1. Nature Commun.：无机固体电解质的层间表面工程开发长周期准全固态锂电池的策略
具有无机固态电解质的锂金属电池（LMB）被认为是极具前景的二次电池系统，因为它们的能量含量高于锂离子电池。然而，LMB的性能对于商业化应用来说仍然不够优秀，主要是因为无机固态电解质无法阻碍锂枝晶的生长。鉴于此，来自三星尖端技术研究所的Dongmin Im和Ju-Sik Kim等人通过使用Ag涂层的Li6.4La3Zr1.7Ta0.3O12（LLZTO）无机固体电解质与银碳夹层结合，实现了稳定的界面间工程实验室规模LMB的生产。1) 该研究通过实验测量和计算建模，成功证实了夹层策略能够有效地调节锂剥离/镀覆，并且防止了固态电解质颗粒中枝晶的渗透发生；2) 此外，通过将表面工程LLZTO与锂金属负极、高压正极和离子液体基液体电解质溶液在袋状电池配置中进行耦合，研究在不施加外部压力的情况下于1.6 mA/cm2和25 °C循环了800次，并且该电池能够实现约3mAh/cm2的初始放电容量和约85%的放电容量保持率。
Kim, JS., Yoon, G., Kim, S. et al. Surface engineering of inorganic solid-state electrolytes via interlayers strategy for developing long-cycling quasi-all-solid-state lithium batteries. Nat Commun 14, 782 (2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36401-7https://doi.org/10.1038/s41467-023-36401-7
2. Nature Commun.：基于图形神经网络的氨氧化无铱三金属电催化剂的可解释设计
电化学氨氧化制二氮作为能源和环境应用的手段，是实现可持续氮循环的关键技术，最先进的金属催化剂（包括Pt及其含Ir的双金属片）都受着过电位的限制，并且贵金属的价格飙升也使得成本高昂。鉴于此，来自弗吉尼亚理工学院和州立大学化学工程系的Hongliang Xin，纽约州立大学Gang Wu，江苏大学Yi Li等人通过基于从头计算数据训练的图形神经网络来探索三元Pt合金纳米结构的巨大设计空间，以同时预测位点反应性、表面稳定性和催化剂合成性能描述符。1) 该研究证实，在主动学习工作流程中出现的几个不含Ir的候选合金中，Pt3Ru-M（M:Fe、Co或Ni）合金被成功合成，并通过实验验证其对氨氧化的活性高于Pt、Pt3Ir和Pt3Ru；2) 此外，研究使用位点基序的机器学习表示的特征归因分析提供了对金属表面化学键合的深入见解，并阐明了在结合位点的d带中心度量之外的高性能催化系统的设计策略。
Pillai, H.S., Li, Y., Wang, SH. et al. Interpretable design of Ir-free trimetallic electrocatalysts for ammonia oxidation with graph neural networks. Nat Commun 14, 792 (2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36322-5https://doi.org/10.1038/s41467-023-36322-5
3. JACS：天然光合作用亲核oxo-oxo偶联产氧
在PSII体系生成O2的反应是地球最重要的反应，但是人们对生成O2的机理仍并不清楚。目前接受程度最高的机理是“自由基偶联”机理（RC），这种机理通过Mn4CaO6簇的Mn(IV)-氧结构，相关实验验证S3态，进一步支持这个机理。但是目前人们发现高等植物中形成S3态的结构缺乏配体，并且导致S4态形成以共价键方式结合在Mn3CaO4的Mn(V)=oxo结构。有鉴于此，西湖大学孙立成、于默奥大学Johannes Messinger等报道对大量可能形成O-O化学键的方法进行研究，发现各种可能的机理中只有Mn(V)=oxo和μ3-oxo之间的“亲核oxo-oxo偶联”（NOOC）是可能的机理。1）该反应通过簇的特定构象，结合水分子，比RC机理更加滞后。基于研究结果，提出了从S4态开始的催化反应，分别生成过氧化物、超氧化物，最后释放O2并且再次插入水分子。这种新型机理与实验报道结果的热力学和动力学结果相符，因此是高等植物进行自然光合作用的一种产O2机理。2）通过DFT理论计算，提出从S4态作为起点的产氧机理，从而说明产氧反应可能存在多种不同反应机理，尤其是高等植物。
