1. Chem. Soc. Rev.：工程光催化合成氨
光催化合成氨（PAS）是一种新兴的零碳排放技术，其对缓解能源危机和实现碳中和至关重要。在此，天津大学姜忠义、Yang Dong从工程的角度，基于PAS的全链条过程，即材料工程、结构工程和反应工程，总结了PAS的最新进展和挑战。1) 在材料工程方面，作者讨论了常用的光催化材料，包括金属氧化物、卤氧化铋和石墨氮化碳，以及新兴的材料，如有机框架，并分析了它们的特性和提高PAS性能的调节方法。在结构工程中，作者从形态、空位和能带方面对光催化剂的设计进行了描述，分别对应于晶体、原子和电子尺度。2) 此外，作者还深入探讨了光催化剂的结构与性能关系。对于反应工程，作者从化学反应和传质中确定了三个关键过程，即氮活化、分子转移和电子转移，以加强和优化PAS反应。
Yonghui Shi, et al. Engineering photocatalytic ammonia synthesis. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D2CS00797E
2. Chem. Soc. Rev.：氢键有机框架的生物医学应用
氢键有机框架（HOFs）是一类新兴的高结晶多孔材料，其具有独特的生物相容性、丰富的化学功能和明确的孔隙率。近日，中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚综述研究了氢键有机框架的生物医学应用。1) 在生物技术和生物医学领域，HOFs具有无金属性质和可逆结合方式等独特优势，其显著区别于其他多孔材料。然而，HOF研究仍处于起步阶段。由于生理条件的复杂性和动态性，其主要挑战在于体内HOFs的稳定性和结构多样性。2) 作者总结了构建基于HOF的功能性生物材料的常见构建块以及生物领域的最新发展。此外，作者强调了HOFs的稳定性和功能化方面的当前挑战以及相应的潜在解决方案。该综述将对基于HOF的生物材料的设计和应用产生深远影响。
Dongqin Yu, et al. Hydrogen-bonded organic frameworks: new horizons in biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D3CS00408B
3. Nature Commun.：石墨炔中空微球的无表面活性剂界面生长及其SERS活性的机制起源
作为一种二维碳同素异形体，石墨二炔具有直接带隙、优异的载流子迁移率和均匀分布的孔隙。近日，中国检验检疫科学研究院Guangcheng Xi，北京师范大学毛兰群教授开发了一种无表面活性剂生长方法，可在液-液界面高效合成具有自支撑结构的石墨二炔空心微球，避免了表面活性剂对产品性能的影响。1）研究表明，原始石墨二炔空心微球在没有任何额外功能化的情况下，表现出强烈的表面增强拉曼散射效应，增强因子为 3.7 × 107，罗丹明 6 G 的检测限为 1 × 10−12 M，约为 1000是石墨烯的几倍。2）实验测量和第一原理密度泛函理论模拟证实了这样的假设：表面增强拉曼散射活性可归因于石墨二炔分子系统内的高效界面电荷转移。
Zhang,, L., Yi,, W., Li,, J. et al. Surfactant-free interfacial growth of graphdiyne hollow microspheres and the mechanistic origin of their SERS activity. Nat Commun 14, 6318 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42038-3https://doi.org/10.1038/s41467-023-42038-3
4. Nature Commun.：表面单原子合金 Ru1CoNP 催化剂上糠醛合成哌啶和吡啶
利用现有生物质可持续生产增值氮杂环可以减少对化石资源的依赖，并为经济和生态改善精细和大宗化学品的合成创造可能性。在此，中科院大连化物所Aiqin Wang，莱布尼茨催化研究所Matthias Beller，华东理工大学Xuezhi Duan提出了一种独特的Ru1CoNP/HAP表面单原子合金（SSAA）催化剂，它能够实现从生物基平台化学糠醛到N-杂环哌啶的新型转化。1）在NH3和H2存在下，在温和条件下形成所需产物，收率高达93%。动力学研究表明哌啶的形成是通过一系列反应步骤进行的。最初，在此级联过程中，糠醛胺化为糠胺，然后氢化为四氢糠胺（THFAM），然后环重排为哌啶。2）DFT 计算表明，Ru1CoNP SSAA 结构有利于 THFAM 直接开环，生成 5-氨基-1-戊醇，并迅速转化为哌啶。3）实际药物、烷基化哌啶和吡啶的合成凸显了所提出的催化策略的价值。
Qi, H., Li, Y., Zhou, Z. et al. Synthesis of piperidines and pyridine from furfural over a surface single-atom alloy Ru1CoNP catalyst. Nat Commun 14, 6329 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42043-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-42043-6
5. Nature Commun.：相调节为固态锂金属电池提供基于致密聚合物的复合电解质
具有大规模加工性能和界面相容性的固体聚合物电解质是固态锂金属电池的有希望的候选者。在各种系统中，具有残留溶剂的基于聚偏二氟乙烯的聚合物电解质对于室温电池操作很有吸引力。然而，它们的多孔结构和有限的离子电导率阻碍了实际应用。在此，浙江大学陆盈盈教授提出了一种相调节策略，以破坏聚偏二氟乙烯链的对称性，并通过掺入MoSe2片来获得致密的复合电解质。1）高介电常数电解质可以优化溶剂化结构，实现高离子电导率和低活化能。MoSe2和Li金属之间的原位反应在固体电解质界面中生成Li2Se快速导体，从而提高了库仑效率和界面动力学。2）固态 Li||Li 电池在 1 mA cm−2 下实现了稳健的循环，并且 Li|| LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全电池在高倍率（3 C）、高负载（2.6 mAh cm−2）和软包电池中表现出实用性能。
