1. Nature Reviews Chemistry：高能锂电池电解质和界面的设计下一代电动设备和车辆需要高能量和稳定的锂离子电池。为了促进它们的发展，在高容量阳极和高压阴极上形成稳定的界面至关重要。然而，在某些商业化的锂离子电池中，这种中间相是不稳定的。由于操作过程中的内应力，在界面和电极中形成裂纹；这种裂纹的存在允许形成Li枝晶和新的界面，导致能量容量的衰减。近日，马里兰大学Xu Jijian、王春生重点介绍了在不同电池系统中形成富LiF界面的电解质设计策略。1) 在水性电解质中，疏水性LiF可以延长水性电解质的电化学稳定性窗口。在有机液体电解质中，高疏锂的LiF可以抑制Li枝晶的形成和生长。因此，形成富LiF界面的电解质设计有助于实现高能水性和非水性锂离子电池。2) 此外，这里讨论的电解质和中间相设计原理也适用于固态电池，其也可作为在低堆压下实现长循环寿命的策略，从而构建其他金属电池。
Hongli Wan, et al. Designing electrolytes and interphases for high-energy lithium batteries. Nature Reviews Chemistry 2023DOI: 10.1038/s41570-023-00557-zhttps://doi.org/10.1038/s41570-023-00557-z2. Nature Reviews Materials：有机太阳能电池中不同材料类型的优势、挑战和分子设计由于光活性层中使用了各种高性能有机电子受体和电子供体材料，包括聚合物、小分子和富勒烯的开发，有机太阳能电池（OSCs）的性能在过去10年中得到了大幅提高。近日，香港科技大学Yan He、深圳技术大学Zhang Guangye综述研究了有机太阳能电池中不同材料类型的优势、挑战和分子设计。1) 根据供体和受体材料的组合，OSC可分为几种类型：聚合物-富勒烯、聚合物-小分子、全聚合物和全小分子，以及多组分OSC，其中光活性层包括三种或更多种光活性组分。2) 作者概述了溶液处理OSC的光活性层中不同材料类型的发展历史，并比较了它们的优势和局限性。作者讨论了每种OSC的有效分子设计策略，并强调了OSC的未来研究方向，特别是与促进OSC工业制造相关的方向。
Jicheng Yi, et al. Advantages, challenges and molecular design of different material types used in organic solar cells. Nature Reviews Materials 2023
DOI: 10.1038/s41578-023-00618-1https://doi.org/10.1038/s41578-023-00618-13. Nature Reviews Materials：适用于极端环境的超高温陶瓷清洁能源和太空探索的现代需求需要材料科学家开发出在宇宙极端条件下发挥作用的材料。近日，印第安纳大学与普渡大学印第安纳波利斯联合分校Babak Anasori对适用于极端环境的超高温陶瓷进行了综述研究。1) 高超音速飞行和核技术的最新进展将一系列超高温陶瓷（UHTC）的难熔过渡金属碳化物、氮化物和二硼化物带到了最科学前沿。这些材料具有极高的熔点（>4000 °C），高热导率（>140 W m−1 K−1）和强过渡金属与非金属结合（>600 GPa机械刚度），这有望使其能够在极端环境中应用。2) 该综述涵盖了金属-非金属（M–X）化学与UHTC的高温、热、机械和氧化行为的关系，并讨论了合成和潜在添加剂对其性能的影响。此外，作者还介绍了新的研究领域，包括增材制造、高熵成分和2D材料的进展，以改善UHTC的加工和性能。对化学-合成-加工关系的关注将是实现创新设计的关键，使UHTC成为极端环境材料。