Yu Guo, et al, Alternative Mechanism for O2 Formation in Natural Photosynthesis via Nucleophilic Oxo–Oxo Coupling, J. Am. Chem. Soc. 2023DOI: 10.1021/jacs.2c12174https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12174
4. Angew：熔盐体系中聚三氮杂酰亚胺单晶的定向结晶过程
熔盐法制备的聚三氮唑酰亚胺光催化剂具有一步完全分解水的激发能力，是一种很有前途的聚合物半导体材料。揭示PTI晶体的分子共轭、成核和结晶过程是其可控结构设计的关键。在此基础上，福州大学王心晨教授，Zhiyang Yu从介观尺度到纳米尺度对PTI结晶前沿进行了微观表征。1）基于七氮杂环的前驱体在熔盐中解聚为三嗪单体，KCl3作为主导核心，引导PTI分子单元的定向堆积，形成聚集体晶体。2）在这一发现的基础上，通过对晶面的裁剪，得到了分散性改善和光催化性能增强的PTI晶体。这项研究对PTI单体在盐模板上的定向组装有了深入的认识，为聚合物晶体的有序凝聚奠定了理论基础。
Xiaocong Liang, et al, The Directional Crystallization Process of Poly (triazine imide) Single Crystals in Molten Salts, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216434DOI: 10.1002/anie.202216434https://doi.org/10.1002/anie.202216434
5. Angew：设计用于促进二氧化碳光还原为乙烯的杂原子共掺杂铁金属有机框架
催化剂的合理工程活性位点和有利缺陷是有前途但具有挑战性的任务，以将光还原 CO2转化为高附加值的C2产品。近日，扬州大学Fan Guo，南京大学孙为银教授通过一锅法方便地开发了将 N,S 共掺杂到 MIL-88B 中的设计策略。1）一系列对照试验表明，MIL-88B-NS40催化剂在模拟阳光下具有促进CO2还原为C2产物C2H4（17.7 μmol/g·h）的催化性能，C2H4的产率高于大多数已报道的光催化剂。2）协同设计已建立的 Fe-N 位点和未配位 S 的适当缺陷在更有效的电子传递中起着关键作用，进一步提高了多电子还原过程的可能性。3）在原位 FT-IR 表征的基础上，MIL-88B-NS40 中的结构促进了 C−C 耦合二聚化的产生，从而大大增强了 CO2 到 C2H4 的光还原。该研究为在光催化系统中通过 CO2 还原生成 C2 烃类产品提供了一种有前途的方法。
Fan Guo, et al, Designing Heteroatom-Codoped Iron Metal–Organic Framework for Promotional Photoreduction of Carbon Dioxide to Ethylene, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216232DOI: 10.1002/anie.202216232https://doi.org/10.1002/anie.202216232
6. AM：增强褶皱2D异质结构中光电化学析氢反应的激子操纵
2D材料异质结已经证明了作为氢析出反应(HER)的无金属替代品的能力。迄今为止，HER仅限于不同组成或结构的异质结。台湾大学Yang-Fang Chen和Mario Hofmann等展示了基于褶皱2D异质结构的局部应变调制的潜力，这有助于实现光电催化活性结。1）通过在WS2单层中形成高拉伸应变和低拉伸应变的褶皱区域，在横向方向上产生了由于压电性引起的能带结构和内部电场的局部改变。这种结构产生了有效的电子-空穴对，这是由于光俘获和激子向WS2褶皱的顶部聚集，并增强了激子分离。此外，褶皱的形成在2D层和衬底之间引起气隙，这降低了界面散射效应，并因此提高了电荷载流子迁移率。对光催化HER的应变依赖性的详细研究表明，Tafel斜率增加了两倍，交换电流密度增加了30倍。2）最后，通过量子点和2D异质结的功能化来优化光吸收产生了前所未有的光电催化性能，并提供了一种用于未来能量产生的应变调制WS2纳米结的可扩展形成的途径。
Ghosh, R., et al, Exciton Manipulation for Enhancing Photo-electrochemical Hydrogen Evolution Reaction in Wrinkled 2D Heterostructures. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2210746.DOI: 10.1002/adma.202210746https://doi.org/10.1002/adma.202210746
