1. Nature Commun.：开发一类用于多功能催化反应的双原子材料
双原子催化剂桥接单原子和金属/合金纳米粒子催化剂，为增强氧还原/析出和析氢反应的动力学和多功能性能提供了更多机会。然而，高效多功能双原子催化剂的合理设计仍然是一个盲区且具有挑战性。在这项研究中，中国海洋大学Minghua Huang，中国科学院青岛生物能源与过程研究所Heqing Jiang，韩国科学技术院Jinwoo Lee通过氮剥离和热迁移过程，采用雾化和烧结策略，实现了从Co纳米颗粒到CoN4单原子再到Co2N5双原子的可控调控。1）该策略可以扩展到 22 种不同的双原子催化剂的制造。特别是，具有定制自旋态的Co2N5双原子可以实现中间体的理想平衡吸附/解吸，从而实现优异的多功能活性。2）Co2N5双原子还赋予锌空气电池800小时的长期稳定性，使水分解能连续运行1000小时，并使太阳能水分解系统能够全天候不间断地大规模制氢。这种通用且可扩展的策略为能量转换技术中高效多功能双原子催化剂的受控设计提供了机会。
Wang, X., Xu, L., Li, C. et al. Developing a class of dual atom materials for multifunctional catalytic reactions. Nat Commun 14, 7210 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42756-8https://doi.org/10.1038/s41467-023-42756-8
2. Nature Commun.：双缓冲层提高 Cu2O 光电阴极的光电压
氧化亚铜（Cu2O）是一种很有前景的光电化学水分解（PEC）氧化物材料，提高其光电压是创造高效的整体PEC水分解装置的关键。之前的报道主要集中在优化Cu2O和n型缓冲层之间的能带排列以提高Cu2O光电阴极的光电压。然而，n型缓冲层和保护层之间的能带排列常常被忽视。在这项工作中，南开大学Jingshan Luo制备了具有单缓冲层（Ga2O3）和双缓冲层（Ga2O3/ZnGeOx）的Cu2O光电阴极，并比较了它们的PEC性能。 1）结果表明，插入第二缓冲层（ZnGeOx）后，Cu2O光电阴极的起始电位增加了0.16V。2）操作电化学阻抗谱测量和各层能级图分析表明，Ga2O3和Ga2O3之间的能级梯度引入ZnGeOx时会产生TiO2，消除了Ga2O3/TiO2界面处的势垒，提高了Cu2O光电阴极的光电压。研究工作提供了一种通过引入双缓冲层来提高太阳能水分解光电极的光电压的有效方法。Cheng, J., Wu, L. & Luo, J. Improving the photovoltage of Cu2O photocathodes with dual buffer layers. Nat Commun 14, 7228 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42799-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-42799-x
3. Nature Commun.：工业规模电流密度下木质纤维素衍生芳烃的电催化增值
将木质纤维素生物油电催化氢化为增值化学品，为使用日益增加的间歇性可再生电力和生物质衍生原料提供了一条有吸引力的途径。然而，迄今为止，这些反应的目标产物的部分电流密度低于工业规模生产力所需的电流密度，这限制了其前景。在这里，深圳大学Wei Zhao报告了一种配备 Rh 扩散电极的流通池系统，用于将木质纤维素衍生的芳香族单体（例如呋喃和木质素单体）氢化成增值化学品。1）研究人员在 300–500 mA cm−2 的工业规模电流密度下实现了高达 64% 的法拉第效率，这代表了目标产品的高生产率。2）电催化剂的筛选表明，只有通过高电解质渗透性的 Rh 扩散电极，才能将电流密度与法拉第效率结合起来。3）研究人员应用原位红外反射吸收光谱来研究电极电位依赖性反应途径和中间体，确认了木质纤维素衍生芳族化合物有效电催化氢化为目标产品的宽电位窗口。
Peng, T., Zhang, W., Liang, B. et al. Electrocatalytic valorization of lignocellulose-derived aromatics at industrial-scale current densities. Nat Commun 14, 7229 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43136-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-43136-y