Brian C. Wyatt, et al. Ultra-high temperature ceramics for extreme environments. Nature Reviews Materials 2023DOI: 10.1038/s41578-023-00619-0https://doi.org/10.1038/s41578-023-00619-04. Chem. Soc. Rev.：陶瓷电化学电池中的纳米技术陶瓷电化学电池（CECs），即固体氧化物电解电池（SOECs）和燃料电池（SOFCs），尽管是实现高效、绿色、环保能源转换的新兴技术，但其发展仍受到低温下的催化活性差、热机械稳定性差、材料成本高等限制。电解质和电极中使用的材料是CEC中最重要的成分，与电池性能密切相关。因此，以相对较低的成本合理设计具有优异催化活性和高稳定性的电解质和电极是开发CECs的一种有效方法。纳米技术是提高CECs材料性能的有力工具，因为电解质和电极的纳米化具有良好的效果。在此，安徽工业大学Cao Jiafeng、科廷大学Shao Zongping对CECs中实施的纳米技术进行了全面综述。1) 作者首先介绍了CECs的工作原理和相应的挑战，然后全面了解了纳米晶体材料在CECs中的工作机制。作者系统总结和分析了CEC材料制备中常用的纳米工程策略，包括物理和化学方法。2) 此外，作者还讨论了电解质和电极材料的研究前沿，特别强调了纳米技术的改性电化学性能。最后，作者强调了纳米技术的瓶颈，为CECs纳米材料的合理设计提供了重要参考。
Jiafeng Cao, et al. Nanotechnologies in ceramic electrochemical cells. Chem. Soc. Rev. 2023https://doi.org/10.1039/D3CS00303E5. Nature Commun.：由本征微孔聚合物配体构建的 PolyMOF 纳米粒子用于 CO2 分离的可扩展复合膜将不同的改性策略整合到一个步骤中以实现金属有机框架（MOF）所需的性能在综合上非常具有挑战性，特别是在开发先进的MOF/聚合物混合基质膜（MMM）方面。在此，汉阳大学Ho Bum Park报道了一种由具有固有微孔性（cPIM-1）配体的羧化聚合物构建的聚合物-MOF（polyMOF）系统。 1）这种本质上微孔的配体可以与金属配位，产生约 100 nm 大小的聚 MOF 纳米颗粒。2）与对照 MOF 相比，这些聚 MOF 表现出增强的超微孔隙率，可实现有效的分子筛分，并且它们在制备 MMM 的浇铸溶液中具有更好的分散性能。3）最终，通过 cPIM-1 和基于聚合物的功能将配位化学集成到多孔材料中，得到的聚 MOF/PIM-1 MMM 表现出优异的 CO2 分离性能（超过 CO2/N2 和 CO2/CH4 上限）。4）除了探索这种聚 MOF 系统的物理化学和传输特性之外，研究人员还通过将开发的 MMM 材料转化为大面积（400 cm2）薄膜纳米复合材料（TFN）膜来证明可扩展性。
Lee, T.H., Lee, B.K., Yoo, S.Y. et al. PolyMOF nanoparticles constructed from intrinsically microporous polymer ligand towards scalable composite membranes for CO2 separation. Nat Commun 14, 8330 (2023). DOI：10.1038/s41467-023-44027-yhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-44027-y6. Nature Commun.：有机凝胶的仿生机械矿化矿化是生物材料常用的一种持久方法，用于选择性强化以响应部位特定的机械应力。在合成聚合物复合材料中实现类似形式的增韧仍然具有挑战性。近日，芝加哥大学Aaron P. Esser-Kahn 开发了通过压电电化学效应与无机 ZnO 纳米粒子的机械响应来促进化学反应的方法。1）研究人员报道了机械介导反应的一个独特例子，其中球形 ZnO 纳米粒子自身发生反应，导致在有机凝胶内形成由 Zn/S 矿物组成的微棒。2）微棒可用于在材料内选择性地产生矿物沉积物，从而增强整体复合材料的强度。
Ayarza, J., Wang, J., Kim, H. et al. Bioinspired mechanical mineralization of organogels. Nat Commun 14, 8319 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43733-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-43733-x7. Nature Commun.：发现块状六方氧化钼中快速稳定的质子存储电极中的离子和电子传输对于电化学储能技术至关重要。