1. Chem. Soc. Rev.：元素磷材料的性能、合成及其在可持续能源和环境中的应用
磷基材料的多态性引起了人们的广泛关注，其化学键合结构的变化产生了各种各样的微结构和纳米结构。在不同类型的含磷材料中，元素磷材料（EPMs）构成了合成相关化合物的基础。近日，中国科学院Wang Jiahong、Qu Guangbo、Yu Xuefeng对元素磷材料的性能、合成及其在可持续能源和环境中的应用进行了综述研究。1) 电子探针的复兴主要归功于黑磷、无定形红磷、紫磷和纤维状磷的发展，因此，产生了具有独特特性的各种低维电子探针片、带和点。纳米结构的电子探针具有可调的带隙、适度的载流子迁移率和优异的光学吸收，在能量转换、能量存储和环境修复方面显示出巨大的潜力。因此，充分了解不同电子探针之间的差异和相互关系、固有的物理和化学性质、特定结构的合成以及为特定应用选择合适的电子探针纳米结构具有重要意义。2) 作者深入分析和讨论电子探针的基本物理化学性质、合成以及在能源转换、储能和环境修复领域的应用。基于磷同素异形体的文献和新EPM的理论预测，该综述的目的是增强科研工作者对电子探针特性的理解，了解最新进展，并为电子探针在化学和材料科学领域的未来研究提供指导。
Haijiang Tian, et al. Renaissance of elemental phosphorus materials: properties, synthesis, and applications in sustainable energy and environment. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS01018F
2. Nature Commun.：通过克莱森-施密特反应合成丙烯酮连接的共价有机骨架用于光催化除铀
用于合成 sp2-c 连接的共价有机骨架 (COF) 的反应类型和单体的可用性很大程度上受到 C=C 键的不可逆性的限制。在此，南昌大学Jian-Ding Qiu，Ru-Ping Liang受克莱森-施密特缩合反应的启发，基于酮激活的α-H与芳香醛的碱催化亲核加成反应，开发了两种丙烯酮连接的（C=C–C=O）COF（命名为PyDAB和PyN-DAB）。1）丙烯酮结构的引入赋予COFs高结晶度、优异的物理化学稳定性和有趣的光电特性。2）得益于COFs骨架的合理设计，Py-DAB和PyNDAB被应用于放射性核素铀的提取。特别是，PyNDAB 在四个铀矿废水样品中显示出出色的去除率 (>98%)。研究人员强调，这样的总体策略可以为各种功能性多孔晶体材料提供有价值的途径。
Niu, CP., Zhang, CR., Liu, X. et al. Synthesis of propenone-linked covalent organic frameworks via Claisen-Schmidt reaction for photocatalytic removal of uranium. Nat Commun 14, 4420 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40169-1https://doi.org/10.1038/s41467-023-40169-1
3. Nature Commun.：用于耐热照明和体内生物成像的耐用有机非线性光学膜
有机非线性光学材料在照明和生物成像等应用中具有潜力，但往往具有较低的光致发光量子产率，并且容易失去非线性光学活性。在此，中山大学Wu-Qiang Wu，上海理工大学Bin Cai，广东工业大学Mingyi Xu演示了编织由4-N,N-二甲基氨基-4′-N′-甲基-甲苯磺酸芪唑@环糊精主客体超分子复合物组成的大面积柔性有机非线性光学膜。1）这些膜表现出创纪录的73.5%的光致发光量子产率，并且即使在300℃下加热也能持续发出橙色发光，从而能够制造耐热发光二极管。即使在极地环境中，这些膜的非线性光学性质也能得到很好的保留。具有多光子吸收特性的超分子组装体用于在1000 nm激发下对大肠杆菌进行体内实时成像。2）这些发现表明，可以实现有机非线性光学材料的可扩展制造，该材料具有高光致发光量子产率，并且对热应力和极性环境具有良好的稳定性，可用于高性能、耐用的光电器件和人性化多光子生物探针。
Tian, T., Fang, Y., Wang, W. et al. Durable organic nonlinear optical membranes for thermotolerant lightings and in vivo bioimaging. Nat Commun 14, 4429 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40168-2https://doi.org/10.1038/s41467-023-40168-2
