基于液态金属的3D电路和基于纳米复合材料的微型机器人，表明其能够从不同的材料系统制造具有微米级分辨率的功能性和复杂的3D结构。Cui, C., et al, Controlled Desiccation of Preprinted Hydrogel Scaffolds Toward Complex 3D Microarchitectures. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2207388.DOI: 10.1002/adma.202207388https://doi.org/10.1002/adma.202207388
5. AM：一类由完全互溶组分构成的新型团簇-基体纳米复合材料
纳米复合材料由两个或多个相组成，其中至少一个相具有纳米尺度，由于其结构性质和功能的多种可能性，在材料科学中发挥着独特的作用。除了控制纳米相的尺寸、尺寸分布和体积分数的挑战之外，热力学稳定性条件限制了组成材料的选择。近日，卡尔斯鲁厄理工学院Iankevich Gleb报道了一种超越这一限制的材料，显示了从双金属体系获得纳米复合材料的可能性，这种双金属体系在平衡条件下表现出完全的混溶性。1）研究人员使用新型团簇离子束沉积系统，通过2000个原子的Ni团簇和Cu原子的原子流的共沉积，合成了一系列具有不同组成的纳米复合材料样品。2）研究人员通过原子探针断层扫描(APT)、磁力测量和磁输运研究确定了亚稳态纳米结构。APT证实了100at.% Ni纳米区域的存在。此外，磁力计和磁输运研究揭示了超顺磁性行为和磁阻源于嵌入在铜基体中的单畴铁磁性Ni团簇。3）本质上，纳米复合材料的磁性能可以通过精确控制Ni浓度来定制。研究结果为完全互溶元素组成的纳米复合材料的未来研究提供了一个有希望的方向。Iankevich Gleb, et al, A new class of cluster-matrix nanocomposite made of fully miscible components, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202208774https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208774
6. AM：具有可调负热膨胀的轻质三维石墨烯超材料
超材料的概念被认为是一种新的方法，它通过在多个尺度上人工设计结构来克服物理性质之间的排他性响应，而不仅仅是新的成分组成或化学修饰。近日，兰州大学Qiangqiang Zhang提出了一种具有可调负热膨胀（NTE）行为的三维石墨烯超材料（GM），在正交双温度梯度的操纵下，通过双曲线取向的冻结过程来制备GM。1）由于石墨烯固有的褶皱形态和超大的长宽比，石墨烯的面内恢复力远高于面外。作为构建三维GM的基本组装单元，通过分子模拟和原位扫描电子显微镜实验观察，验证了石墨烯薄片的表观热致收缩变形。2）在多尺度结构设计的基础上，除了二维石墨烯薄片外，NTE效应在微观尺度上的反常响应有效地扩展到了3D GM的介观收缩。3D GM的热膨胀系数从(−7.5±0.65)×10−6 K−1到(−0.8±0.25)×10−6 K−1可以进一步优化，这是由于其在多个尺度上的结构特征发生了变化，包括微尺度褶皱、介观孔形状和大尺度取向。3）在循环加载过程中，单独的机械压缩不可避免地在微观结构中产生明显的微裂纹，最大强度有所下降。与其他基于石墨烯的材料相比，由于机械压缩产生的热致应变降低，双曲线再入三维GM在热力耦合条件下具有更大的压痕阻力和剪切模量，更韧性的结构，更持久的疲劳稳定性，以及更高的热应力/裂纹抗力。Peng He, et al, Lightweight 3D graphene metamaterials with tunable negative thermal expansion, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202208562https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208562
7. AM：用于触觉感知的可穿戴摩擦电视觉传感器