4. Nature Commun.：使用溶液处理的 TADF 墨水进行大面积喷墨印刷 OLED 制造
有机发光二极管（OLED）由于具有高亮度、快速响应时间、宽视角、低功耗和高灵活性等吸引人的特点，一直处于下一代平板显示器和固体显示器的最前沿。近日，印度坎普尔理工学院Monica Katiyar，昆士兰大学Ebinazar B. Namdas，Shih-Chun Lo展示了热激活延迟荧光（TADF）材料作为有机发光二极管（OLED）发光层的成功大面积喷墨打印。1）TADF 材料无需依赖铂或铱等重金属即可实现高效发光。然而，大规模TADF OLED的低成本制造由于其与溶液加工技术不兼容而受到限制。在这项研究中，开发了 TADF 材料的墨水配方，并展示了在不使用任何平版印刷的情况下，在大面积 (6400 mm2) 上成功喷墨打印复杂图案。2）使用非氯化二元溶剂混合物成功地获得了稳定的墨水，该混合物用于可溶液加工的 TADF 材料，3-(9,9-二甲基吖啶-10(9H)-基)-9H-xanthen-9-one 分散在 4,4 中'-双-(N-咔唑基)-1,1'联苯主体。使用这种墨水，成功实现了大面积喷墨印刷 OLED，其性能与对照旋涂 OLED 相当。3）研究人员还展示了油墨粘度、密度和表面张力对液滴形成和薄膜质量的影响，及其在柔性基材上大面积卷对卷印刷的潜力。该结果代表了在不使用任何光刻的情况下将 TADF 材料用于大面积 OLED 的重要一步。
Kant, C., Shukla, A., McGregor, S.K.M. et al. Large area inkjet-printed OLED fabrication with solution-processed TADF ink. Nat Commun 14, 7220 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43014-7https://doi.org/10.1038/s41467-023-43014-7
5. Nature Commun.：具有多米诺骨牌结构的二维准层状材料
层间耦合强度将二维（2D）材料分为层状和非层状类型。传统上，它们可以被视为通过范德华（vdW）力或共价键本质上连接的原子层，其方向垂直于其生长平面。近日，武汉大学付磊教授，曾梦琪教授报告了一种不同于层状和非层状材料的材料系统，称为准层状多米诺结构（QLDS）材料，有效地弥合了这两个典型类别之间的差距。1）考虑到倾斜结构，垂直于 2D QLDS-GaTe 生长平面的力构成了 vdW 力和共价键的协同混合，它们都不垂直于 2D 生长平面。2）这种独特的混合产生的力超过了层状材料，但比非层状材料弱。因此，沿这种独特取向的晶格常数收缩可高达7.7%，非常接近理论预测的10.8%。同时，这一特征赋予了显着的各向异性，二次谐波产生增强，磁化率达到惊人的 394.3 pm V−1 。这些发现赋予了非线性光学、传感器和催化方面的进一步应用。
Lan, H., Wang, L., He, R. et al. 2D quasi-layered material with domino structure. Nat Commun 14, 7225 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-42818-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-42818-x
6. JACS：用于工业氧气生产的并行纳米片阵列
根据传统的成核理论，溶液中的晶体在热波动下以随机晶体取向成核。因此，在基底上生长的纳米片阵列总是表现出无序排列，这阻碍了催化过程中的传质。为了克服这一限制，北京航空航天大学Li-Min Liu，Leiting Dong，郭林教授在这里演示了应力诱导的纳米片阵列的定向成核和生长。在弯曲生长基底上实现了规则自生长的平行纳米片阵列。 1）在电化学氧气生产过程中，有序阵列保持微通道中液体的稳定流动，抑制随机取向纳米片阵列典型的阻碍流动的氧气气泡的有害产生。2）可控的平行阵列、完全覆盖的蓬松状超薄纳米片和无定形无序结构共同实现了从微观到原子尺度的分层界面的全面设计，显着改善了工业超快生产的缓慢析氧动力学。3）在具有竞争力的 2.862 V 低电池电压下，在 4000 mA·cm−2 的高工作电流下，稳定实现了 135 L·min−1 ·m−2 的创纪录高超快氧气产量。这些结果和相关见解奠定了基础超越经典成核方法的晶体定向成核和生长的进一步发展，有利于大规模工业电化学过程，如此处所示的超快氧气生产。
