1. Nature Nanotechnology：独立氮氧化磷锂薄膜电解质在没有外部压力的情况下促进均匀致密的锂金属沉积
氮氧化磷锂（LiPON）是一种非晶态固体电解质，在过去三十年中得到了广泛的研究。尽管LiPON有望与各种电极材料配对，但其刚性和空气敏感性限制了对其内在特性的理解。在这里，加州大学孟颖、Minghao Zhang报道了一种独立合成LiPON的方法，该方法表现出优异的灵活性和约33 GPa的杨氏模量 。1) 作者使用固态核磁共振和差示扫描量热法定量揭示了Li/LiPON界面的化学性质，以及发现LiPON具有207 °C的玻璃化转变温度。2) 结合界面应力和金籽晶层，该独立LiPON在没有外部压力的情况下显示出锂金属的均匀致密沉积。这种独立LiPON薄膜为研究固态电池接口工程中LiPON的基本特性提供了途径。
Diyi Cheng, et al. A free-standing lithium phosphorus oxynitride thin film electrolyte promotes uniformly dense lithium metal deposition with no external pressure. Nature Nanotechnology 2023DOI: 10.1038/s41565-023-01478-0https://doi.org/10.1038/s41565-023-01478-0
2. Nature Materials：混合高κ介电材料在二维半导体上的可扩展集成
二维（2D）半导体是下一代场效应晶体管（FET）的有效沟道材料。然而，在2D半导体上集成超薄且均匀的高κ电介质以制造具有大栅极电容的FET仍极具挑战性。华中科技大学翟天佑、刘开朗报道了一种将高质量介电膜与亚1纳米等效氧化物厚度（EOT）集成的通用两步方法。1) 通过无机分子晶体Sb2O3作为缓冲层均匀沉积在2D半导体上，可以形成高质量的氧化物-半导体界面，并提供高度亲水的表面，从而能够通过原子层沉积集成高κ电介质。2) 使用这种方法，作者可以制备最薄EOT（0.67 nm）。使用0.4 V的超低工作电压，晶体管具有超过106的导通/截止比 、并实现了高选通效率。该研究结果为2D材料在低功率超尺度电子中的应用铺平了道路。
Yongshan Xu, et al. Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. Nature Materials 2023DOI: 10.1038/s41563-023-01626-whttps://doi.org/10.1038/s41563-023-01626-w
3. Nature Materials：混合离子和电子导电石榴石三维结构实现的极端锂金属循环
固态锂金属电池的发展受到锂金属电镀和剥离速率以及在商业相关电流密度下形成枝晶短路的限制。为了解决这一问题，马里兰大学Eric D. Wachsman开发了一种单相混合离子和电子导电（MIEC）石榴石，其锂离子和电子电导率相当。1) 在具有多孔MIEC框架的三层结构中，薄且致密的石榴石电解质使临界电流密度可以增加到100 mA cm−2，并且没有枝晶短路。此外，作者发现对称Li电池可以在60 mA cm−2的电流密度下连续循环 ，并且每个循环的最大Li电镀和剥离能力为30 mAh cm−2，这是最先进阴极容量的6倍。2) 此外，MIEC/电解质/MIEC结构实现的累计镀锂能力为18.5 Ah cm−2。如果与面积容量为5 mAh cm−2的阴极配对可实现3700次循环，这大大超过商用电动汽车电池寿命的要求。
George V. Alexander, et al. Extreme lithium-metal cycling enabled by a mixed ion- and electron-conducting garnet three-dimensional architecture. Nature Materials 2023DOI: 10.1038/s41563-023-01627-9https://doi.org/10.1038/s41563-023-01627-9
4. Nature Chemistry：异质互穿金属-有机框架
