1. Nature Energy：当前和未来生产锂离子和后锂离子电池的能耗
由于对电动汽车的需求迅速增加，对电池的需求也在显著增加。然而，电池的生产需要大量的能源，成本高昂，还会产生温室气体排放。鉴于此，来自德国Fraunhofer电池生产研究所的F. Degen等人通过结合文献和自己的研究数据对这一方面进行了系统分析。1) 该研究分析了目前和未来（直到2040年）锂离子电池（LIB）和锂离子后电池（PLIB）电池生产在电池和宏观经济层面上需要多少能量，且在电池水平上，我们发现PLIB电池每产生单位电量所需的能量比LIB电池要少；2) 此外，研究发现，如果不采取措施的话，在宏观经济层面上，全球生产LIB和PLIB电池的能耗将达到130000 GWh，优化未来的生产则有可能节省高达66%的能源需求。
Degen, F., Winter, M., Bendig, D. et al. Energy consumption of current and future production of lithium-ion and post lithium-ion battery cells. Nat Energy (2023). 10.1038/s41560-023-01355-zhttps://doi.org/10.1038/s41560-023-01355-z
2. Nature Commun.：用于软机器人的纤维素纳米晶体和两性离子水凝胶的可编程纳米复合材料
刺激响应水凝胶作为一种多功能的软执行器已经引起了人们的广泛关注。将各向异性特性和形状变化可编程性引入响应性水凝胶中，为软机器人的开发带来了许多机会。在此，滑铁卢大学Hamed Shahsavan报道了具有预定微观结构各向异性、形状转变和自修复功能的 pH 响应性水凝胶纳米复合材料的合成。1）水凝胶纳米复合材料主要由两性离子单体和不对称纤维素纳米晶体组成。虽然网络的两性离子性质赋予水凝胶纳米复合材料自我修复和细胞相容性，但纤维素纳米晶体的剪切诱导排列使其具有各向异性膨胀和机械性能。由于具有自愈特性，研究人员利用剪切粘贴方法将可逆且复杂的变形编程到水凝胶中。2）作为概念验证，研究人员展示了使用由水凝胶制成的系留和无系留软机器人来运输轻型货物。所提出的材料系统为未来几代生物医学软机器人的开发提供了强大的工具箱。
Nasseri, R., Bouzari, N., Huang, J. et al. Programmable nanocomposites of cellulose nanocrystals and zwitterionic hydrogels for soft robotics. Nat Commun 14, 6108 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41874-7https://doi.org/10.1038/s41467-023-41874-7
3. Nature Commun.：纤维网络内的液-液相分离
复杂的纤维网络介导细胞内生物分子凝聚物的液-液相分离。这些冷凝物与周围网络之间的机械相互作用越来越多地涉及冷凝物的生理学，然而，细胞内介质内相分离的物理原理仍然知之甚少。在这里，普林斯顿大学Rodney D. Priestley通过在生物聚合物凝胶内冷凝油滴来阐明纤维网络内液-液相分离的动力学和力学。1）研究人员发现，受限于网络孔隙空间内的凝结物会在突然的时间爆发中生长。随后凝结水的重组和随之而来的网络变形取决于网络原纤维的断裂，这是由凝结水毛细管作用和网络强度之间的竞争决定的。2）作为细胞内相分离的合成模拟，这些结果进一步加深了我们对细胞中生物分子凝聚体和纤维网络之间机械相互作用的理解。
Liu, J.X., Haataja, M.P., Košmrlj, A. et al. Liquid–liquid phase separation within fibrillar networks. Nat Commun 14, 6085 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41528-8https://doi.org/10.1038/s41467-023-41528-8
4. Nature Commun.：抑制缺陷诱导的α-δ相变，实现高效稳定的甲脒钙钛矿太阳能电池
缺陷钝化广泛致力于改善甲脒三碘化铅钙钛矿太阳能电池的性能；然而，各种缺陷对α相稳定性的影响仍不清楚。在这里，中山大学Pingqi Gao，Shengcai Zhu利用密度泛函理论，首次揭示了甲脒三碘化铅钙钛矿从α相到δ相的降解途径，并研究了各种缺陷对相变能垒的影响。1）模拟结果预测，碘空位最有可能引发降解，因为它们明显降低了α-δ相变的能垒，并且在钙钛矿表面具有最低的形成能。2）在钙钛矿表面引入不溶于水的草酸铅致密层，通过阻碍碘的迁移和挥发来很大程度上抑制α相的塌陷。3）此外，该策略很大程度上减少了界面非辐射复合，并将太阳能电池的效率提高至25.39%（认证为24.92%）。4）未封装器件在模拟气团1.5G辐照下最大功率点运行550 h后仍能保持92%的初始效率。