具有可见光反馈功能的触觉传感器，如可穿戴显示器和电子皮肤和生物医学设备，在各个领域变得越来越重要。然而，现有方法由于其有限的光映射性能和不充分的可移植性，不能满足强度反馈和扩展交叉的触觉感知的应用需求。近日，广西大学Shuangxi Nie提出了一种可自由构建的自供电视觉触觉传感器，它由一个高输出摩擦纳米发电机（TENG）和一个视觉光源组成。1）通过摩擦电材料和器件的结构设计，TENG的转移电荷增强到746 nC，可以轻松驱动光源产生亮度为9.8 cd·m-2的光信号。2）值得注意的是，TENG的应用使得能够在没有外部电源的情况下实现手掌抓握状态的视觉感测和力度反馈。这些视觉反馈和无电源触觉传感器有望在人工智能领域作为智能防护服和机器人的新交互介质具有潜在的应用。Dengjun Lu, et al, Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202209117https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209117
8. AM：一种用于骨再生的具有可控生长因子释放能力的掺入MgFe-LDH纳米片的智能热响应水凝胶
虽然人们已经开发了负载生长因子(GF)的水凝胶并作为为修复骨缺损的有前途的材料，但构建具有优异凝胶化/机械性能以及可控GF释放能力的智能水凝胶仍具有挑战性。近日，中国医学科学院和北京协和医学院Xisheng Weng，北京化工大学Ruizheng Liang，香港城巿大学Chaoliang Tan报道了将骨形态发生蛋白2 (BMP-2)功能化的MgFe-LDH纳米片结合到负载血小板衍生生长因子-BB (PDGF-BB)的壳聚糖/丝素蛋白(CS)水凝胶中，以构建智能可注射的温度响应性水凝胶(记为CSP-LB)，其可以实现PDGF-BB的爆发式释放和BMP-2的持续释放，用于高效的骨再生。1）研究发现，MgFe-LDH的引入不仅缩短了凝胶化时间，降低了溶胶凝胶转变温度，而且提高了水凝胶的力学性能。2）由于双GFs的顺序释放和生物活性Mg2+/Fe3+离子的持续释放，体外实验证明CSP-LB水凝胶与CS水凝胶相比表现出优异的血管生成和成骨性能。体内实验进一步证明，CSP-LB水凝胶能显著促进骨再生，具有比CS水凝胶更高的骨体积和骨密度。这种智能温敏CSP-LB水凝胶具有优异的胶凝能力和血管生成及成骨特性，因此为骨缺损治疗提供了一种有前途的微创解决方案。Zehui Lv, et al, A MgFe-LDH Nanosheet-Incorporated Smart Thermo-Responsive Hydrogel with Controllable Growth Factor Releasing Capability for Bone Regeneration, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202206545https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206545
9. AM：用于液滴和水下气泡的多路径定向输送的工程可切换润湿性表面
用于流体操纵的传统工程表面受到设定的润湿性的阻碍，因此它们只能实现单相流体(即液体或气体)的自发输送。此外，人们对路径缺陷具有鲁棒性的流体输送系统还没有被充分探索。近日，上海交通大学Guifu Ding，Faheng Zang开发了一种通用的润湿性转换策略，用于在哑铃型功能表面（DPFS）上实现液滴和水下气泡的可编程定向传输，具有强鲁棒性、高效率和有效成本的特点。1）研究人员通过十八烷基三氯硅烷处理和紫外线-C选择性照射来调节DPFS的超润湿性，传输流体可以在液体和气体之间交替。材料的可转换超润湿性调节受限图案内的流体导向动力学，其中持续的流体推进依赖于起始和终止位置之间的表面能差异。这使得能够构建多通道，其与超低体积损失传输协同工作，以赋予流体系统对抗路径缺陷的强鲁棒性。2）在完成复杂的微流体任务的基础上，研究人员成功演示了一种空间选择性冷却装置和水下气体微反应器。这种无能耗的流体输送系统为片上可编程流体操作开辟了新的途径，促进了需要合理控制两相流体输送的创新应用。Dongdong Xie, et al, Engineered Switchable-wettability Surfaces for Multi-path Directional Transportation of Droplets and Subaqueous Bubbles, Advanced Materials. 2022DOI: 10.1002/adma.202208645https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208645
10. AEM综述：特定金属纳米结构在电化学CO2还原中的研究进展与展望
