1. Nature Chem.：尽管分子尺度上的表面异质性，液滴仍然光滑
摩擦力决定了液滴是从固体表面滑动还是粘在上面。表面不均匀通常被认为是液滴接触角、滞后和接触线摩擦增大的主要原因。在这里，阿尔托大学Robin H. A. Ras挑战这一长期存在的前提，即分子长度尺度上的化学异质性。1）通过调节自组装单分子膜的覆盖度，水接触角从约10 °逐渐变化到110 °，但低覆盖率亲水性和高覆盖率自组装单分子膜的接触角滞后和接触线摩擦都很小。由于自组装膜的化学异质性很大，其衬底的未涂覆区域远远超过金属反应物探测到的水分子的大小，因此它们的光滑不是预期的。2）根据分子动力学模拟，低覆盖率和高覆盖率的自组装膜的低摩擦源于界面水分子的流动性。这些发现揭示了一种未知的、违反直觉的滑动机制，为提高液滴的流动性开辟了新的途径。 Lepikko, S., Jaques, Y.M., Junaid, M. et al. Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale. Nat. Chem. (2023).DOI：10.1038/s41557-023-01346-3https://doi.org/10.1038/s41557-023-01346-3
2. Science Advances：Ir-Sn 对位点触发关键氧自由基中间体实现高效氧化酸性水
恶劣的酸性和氧化环境引起的阳极腐蚀极大地限制了催化剂的寿命。在这里，清华大学李亚栋院士，王定胜教授，浙江大学孙文平教授提出了一种抗氧化策略，通过精心构建异质结构 Ir-Sn 对位催化剂来触发强电子相互作用，从而减轻 Ir 溶解。1）在异质界面处形成 Ir-Sn 双位点以及由此产生的强电子相互作用，大大减少了合成和析氧反应过程中 Ir 物质的 d 带空穴，并抑制了它们的过度氧化，从而使催化剂的耐腐蚀性能大大提高。2）因此，优化后的催化剂在320 mV的过电势下表现出4.4 A mgIr-1 的高质量活性和出色的长期稳定性。使用该催化剂的质子交换膜水电解槽在 1.711 V 电压下可提供 2 A cm−2 的电流密度，并且在加速老化测试中降解率较低。3）理论计算表明，Ir 5d-O 2p 之间的 π* 相互作用诱导的氧自由基可能是提高活性和耐久性的原因。Xiaobo Zheng, et al, Ir-Sn pair-site triggers key oxygen radical intermediate for efficient acidic water oxidation, Sci. Adv. 9 (42), eadi8025. DOI: 10.1126/sciadv.adi8025https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi8025
3. Nature Synthesis：量子阱厚度的渐进变换合成二维钙钛矿晶体
二维（2D）多层卤化物钙钛矿已成为理解有机-无机相互作用、调节量子约束效应和实现高效耐用光电器件的平台。然而，使用现有的晶体生长方法合成钙钛矿层厚度（量子阱厚度，n值）>2的2D钙钛矿晶体仍极具挑战性。在这里，莱斯大学Aditya D. Mohite展示了一种称为动力学控制空间约束的合成方法，用于生长相纯Ruddlesden–Popper和Dion–Jacobson 2D钙钛矿。1) 通过逐渐增加温度（在固定时间内）或结晶时间（在固定温度下）来实现纯相生长，这允许控制结晶动力学。原位光致发光光谱和成像表明，n值的可控增加是由过量的前体离子嵌入引发的。2) 基于250个实验数据集，战争构建了Ruddlesden–Popper和Dion–Jacobson钙钛矿的相图，以预测具有特定n值的2D相的生长，从而促进了具有所需层厚度2D钙钛矿晶体的合成。Jin Hou, et al. Synthesis of 2D perovskite crystals via progressive transformation of quantum well thickness. Nature Synthesis 2023 DOI: 10.1038/s44160-023-00422-3https://doi.org/10.1038/s44160-023-00422-3
4. Nature Commun.：界面之间的相互作用决定了刺激响应型乳剂的行为
