1. Nature Nanotechnology：锂离子电池内部颗粒和电解质不均匀性的三维操作光学成像
了解电池材料中的锂化不均匀性是确保最佳电化学性能的关键。然而，由于电极颗粒的三维形态、固相和液相反应物的参与以及一系列相关的时间尺度（秒到小时），使其仍极具挑战性。在这里，索邦大学Raj Pandya、Sylvain Gigan、Hilton B. de Aguiar、波士顿学院Alexis Grimaud克服了这一问题，并演示了使用共焦显微镜同时对单个团聚颗粒中的锂离子动力学和电池中的电解质进行三维操作测量。1) 作者研究了两种阴极材料：LixCoO2和LixNi0.8Mn0.1Co0.1O2。Li相表面到核心的传输速度和体积变化被捕获为循环速率的函数。此外，作者观察了循环过程中本体和团聚体表面的不均匀性，并对微观液体电解质浓度梯度进行了成像。2) 作者发现，表面限制反应和团聚体内竞争速率控制了基于团聚体电极中的锂化和结构不均匀性。作者概述了在电池电极的复杂环境中进行光学成像的条件。
Raj Pandya, et al. Three-dimensional operando optical imaging of particle and electrolyte heterogeneities inside Li-ion batteries. Nature Nanotechnology 2023DOI: 10.1038/s41565-023-01466-4https://doi.org/10.1038/s41565-023-01466-4
2. Nature Catalysis：卤化物引导的铋电催化剂活性位点暴露用于选择性CO2转化为甲酸
在电化学CO2还原反应中识别铋催化剂的活性位点仍然是一个挑战。在这里，乌得勒支大学Ward van der Stam、Bert M. Weckhuysen通过原位表征表明，卤氧化铋电催化剂对金属铋的活化是由卤化物引导的。1) 原位X射线衍射结果表明，溴化物促进了平面铋表面的选择性暴露，而氯化物和碘化物导致了更多无序的活性位点。此外，作者发现溴化物活化的铋催化剂优于氯化物和碘化物催化剂，实现了高电流密度（>100 mA cm–2）和甲酸选择性（>90%），表明平面铋表面对电化学CO2还原反应更具活性。2) 此外，原位X射线吸收光谱测量表明，在氯化物活化的铋中，重建过程迅速进行，当存在溴化物时，重建过程逐渐进行，有助于形成有序的平面。该发现表明，在电化学CO2还原反应过程中，卤素在活性铋基电催化剂中的选择性面暴露中发挥着关键作用。
Shuang Yang, et al. Halide-guided active site exposure in bismuth electrocatalysts for selective CO2 conversion into formic acid. Nature Catalysis 2023DOI: 10.1038/s41929-023-01008-0https://doi.org/10.1038/s41929-023-01008-0
3. Nature Catalysis：CO2电还原条件下铜电极的原子尺度表面重构
诱导用于CO2（CO2RR）电化学还原的Cu催化剂结构变化的电位动力学方法已被确定为引导催化剂选择性产生多碳产物的一种有效策略。在目前方法中，活性物种是通过顺序的铜氧化-还原过程产生的。近日，基尔大学Olaf M. Magnussen报道了CO2电还原条件下铜电极的原子尺度表面重构。1) 作者通过原位扫描隧道显微镜、表面X射线衍射和拉曼光谱测量表明，在CO2电催化还原开始时，低配位的Cu表面物种自发形成。该过程始于反应初始阶段CO诱导的Cu纳米团簇形成，导致在宽电势范围内持续的不可逆表面重组。2) 在随后的电势增加时，纳米团簇分散到Cu吸附原子中，从而稳定表面上的反应中间体。在CO2转化Cu催化剂表面上观察到的自诱导欠配位位点可以解释其反应活性，并且可以通过动电位策略来产生活性的CO2RR位点。
Reihaneh Amirbeigiarab, et al. Atomic-scale surface restructuring of copper electrodes under CO2 electroreduction conditions. Nature Catalysis 2023DOI: 10.1038/s41929-023-01009-zhttps://doi.org/10.1038/s41929-023-01009-z
4. Nature Energy：具有离聚物涂层的咪唑官能化Mo3P纳米颗粒用于电催化CO2还原为丙烷