为了优化离子和电子的传输路径，电极材料被最小化到纳米尺寸，从而导致体积性能、稳定性、成本和污染等问题。在这里，南京航空航天大学申来法教授发现具有非常规离子通道的块状六方氧化钼即使其粒径为数十微米，也可以高速存储大量质子。1）基于氢键拓扑化学的无扩散质子传输动力学在六方氧化钼中得到证明，其质子电导率比传统的斜方氧化钼高几个数量级。原位X射线衍射和理论计算表明，第一次放电中的结构自优化有效促进了后续质子的可逆嵌入/脱嵌。2）开放的晶体结构、合适的质子通道和可忽略的体积应变可实现快速稳定的质子传输和存储，从而产生极高的体积电容（~1750 F cm–3）、优异的倍率性能和超长的循环寿命（>10,000次循环） 。这种能够在几秒钟内存储微米级粒子质子的非常规材料和机制的发现促进了快速充电储能系统和高功率实际应用的发展。
Xu, T., Xu, Z., Yao, T. et al. Discovery of fast and stable proton storage in bulk hexagonal molybdenum oxide. Nat Commun 14, 8360 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-43603-6https://doi.org/10.1038/s41467-023-43603-68. Nature Commun.：通过氟改性铜上的氢定位转移，高效工业电流密度乙炔转化为聚合物级乙烯利用可再生电力驱动的电催化乙炔半加氢制乙烯是一种可持续的途径，但电流密度和单程收率不足极大地阻碍了生产效率和工业应用。在此，西北大学屈云腾教授和Kunyue Leng，北京高能物理研究所Lirong Zheng开发了一种F修饰的Cu催化剂，其工业分流密度高达0.76 A cm−2，乙烯法拉第效率超过90%，最大单程产率达到显着的78.5%。1）开发的Cu-F 展示了在串联流动池中直接将乙炔转化为聚合物级乙烯的能力，生产中几乎没有乙炔残留。2）综合表征和计算表明，Cuδ+（靠近氟）增强了水的解离，产生的活性氢立即转移到Cu0（远离氟）并与局部吸附的乙炔发生反应。因此，超越了析氢反应并提高了乙炔半加氢的整体性能。研究结果为合理设计大规模电合成乙烯和其他重要工业原料的催化剂提供了新的机会。
Bai, L., Wang, Y., Han, Z. et al. Efficient industrial-current-density acetylene to polymer-grade ethylene via hydrogen-localization transfer over fluorine-modified copper. Nat Commun 14, 8384 (2023).DOI：10.1038/s41467-023-44171-5https://doi.org/10.1038/s41467-023-44171-59. Chem：利用稀土铝调节价电子结构进行高性能酸性析氧反应氧化铱（IrO2）是用于质子交换膜水电解槽（PEMWE）的阳极催化剂。然而，其高成本和较差的催化活性阻碍了其实际应用，这需要开发不含Ir或Ir含量低的催化剂。在此，首尔大学Taeghwan Hyeon、Yung-Eun Sung、西江大学Seoin Back设计了一种简单的合成路线，将Al掺入RuO2和RuIrOx中，制成了耐用的PEMWE。 1) Al掺杂剂可以调节Ru–O杂化轨道的价电子结构，从而调节氧中间体的吸附能，进而促进O–O键的形成。优化的Al掺杂RuIrOx在10 mA cm−2下仅需要178 mV的过电位。2) 此外，该催化剂在100 mA cm−2中可以保持高活性超过300小时。在PEMWE中，在2.0 V下实现了4.1 A cm−2的高电流密度，而在1.0 A cm−2中持续60小时的性能衰减可以忽略不计。Kangjae Lee, et al. Modulating the valence electronic structure using earth-abundant aluminum for high-performance acidic oxygen evolution reaction. Chem 2023DOI: 10.1016/j.chempr.2023.08.006https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.08.006