Jianxin Kang, et al, Parallel Nanosheet Arrays for Industrial Oxygen Production, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c05688https://doi.org/10.1021/jacs.3c05688
7. JACS：Ni吡啶COF光催化有机转化
COF是一种容易调控的晶化多孔有机功能材料，但是因为COF的激发态容易快速淬灭，导致COF的光催化应用比较少。有鉴于此，芝加哥大学林文斌等首次报道由sp2结构碳原子螺环双芴（spirobifluorene）构筑的COF用于光催化/Ni催化协同催化体系。1）由螺环双芴和Ni-联吡啶构成的NiSCN COF具有二维堆叠结构。在光照条件，NiSCN能够通过光催化反应方式进行芳基卤化物的酰胺化或者酯化，而且催化反应的活性达到均相催化剂的23倍。当NiSCN催化剂连续进行5次催化反应，催化活性未见明显衰减。2）设计的螺环双芴COF材料具有交错的堆叠结构，而且激发态寿命降低。螺环双芴的激发态能够将Ni(II)还原为Ni(I)用于对芳基卤化物氧化加成，促进催化反应的发生。此外，光催化剂能够将Ni(II)中间体氧化为Ni(III)，促进还原消除和催化剂重生。
Yingjie Fan, et al, A Spirobifluorene-Based Covalent Organic Framework for Dual Photoredox and Nickel Catalysis, J. Am. Chem. Soc. 2023DOI: 10.1021/jacs.3c09729https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c09729
8. JACS：通过在缺陷碳中设计丰富的空位耦合五边形来促进氧还原反应动力学
在能量转换领域，设计和合成具有拓扑缺陷的高性能无金属碳纳米材料对于氧还原反应（ORR）至关重要。在此，中科大Jing Li首次报道了一种模板辅助策略来制造碳缺陷电催化剂，该催化剂具有丰富的空位耦合五边形（VP）作为二维（2D）碳纳米片（VP/CN）中的活性位点。1）实验表征验证了VP/CNs电催化剂中存在丰富的VP活性位点，并且ORR活性与VP活性位点的数量呈线性相关。原位光谱结果表明，VP/CN 可以催化直接 O−O 键断裂，绕过传统 *OOH 中间体的形成，从而通过解离途径实现 ORR 的快速动力学。2）所制备的 VP/CN 对碱性 ORR（与可逆氢电极相比，半波电位为 0.86 V）表现出出色的固有活性，四电子选择性效率接近 99%，优于使用 Pt/C 基准的效率。3）密度泛函理论计算进一步表明，与相邻五边形或单个五边形相比，碳空位与相邻五边形之间的协同效应显着增加了电荷转移，并实现了较低的ORR反应能垒。因此，精心设计的碳缺陷为高效无金属电催化剂的合理设计开辟了新途径。
Hongyin Xia, et al, Boosting Oxygen Reduction Reaction Kinetics by Designing Rich Vacancy Coupling Pentagons in the Defective Carbon, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c08556https://doi.org/10.1021/jacs.3c08556
9. JACS：长循环固态锂金属电池中游离残留溶剂的离子偶极相互作用诱导封装
由于具有高离子电导率和机械强度，聚偏二氟乙烯（PVDF）电解质在固态锂电池中引起了越来越多的关注，但高活性残留溶剂严重影响了循环稳定性。在此，哈工大Shuaifeng Lou，Jiajun Wang报道了一种由 Li+ 和残留溶剂分子之间增强的离子偶极相互作用触发的游离溶剂捕获策略。1）具有吸电子能力的二氟草酸硼酸锂 (LiDFOB) 盐添加剂可作为 Li+ 正电态的再分配剂，为残留溶剂提供更多的结合位点。2）受益于改进的配位环境，优先形成动力学稳定的阴离子衍生界面，有效减轻电极和电解质之间的界面副反应。3）结果，组装的固态电池的寿命超过2000次循环，平均库仑效率为99.9%，容量保持率为80%。研究发现为有针对性地调节反应性残留溶剂以延长固态电池的循环寿命提供了新的思路。Menglu Li, et al, Ion−Dipole-Interaction-Induced Encapsulation of Free Residual Solvent for Long-Cycle Solid-State Lithium Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c07482https://doi.org/10.1021/jacs.3c07482