丙烷是一种广泛用作燃料的三碳（C3）烷烃。尽管最近在CO2电催化方面取得了进展，但由于高反应能垒和对C1、C2和H2产物的竞争反应，直接从CO2生产C3+分子仍极具挑战性。在这里，伊利诺伊理工学院Mohammad Asadi报道了一个由1-乙基-3-甲基咪唑官能化的Mo3P纳米颗粒组成的催化体系。1) 该纳米颗粒涂有阴离子交换离聚物，可从电流密度为−395 mA cm−2的CO2中产生丙烷 ，并且在−0.8V（vs. RHE）时，超过100 h运行的法拉第效率为91% 。2) 表征和密度泛函理论计算表明，咪唑鎓官能化通过增加碳基中间体在Mo位点上的吸附能，改善了Mo原子在表面的电催化性能，并有利于通向丙烷的途径。该结果表明，在长期测试中，离聚物涂层在稳定Mo3P纳米颗粒的咪唑功能化表面方面发挥着至关重要的作用。
Mohammadreza Esmaeilirad, et al. Imidazolium-functionalized Mo3P nanoparticles with an ionomer coating for electrocatalytic reduction of CO2 to propane. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01314-8https://doi.org/10.1038/s41560-023-01314-8
5. Nature Energy：Au溅射TiO2光催化剂对甲烷高选择性氧化偶联的有效空穴提取
甲烷的光催化氧化偶联（OCM）产生C2分子，可以用作合成燃料和化学品的构建块。然而，由于甲烷分子的稳定性质，C2产物的产率和选择性仍然适中。在这里，利物浦大学Alexander J. Cowan、伦敦大学学院Junwang Tang报道了Au溅射TiO2光催化剂对甲烷高选择性氧化偶联的有效空穴提取。1) 作者通过溅射方法开发了一种负载Au纳米团簇的TiO2光催化剂，实现了1.1mmol h−1的高甲烷转化率 ，C2选择性为~90%，表观量子效率为10.3 ± 0.6%。2) 对于CO2还原，Au纳米颗粒可将TiO2光电子寿命延长66倍，同时Au作为空穴受体和催化中心，促进甲烷吸附、C–H活化和C–C偶联。该工作强调了多功能助催化剂和机理理解对改善光催化OCM的重要性。
Xiyi Li, et al. Efficient hole abstraction for highly selective oxidative coupling of methane by Au-sputtered TiO2 photocatalysts. Nature Energy 2023DOI: 10.1038/s41560-023-01317-5https://doi.org/10.1038/s41560-023-01317-5
6. Nature Commun.：在氧化铁催化剂中构建多个活性位点以改善羰基化反应
表面工程是提高多相催化剂催化活性的一种有前景的策略。然而，很少有研究致力于研究催化表面缺陷引发的多个金属活性位点的催化行为差异。在此，中科院兰州化物所Xinjiang Cui报道了氧空位诱导的 Fe2O3 催化剂在一个氧空位周围具有不同的 Fe 位点，并且对各种芳基卤化物和胺/醇与 CO 的羰基化反应表现出显着的催化性能。1）所开发的催化体系对通过氨基羰基化和烷氧基羰基化合成羰基化化学品，包括药物和手性分子。2）组合表征揭示了氧空位的形成。控制实验和密度泛函理论计算表明，三个Fe位点的选择性组合对于通过分别催化PhI活化、CO插入和C-N/C-O偶联等基本步骤来提高催化性能至关重要，从而赋予组合位点催化剂用于多步反应。
Liu, S., Li, T., Shi, F. et al. Constructing multiple active sites in iron oxide catalysts for improving carbonylation reactions. Nat Commun 14, 4973 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40640-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-40640-z
7. Nature Commun.：快速自热合成铁基纳米材料高级氧化催化剂
