1. Nature Materials：渗透铁电聚合物纳米复合材料中的电热驱动
电能和机械能之间的相互转换对于铁电体而言至关重要，以使其能够在换能器、致动器和传感器中得到应用。铁电聚合物表现出巨大的电场感应应变 (>4.0%)，明显超过压电陶瓷和晶体的驱动应变 (≤1.7%)。然而，它们的归一化弹性能量密度仍然比压电陶瓷和晶体小几个数量级，严重限制了它们在软致动器中的实际应用。近日，华中科技大学Yang Liu，宾夕法尼亚州立大学Qing Wang报道了在渗透铁电聚合物纳米复合材料中使用电热诱导的铁电相变，以在电场驱动的驱动材料中实现高应变性能。1）研究人员展示了复合材料在 40 MV m−1 电场下超过 8% 的应变和 11.3J cm−3 的输出机械能密度，优于基准弛豫单晶铁电体。这种方法克服了传统压电聚合物复合材料中机械模量和电应变之间的权衡，为高性能铁电致动器开辟了一条道路。
Liu, Y., Zhou, Y., Qin, H. et al. Electro-thermal actuation in percolative ferroelectric polymer nanocomposites. Nat. Mater. (2023).DOI：10.1038/s41563-023-01564-7https://doi.org/10.1038/s41563-023-01564-7
2. Nature Nanotechnol.：用于促进水分解的铁磁单原子自旋催化剂
多相单原子自旋催化剂与磁场相结合，为加速化学反应提供了一种强大的手段，提高了金属利用率和反应效率。然而，由于需要具有短程量子自旋交换相互作用和长程铁磁有序的高密度原子分散活性位点，设计这些催化剂仍然具有挑战性。在这里，新加坡国立大学Jiong Lu，新加坡科技研究局Shibo Xi，淡江大学Cheng-Hao Chuang，中山大学Xin Luo设计了一种可扩展的水热方法，该方法涉及操作性酸性环境，用于在MoS2主体中合成各种具有广泛可调谐替代磁性原子(M1)的单原子自旋催化剂。1）研究发现，在所有M1/MoS2物种中，Ni1/MoS2采用扭曲的四方结构，促使铁磁耦合到附近的S原子以及相邻的Ni1位点，从而导致整体室温铁磁性。这种耦合有利于氧析出反应中的自旋选择性电荷转移以产生三重态O2。此外，~0.5 T的温和磁场可使析氧反应磁电流比Ni1/MoS2提高~2,880%，从而在海水和纯水裂解电池中均具有出色的活性和稳定性。2）在原位表征和理论计算的支持下，Ni1/MoS2上出色的磁场增强析氧反应性能归因于磁场诱导的自旋排列和S活性位点上的自旋密度优化，这些活性位点由场调节S(p)–Ni(d)杂化，进而优化自由基中间体的吸附能，以降低整体反应势垒。
Sun, T., Tang, Z., Zang, W. et al. Ferromagnetic single-atom spin catalyst for boosting water splitting. Nat. Nanotechnol. (2023).DOI：10.1038/s41565-023-01407-1https://doi.org/10.1038/s41565-023-01407-1
3. Nature Energy: 用于高功率密度燃料电池的槽形电极
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是低碳运输行业的主要候选者，但其广泛部署需要提高寿命、燃料经济性和成本。在这里，洛斯·阿拉莫斯国家实验室Jacob S. Spendelow报道了用于高功率密度燃料电池的槽形电极。1) 作者报道了一种替代电极结构的凹槽电极，即通过将用于改善H+传输的高离聚物（离子导电粘合剂）含量与用于快速O2传输的凹槽耦合，来提高PEMFC的性能和耐久性。在标准操作条件下，凹槽电极比传统电极提高了50%的性能。2) 燃料电池诊断与多物理建模相结合表明，尽管凹槽电极的离聚物含量很高，但它们具有高效的O2传输，从而提高了反应速率的均匀性。凹槽电极还具有改进的耐用性，与基准电极相比，其经过碳腐蚀后的性能损失更小。机器学习分析表明，通过进一步优化下一代PEMFC的凹槽结构，可以提高性能和耐用性，从而实现更小、更便宜、更高燃料效率的燃料电池堆。
ChungHyuk Lee, et al. Grooved electrodes for high-power-density fuel cells. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01263-2https://doi.org/10.1038/s41560-023-01263-2