互穿金属-有机框架（MOFs）包括两个或多个相互纠缠的晶格。互穿可用于调节MOFs的结构和孔结构，以影响其稳定性或与客体分子的相互作用。互穿亚晶格通常是相同的，但也会产生由彼此不同的亚晶格组成的异质互穿MOFs。在这里，梅西大学Shane G. Telfer描述了一种合成异质互穿MOFs的策略。1) 作者使用立方α-MUF-9框架作为宿主亚晶格，并使第二个子晶格在其孔内模板化生长。作者生长了三种不同的次级亚晶格，从而产生了三种不相同的异质互穿MOFs。2) 该策略可以将不同的特性组合成一种材料。作者通过将不同的作用分配给异质互穿MOF中的互穿亚晶格来产生不对称催化：一个亚晶格上的非手性仲胺具有催化活性，而手性α-MUF-10主体使羟醛和亨利反应具有不对称性。
David Perl, et al. Hetero-interpenetrated metal–organic frameworks. Nature Chemistry 2023DOI: 10.1038/s41557-023-01277-zhttps://doi.org/10.1038/s41557-023-01277-z
5. JACS：用于阴离子交换膜燃料电池的高效耐NH3镍基氢氧化催化剂
通过燃料电池将氢化学能转化为电能具有高效率和环保优势，但需要超纯氢气（99.97%以上）；否则，电极催化剂（通常为碳载铂（Pt/C））将被氨（NH3）等杂质气体中毒。在这里，中科大高敏锐教授展示了通过铬(Cr)掺杂剂调制的镍钼合金(MoNi4)具有显着的NH3电阻率。1）所得的Cr-MoNi4对碱性氢氧化表现出高活性，并且在2 ppm NH3存在的情况下可以经历10,000次循环而没有明显的活性衰减。2）此外，即使供给NH3(10ppm)/H2，组装有该催化剂的燃料电池仍能保持95%的初始峰值功率密度，而Pt/C催化剂的功率输出则降低至初始值的61%。3）实验和理论研究表明，Cr改性剂不仅可以产生抑制孤对电子供给的富电子态，而且还可以使d带中心下移以抑制电子回馈，从而协同削弱NH3吸附。
Ye-Hua Wang, et al, Efficient NH3-Tolerant Nickel-Based Hydrogen Oxidation Catalyst for Anion Exchange Membrane Fuel Cells, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c06903https://doi.org/10.1021/jacs.3c06903
6. JACS：金属有机框架中卟啉光活性基序的热诱导有序排列促进光催化二氧化碳还原
通过快速传输路径有效传输载流子对于太阳能驱动的二氧化碳还原中优异的光催化还原性能至关重要，但通过可行的化学手段有效调节光敏基序之间的电子传输路径仍然具有挑战性。在这项工作中，中科院高能物理所Lei Mei，Wei-Qun Shi提出了一种热诱导策略，使用具有大离子半径和高配位数的钍离子作为配位不稳定金属节点，精确调节卟啉金属有机框架的光活性基序之间形成的快速电子传输途径。1）结果，晶体转变前后骨架中卟啉分子的堆积模式发生了巨大变化，导致MOFs中光生载流子的分离效率显着差异。2）IHEP-22(Co)光催化还原CO2为CO的速率达到350.9 μmolh−1·g−1，是IHEP-21(Co)的3.60倍，IHEP-23(Co)的1.46倍）。3）光电化学表征和理论计算表明，卟啉分子之间形成的电子传输通道抑制光生载流子的复合，从而实现光催化CO2还原的高性能。利用原位电子顺磁共振、原位漫反射红外傅里叶变换光谱、原位扩展X射线吸收精细结构光谱和理论计算阐明了CO2与IHEP-22(Co)的相互作用机理。这些结果为调控CO2还原光催化剂中载流子的有效分离和迁移提供了一种新方法，将有助于指导设计和合成用于生产太阳能燃料的性能优越的光催化剂。
Zhi-Wei Huang, et al, Thermally Induced Orderly Alignment of Porphyrin Photoactive Motifs in Metal−Organic Frameworks for Boosting Photocatalytic CO2 Reduction, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c07047https://doi.org/10.1021/jacs.3c07047
7. JACS：将 Ditin(IV) 位点“瓶中运输”整合到金属有机框架中，以促进酸性电解质中 CO2 的电还原