4. Nature Commun.：利用吡咯氮位点促进双电子氧还原用于电化学制过氧化氢
电催化过氧化氢(H2O2)的双电子氧还原反应是一种很有前途的替代高耗能、高污染的蒽醌氧化法。然而，由于典型的含金属催化剂，特别是最先进的单原子催化剂上的活性中心数量有限，易于钝化，开发出具有高H2O2产率、选择性和耐久性的先进电催化剂仍然具有挑战性。为了解决这一问题，天津大学Ji Liang，Feng Hou，中国科学院金属研究所Lichang Yin，天津师范大学Liqun Wang报道了一种用于高速高效2E−氧还原催化的石墨烯/介孔碳复合材料。1）吡咯酸-N位的配位--调节*OOH物种的吸附构型，为过氧化氢的产生提供了一条动力学上有利的途径。2）因此，过氧化氢的产率接近30 mol g−1 h−1，法拉第效率为80%，耐久性好，过氧化氢浓度高达7.2 g L−1。因此，这种控制具有多个非金属活性中心的反应物的吸附构型的策略为设计高效、耐用的2e−氧还原无金属电催化剂提供了一种策略。
Peng, W., Liu, J., Liu, X. et al. Facilitating two-electron oxygen reduction with pyrrolic nitrogen sites for electrochemical hydrogen peroxide production. Nat Commun 14, 4430 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40118-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40118-y
5. Nature Commun.：用于绿色锌离子电池的可回收生物质电解质
传统的水电解液锌离子电池由于锌枝晶的生长失控和副反应的发生，严重影响了电池的正常运行。这些问题可以通过开发功能水凝胶电解质作为水电解质的替代品来避免。然而，大多数水凝胶电解液抑制锌阳极上锌枝晶生长的机理还没有详细的研究，也缺乏一种针对主流水凝胶电解液的大规模回收方法。近日，香港理工大学Bingang Xu，Jingxin Zhao，清华大学深圳国际研究生院Guangmin Zhou以天然生物材料壳聚糖和聚天冬氨酸为原料，研制了一种可回收、可生物降解的水凝胶电解质。1）壳聚糖和聚天冬氨酸在水凝胶电解液中的独特吸附和诱导作用触发了双偶联网络和协同缓蚀机理，从而有效地抑制了锌阳极上的副反应。2）此外，这种水凝胶电解液通过维持其内部的两电子氧化还原反应和抑制锌树枝的形成，在水基锌锰电池中起到了至关重要的作用。3）可持续的生物质基水凝胶电解液是可生物降解的，可以从锌/锰电池中回收用于后续回收。
Lu, H., Hu, J., Wei, X. et al. A recyclable biomass electrolyte towards green zinc-ion batteries. Nat Commun 14, 4435 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40178-0https://doi.org/10.1038/s41467-023-40178-0
6. Nature Commun.：水促进室温下空气高选择性氧化苯生成苯酚
苯酚是塑料和药品合成中最重要的精细化学中间体之一，市场规模约为30b美元，商业化生产是通过苯两步选择性氧化，在腐蚀性酸性介质中需要高能量输入(高温和高压)，并造成严重的环境问题。近日，伦敦大学学院唐军旺教授报道了原子包裹铜的钯纳米粒子已经成功地锚定在P25上。1）优化后的样品对苯酚的选择性最高，为92.6%，生成速率为4833 umol g−1 h−1。同时，Pd0.006Cu0.002/P25(相对于最外层的铜物种)获得了超过100,000吨的最高产量(或2.7 S−1的TOF)。2）根据结构表征、同位素标记、动力学分析、光谱测量和密度泛函理论计算，Pd-Cu共修饰样品的优异活性可以归因于P25向Pd-Cu纳米结构的有效空穴转移。水作为促进剂对苯酚的高选择性也是至关重要的。更重要的是，Pd-Cu纳米结构能够控制苯酚而不是联苯的选择性，为C-H键的断裂开辟了一条新的低能途径，避免了苯基物种的二聚化。3）此外，悬浮系统中优化的界面反应策略可以产生自然保护高价值产品免受过度氧化的氧化剂贫乏环境。该反应很有可能在商业上可用的连续搅拌釜式反应器中放大。这种新颖的光催化剂和反应体系的设计方案可以为高度对称的分子的选择性转化开辟一条经济的途径。