Chen, T., Xie, J., Wen, B. et al. Inhibition of defect-induced α-to-δ phase transition for efficient and stable formamidinium perovskite solar cells. Nat Commun 14, 6125 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41853-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-41853-y
5. JACS：通过侧链相互作用调节二维共价有机框架的结晶度和堆积
二维共价有机框架 (2D COF) 作为层状 2D 聚合物形成，其片材通过高表面积的非共价相互作用堆叠，从而产生不同的层间排列。操纵 2D COF 的堆叠至关重要，因为它决定了孔的有效尺寸和形状，以及相邻层中功能芳香系统之间的特定相互作用，这两者都将强烈影响 2D COF 的新兴性能。然而，调节层堆叠的原理尚未被很好地理解，并且许多2D COF在堆叠方向上是无序的。在这里，上海大学Haoyuan Li，美国西北大学William R. Dichtel通过一系列由长度从一个碳 (C1 COF) 到 11 个碳 (C11 COF) 的正烷氧基链功能化的 2D 亚胺连接 COF 来研究侧链长度的影响。1）该系列揭示了以前未认识到和未预料到的堆积几何形状和结晶度的趋势。 C1 COF采用平均重叠几何形状，层间无明显偏移。相反，所有后续链长度都会导致某种程度的单向滑移堆积。随着侧链长度的增加，趋势显示，C5 COF 中的平均层偏移增加至最大值 2.07 Å，然后随着链长度通过 C11 COF 延伸而减小。2）与直觉相反，粉末 X 射线衍射和扫描电子显微镜证实，较短的链 (C2−C4) 会产生较低的弱结晶材料产率，而较长的链 (C6−C9) 会产生较高的高结晶材料产率。分子动力学模拟证实了这些观察结果，表明长烷基链可以有利地相互作用，促进片材的自组装。原位质子核磁共振波谱可以深入了解反应平衡以及低 COF 产率和低结晶度之间的关系。这些结果提供了对 2D COF 中超分子组装原理的基本见解，展示了利用有利的侧链相互作用来生产高度结晶材料的机会。
Chloe E. Pelkowski, et al, Tuning Crystallinity and Stacking of Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks through Side-Chain Interactions, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c03868https://doi.org/10.1021/jacs.3c03868
6. JACS：团聚驱动碳酸盐和碳酸氢盐水溶液在空气-水界面处的反向分馏
在之前研究离子在空气-水界面吸附的过程中，研究人员报道了令人惊讶的结果，即双电荷碳酸根阴离子比单电荷碳酸氢根阴离子表现出更强的表面亲和力。与单价弱水合阴离子通常在界面区域显示出较高的浓度相比，多价（和强水合）阴离子预计会表现出更弱的表面倾向。近日，劳伦斯伯克利国家实验室Jin Qian，加州大学圣地亚哥分校Tod A. Pascal，加州大学伯克利分校Richard J. Saykally使用共振增强深紫外二次谐波产生光谱来测量碳酸盐（CO32−）和碳酸氢盐（HCO3-）阴离子在空气-水界面上的吸附吉布斯自由能。1）对比经典静电理论的预测并支持我们之前的 X 射线光电子能谱发现，研究人员发现碳酸根阴离子确实比碳酸氢根阴离子表现出更强的表面亲和力。2）广泛的计算机模拟表明，CO32− 与界面区域中的 Na+ 抗衡阳离子的强离子配对导致近中性团聚簇的形成，这与基于水合自由能和毛细波的界面离子吸附理论一致。3）模拟的 X 射线光电子能谱预测，与碳酸氢盐相比，碳酸盐光谱有 1 eV 的偏移，进一步证实了我们的实验。这些发现不仅增进了研究人员对离子吸附化学的基本理解，而且影响了海洋酸化、海喷雾气溶胶化学和哺乳动物呼吸生理学等重要的实际过程。
Shane W. Devlin, et al, Agglomeration Drives the Reversed Fractionation of Aqueous Carbonate and Bicarbonate at the Air−Water Interface, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c05093https://doi.org/10.1021/jacs.3c05093
7. JACS：自适应开孔以在协作灵活的框架中形成定制的吸附位点，实现丙烷/丙烯逆分离记录
