1. Nature Sustain.：用于可持续氧电催化的高熵单原子活性炭催化剂
电催化氧还原（ORR）和分子氧的生成（OER），即氧电催化，是一系列能源和环境技术的核心反应之一。虽然目前性能最好的电催化剂仍然以贵金属为主，但碳基系统由于其内在的可持续性和实用性，提供了一种令人信服的替代方案。鉴于此，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳和Yongping Zheng等展示了一种以理论计算为指导的设计，将碳电催化剂的活性边界推向了前所未有的水平。1）引入高熵杂原子可以有效地最小化局部对称性，以使石墨碳的π-电子网络不稳定，并避免ORR和OER反应的中间物种的结合能过强或过弱。2）催化剂嵌入了五个金属单原子Fe、Mn、Co、Ni和Cu以及两种N源，在碱性环境中表现出优异的双功能活性，分别超过了商业Pt/C和RuO2催化剂的ORR和OER反应性能。
Lei, X., Tang, Q., Zheng, Y. et al. High-entropy single-atom activated carbon catalysts for sustainable oxygen electrocatalysis. Nat Sustain (2023).DOI: 10.1038/s41893-023-01101-zhttps://doi.org/10.1038/s41893-023-01101-z
2. Nature Sustain.：氯化物电解质实现实用的锌金属电池具有接近统一的库仑效率
可充电水系锌电池在安全性、成本、可扩展性和碳足迹最为重要的固定存储应用中至关重要。然而，利用这种可逆的双电子氧化还原化学受到主要技术问题的困扰，特别是锌表面的析氢反应(HER)，其影响通常不会在典型的测量条件下显示出来。鉴于此，美国俄勒冈州立大学纪秀磊教授，Chong Fang，加州大学河滨分校P. Alex Greaney等报告了一种浓缩电解质设计，它消除了这种寄生反应，并实现在0.2 mA cm-2的低电流密度下测得的镀锌/剥离的库仑效率(CE)达到99.95%。1）在浓ZnCl2电解质中含有额外的氯化物盐和碳酸二甲酯，具有独特化学环境的混合电解质具有低Hammett酸度，有助于原位形成双层固体电解质界面，保护锌负极免受HER和枝晶生长的影响。2）受益于接近统一的CE，使用VOPO4·2H2O正极的软包电池可维持500次深度循环而不会膨胀或泄漏，并在实际条件下提供100 Wh kg-1的能量密度。
Jiang, H., Tang, L., Fu, Y. et al. Chloride electrolyte enabled practical zinc metal battery with a near-unity Coulombic efficiency. Nat Sustain (2023).DOI: 10.1038/s41893-023-01092-xhttps://doi.org/10.1038/s41893-023-01092-x
3. Sci. Adv.: 面向稳定锂金属阳极的表面工程
锂（Li）金属阳极（LMA）通常因固体电解质界面（SEI）引起的Li枝晶生长而失效。因此，具有改进物理化学和机械性质的人工SEI设计对稳定LMA非常重要。近日，浙江工业大学佴建威、陶新永、香港城市大学楼雄文综述研究了面向稳定锂金属阳极的表面工程。1) 作者全面总结了目前表面工程中构建保护层作为人工SEI的有效策略和关键进展，包括使用位于不同初级物质状态（固体、液体和气体）的试剂或使用一些特殊途径（例如等离子体）预处理LMA。2) 作者还简要介绍了用于研究LMA保护层的基本表征工具。最后，为表面工程的设计提供了战略指导，并讨论了这些策略在实际应用中发展LMA的当前挑战、机遇和未来可能的方向。
Gongxun Lu, et al. Surface engineering toward stable lithium metal anodes. Sci. Adv. 2023DOI: 10.1126/sciadv.adf1550https://doi.org/10.1126/sciadv.adf1550
4. Nature Commun.：使用低密度无机固态电解质实现高容量全固态锂硫电池
使用无机固态电解质的锂硫全固态电池被认为是有前途的电化学储能技术。然而，开发含硫量高、硫利用率高、负载量大的正极具有挑战性。在这里，为了解决这些问题，宾夕法尼亚州立大学Donghai Wang使用一种密度低(1.491 g cm−3)、一次粒子尺寸小(~500 nm)、体离子电导率为6.0ms cm−1(25°C)的液态合成Li3PS4-2LiBH4微晶玻璃固体电解质来制备锂硫全固态电池。1）在平均堆压为~55 Mpa的Li-In负极和60 wt% S正极的世伟洛克电池结构中进行测试时，全固态电池在167.5 mA g−1和60 °C下的放电容量约为1144.6 mAh g−1。2）研究人员进一步证明，低密度固体电解液的使用增加了正极中电解液的体积比，减少了非活性块状硫，并改善了硫基正极的含量均匀性，从而为电池性能的改善提供了足够的离子传导途径。