4. Nature Synthesis：绿色氨合成的前景与挑战
氨是一种需求量很大的化学商品，因为它在农业用途以及作为可再生能源储存和运输的化学载体中极具应用潜力。目前，氨合成消耗了世界总能源产量的1-2%，同时产生了世界总碳排放量的1%。因此，迫切需要开发更环保的合成氨路线。近日，牛津大学Shik Chi Edman Tsang综述研究了绿色氨合成的前景与挑战。1) 作者讨论了绿色氨合成各种途径在技术和经济方面的进展和挑战。首先讨论了基本机理，包括经典的N2离解过程、新发现的在较温和条件下催化N2转化为NH3的缔合过程和化学循环途径，从而指导新催化剂的设计。2) 特别是，缔合N2活化可以在低压下实现，这更适合于将其耦合到可再生能源（如太阳能、风能或潮汐能），从而为绿色氨提供了一条新的工业生产路线。作者还讨论了通过电化学和光化学方法直接大规模合成绿色氨的其他可能途径。最后，作者结合最近的工业发展，描述了氨合成的扩大路线，并强调了绿色氨生产的快速发展和繁荣的未来。
Dongpei Ye and Shik Chi Edman Tsang, Prospects and challenges of green ammonia synthesis. Nature Synthesis 2023DOI: 10.1038/s44160-023-00321-7https://doi.org/10.1038/s44160-023-00321-7
5. Nature Commun.：通过逐步可控相干纳米沉淀制备超强钨难熔高熵合金
广泛的关键应用需要具有超高强度和延展性的高性能难熔合金，例如面向等离子体的部件。然而，在不严重损害其拉伸延展性的情况下提高这些合金的强度仍然具有挑战性。在这里，中国科学院力学研究所Lanhong Dai，劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie提出了一种策略，通过逐步可控的相干纳米沉淀(SCCP)来“击败”钨难熔高熵合金中的这种权衡。1）研究发现，SCCP的相干界面促进了位错传输并减轻了可能导致过早裂纹萌生的应力集中。因此，合金在环境温度下显示出2.15 GPa的超高强度和15%的拉伸延展性，在800 °C下具有1.05 GPa的高屈服强度。2）SCCPs的设计理念可以通过为合金设计提供途径，为开发范围广泛的超高强度金属材料提供一种手段。
Li, T., Liu, T., Zhao, S. et al. Ultra-strong tungsten refractory high-entropy alloy via stepwise controllable coherent nanoprecipitations. Nat Commun 14, 3006 (2023).https://doi.org/10.1038/s41467-023-38531-4
6. Nature Commun.：基于光子胶囊的光触发全色圆偏振发光用于多级信息加密
光调谐全色圆偏振发光(CPL)材料存储密度大、安全级别高，在信息加解密领域具有广阔的应用前景。在这项工作中，北京化工大学Jinbao Guo，东南大学Quan Li通过在液晶光子胶囊 (LCPC) 中构建具有手性供体和非手性分子开关的 Förster 共振能量转移 (FRET) 平台，制备了具有颜色可调性的设备友好型固体薄膜。1）由于能量和手性转移的协同效应，这些 LCPC 在紫外线照射下表现出从初始蓝光发射到 RGB 三色信号的光切换 CPL，并且由于每个时间节点的 FRET 效率不同而表现出强烈的时间依赖性。2）研究人员基于这些光可调 CPL 和时间响应特性，展示了使用 LCPC 薄膜进行多级数据加密的概念。
Lin, S., Tang, Y., Kang, W. et al. Photo-triggered full-color circularly polarized luminescence based on photonic capsules for multilevel information encryption. Nat Commun 14, 3005 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-38801-1https://doi.org/10.1038/s41467-023-38801-1
7. Chem: 由质子传导金属有机框架和纤维素纳米晶体衍生的超质子膜