一种拟议的低能替代方案是通过多孔吸附剂分离，以替代通过能源密集型低温蒸馏从烯烃中分离烷烃。不幸的是，大多数吸附剂优先吸收所需的高价值主要成分烯烃，需要频繁再生。对少量烷烃具有逆选择性的吸附剂将能够直接生产纯化的试剂级烯烃，从而大大降低全球能源消耗。然而，此类材料极其罕见，特别是对于丙烷/丙烯分离。在这里，科罗拉多矿业学院C. Michael McGuirk通过自适应和自发的孔径和形状适应来优化弱非共价相互作用的整体，结构响应金属有机框架CdIF-13（(sod−Cd(benzimidazolate)2）对丙烷表现出相对于丙烯的逆选择性在工业相关温度、压力和混合物条件下创纪录的分离性能。1）粉末同步加速器 X 射线衍射测量与第一原理计算相结合，产生了原子尺度的洞察力，并揭示了吸附物特异性孔适应的诱导拟合机制以及配体和吸附物之间的整体相互作用。2）动态柱突破测量证实，CdIF-13 在不同比例的混合组分条件下显示出选择性，在 298 K 和 1 bar 下，在 95:5 丙烯:丙烷下测得的选择性因子为 α ≈ 3 的记录。当使用低成本刚性吸附剂进行测序时，我们证明了在环境条件下直接纯化丙烯。这种结合的原子级结构表征和性能测试牢固地确定了柔性材料如何能够实现前所未有的分离因子。
Ryan A. Klein, et al, Adaptive Pore Opening to Form Tailored Adsorption Sites in a Cooperatively Flexible Framework Enables Record Inverse Propane/Propylene Separation, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c06754https://doi.org/10.1021/jacs.3c06754
8. JACS: 用于超稳定酸性氢电催化的近原子尺度超细合金簇
作为质子交换膜水电解槽和燃料电池的商业化电极材料，铂基催化剂仍然面临着质量活性、稳定性和CO耐受性不足等棘手问题。在这里，奥克兰大学Ziyun Wang，西北工业大学Yunhu Han，黄维院士构建了一种由 Pt−Er 合金簇和原子分散的 Pt 和 Er 单原子组成的双功能催化剂，该催化剂在酸性析氢和氧化反应（HER 和 HOR）中表现出优异的活性、耐久性和 CO 耐受性。1）该催化剂用于HER具有较高的质量活性和较高的TOF，分别是PtC的63.9倍和7.2倍。更令人印象深刻的是，它可以在1000 mA cm−2的酸性电解质中稳定运行超过1200小时，从而证实了其在工业电流密度下的实际应用潜力。此外，该催化剂还表现出卓越的HOR性能和出色的CO耐受性。2）活性位点的协同效应使催化剂具有优异的氢反应活性，而Er原子的引入大大增强了催化剂的稳定性和CO耐受性。因此，这项工作为设计在安培级电流密度下耐用的低铂负载酸性 HER 电催化剂以及构建具有高 CO 耐受性的 HOR 催化剂提供了一个有前途的想法。
Guanzhen Chen, et al, Near-Atomic-Scale Superfine Alloy Clusters for Ultrastable Acidic Hydrogen Electrocatalysis, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c07541https://doi.org/10.1021/jacs.3c07541
9. JACS：用于增强光催化制氢的 I 型 CdS/ZnS 核/壳量子点金异质结构纳米晶体
开发I型核/壳量子点对于制造稳定且可持续的光催化剂具有重要意义。然而，由于宽带隙壳材料产生的能垒强烈限制了光生电荷，I型系统的应用受到限制。近日，布朗大学Ou Chen发现通过在I型CdS/ZnS核/壳量子点表面修饰Au卫星型畴，可以有效克服这种能垒，并将光催化产氢速率提高400倍以上与裸 CdS/ZnS 量子点相比，实现了这一目标。1）瞬态吸收光谱研究表明，在这种混合纳米晶体中，电荷可以在亚皮秒时间尺度内被有效地提取并随后转移到周围的分子基底。2）基于密度泛函理论计算，超快的电荷分离速率归因于半导体-金属界面处中间Au2S层的形成，它可以成功抵消ZnS壳引入的能量限制。研究结果不仅提供了对半导体-金属异质结构材料中载流子动力学的深刻理解，而且为未来基于量子点的混合光催化系统的设计铺平了道路。
Na Jin, et al, Type‑I CdS/ZnS Core/Shell Quantum Dot-Gold Heterostructural Nanocrystals for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Generation, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c06065https://doi.org/10.1021/jacs.3c06065