10. JACS: 氮化碳薄膜光充电用于液滴力梯度传感器的可控操作
化学梯度的有意生成、放大和释放是许多纳米和显微操作技术的核心。近日，马克斯·普朗克胶体与界面研究所Lukas Zeininger，Paolo Giusto描述了一种简单的策略，通过有机半导体薄膜的局部光电表面充电来引导溶液内的化学梯度。1）研究人员观察到，用紫外线照射氮化碳薄膜会在照射区域产生局部且持续的表面电荷，通过表面活性剂在基材上的电荷选择性固定来诱导相邻溶液中的化学梯度。2）研究人员使用液滴力梯度传感器、具有同时和独立响应模式的复杂乳液来研究这些梯度，通过倾斜、形态重构和趋化性来转换温度、化学和浓度的瞬态梯度信息。3）对局部光电图案半导体氮化碳薄膜与其环境之间相互作用的精细控制，产生了一种设计化学机械响应材料的新方法，可能适用于微操作技术，包括微流体、芯片实验室设备、软机器人、生物化学测定以及胶体和细胞的分选。
Bradley D. Frank, et al, Photocharging of Carbon Nitride Thin Films for Controllable Manipulation of Droplet Force Gradient Sensors, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c09084https://doi.org/10.1021/jacs.3c09084
11. JACS：调整三维自组装二维片晶的功能
使用异质外延生长装饰二维纳米结构对于实现生物医学、电气和机械应用中的功能组装非常重要。尽管已经研究了自组装之前聚合物的功能化，但迄今为止，尚未探索从二维纳米结构进行三维直接表面改性的探索。近日，伯明翰大学Andrew P. Dove，Rachel K. O’Reilly报道了一种活结晶驱动的自组装方法，通过添加基于 PCL 的均聚物和不同的电晕化学嵌段共聚物混合物来形成均匀的 2D 片晶，并具有受控的空间尺寸和均匀的分散性。1）通过选择性地顺序添加荧光改性 PCL 混合物到 1D 或 2D 前体中获得多层片晶，表现出优异的痕量跟踪能力和具有整体结构形态的胶体稳定性。此外，使用 DMA 或染料作为单体，使用原位光诱导（光引发剂或 PET-RAFT）聚合来选择性修饰和空间功能化片晶表面。2）此外，通过在光诱导聚合过程中调节单体浓度，制备了不同高度的均匀片晶。这表现出良好的控制和表面高度增长的线性关系，直至并包括添加 100 质量当量的 DMA。二维片晶表面的原位光装饰能力开启了软材料受控选择性和空间表面功能化的可能性，可能会开发材料科学和高分子化学领域的巨大多样性应用。
Tianlai Xia, et al, Tuning the Functionality of Self-Assembled 2D Platelets in the Third Dimension, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c08770https://doi.org/10.1021/jacs.3c08770
12. ACS Nano：在枝晶上快速形成外延析氧反应催化剂，具有高催化活性和稳定性
析氧反应是许多能量储存和转化过程中必不可少但动力学缓慢的步骤，因此正在寻求高效和稳定的催化剂。尽管纳米级过渡金属基氧化物/氢氧化物对析氧反应（OER）表现出高催化活性，但它们中的许多在工业规模的阳极电流密度下稳定性较低。在此，东南大学Yuqiao Zeng通过将快速外延形成方法与动态气泡模板电沉积相结合，我们成功开发了具有分级多孔结构的单晶NiFeCu氧化物催化剂。1）研究发现，该结构可以促进催化剂的快速电子传输并阻止O原子扩散到内部金属集流体。继承自氢气泡模板的分层孔隙为氧气气泡的大量快速释放建立了理想的通道。2）因此，在工业规模的阳极电流密度（300 mA/cm2）下，NiFeCu氧化物比商用RuO2催化剂更有效、更稳定地催化OER。因此，这项工作通过解决纳米氧化物的耐久性问题，提供了一系列高效稳定的OER催化剂，以及提高非导电催化剂催化活性和稳定性的结构构建策略。
Peng Cui, et al, Rapid Formation of Epitaxial Oxygen Evolution Reaction Catalysts on Dendrites with High Catalytic Activity and Stability, ACS Nano, 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c02662
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02662