刺激响应型乳剂具有双重优势，结合了长期储存和由外部信号(如pH或温度变化)触发的受控释放。近日，爱丁堡大学Marcel Rey发现，热响应性乳状液的行为主要由界面之间的相互作用决定，而不是由界面内的相互作用决定。1）这些乳液的稳定性与稳定微凝胶颗粒的性质有着千丝万缕的联系，无论它们是更多的聚合物还是胶体，以及它们在液体界面上呈现的形态。2）微凝胶的胶体性质为Pickering乳剂的长期稳定性提供了基础。但是，有限的变形性可能会导致乳剂无响应。相反，微凝胶的聚合特性使它们能够在液体界面铺展和变平，从而实现刺激响应行为。3）此外，在絮凝乳液中，两个乳液滴之间共享的微凝胶有助于刺激响应性，而与其内部结构无关。这强调了微凝胶形态及其对液体界面施加的力在刺激响应型乳剂和界面的控制和设计中的关键作用。 Rey, M., Kolker, J., Richards, J.A. et al. Interactions between interfaces dictate stimuli-responsive emulsion behaviour. Nat Commun 14, 6723 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42379-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-42379-z
5. Nature Commun.：具有独特静态和动态相容性的仿生三偏酸锚定电催化剂以增强水氧化
层状双氢氧化物是电催化析氧反应的有希望的候选者。不幸的是，与稀有金属相比，它们的催化动力学和长期稳定性远不能令人满意。在这里，中国石油大学Xiaoqing Lu，Zhaojie Wang，Siyuan Liu研究了镍铁层状双氢氧化物的耐久性，结果表明，由于金属溶解而引起的层状结构的烧蚀是稳定性下降的原因。1）受光系统II中氨基酸残基的启发，研究人员报告了一种使用均苯三酸锚定物制备小尺寸镍铁层状双氢氧化物的策略，其动力学、活性和稳定性优于商业催化剂。2）通过操作光谱和理论计算进行的基础研究表明，超疏气表面有利于产生的氧气气泡的迅速释放，并保护催化剂的结构。金属和配位羧酸盐之间通过 C-O-Fe 键合进行偶联，防止金属物质溶解，从而通过静态配位稳定电子结构。3）此外，析氧反应过程中动态演化形成的不配位羧酸盐充当质子渡轮，加速析氧反应动力学。这项工作提供了一种通过引入具有静态和动态兼容性的功能配体来实现析氧反应稳定性和动态性能突破的有前景的方法。Lin, X., Wang, Z., Cao, S. et al. Bioinspired trimesic acid anchored electrocatalysts with unique static and dynamic compatibility for enhanced water oxidation. Nat Commun 14, 6714 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42292-5https://doi.org/10.1038/s41467-023-42292-5
6. Nature Commun.：光激发的S−方案异质结水凝胶界面电场增强协同催化活性
调节异质材料特性以增强过一硫酸盐（PMS）活化以降解新兴有机污染物仍然是一个挑战。为了解决这个问题，哈工大Wei Wang，Dongmei Liu，苏黎世联邦理工学院Jing Wang合成了S型异质结PBA/MoS2@壳聚糖水凝胶来实现光激发协同PMS激活。1）构建的异质结光生载流子通过定向界面电场驱动的S-方案转移路径与PMS进行氧化还原转换。2）多种协同途径极大地增强了活性氧的产生，导致多西环素降解率显着增加。同时，壳聚糖水凝胶的3D聚合物链空间结构有利于高级氧化过程中PMS的快速捕获和电子传输，减少过渡金属活化剂的使用并限制金属离子的浸出。这种光激发调控的S型异质结对PMS的协同激活将为未来材料设计和增强异源催化氧化过程的研究提供新的视角。 Wang, A., Du, M., Ni, J. et al. Enhanced and synergistic catalytic activation by photoexcitation driven S−scheme heterojunction hydrogel interface electric field. Nat Commun 14, 6733 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42542-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-42542-6
7. Chem：使用小型构建块组装具有沸石、中孔子网络的超复杂、多面金属有机框架