10. AM：二维三元过渡金属磷硫属化物合成的通用策略
二维(2D)三元过渡金属硫系磷化物(TMPC)由于具有宽的带隙可调谐、丰富的电子性质、固有的磁性和铁电性质而引起了人们的广泛研究兴趣。然而，由于多前驱体之间的反应难以控制，化学气相沉积(CVD)法合成TMPC仍然具有挑战性。在这里，北京理工大学Jiadong Zhou提出了一种可控合成TMPC的减法元素生长机制。1）基于这种生长机制，成功地制备了包括FePS3、FePSe3、MnPS3、MnPSe3、CdPS3、CdPSe3、In2P3S9和SnPS3在内的TMPC，并用拉曼光谱、二次谐波(SHG)和扫描电子显微镜(STEM)对其进行了进一步的表征。2）典型的TMPCS-SnPS3在1064 nm处显示出较强的倍频信号，其有效非线性极化率χ(2)为8.41x10−11 mV-1，约为MoS2的8倍。基于CdPSe3的光电探测器具有较好的探测性能，其响应度为582mA/W，探测率为3.19x1011 Jones，上升时间为611uS，优于已报道的大多数TMPCs光电探测器。这些结果证明了TMPC的高质量，推动探索二维TMPC的光学性质及其在光电子学中的应用。
Yang Yang, et al, A universal strategy for synthesis of 2D ternary transition metal phosphorous chalcogenides, Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202307237https://doi.org/10.1002/adma.202307237
11. Nano Letters：具有多种断裂方式的二维MXene的高抗冲击性能
二维(2D)过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)具有优异的力学和电学性能，是一种很有前途的纳米材料。然而，MXene在冲击载荷下的面外力学性能仍不清楚。近日，哈工大Chao Sui，Zhonghai Xu，Xiaodong He，Chao Wang通过分子动力学(MD)模拟，系统研究了MXene特殊的抗冲击断裂行为和能量耗散机理。1）具体地说，研究发现，MXene的比侵彻能超过了大多数传统的抗冲击材料，如铝和聚碳酸酯。研究人员揭示了不同冲击速度下的径向断裂和破碎断裂两种新的耗能机制。2）MXene的夹层原子层结构可以在一定程度上偏转裂纹并抑制裂纹的扩展，使MXene保持了显著的抗裂性。这项工作对MXene的抗冲击性能提供了深入的见解，为其未来的应用奠定了基础。
Linlin Miao, et al, High Impact Resistance of 2D MXene with Multiple Fracture Modes, Nano Lett., 2023DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02842https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02842
12. ACS Nano：用于负电容场效应晶体管的缺氧无唤醒掺杂La的HfO2铁电体的水溶液路线
通过化学溶液沉积（CSD），有意保留碳杂质以抑制晶粒生长，从而实现纳米晶形态在稳定掺杂铪薄膜中铁电正交相（o）方面的关键作用。鉴于此，韩国成均馆大学Sunkook Kim、Young-Min Kim，美国普渡大学Muhammad Ashraful Alam、印度科学学院Pavan Nukala等通过采用工程化的水稀释前驱体，在硅上直接生长出大晶粒（>100 nm）的掺杂La的HfO2(HLO)薄膜，这种薄膜具有最低的碳负荷和出色的保存期限。o相的稳定是通过分布均匀的La掺杂剂实现的，这种掺杂剂可产生均匀填充的氧空位，从而无需使用氧清除电极。1）这些缺氧HLO在无唤醒的情况下显示出 37.6 μC/cm2 (2Pr)的最大残余极化，并能承受大电场（>6.2 MV/cm）。2）基于负电容效应，与Al2O3串联的CSD-HLO还能改善MOSFET（具有非晶氧化物沟道）的开关性能。因此，均匀分布的氧空位是稳定邻相的一个独立因素，可实现高效的无唤醒铁电性，而无需纳米结构、封端应力或氧反应电极。
Pavan Pujar, et al. An Aqueous Route to Oxygen-Deficient Wake-Up-Free La-Doped HfO2 Ferroelectrics for Negative Capacitance Field Effect Transistors. ACS Nano Article ASAPDOI: 10.1021/acsnano.3c04983https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04983