Wang, D., Jhang, LJ., Kou, R. et al. Realizing high-capacity all-solid-state lithium-sulfur batteries using a low-density inorganic solid-state electrolyte. Nat Commun 14, 1895 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-37564-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-37564-z
5. Nature Commun.：从具有双活性位点的锌镓氧化物阳极电化学生成过氧化氢
电化学水氧化能够将H2O转化为H2O2。它对O2还原反应具有明显的优势，O2还原反应受到传质效率低和O2在水性介质中溶解度有限的限制。尽管如此，大多数报道的阳极都存在高过电势（通常>1000 mV）和低选择性的问题。在高过电势下电解通常会导致过氧化物严重分解并导致选择性下降。近日，香港中文大学Jimmy C. Yu，中山大学Zhuofeng Hu，华中师范大学Lizhi Zhang开发了一种高选择性ZnGa2O4阳极，用于通过氧化水生产H2O2，在540 mV的低过电势下提供82%的高FE，以及良好的稳定性。在这种情况下，表明在长达5小时的连续电解过程中，H2O2浓度平台主要与均相分解（歧化）有关，而不是电分解。1）根据实验观察和理论计算，H2O2通过间接和直接反应途径在ZnGa2O4上形成。更重要的是，由HCO3-/HCO4-介导的间接途径是产生H2O2的关键途径。ZnGa2O4有利于HCO3-在双Ga-Ga位点的吸附。*HCO3到*HCO4在ZnGa2O4上的转化通过原位ATR-FTIR光谱和DFT结果中的能量变化得到证实。值得注意的是，发现吸附的*HCO4分解为*CO2和*O2H，后者会转化为H2O2。此外，H2O2和HCO4-中的过氧键在有和没有HCO3阴离子的ZnGa2O4表面上都是稳定的。2）众所周知，阳极H2O2的生成性能会受到支持电解质的影响。对于这种ZnGa2O4阳极，鉴于碳酸氢盐中的高FE以及用于阳极生成H2O2的碳酸盐溶液中的大电流密度，进一步的研究可以集中在进一步优化电解质的组成以提高ZnGa2O4的FE以产生H2O2并阐明其背后的反应机制。
Li, L., Hu, Z., Kang, Y. et al. Electrochemical generation of hydrogen peroxide from a zinc gallium oxide anode with dual active sites. Nat Commun 14, 1890 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-37007-9https://doi.org/10.1038/s41467-023-37007-9
6. Angew：用于精密离子分离的超渗透双机制驱动氧化石墨烯框架膜
二维氧化石墨烯(GO)膜作为解决全球水资源短缺问题的有前途的手段越来越受欢迎。然而，目前的GO膜无法充分排除溶液中埃大小的离子。在此，哈工大Lu Shao，柯廷大学Shaomin Liu报道了一种从头“后”界面聚合(p-IP)策略可在超薄GO膜中原位构建定制的聚酰胺(PA)网络，以加强尺寸排阻，同时赋予带正电的膜表面以排斥金属离子。1）对金属离子的静电排斥与增强的尺寸排阻相结合，通过合成的带正电的GO骨架(PC-GOF)膜协同驱动高效金属离子分离。2）这种双机制驱动的PC-GOF膜具有优异的金属离子截留、抗污能力、良好的操作稳定性和超高渗透率（是原始GO膜的五倍），为可持续水能源迈出了坚实的一步–食物关系。
Jing Guo, et al, Ultra-Permeable Dual-Mechanism-Driven Graphene Oxide Framework Membranes for Precision Ion Separations, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302931DOI: 10.1002/anie.202302931https://doi.org/10.1002/anie.202302931