酸性条件下的电化学 CO2 还原反应 (eCO2RR) 已成为实现高 CO2 利用率的一种有前途的方法，因为它可以抑制通常在中性和碱性条件下发生的不良碳酸盐形成。在此，中山大学廖培钦教授通过“瓶中船”策略将前所未有的高活性二锡（IV）位点整合到金属有机框架（即 NU-1000-Sn）的纳米孔中。1）NU-1000-Sn 在 260 mA cm−2 的工业电流密度下提供近 100% 的甲酸法拉第效率，在酸性溶液（pH = 1.67）中单程 CO2 利用率高达 95%。在 260 mA cm−2 的电流密度下连续运行 15 小时没有观察到明显的降解，这代表了迄今为止在酸性电解质中显着的 eCO2RR 性能。2）机理研究表明，关键中间体*HCOO的两个氧原子可以同时与ditin(IV)位点上的两个相邻的Sn原子配位。这种桥联配位有利于CO2的加氢，从而产生高性能。
Huan Xue, et al, “Ship-in-a-Bottle” Integration of Ditin(IV) Sites into a Metal−Organic Framework for Boosting Electroreduction of CO2 in Acidic Electrolyte, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c05023https://doi.org/10.1021/jacs.3c05023
8. JACS：具有多样化氧化还原活性位点的COF可实现高性能水系钙离子电池
有机材料有望用于钙离子电池（CIBs）中的阳离子存储。然而，有机材料在电解质中的高溶解度和低电子电导率仍然是高性能CIB的关键挑战。吉林大学施展设计了一种具有多个羰基的富氮共价有机框架（TB-COF）作为水性负极来解决这些障碍。1）TB-COF在1.0 A g–1时表现出253 mAh g–1的高可逆容量和长循环寿命（3000次循环后，在5 A g–2时每次循环产生0.01%的容量衰减）。2）氧化还原机制显示，Ca2+/H+共嵌入到COF中，并与C═O和C═N活性位点进行螯合。此外，COF中产生了新型C═C活性位点，并被鉴定为具有Ca2+离子储存的能力。3）计算和经验结果都表明，每个TB-COF重复单元，在三个交错的嵌入步骤后，最多可储存九个Ca2+离子，涉及三个不同的Ca2+离子储存位点。最后，自由基中间体的演化过程进一步阐明了C═C反应机理。
Siqi Zhang, et al. Covalent Organic Framework with Multiple Redox Active Sites for High-Performance Aqueous Calcium Ion Batteries. JACS. 2023https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c04657
9. JACS：胶体稳定、低分散性锰基三元尖晶石氧化物纳米晶的一般合成路线
虽然三元尖晶石氧化物已经在胶体纳米化学领域进行了很好的探索，特别是铁氧体-尖晶石家族，但三元锰（Mn）基尖晶石氧化物目前尚未被系统研究过。特别是钴（Co）-Mn氧化物（CMO）尖晶石，即CoxMn3–xO4，其在多种电化学应用中具有示范性能，但在胶体文献中几乎没有报道。康奈尔大学Richard D. Robinson描述了一种可合成胶体稳定CMO尖晶石纳米晶体的方法，该纳米晶体具有可调的组成和低分散性。1）通过在氧化环境下使2+金属乙酰丙酮（M（acac）2）前体在胺溶剂中反应，研究开发了一种避免典型胶体合成反应的高度还原条件的途径；这些还原条件通常容易将系统推向一氧化碳杂质相。2）通过表面化学研究，研究确定了有机副产物及其形成机制，使作者能够对表面进行工程设计，从而获得低有机负载量的胶体稳定的纳米晶体。由此，研究报道了一种具有低有机物含量的CMO/碳复合材料，该复合材料在1.0M氢氧化钾中以1600rpm的转速进行氧还原反应（ORR），半波电位（E1/2）相对于RHE为0.87V，与之前关于该材料在ORR电催化中的最高活性的报道相媲美。3）作者将该方法的普遍适用性扩展到其他Mn基尖晶石纳米晶体，如Zn-Mn-O、Fe-Mn-O，Ni-Mn-O和Cu-Mn-O。最后，作者通过在生产克级无机纳米晶体来阐释了这种方法的可扩展性。
Jonathan L. Rowell, et al. General Route to Colloidally Stable, Low-Dispersity Manganese-Based Ternary Spinel Oxide Nanocrystals. JACS. 2023https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05706