Wu, Q., Fang, M., Jiao, S. et al. Phase regulation enabling dense polymer-based composite electrolytes for solid-state lithium metal batteries. Nat Commun 14, 6296 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41808-3https://doi.org/10.1038/s41467-023-41808-3
6. Nature Commun.：结构超润滑材料全自动传输和测量系统
结构超润滑是指两个接触面在相对滑动下几乎为零摩擦、无磨损的状态，在微机电系统器件、机械工程和能源领域具有巨大的研究和应用前景。结构超润滑实际应用的关键一步是传质和高通量性能评估。受材料制备良率的限制，现有的自动化系统（例如滚筒印刷或大规模冲压）不足以完成这项任务。近日，清华大学Ming Ma，清华大学深圳研究院Jinhui Nie提出了一种机器学习辅助系统来实现结构超润滑材料的全自动选择性转移和摩擦学性能测量。1）具体来说，系统对具有结构超润滑性能的微米级石墨片的选择判断准确率超过98%，并在100分钟内完成100片石墨片组装阵列，形成各种预先设计的图案，速度比传统石墨片快15倍。手动操作。2）此外，该系统能够自动测量100多种选定的Si3N4薄片的摩擦学性能，为新界面提供传统方法无法达到的统计结果。该机器学习辅助系统以其高精度、高效率和鲁棒性，促进了结构超润滑的基础研究和实际应用。
Chen, L., Lin, C., Shi, D. et al. Fully automatic transfer and measurement system for structural superlubric materials. Nat Commun 14, 6323 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-41859-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-41859-6
7. JACS：通过牺牲溶剂化壳实现可逆锌金属电池的富含氟化物的有机-无机梯度界面相
锌金属电池受到水腐蚀的强烈阻碍，因为溶剂化的锌离子会不断地将活性水分子带到电极/电解液界面。在这里，阿贡国家实验室Jiantao Li，洛桑联邦理工学院Kangning Zhao，浙江大学陆俊教授报道了一种牺牲溶剂化壳，以排斥电极/电解质界面上的活泼水分子，并帮助形成富氟的有机−无机梯度固体电解质界面层。1）甲醇和Zn(CF3SO3)2的同时牺牲过程导致了梯度SEI层，表面是富有机的(CH2OC−和C5产物)，底部是富无机的(ZnF2)，结合了离子快速扩散和高柔韧性的优点。2）结果表明，甲醇添加剂可在铜箔上实现无腐蚀脱锌/电镀300次，平均库仑效率为99.5%，在锌/锌对称电池中，40mA/cm2的累积电镀容量达到了创纪录的10Ah/cm2。更重要的是，在超低N/P比为2时，实用化的VO2//20μm厚锌板全电池具有4.7 mAh/cm2的高面积容量，稳定地工作在250次以上，为其在网格型储能设备中的应用奠定了基础。此外，将20 μm厚的锌直接用于商业级面积容量(4.7 mAh/cm-2)的全锌电池，将简化制造工艺，促进商用固定式锌电池的发展。
Wangwang Xu, et al, Fluoride-Rich, Organic−Inorganic Gradient Interphase Enabled by Sacrificial Solvation Shells for Reversible Zinc Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c06523https://doi.org/10.1021/jacs.3c06523
8. JACS：强金属-载体相互作用促进金属氧化物载体上多组分合金的形成
多元合金（MA）通过熵稳定包含几乎无限数量的前所未有的活性位点，这是探索高性能催化剂的理想平台。然而，MA催化剂通常在恶劣的条件下合成，这会导致载体结构崩溃并进一步恶化MA与载体之间的协同作用。近日，中科院大连化物所Wei Liu，Botao Qiao，Junju Mu报道了强金属-载体相互作用（SMSI）可以通过在低还原温度（400−600 °C）下建立用于金属原子传输的氧空位隧道来促进MA的形成，这例证了MA催化剂的整体设计，无需停用支持。1）在SMSI的加持下，PtPdCoFe MA很容易在锐钛矿型TiO2上合成，对甲烷燃烧表现出良好的催化活性和稳定性。2）该策略在各种载体和多组分合金组合物上表现出优异的通用性。研究人员不仅报道了通过协同可还原氧化物的独特性质和合金的混合熵来合成MA的整体合成策略，而且还提供了新的见解，即SMSI在可还原氧化物上合金纳米粒子的形成中发挥着积极作用。
Jianyu Han, et al, Strong Metal−Support Interaction Facilitated Multicomponent Alloy Formation on Metal Oxide Support, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c07915https://doi.org/10.1021/jacs.3c07915
9. JACS：还原偶联机理提高钠离子氧化物阴极中阴离子氧化还原化学的可逆性和动力学