铁基催化剂是基于高级氧化工艺的废水修复的有希望的候选者。然而，这些材料的制备通常涉及复杂且能源密集的合成。此外，由于制备条件的固有限制，充分发挥催化剂的潜力具有挑战性。在此，复旦大学Xiangdong Zhu，阿德莱德大学Shaobin Wang通过软碳辅助闪速焦耳加热（FJH）开发了一种铁基纳米材料催化剂。1）FJH涉及快速升温、电击和冷却，该过程同时将低品位铁矿物（FeS）和软碳转化为嵌入薄层石墨烯中的富电子纳米Fe0/FeS异质结构。该过程非常节能，消耗的能量比传统热解少 34 倍。2）密度泛函理论计算表明，FJH衍生异质结构的电子离域通过双齿双核模型提高了其与过二硫酸盐的结合能力，从而提高了有机物矿化的·OH产率。3）Fe基纳米材料催化剂在较宽的pH范围内表现出较强的催化性能。类似的催化剂可以使用其他常用的铁前体来制备。最后，还提出了铁基纳米材料催化剂的连续自动化生产策略。
Yu, F., Jia, C., Wu, X. et al. Rapid self-heating synthesis of Fe-based nanomaterial catalyst for advanced oxidation. Nat Commun 14, 4975 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-40691-2https://doi.org/10.1038/s41467-023-40691-2
8. PNAS：电化学电池中两个电极的相关表面充电行为
电化学反应发生在电极-电解质溶液界面的纳米级双电层（EDL）中。EDL中的局部电势、电场、离子浓度和溶剂性质对该区域发生的任何反应都有至关重要的影响。近日，亚琛工业大学Huang Jun揭示了构成电化学电池的两个电极表面充电行为不能通过它们各自的电双层（EDL）性质来独立描述。1) 作者通过一种新型方式将其相互关联，即每个电极的表面充电行为由EDL和两个电极的反应动力学决定。从而导出了描述相关表面充电行为的两个基本方程，并分别在低电流密度和高电流密度下获得了近似解析解，以便于理解。2) 作者讨论了所提出的概念分析对理论和计算电化学的重要意义，并演示了在双电极电化学电池中通过调节另一个电极的EDL参数来调节一个电极活性的策略。
Huang Jun, et al. Correlated surface-charging behaviors of two electrodes in an electrochemical cell. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307307120https://doi.org/10.1073/pnas.2307307120
9. PNAS：定制短链硫分子以驱动硫基水电池的氧化还原动力学
固体-固体反应在可充电硫基电池中脱颖而出，因为其在理论上具有高硫利用率。然而，由于硫的低电子电导率和各种电化学惰性中间体的产生，硫阴极中的固-固反应总是具有缓慢的反应动力学和巨大的氧化还原极化。有鉴于此，提高硫阴极的电化学活性和调整氧化还原方向至关重要。在热力学分析的指导下，宁波大学Shu Jie利用空间有限域原理成功合成了短链硫分子（S2-4）。1) 与固-固反应中路线复杂的传统环状S8分子不同，短链硫分子不仅缩短了氧化还原链的长度，而且抑制了不可逆中间体的形成，从而带来了优异的氧化还原动力学和可逆性。2) 由短链硫分子构建的Cu-S电池可以提供3133 mAh g−1的高可逆容量。为了实现这一点，作者还设计并评估了基于短链硫分子的准固态水性柔性电池，并显示出优异的机械柔性和电化学性能。这表明，在可充电电池中引入短链硫分子可以促进高性能硫基水性储能系统的开发和应用。
Zhonghao Miao, et al. Tailoring short-chain sulfur molecules to drive redox dynamics for sulfur-based aqueous battery. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307646120https://doi.org/10.1073/pnas.2307646120
10. EES：通过新型硝酸盐添加剂提高聚DOL准固态电解质的可行性