作为质子导体的金属有机框架（MOFs）应用受到了限制，因为它们无法形成独立膜，并且当其结合到复合膜中时，它们的性能会显著损失。在此，卡尔加里大学Milana Trifkovic、George K.H. Shimizu报道了一种制造结构和化学稳定的质子传导MOF/纤维素纳米晶体（PCMOF/CNC）膜的简单策略。1) 这种PCMOF/CNC复合膜具有极高的MOF负载量（89%）和低的CNC含量。对于水稳定的PCMOF10，这种负载能够保持MOF性能，并且复合材料在85°C和95%相对湿度下表现出1.44×10−2 S cm−1的质子电导率。2) 衍生的复合材料在长达一个月的加热/冷却循环中保持其独立结构、超质子导电性以及优异的耐热性和耐水性。作者将膜的质子传导性和机械完整性归因于PCMOF10和CNCs之间丰富的氢键，并且通过傅里叶变换红外光谱和理论计算得到了证实。
Shuo Lin, et al. A superprotonic membrane derived from proton-conducting metal-organic frameworks and cellulose nanocrystals. Chem 2023DOI: 10.1016/j.chempr.2023.05.002https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.05.002
8. Angew：用于锂金属电池的具有可控配位强度的准固态电解质的有序快速离子传输
基于聚合物的准固态电解质（QSE）由于其保证包括锂金属电池（LMB）在内的可充电电池的高安全性而引起了极大的关注。然而，它面临着电解质和QSE与锂负极之间的固体电解质界面(SEI)层离子电导率低的问题。在此，河南大学赵勇教授首次证明了锂离子(Li+)的有序快速传输可以在QSE中实现。1）由于Li+在聚合物网络叔胺（-NR3）基团上的配位强度高于在酯溶剂羰基（-C=O）基团上的配位强度，Li+可以有序快速地扩散到聚合物的-NR3上，显着增加离子QSE的电导率达到3.69mScm-1。此外，聚合物的-NR3可以在SEI中诱导原位均匀生成Li3N和LiNxOy。2）因此，具有这种QSE的Li//NCM811电池（50 μm Li箔）在~1.5 mA cm-2下表现出220个循环的出色稳定性，是传统QSE的5倍。具有LiFePO4的LMB可以稳定运行约8300小时。这项工作展示了提高QSE离子电导率的一个有吸引力的概念，也为开发具有高循环稳定性和安全性的先进LMB提供了重要的一步。
Qi Zhang, et al, Ordered and Fast Ion Transport of Quasi-solid-state Electrolyte with Regulated Coordination Strength for Lithium Metal Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302559DOI: 10.1002/anie.202302559https://doi.org/10.1002/anie.202302559
9. Angew：双亲和电解质通过界面调制策略优化高压富锂锰氧化物电池
高压富锂锰氧化物(LRMO)阴极的实际应用受到枝晶形成、意外电解质分解和过渡金属离子溶解的限制。近日，中国科学院过程工程研究所Haitao Zhang提出了一种双亲和电解质配方，其中乙基乙烯基砜(EVS)的磺酰基赋予LRMO高吸附性，而氟代碳酸亚乙酯(FEC)对金属锂表现出还原性。1）这种界面调制策略涉及EVS和FEC作为添加剂的协同使用，以在电极上形成坚固的界面层。2）形成的S但LiF辅助配置阴极电解质界面具有更主要的-SO2-成分可以促进界面传输动力学并防止过渡金属离子的溶解。3）此外，将S组分引入固体电解质界面并减少其不良导电组分可以有效抑制锂枝晶的生长。因此，即使在1C下进行300次循环后，具有优化电解质的4.8 V LRMO/Li电池仍可表现出97%的出色保留容量。
Xuedi Yuan, et al, Bi-affinity Electrolyte Optimizing High-Voltage Lithium-Rich Manganese Oxide Battery via Interface Modulation Strategy, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304121DOI: 10.1002/anie.202304121https://doi.org/10.1002/anie.202304121
10. Angew：大环的中间形成用于高效结晶二维共价有机框架以增强光催化析氢