从简单的构建单元组装超复杂的结构仍然是化学中的一个长期挑战。在混合配体方法中使用小分子构建块（MBBs）可以组装新型的金属有机框架（MOFs）M-kum-MOF-1（M=Y，Tb），并且其具有小进入窗口的超大介孔腔。近日，阿卜杜拉国王科技大学Mohamed Eddaoudi使用小型构建块组装具有沸石、中孔子网络的超复杂、多面金属有机框架。 1) M-kum-MOF-1的超复杂笼由240个顶点组成，并且由432条边桥接，从而形成194个包含瓦片的面。其比迄今为止已知的任何周期性结构（沸石、MOFs、金属有机多面体[MOPs]等）都具有更多的表面。2) M-kum-MOF-1不仅具有沸石特征（阴离子骨架），而且还包含一种潜在的wse沸石拓扑结构，这是首次被观察到的。Jiantang Li, et al. Using small building blocks to assemble ultra-complex, multifaceted metal-organic frameworks with zeolitic, mesoporous subnetwork. Chem 2023 DOI: 10.1016/j.chempr.2023.09.026https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.09.026
8. AEM：用于1M KOH水电解的无季铵膜
虽然阴离子交换膜（AEM）水电解具有许多优点，但由于季铵基团的脆弱性，大多数AEM的碱稳定性差，阻碍了其商业化。离子溶剂化膜（ISM）是一种有效的替代方案，但其到目前为止仍需要高碱浓度。近日，丹麦技术大学David Aili、韩国科学技术研究院Dirk Henkensmeier报道了用于1M KOH水电解的无季铵膜。1) 聚苯并咪唑磺化产生的ISM在1M KOH中强烈溶胀，并且在1 M KOH中可达到>100 mS cm−1的电导率。其在80°C的1 M KOH中的稳定性非常好，并且在半年的测试期内，电导率保持不变，拉伸强度和杨氏模量保持较高水平。2) 在80°C下使用1 M KOH作为进料溶液的电解槽中，在500小时以上的测试中实现了稳定的性能，并且没有出现故障，这表明在原位测试中观察到的高碱性稳定性也在电解槽中实现。 Asridin Dayan, et al. Quaternary Ammonium-Free Membranes for Water Electrolysis with 1 M KOH. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202302966https://doi.org/10.1002/aenm.202302966
9. AEM：导电钝化剂和偶极层混合物实现基于高性能稳定钙钛矿光电电极的太阳能水分解
近年来，卤化铅钙钛矿作为一种极具潜力的光电化学（PEC）太阳能水分解吸收材料引起了人们的极大关注。然而，电荷积累诱导的离子在界面处迁移导致钙钛矿降解和效率损失。为了抑制电荷积累并提高钙钛矿光阳极的PEC性能，延世大学Jooho Moon提出了一种简单的界面工程，用乙氧基化聚乙烯亚胺（PEIE）和氯苯磺酸（CBSA）的混合物来修饰SnO2/钙钛矿界面。 1) CBSA+PEIE混合处理有效地钝化了SnO2中的氧空位，并调节了SnO2和钙钛矿之间的能带排列。混合物处理的协同效应促进了在SnO2/钙钛矿界面的有效载流子提取，增强了PEC性能，并提高了器件的稳定性。2) 钙钛矿光阳极具有12.9%的外加偏压光子-电流效率，并具有225小时的耐久性。此外，作者使用钙钛矿光电极实现了无偏压的太阳能水分解，并且具有10.9%的太阳能制氢效率和22小时的连续稳定性。Juwon Yun, et al. Conductive Passivator and Dipole Layer Mixture Enabling High-Performance Stable Perovskite Photoelectrode-Based Solar Water Splitting. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202301693 https://doi.org/10.1002/aenm.202301693
10. AEM：硅氧烷基保护层的自适应多位点梯度吸附实现高性能锂金属电池