Xie, J., Li, X., Guo, J. et al. Highly selective oxidation of benzene to phenol with air at room temperature promoted by water. Nat Commun 14, 4431 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40160-whttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40160-w
7. Sci. Adv.：基于膜受体双单层探针和石墨烯晶体管阵列的可扩展仿生传感系统
基于亲和力的生物传感可以实现定点诊断和持续的健康监测，这通常遵循自下而上的方法，并固有地受到BioProbe的固有属性、批次到批次的一致性和生物流体中稳定性的限制。近日，上海交通大学Rui Qing，麻省理工学院Shuguang Zhang，Tomás Palacios提出了一种仿生的自上而下的平台来规避这些困难，方法是将“双单分子层”生物识别结构与基于石墨烯的场效应晶体管阵列相结合。1）该构建采用重新设计的水溶性膜受体作为特异性传感单元，由二维结晶S层蛋白定位，作为密集的抗污染连接物指导其定位。成百上千的晶体管从转换的信号中提供统计意义。2）研究人员用rSbpA-ZZ/CXCR4QTY-FC组合论证了系统的可行性。在生理相关浓度下，CXCL12配体和HIV外壳糖蛋白与CXCL12配体和HIV外壳糖蛋白发生了与自然界相似的特异性相互作用，在100%人血清中没有明显的灵敏度损失。3）该结构可通过酸性缓冲液再生，允许设备重复使用和功能调整。模块化和通用化的体系结构的行为类似于自然系统，但提供了电子输出，这使得能够制造具有定制接收器面板的多路传感器，以用于指定的诊断目的。
Rui Qing, et al, Scalable biomimetic sensing system with membrane receptor dual-monolayer probe and graphene transistor arrays, Sci. Adv. 9, eadf1402 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adf1402https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1402
8. Sci. Adv.：用于血糖连续监测的电偶联型全印刷自补偿生物可吸收电化学装置
传统的实时血糖监测涉及非生物可吸收的半植入式葡萄糖传感器，在移除过程中会造成感染和疼痛。尽管生物可吸收电子设备是很好的替代品，但生物可吸收传感器在含有干扰生物分子的水环境中溶解。在这里，天津大学Xian Huang提出了利用生物可吸收材料实现稳定的电极电位和准确的电化学检测的理论，从而得到了一种完全印刷的生物可吸收电化学装置。1）钼钨参比电极通过电流耦合和自补偿模块提供稳定的电位，克服了材料退化造成的不利影响。研究人员在体外和体内分别进行了7天和5天的血糖监测，然后在2个月内完全降解。2）结果显示，该设备提供了0至25毫米的葡萄糖检测范围和0.2458微安/毫米的灵敏度，具有抗干扰能力和生物兼容性，表明利用印刷和低温水烧结技术批量生产高性能的生物可吸收电化学设备是可能的。这些机制可能被用于开发更全面的用于慢性病的生物可吸收传感器。
Jiameng Li, et al, Fully printed and self-compensated bioresorbable electrochemical devices based on galvanic coupling for continuous glucose monitoring, Sci. Adv. 9, eadi3839 (2023)DOI: 10.1126/sciadv.adi3839https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi3839
9. EES：开发高可逆性Li-CO2电池：从片上探索到实际应用
锂电池在满足能源转型要求和减少全球二氧化碳排放方面具有巨大潜力。然而，高效LCB的开发仍处于早期阶段，需要高效的电催化剂和对其机制的更深入理解。为了应对这些挑战，萨里大学Zhao Yunlong、北京大学潘锋设计了一个通用的片上电化学测试平台，该平台能够同时筛选催化剂，并对反应产物的化学成分和形态演变进行原位分析。1) 通过对六种不同的金属纳米颗粒催化剂进行了评估，作者发现Pt基LCBs具有低过电势（~0.55 V）。作者使用原位电化学拉曼光谱和原子力显微镜研究了LCBs的反应途径和可逆性质，并得到了从头计算的验证。2) 此外，作者制造了LCB纽扣电池和软包电池，并证明其具有高容量、稳定性和高达90%的能源效率。多模式芯片实验室平台在金属-空气电池、电催化、燃料电池和光电化学系统等其他系统中具有广泛的应用，从而为快速筛选催化剂、机理研究和开发实际应用开辟了新的途径。