10. Angew：用于阴离子交换膜的聚（乙烯哌啶）
缺乏既具有高氢氧化物导电性又具有稳定的机械和化学性能的阴离子交换膜(AEMs)，这对高性能燃料电池的发展构成了重大挑战。改善导电性和稳定性之间的一方平衡通常意味着牺牲另一方。在这里，香港科技大学Yoonseob Kim使用简单、高产率的化学反应来设计和合成一种用于AEM燃料电池的以聚乙烯为主链的哌啶聚合物。1）为了改善AEMs的性能，在高阳离子比的AEMs中引入了离子交联，以抑制高吸水率和溶胀，同时进一步提高了氢氧化物的导电性。值得注意的是，PEP80-20PS在80°C时达到了354.3 mS cm−1的氢氧化物电导率，同时保持了机械稳定性。2）与基础聚合物PEP80相比，PEP80-20PS的吸水率从813%降至350%，吸水率从813%降至350%，80℃时膨胀率从350.0%降至50.2%，降幅达85%。PEP80-20PS也表现出良好的碱性稳定性，在KOH水溶液中处理35天后，仍有84.7%的保留率。这项研究中的化学设计代表着燃料电池应用中同时高度稳定和导电的AEMs的开发取得了重大进展。
Huanhuan Chen, et al, Poly(Ethylene Piperidinium)s for Anion Exchange Membranes, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202307690DOI: 10.1002/anie.202307690https://doi.org/10.1002/anie.202307690
11. Angew：通过直接 Fe0 到微生物电子转移加速磁铁矿和导电菌毛的微生物腐蚀
电生物腐蚀是微生物通过 Fe0 与微生物直接电连接从金属铁 (Fe0) 中提取电子的过程，被认为会导致含铁金属的昂贵腐蚀，从而影响许多行业。然而，人们对电生物腐蚀机制知之甚少。近日，东北大学Dake Xu报道了导电菌毛 (e-pili) 和导电矿物磁铁矿在 Fe0 和硫还原地杆菌之间的电子传递中发挥着重要作用，硫还原地杆菌是第一种已严格记录电生物腐蚀的微生物。1）表达导电性差的菌毛的基因修饰显着减少了腐蚀点蚀和 Fe0 到微生物电子通量的速率。磁铁矿降低了电子转移阻力，增加了腐蚀电流并加剧了点蚀。2）对突变体的研究表明，磁铁矿以类似于外表面 c 型细胞色素 OmcS 的方式促进电子转移。这些发现以及磁铁矿是铁腐蚀的常见产物这一事实表明，腐蚀过程中产生的磁铁矿存在潜在的正反馈回路，进一步加速了电生物腐蚀。3）电菌毛、细胞色素和磁铁矿的相互作用证明了电生物腐蚀的机械复杂性，但也为检测和可能减轻这种经济破坏过程提供了见解。
Yuting Jin, et al, Accelerated Microbial Corrosion by Magnetite and Electrically Conductive Pili through Direct Fe0-to-Microbe Electron Transfer, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202309005DOI: 10.1002/anie.202309005https://doi.org/10.1002/anie.202309005
12. Angew：用于稳定锌阳极的超薄无机分子晶体界面层
锌金属负极在循环过程中会出现枝晶生长和副反应，从而显着降低水性锌金属电池的使用寿命。在此，华中科技大学李会巧教授引入了超薄且超平坦的Sb2O3分子晶体层来稳定Zn阳极。1）原位光学和原子力显微镜观察表明，这种10nm的Sb2O3薄层可以确保均匀的底层Zn沉积，并抑制尖端生长效应，而传统的WO3层会经历不受控制的上层Zn沉积。2）优异的调节能力归因于良好的电子阻挡能力和分子晶体层的低锌亲和力，不含悬挂键。3）电化学测试表明，Sb2O3层可以显着提高Zn阳极的循环寿命，从72小时提高到2800小时，而更厚的WO3即使在100nm下也只能达到900小时。
Ping Xiao, et al, An Ultrathin Inorganic Molecular Crystal Interfacial Layer for Stable Zn Anode, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202309765DOI: 10.1002/anie.202309765https://doi.org/10.1002/anie.202309765