共价有机框架(COF)作为将太阳光高效转化为氢气的关键光催化剂而受到广泛关注。不幸的是，获得高结晶COF所需的苛刻合成条件和复杂的生长过程极大地阻碍了它们的实际应用。在此，四川大学Longyu Li，Shijie Ren报道了一种基于六方大环中间形成的二维COF高效结晶的简单策略。1）机理研究表明，使用2,4,6-三甲酰基间苯二酚(TFR)作为不对称醛结构单元可实现不可逆烯醇-酮互变异构化和动态亚胺键之间的平衡，从而产生六角形β-酮烯胺连接的大环化合物，从而形成其中可以在半小时内提供具有高结晶度的COF。2）研究表明，以3wt%Pt作为助催化剂的COF-935在暴露于可见光时表现出67.55 mmol g-1 h-1的高析氢速率用于水分解。更重要的是，即使在仅0.1 wt%Pt的低负载量下，COF-935的平均析氢速率也达到了19.80 mmol g-1 h-1，这是该领域的重大突破。该策略将为高结晶COF作为高效有机半导体光催化剂的设计提供有价值的见解。
Kuixing Wang, et al, Intermediate Formation of Macrocycles for Efficient Crystallization of 2D Covalent Organic Frameworks with Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304611https://doi.org/10.1002/anie.202304611
11. Angew：商品聚合物功能化和可再加工热固性塑料生成的可裂解交联策略
共价交联的聚合物材料，称为热固性塑料，相对于相应的未交联的热塑性塑料具有增强的机械强度和热稳定性。然而，使热固性塑料如此具有吸引力的共价链间交联的存在恰恰使它们难以再加工和回收。在这里，维多利亚大学Jeremy E. Wulff展示了将化学可裂解基团引入双二氮杂环丙烷交联剂中。1）将这种可裂解的交联剂试剂应用于商业低官能度聚烯烃（或小分子模型）会导致快速、有效地引入分子交联，这些交联可以通过特定的化学输入解偶联。2）这些概念验证发现为热塑性/热固性塑料经济的循环化提供了一种潜在策略，并可能允许交联聚烯烃在不损失价值的情况下进行制造、使用、再加工和再使用。作为一个额外的好处，该方法允许随时将功能引入非功能化的商品聚合物中。
Liting Bi, et al, A Cleavable Crosslinking Strategy for Commodity Polymer Functionalization and Generation of Reprocessable Thermosets, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304708https://doi.org/10.1002/anie.202304708
12. Angew：有机离子晶体的快速可调磷光
在环境条件下从有机材料中获取磷光是一项具有根本挑战性但极具吸引力的研究任务，成功将有望推动与光产生相关的能源和材料科学的许多领域的发展。近日，东芬兰大学Igor O. Koshevoy，台湾大学Pi-Tai Chou，多特蒙德大学Andrey Belyaev，Andreas Steffen报道了以亚苯基 (1, 2)、萘 (3, 4)、联苯 (5) 和蒽 (6) 作为芳香族间隔基团的结晶二膦碘化物 [MeR2P–间隔子–R2Me]I 在环境条件下具有光电发射性。1）发射颜色（λem值从550到880nm）和强度（Φem达到0.75）由中心共轭生色团基序的组成和取代几何形状以及阴离子-π相互作用定义。2）时间分辨和变温发光研究表明所有标题化合物都发出磷光，这表明在297 K下观察到的寿命为0.46–92.23 μs。辐射速率常数kr高达2.8×105 s–1推导出的盐1–3分配给由三重激发态的阴离子-π电荷转移特性引起的外部重原子效应增强的强自旋轨道耦合。3）这些异常快速的无金属磷光速率可与过渡金属络合物和有机发光体相媲美，后者通过热激活延迟荧光机制利用三重态激子，使此类离子发光体成为光功能和响应性分子材料设计的新范例。
Iida Partanen, et al, Fast and Tunable Phosphorescence from Organic Ionic Crystals, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202305108DOI: 10.1002/anie.202305108https://doi.org/10.1002/anie.202305108