在层状氧化物阴极中激活阴离子氧化还原化学是设计高能钠离子电池的一种典型方法。不幸的是，过多的氧氧化还原通常会导致不可逆的晶格氧损失和阳离子迁移，导致容量和电压的快速衰减和反应动力学的迟缓。为了提高阴离子氧化还原反应的可逆性和动力学，北京科技大学Yongchang Liu在新型的P2-Na0.8Cu0.22Li0.08Mn0.67O2阴极中，揭示了氧向铜离子异常电子转移的还原耦合机理。1）生成的强共价Cu−(O-O)键可以有效地抑制过多的氧氧化和不可逆阳离子迁移。2）因此，P2-Na0.8Cu0.22Li0.08Mn0.67O2正极具有惊人的倍率能力(0.1 C和100 C时分别为134.1和63.2 mAh g−1)，并具有出色的长期循环稳定性(10 C下500次循环后容量保持率为82%)。3）研究人员通过系统的原位/非原位表征和理论计算，充分了解了RCM的内在作用机理。因此，这项研究为提高氧氧化还原化学的稳定性和动力学开辟了一条新的途径。
Yao Wang, et al, Boosting the Reversibility and Kinetics of Anionic Redox Chemistry in Sodium-Ion Oxide Cathodes via Reductive Coupling Mechanism, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c08070https://doi.org/10.1021/jacs.3c08070
10. Joule：通过形态设计实现乙醇氧化反应的超长耐久性
直接醇燃料电池商业化的一个主要挑战是电催化剂的耐久性差。近日，西湖大学Chen Hongyu、香港城市大学Liu Bin证明了催化剂的形态设计可以是一种替代解决方案。1) 硫化物介导Au@Pd纳米线阵列在计时电流测量中显示出超长的耐久性，即在1小时后保留了86%的初始电流，56小时后的保持率为38%。此外，作者发现循环伏安法中的关断电压可以延迟到5.2V，这表明催化位点的延迟抑制。2) 垂直阵列具有浓度梯度的开放扩散通道，使得活性位点将随着抑制而逐渐向下移动以形成Pd-O-Pd。该抑制作用取决于两个Pd-OH基团之间的偶联，这在富含Pd-Ox的区域更可能，而在底部富含乙醇的区域则不太可能。
Dongmeng Su, et al. Ultralong durability of ethanol oxidation reaction via morphological design. Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.09.008https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.008
11. Joule：锂离子电池高镍阴极的开裂与表面反应性
高镍层状氧化物阴极LiNixMnyCozO2（NMC）在循环过程中会出现微裂纹，从而暴露新的阴极表面以进行寄生反应，并将活性阴极材料与导电电极矩阵隔离，进而导致阻抗增加和容量衰减。近日，德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram对锂离子电池高镍阴极的开裂与表面反应性进行了展望研究。1) 人们普遍认为，微裂纹是由于循环过程中初级粒子的各向异性晶格体积变化引起的。然而，某些电解质会在深度循环过程中减少NMC阴极中的微裂纹。这就提出了一个关于微裂纹起源的关键问题：微裂纹是加剧了表面稳定性，还是表面稳定性差导致了微裂纹的形成？为此，作者旨在为这一“鸡还是蛋”的问题进行阐述。2) 作者认为，表面反应性对高镍阴极循环寿命的影响比颗粒破裂的影响更明显，并且颗粒破裂更多的是表面反应性的症状，而不是容量衰减的原因。
Steven Lee, et al. Cracking vs. surface reactivity in high-nickel cathodes for lithium-ion batteries. Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.09.006https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.006
12. Joule：用于高效稳定钙钛矿硅串联太阳能电池的高带隙钙钛矿空穴选择层的分子工程
钙钛矿太阳能电池受到了人们的极大关注。近日，悉尼大学Anita Ho-Baillie、Zheng Jianghui、德国于利希研究中心光伏研究所Kaining Ding、南方科技大学Cheng Chun开发了一种新的基于咔唑的SAM（Ph-2PACz），并将其用于促进高带隙（1.67eV）钙钛矿中的有效空穴提取和抑制载流子复合。1) 具有21.3%效率的1.67eV电池具有82.6%的高填充因子（FF）和1.26V的开路电压（VOC），并且具有0.41V的低带隙电压偏移。当将Ph-2PACz应用于单片钙钛矿-硅串列的钙钛矿电池时，作者获得了28.9%的PCE（在1cm2上）和1.91V的VOC。2) 封装后，串联电池在连续1次阳光照射（680小时）和湿热（85°C+85%相对湿度下280小时）下表现出优异的稳定性，并通过了国际电工委员会（IEC）61215热循环（−40°C和85°C之间的200次循环）测试，其保留了98.8%的初始PCE。
Guoliang Wang, et al. Molecular engineering of hole-selective layer for high band gap perovskites for highly efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells. Joule 2023DOI: 10.1016/j.joule.2023.09.007https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.007