不稳定的固体电解质界面（SEI）和树枝状生长导致的低库仑效率和容量衰减对锂金属电池的实际应用提出了挑战。近日，罗马大学Stefano Passerini、南昌大学Zhou Naigen研究了八苯基倍半硅氧烷（OPS）与LiFSI盐诱导的高效保护层。1) OPS对锂表现出较强的吸附能，其多位点梯度吸附能力使其能够同时捕获8Li+并均匀调节锂离子通量。此外，OPS层的机械强度和电子绝缘导致了保护层下的Li沉积，并有效抑制了锂枝晶的生长。这种保护层有助于使用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）作为阴极和超薄OPS保护的锂箔（20µm）作为阳极的锂金属电池具有稳定的无枝晶性能。2) 在1C下，该电池经过300次循环后具有91.4%的容量保持率。OPS保护的Li阳极和NCM811与Li1.5Al0.5Ge1.5（PO4）3固体电解质结合进行了测试，其具有高达300次循环的稳定性，平均库仑效率为99.58%，容量保持率为85.7%。 Shan Fang, et al. Adaptive Multi-Site Gradient Adsorption of Siloxane-Based Protective Layers Enable High Performance Lithium-Metal Batteries. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202302577https://doi.org/10.1002/aenm.202302577
11. AEM：全固态锂金属电池中树枝晶形成的阳极引发和晶界引发机制研究
锂枝晶的形成严重阻碍了全固态锂金属电池的实际应用。传统观点认为，枝晶在阳极处起始，然后生长为固体电解质（SE），而最近流行的观点认为，Li+离子可以在电解质内的晶界（GBs）处直接还原，然后这些内部枝晶相互连接，导致短路失效。然而，内部晶界还是阳极界面主导枝晶的萌生仍存在争议。清华大学Ma Weigang对具有代表性的Li6PS5Cl（LPSC）体系进行了第一性原理计算，以研究这两种枝晶引发机制。 1) 结果表明，固体电解质界面（SEI）阻断了电子泄漏，使内部Li+离子不太可能沉积。作者将从头算分子动力学（AIMD）模拟与理论模型相结合，并发现阳极界面处枝晶形成的临界电流密度（CCD）远低于晶界处，这表明枝晶更容易在阳极处引发。2) 该研究表明，枝晶的形成是由阳极引发的机制而不是由GB引发的机制控制的。这些发现表明，阳极界面是设计无枝晶电池的主要考虑因素，而不是GBs。Zhengcheng Gu, et al. Insights into the Anode-Initiated and Grain Boundary-Initiated Mechanisms for Dendrite Formation in All-Solid-State Lithium Metal Batteries. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202302945https://doi.org/10.1002/aenm.202302945
12. AEM：阳离子和阴离子取代性质对富锂三维金属硫系化合物电极结构对称性的影响
富锂层状硫族化物使人们能够更好地理解阴离子氧化还原过程及其高容量特性，同时提供了克服其电压衰减和不可逆性限制的方法。索邦大学Jean-Marie Tarascon、蒙彼利埃大学Marie-Liesse Doublet报道了通过阴离子取代（Se代替S）或阳离子取代（Fe代替Ti）触发Li2TiS3中阴离子活性的可行性。1) 作者探索了硫族化物的化学空间，以制备单取代的Li1.7Ti0.85Mn0.45Ch3（Ch=S/Se）和双取代的阳离子和阴离子相（Li1.7Ti0.85Fe0.45S3-zSez）。对于特定的组合物，作者在去除Li时观察到结构上的O3到O1相变，由于动力学限制，这在Li重新插入时是不可逆的，并对长期循环性能产生负面影响。2) 密度泛函理论（DFT）计算证实了O3/O1相的相对稳定性，并指出了TM掺杂中细微的电子差异。该发现为结构稳定性和电子稳定性之间的联系提供了进一步的见解，这对设计硫族化物基阴离子氧化还原化合物具有重要意义。 Jacques Louis, et al. Effect of the Nature of Both Cation and Anion Substitution on the Structural Symmetry of Li-Rich 3d-Metal Chalcogenide Electrodes. Adv. Energy Mater. 2023DOI: 10.1002/aenm.202302158https://doi.org/10.1002/aenm.202302158