Manman Wang, et al. Developing highly reversible Li-CO2 battery: from on-chip exploration to practical application. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE00794D
10. EES：Bi2S3-PPy复合材料的生物启发工程用于高效电催化还原二氧化碳
使用表面工程化学复合材料来提高反应中间体的结合能和导电性是实现高局部电流密度和提高目标产物产率的一条有效途径。中国科学院Cheng Hangrong、Zhou Xiaoxia、复旦大学郑耿锋使用导电聚合物聚吡咯（PPy）来调节Bi2S3的电子结构，促进CO2分子的活化，以增强CO2电还原的活性。1)具有独特3D形态的电催化剂由具有丰富S空位的Bi2S3纳米线组装体通过PPy修饰组成，其提高了电子转移能力，实现了91.18%的优异甲酸盐法拉第效率和-56.95mA cm-2的电流密度，以及在H型电池中具有良好的稳定性。更重要的是，它可以提供超过-300 mA cm-2的电流密度，而不会影响流动池反应器中甲酸盐的选择性。2) 基于原位ATR-IR光谱，作者提出了与HCO3-有关的甲酸盐形成的反应机制，这将为CO2还原带来新的科学认识。DFT计算进一步表明，优化的电子结构、增强的CO2吸附和活化以及质子化过程有助于降低甲酸酯中间体*OCHO的形成能，从而提高性能。此外，配备Bi2S3-PPy的Zn-CO2电池具有2.4 mW cm-2的最大功率密度和>110小时的优异循环稳定性。
Chengjin Li, et al. Bio-inspired engineering of Bi2S3-PPy composite for efficient electrocatalytic reduction of carbon dioxide. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02029K
11. EES：析氢反应过程中的瞬态相变
2H-MoS2是用于析氢反应（HER）的有效且不含贵金属的电催化剂之一。关于其HER机制的一个广泛接受的观点是，其边缘位点具有高HER活性，而其基面在HER过程中是惰性的。在这里，华中科技大学翟天佑、浙江师范大学杨发确认这种观点是有问题的。1) 作者基于第一性原理计算和原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱和X射线吸收精细结构测量的结果确定了瞬态相变行为，这使得2H-MoS2的部分基面表现出高HER活性。2) 具体而言，在HER过程中，MoS2可以经历从HER的惰性2H相到具有高HER活性的1T′相的局部相变，并且相变是瞬态的，其在反应后恢复到2H相。该工作报道了一种新的反应机制（即瞬态相变），从而为多相电催化剂的设计和多相电催化的机理研究开辟了新的机遇。
Zhao Yinghe, et al. Transient phase transition during the hydrogen evolution reaction. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE01409F
12. AEM：生物硅化制备高容量亚纳米二价硅
就高容量和安全性而言，具有小晶粒度的低价硅基复合材料是用于锂离子电池的有效阳极材料。然而，稳定的四价硅前体使合成难以实现绿色化。近日，武汉理工大学麦立强、王选朋利用凤眼莲的生物硅化作用，发现它是低价硅的优良天然前体。1) 生物亚纳米（0.5nm）硅点复合材料（EC-SiOC）具有Si─O和C─O键之间的可逆转换机制，这不同于以前与合金化反应相关的锂存储机制。由于均匀的生物结构促进了固相反应，热解EC-SiOC的标准化能耗比二氧化硅的碳热还原低约80%，其类似于熔盐电解。2) 从统计数据来看，来自不同EC-SiOC的抽样调查显示，在100 mA g−1的电流密度下，其高平均容量为749.9 mAh g−1。该研究揭示了生物质前驱体在合成Si─O─C材料方面的巨大潜力。
Zi'ang Liu, et al. High-Capacity Sub-Nano Divalent Silicon from Biosilicification. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202301715https://doi.org/10.1002/aenm.202301715