电化学法将二氧化碳还原反应(CO2RR)转化为增值燃料是一项有效缓解全球变暖和能源危机的先进技术。然而，热力学上的高能垒、反应动力学缓慢、CO2转化率不足、目标产物选择性差、材料快速降解等问题严重限制了其进一步大规模应用，这就凸显了高性能电催化剂的重要性。金属纳米材料因其固有的高活性、选择性和稳定性而备受关注，并从不同的角度引发了许多评论。近日，中南大学刘苏彪教授，阿尔伯塔大学骆静利院士全面揭示了特定金属纳米结构及其相关性质对CO2RR的重要性和优点。1）作者总结了各种特定的单金属和双金属纳米结构，重点是深入了解晶体取向、表面结构、表面结晶学、表面修饰以及所构建的特定金属纳米结构所带来的许多相关效应，以及特定金属纳米结构-性质-CO2RR活性之间的内在关系。2）作者最后提出了推进CO2RR的挑战和前景，特别是要特别关注CO2RR过程中的结构演变，包括原位/操作技术、高通量理论计算以及用于扩大应用的高产和生产的简便合成策略。Mulin Yu, et al, Specific Metal Nanostructures toward Electrochemical CO2 Reduction: Recent Advances and Perspectives, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202203191https://doi.org/10.1002/aenm.202203191
11. AEM 用于高性能析氢的高密度受挫路易斯对
开发具有高密度和相邻受挫路易斯对（FLP）位点的催化剂具有重要意义。近日，青岛科技大学王磊、赖建平通过使用莫特-肖特基效应在具有可调节酸碱度的金属间合金（IMA）上构建FLP。1) 具有高密度FLP位点和合适IMA酸碱度的fct-PtCo@NC显示出优异的析氢反应性能。其中，高密度FLP位点表现出快速的水吸附和分解速率，这是由于FLP酸位点和FLP碱位点的协同效应显著降低了两个过程之间的能量势垒。2) 由于FLP基Pt位点的存在，fct-PtCo@NC具有最佳的氢中间体结合能，反应过程中产生的H3O+在其上积累并形成类似酸的环境，从而加快反应动力学。相比之下，没有FLP的催化剂显示出较低的结合能，并且没有H3O+的形成。该工作为新型多相FLP催化剂的设计开辟了一个新的领域，具有高密度和相邻FLP位点的催化剂有望用于多种多步催化反应。Yu Wenhao, et al. High-Density Frustrated Lewis Pair for High-Performance Hydrogen Evolution. Adv Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202203136https://doi.org/10.1002/aenm.202203136
12. AEM：弱酸性锌离子电池中锌枝晶的性质及其抑制
水系锌离子电池（ZIBs）在储能方面很有吸引力，其使用了水系电解质，确保了安全性并易于在空气中处理所有部件。然而，锌金属负极上灾难性的锌枝晶生长阻碍了它们的实际应用。近日，世宗大学Seung-Taek Myung引入Zn3(PO4)3·4H2O（ZP）涂覆的锌金属负极以有效地抑制枝晶生长，并且首次阐明了由金属Zn0、ZnO和Zn(OH)2组成的枝晶的化学态。实验结果显示，ZP涂覆的锌金属对称电池的性能得到显著的改进。1）Operando同步加速器断层摄影术表明，ZP涂层通过ZP层确保锌衍生化合物的均匀沉积，该层自身分解成P2O5、Zn0和Zn(OH)2。同时，P2O5和H2O之间的局部反应再生H3PO4，这提供了通过H3PO4和Zn金属阳极上的金属Zn之间的反应再生Zn3(PO4)2·4H2O的条件。Zn3(PO4)2·4H2O的这种循环重整在长期内逐渐防止枝晶，即使在高倍率下。2）研究人员在NaV3O8||ZP涂层锌负极电池上进行了1000次循环试验，验证了其兼容性。因此，这一发现为均匀沉积锌提供了一种实用的方法，可以适用于水系和非水系ZIBs。Hee Jae Kim, et al, Nature of Zinc-Derived Dendrite and Its Suppression in Mildly Acidic Aqueous Zinc-Ion Battery, Adv. Energy Mater. 2022DOI: 10.1002/aenm.202203189https://doi.org/10.1002/aenm.202203189