7. Angew：阴离子化学调控锌水电池正极库仑效率
电解液环境，包括阳离子、阴离子和溶剂，对电池正极的性能至关重要。大多数工作都集中在阳离子与阴极材料之间的相互作用上，而对阴离子与阴极之间的相互作用缺乏深入的研究。在这里，香港城市大学支春义教授系统地研究了阴离子如何操纵锌电池正极的库仑效率(CE)。1）研究人员以插层型V2O5和转换型I2正极为典型案例进行深入研究。研究发现，阴离子的电子性质，包括电荷密度及其分布，可以调节转化或插层反应，导致显著的CE差异。2）利用OPANDO视觉拉曼显微镜和理论模拟，研究人员证实了阴离子和I-之间的竞争配位可以通过调节Zn-I2电池中的多碘扩散速率来调节CEs。在Zn-V2O5电池中，阴离子调谐的溶剂化结构通过不同的锌离子插层动力学来极大地影响CEs。3）转换型I2正极可获得99%的CE和高电子给体的阴离子，而具有与Zn2+强烈相互作用的优选电荷结构的阴离子为嵌入V2O5提供了接近100%的CE。因此，了解阴离子导电层的作用机理将有助于评价电解液与电极的相容性，从而为高能长循环锌电池的阴离子选择和电解液设计提供指导。
Pei Li, et al, Manipulating Coulombic Efficiency of Cathodes in Aqueous Zinc Batteries by Anion Chemistry, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303292DOI: 10.1002/anie.202303292https://doi.org/10.1002/anie.202303292
8. Angew：利用正极上的阳离子空位和自发极化增强储锌并抑制枝晶生长
高能量密度和本质安全是开发可充电锌离子电池（ZIB）的核心追求。镍钴氧化物(NCO)阴极由于其半导体特性，其容量和稳定性并不令人满意。在此，中国地质大学Yihe Zhang，Hongwei Huang，香港理工大学Haitao Huang提出了一种内置电场(BEF)方法，通过协同阴极侧的阳离子空位和铁电自发极化来促进电子吸附并抑制负极侧的锌枝晶生长。1）具体而言，构建具有阳离子空位的NCO以扩大晶格间距以增强锌离子存储。2）异质结//Zn电池在400 mA g-1下表现出170.3 mAh g-1的容量，并在2 A g-1下提供超过3000次循环的83.3%的竞争容量保持率。3）研究人员总结了自发极化在抑制锌枝晶生长动力学中的作用，这有助于通过在阴极上定制具有铁电极化的缺陷材料来开发高容量和高安全性的电池。
Liqi Bai, et al, Utilizing Cationic Vacancies and Spontaneous Polarization on Cathode to Enhance Zinc-Ion Storage and Inhibit Dendrite Growth in Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301631DOI: 10.1002/anie.202301631https://doi.org/10.1002/anie.202301631
9. Angew：调整杂化纳米粒子组件中铂的电子特性助力析氢反应
铂（Pt）是用于析氢反应 (HER) 的最佳电催化剂。在这里，南开大学Wei Xie，杜伊斯堡埃森大学Sebastian Schlücker证明了通过金或银核上的 Pt 纳米粒子卫星的接触带电，可以调整 Pt 的费米能级。1）Pt 在这种杂化纳米催化剂中的电子特性通过 X 射线光电子能谱 (XPS) 和表面增强拉曼散射 (SERS) 与探针分子 2,6-二甲基苯基异氰化物 (2,6-DMPI) 进行了实验表征。实验结果得到杂交模型和密度泛函理论 (DFT) 计算的证实。研究人员证明了调整 Pt 的费米能级会导致水分解中的过电势降低或增加。
Ling Yang, et al, Tuning the Electronic Properties of Platinum in Hybrid-Nanoparticle Assemblies for use in Hydrogen Evolution Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301065DOI: 10.1002/anie.202301065https://doi.org/10.1002/anie.202301065
10. Angew：限制在二维金属有机层中的Co-N4 位点可在工业级电流下实现高选择性 CO2 电还原