准固态电解质（QSSE）的原位聚合是开发可扩展、安全和高性能准固态锂金属电池的一种有效方法。在这种情况下，聚DOL基电解质由于其宽的电化学窗口和与锂金属的强兼容性而极具潜力。通过添加LiNO3可以增强锂金属的稳定性，因为它在锂金属阳极的表面上产生了富含Li3N的固体电解质界面。然而，LiNO3阻止了DOL的开环聚合，使这两种化合物不相容。为了解决这个问题，香港科技大学Francesco Ciucci、防化研究院Wang Weikun开发了一种新型硝酸盐添加剂二硝酸三甘醇（TEGDN）来代替LiNO3。1) 与LiNO3一样，TEGDN在锂表面形成致密、富氮的固体电解质界面，保护其免受寄生反应的影响。然而，与LiNO3不同的是，TEGDN不会干扰DOL的聚合，从而可以制造高效电解质，在室温下提供2.87 mS cm−1的离子电导率和4.28 V的氧化稳定电位。2) 为了证明该方法的可行性，作者制备了在1C下稳定循环2000次以上的Li|LiFePO4纽扣型电池。此外，作者制备了1.7 A h的软包锂硫电池，其初始比能为304 W h kg−1，50次循环后的容量保持率为79.9%。该研究首次提出了一种新的添加剂来解决聚DOL和LiNO3的不相容性，并开发了原位聚合的准固态电池。该电池通过形成富氮固体电解质界面而表现出优异的容量和稳定性。
Zilong Wang, et al. Towards durable practical lithium–metal batteries: advancing the feasibility of poly-DOL-based quasi-solid-state electrolytes via a novel nitrate-based additive. EES 2023https://doi.org/10.1039/D3EE02020G
11. AEM：用于坚固电极-电解质界面的碳粘合剂设计以实现电池的高性能微型硅阳极
微米硅（μ-Si，>1μm）因其低成本、高振实密度和高比容量而成为锂离子电池的理想负极之一。然而，在反复的锂化/脱锂过程中，μ-Si会发生巨大的体积变化。由于严重的颗粒粉碎、导电网络的分离以及不稳定的固体电解质界面（SEI）的不受控制的生长，这导致循环过程中容量持续损失。在此，季华实验室Jun Tan, Chengzhi Zhang提出了通过浆料铸造μ-Si电极碳化的电极构造策略。有机粘合剂既充当碳源又充当物理框架，其被碳化以形成与μ-Si颗粒化学键合并在电极内的碳粘合剂。1）具有碳粘合剂的电极确保了稳定的电通道，并促进界面处形成稳定且钝化的SEI，μ-Si含量高达82 wt%。2）碳粘合剂提供物理缓冲，防止局部应变并改变表面反应性，从而实现高初始库仑效率（91.85%）和商业级面积容量（2 mAh cm−2）下稳定的循环性能。这项工作为当前电池行业提供了一种易于扩展且实用的方法，无需任何电解质修改或复杂的制造方法。
Fei Wang, et al, Carbon-Binder Design for Robust Electrode–Electrolyte Interfaces to Enable High-Performance Microsized-Silicon Anode for Batteries, Adv. Energy Mater. 2023, 2301456DOI: 10.1002/aenm.202301456https://doi.org/10.1002/aenm.202301456
12. Nano Letters：用于人工视觉神经系统的螺旋纳米纤维光电突触装置
受生物分子螺旋结构和由此产生的精细功能的启发，螺旋聚合物受到了越来越多的关注。合肥工业大学邱龙臻和南开大学徐文涛采用简单的一锅活性聚合方法制备了一系列聚（3-己基噻吩）-嵌段聚（苯基异氰）（P3HT-b-PPI）共聚物。1）在一系列共聚物中，研究发现P3HT80-b-PPI30薄膜具有螺旋状纳米纤维结构，而相应的器件则具有优异的光电特性，例如从可见光波段到深紫外（DUV）的光谱响应范围变宽，并且在DUV光刺激后载流子衰减时间延长了约5倍。特别是，每个突触事件的能量消耗为1.44fJ，这是迄今为止DUV光刺激实现的最低能量消耗。2）研究进一步使用相应的器件阵列来实现图像的加密和解密。最后，研究还构建了光感受器神经通路，可实现对有害光显示的识别预警。这项研究为开发一种新型光电突触器件提供了一种有效的策略。
Longlong Jiang, et al. Helical Nanofiber Photoelectric Synaptic Devices for an Artificial Vision Nervous System. Nano Letters. 2023DOI：10.1021/acs.nanolett.3c02266https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02266