7. AM: 用于高性能锌-空气电池的加速氧转移纳米通道氟化共价有机框架
在空气阴极中建立具有加速传质的丰富三相界面对于开发高速率和长周期可再充电锌空气电池（ZAB）极其重要。共价有机框架（COF）具有特定的纳米孔结构，有助于合理调整其特定性质。近日，清华大学刘凯、王保国报道了用于高性能锌-空气电池的加速氧转移纳米通道氟化共价有机框架。1)通过调整COF的氟化纳米孔，作者设计和合成了一种用于可充电ZAB的新型高性能空气阴极。并且COF纳米片在其纳米孔（氟化COF）中用氟化烷基链修饰，其对O2具有高亲和力。氟化COF纳米片堆叠形成O2传输通道在亲水性FeNi层状双氢氧化物（FeNi-LDH）电催化剂表面上组装成亲气的“纳米岛”。2) 因此，O2和水的传质通道在纳米尺度上得到了分离，从而显著扩大了三相界面的面积，并大大促进了其中的传质。基于COF改性空气阴极的ZAB具有小的充电/放电电压间隙（在5 mA cm−2下为0.64 V）、峰值功率密度（118 mW cm−2）和稳定的循环性，这远远超过传统的Fe-Ni-LDH空气阴极。
Qingbin Cao, et al. Fluorinated covalent organic framework with accelerated oxygen transfer nano-channels for high performance zinc-air batteries. Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202210550https://doi.org/10.1002/adma.202210550
8. AEM：用于钠硫电池隔膜的自组装共价有机骨架膜
室温钠硫(RT/Na–S)电池是一种有前途的低成本储能技术。然而，隔膜在系统中的重要作用经常被忽视。浙江大学陆俊、Qinghua Zhang和Yang Hou等开创了共价有机支架膜的主客体自组装策略，赋予膜多种功能(钠离子转运、限制和多硫化物转化)，以维持RT/Na–S电池系统的稳定性。1）独立式多功能共价有机框架膜(HB/CNT@COF)最大限度地发挥了主体框架和客体分子的作用。由于羟基萘酚蓝(HB)和多壁碳纳米管(CNT)的协同效应，HB/CNT@COF电池的容量为733.4 mAh g-1，在4C下循环400次后容量衰减有限。2）这一性能是商用玻璃纤维隔膜的近4倍。此外，该电池在电解质贫乏的条件下表现出优异的性能。
Chen, S., et al, Brain Capillary-Inspired Self-Assembled Covalent Organic Framework Membrane for Sodium–Sulfur Battery Separator. Adv. Energy Mater. 2023, 2204334.DOI: 10.1002/aenm.202204334https://doi.org/10.1002/aenm.202204334
9. ACS Nano：一种用于碳纳米管多功能化的微波辅助无溶剂方法
虽然碳纳米管 (CNT) 的功能化已引起广泛应用的广泛兴趣，但仍然需要一种面面俱到的多功能策略。在这里，日本产业技术综合研究所Don N. Futaba，Kenji Hata报道了一种微波辅助、无溶剂的方法，可以直接功能化原始形式和任意宏观组件中的 CNT。1）应用快速微波辐射在 CNT 上产生活性位点，同时不会对石墨网络造成过度损坏，并且气相沉积为彻底或区域选择性功能化提供了可控接枝。使用甲基丙烯酸甲酯 (MMA) 作为模型官能团和 CNT 海绵作为模型组件，均匀接枝表现出更强的疏水性（接触角从 30 增加到 140°）和改善的结构稳定性（压缩模量增加 135%）。2）因此，当MMA 功能化 CNT 用作盐水蒸馏的太阳能吸收器时，观察到高操作稳定性和 ~2.6 kg m-2 h-1 的优异水蒸发率。最后，为了突出这种功能化方法的功效和多功能性，通过区域选择性功能化制造了不对称疏水性 CNT 海绵，作为水分驱动的发电机，表现出 0.6 mV 的稳定开路电压。这种多功能、无溶剂的方法可以补充传统的基于溶液的技术，用于设计和制造多功能纳米碳基材料。
Dewu Lin, et al, A Microwave-Assisted, Solvent-Free Approach for the Versatile Functionalization of Carbon Nanotubes, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c12789https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12789