金属-有机骨架催化剂为CO2电催化带来了新机遇。在此，南京林业大学Zupeng Chen，中科大Qunxiang Li，香港城市大学Bin Liu首先进行密度泛函理论计算，并预测Co基卟啉多孔有机层(Co-PPOLs)表现出良好的CO2转化活性，因为Co-N4位点的*CO吸附能低，有利于*CO解吸和CO的形成。然后，我们通过一种简便的表面活性剂辅助自下而上的方法制备了具有专属Co-N4位点的二维Co-PPOL。1）超薄特性确保了催化中心的暴露。结合大比表面积、高导电性和CO2吸附能力，Co-PPOLs在CO2电还原中以中等电位实现CO生产的峰值法拉第效率（FECO=94.2%），并具有良好的稳定性。2）此外，Co-PPOLs在膜电极组件反应器中达到工业级电流超过200mA，并在CO2电解中保持近乎统一的CO选择性（FECO>90%）超过20小时。
Exclusive Co-N4 Sites Confined in Two-dimensional Metal-Organic Layers Enabling Highly Selective CO2 Electroreduction at Industrial-level Current， Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202219241DOI：10.1002/anie.202219241https://doi.org/10.1002/anie.202219241
11. AEM：用于阴离子交换膜燃料电池的高活性和耐用的无金属碳催化剂
开发高活性、耐用的无铂氧还原反应（ORR）催化剂对阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）的实际应用至关重要。鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟、北京化工大学曹达鹏等通过整合理论计算和实验，专门为AEMFC设计和开发了一种具有石墨氮调节缺陷结构的无金属碳催化剂（标记为NDPC-1000）。1）密度泛函理论计算首先表明，石墨N可以调整五边形和扶手椅缺陷的电荷密度，以达到吸附能-活性火山图的顶部，而耐久性的增强归因于C-N共价键的高离解能。2）在这一指导下，合成的NDPC-1000证明了其在碱性介质中的高ORR活性和耐用性。对于H2/O2反应气体，以该催化剂为阴极的AEMFC提供913 mW cm−2的峰值功率密度。通过在0.25 A cm−2下连续运行100小时，仅电压衰减≈25%，验证了前所未有的燃料电池耐久性，这是所有报道的无金属基AEMFC中最大的。
Yang, L., et al, Highly Active and Durable Metal-Free Carbon Catalysts for Anion-Exchange Membrane Fuel Cells. Adv. Energy Mater. 2023, 2204390.DOI: 10.1002/aenm.202204390https://doi.org/10.1002/aenm.202204390
12. AEM综述：金属硫族电池MOF基材料的兴起与发展：现状、挑战和前景
金属硫族电池（MCBs）由于其低成本、高理论容量和环境友好性，被认为是下一代储能的有前途的候选者。然而，一些问题，如充电/放电过程中的体积变化、可溶性中间体的穿梭效应、中间体转化的缓慢反应动力学以及碱金属阳极不受控制的枝晶生长，极大地阻碍了MCB的商业化。将基于金属有机框架（MOF）的材料（原始MOFs、MOF复合材料和MOF衍生物）引入MCB的不同部分可以有效地克服上述问题，因为这些材料具有高孔隙率、低密度、大表面积、规则孔道、可调孔径和拓扑多样性的优点。鉴于此，北京大学侯仰龙、北京科技大学张隆详细综述了MCBs中MOF基材料的最新进展，为进一步研究提供了全面的指导。1）综述了MOF基正极和负极材料，其中介绍了原始MOF的各种参数对性质的影响以及典型复合材料和衍生物的应用现状。根据不同的工作机制提出了用于隔膜的MOF基材料。2）对基于MOF基电解质材料的物理状态对其进行描述。最后讨论了MOF基材料在微型断路器中应用的挑战和前景。
Zhang, L., Hou, Y., The Rise and Development of MOF-Based Materials for Metal-Chalcogen Batteries: Current Status, Challenges, and Prospects. Adv. Energy Mater. 2023, 2204378.DOI: 10.1002/aenm.202204378https://doi.org/10.1002/aenm.202204378