10. ACS Nano: 使用最小复杂度构建块设计任意形状的自组装
自组装多组件对象的设计空间范围从每个构建块都是唯一的解决方案到具有最少数量的明确定义目标结构的不同构建块的解决方案。近日，亚利桑那州立大学Petr Šulcv开发了一个管道来探索一组不同大小和复杂性的结构的设计空间。1）为了解不同解决方案的含义，我们使用斑块粒子模拟分析了它们的组装动力学，并研究了不同构建块的数量以及它们相互作用的角度和空间公差对目标组装的动力学和产量的影响。2）研究表明，与每个构建块都是唯一的设计相比，具有最少数量不同块的资源节省解决方案通常可以组装得一样好（或更快）。进一步使用该方法来设计多种结构，其中构建块在不同的目标结构之间共享。3）最后，使用粗粒度 DNA 模拟来研究使用 DNA 纳米结构实现构建块的多组分形状。
Joakim Bohlin, et al, Designing the Self-Assembly of Arbitrary Shapes Using Minimal Complexity Building Blocks, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c09677https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09677
11. ACS Nano：超薄夹层的弹塑性设计以增强柔性电子产品的应变耐受性
在不同程度的变形过程中承受大应变的能力是柔性电子产品发展的核心问题。现在常用的增强薄膜器件应变耐受性的策略集中在器件结构的优化和材料界面处键合的增加上。近日，香港理工大学Zijian Zheng提出了一种策略，即超薄夹层的弹塑性设计，以提高柔性电子产品的应变容限。1）研究证明，无论基板厚度或界面结合如何，在上层刚性薄膜/器件和软基板之间插入超薄、坚硬（高杨氏模量）和弹性（高屈服应变）夹层都可以显着降低实际应变当基板弯曲时应用于薄膜/设备。2）弹塑性设计策略独立于现有策略，提供了一种有效的方法来增强设备的灵活性，而无需重新设计设备结构或改变材料界面。
Hong Hu, et al, Elasto-Plastic Design of Ultrathin Interlayer for Enhancing Strain Tolerance of Flexible Electronics, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c12269https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12269
12. ACS Nano: 电解液中添加二恶烷促进锌离子电池中（002）织构的锌生长和抑制副反应
水性锌离子电池（ZIB）的可逆性和循环性在很大程度上取决于锌阳极的稳定性。因此，能够抑制枝晶和副反应的稳定阳极/电解质界面对于高性能ZIB至关重要。近日，华盛顿大学曹国忠、河北工程大学Zhang Hong、中国科学院Li Zhaoqian在电解液中添加二恶烷促进锌离子电池中（002）织构的锌生长和抑制副反应。1) 作者研究了1,4-二恶烷（DX）的吸附，以及促进Zn（002）晶面的暴露并防止枝晶生长。存在于界面处的DX可以抑制有害的副反应，而添加DX的ZIB在10 mA cm–2的恶劣条件下具有1000小时的长期循环稳定性和超高的累积电镀容量（5 Ah cm–2），并具有良好的可逆性，以及平均库仑效率为99.7%。2) 添加DX的Zn//NH4V4O10全电池具有高比容量（202 mAh g–1，5 A g–1）和容量保持率（经过5000次循环后为90.6%），这远优于原始ZnSO4电解质的ZIB。选择性地调整吸附分子在晶体面上的Zn2+沉积速率是设计高性能Zn阳极的有效分子调制策略，并可应用于其他遭受不稳定性和不可逆性的金属阳极。
Tingting Wei, et al. Addition of Dioxane in Electrolyte Promotes (002)-Textured Zinc Growth and Suppressed Side Reactions in Zinc-Ion Batteries. ACS Nano 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c11516https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c11516
