1. Nature Materials：近中性电解质中高效解耦水分解的电化学和化学循环利用可再生电力通过水分解生产绿色氢气对于实现净零碳排放至关重要。近日，以色列理工学院Avner Rothschild将析氢和析氧反应解耦，并在没有膜和密封部件的情况下运行来降低系统成本。1) 该过程将析氢或析氧反应分为电化学和化学子反应，使其能够实现高转换效率。作者介绍了一种新工艺，该工艺可在单独的电池中生产氢气和氧气，并且在无膜系统中连续运行。2) 在近中性电解质中，该工艺具有高法拉第效率和电解效率，其中溴化物在一个电池中被电氧化为溴酸盐，同时析氢。而溴酸盐在另一个电池的催化反应中被化学还原为溴化物，从而析氧。
Ilya Slobodkin, et al. Electrochemical and chemical cycle for high-efficiency decoupled water splitting in a near-neutral electrolyte. Nature Materials 2024DOI: 10.1038/s41563-023-01767-yhttps://doi.org/10.1038/s41563-023-01767-y2. Nature Materials：用易收缩阳极材料实现固态电池中金属锂的快速循环在固体电池中，锂（Li）和阳极材料之间的界面反应仍不明确。近日，哈佛大学Li Xin利用易收缩阳极材料实现固态电池中金属锂的快速循环。1) 作者将重点放在阳极材料硅（Si）上，以证明微米大小硅的锂化反应可以在固-固界面显著抑制，而不是在传统的固-液界面进行强的锂-硅合金化，因此由于反应诱导的扩散限制过程，它只发生在硅颗粒的薄表面位置。2) 作者通过约束系综计算方法预测以Si、银（Ag）和镁（Mg）合金为代表的一系列阳极材料的表面锂化和Li镀层之间的动态相互作用，因此其可以更均匀地分布电流密度，使Li金属在高面积容量下快速循环，这对固态电池的应用十分重要。
Luhan Ye, et al. Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials. Nature Materials 2024DOI: 10.1038/s41563-023-01722-xhttps://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x3. Nature Synthesis：酸引发的乙烯基单体自由基聚合 可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合是有效的受控自由基聚合方法之一，因为它具有广泛的材料范围和对各种官能团和杂质的高耐受性。然而，为了操作RAFT聚合，需要恒定的自由基供应，通常通过外源性热自由基引发剂，这些引发剂不仅难以运输和储存，而且主要导致末端和端基的不均匀性。近日，苏黎世联邦理工学院Athina Anastasaki、Nghia P. Truong、弗林德斯大学Michelle L. Coote报道了酸引发的乙烯基单体自由基聚合。1) 作者提出了一种酸引发的RAFT聚合，它可在黑暗中操作，并且没有任何传统的自由基引发剂。作者发现，丰富的酸（例如硫酸）具有引发和加速聚合的双重作用。2) 因此，作者制备的聚合物具有低分散性。该方法与多种乙烯基单体和溶剂相容，可应用于控制良好的高分子量嵌段共聚物的合成以及自由基聚合。
Maria-Nefeli Antonopoulou, et al. Acid-triggered radical polymerization of vinyl monomers. Nature Synthesis 2024 DOI: 10.1038/s44160-023-00462-9https://doi.org/10.1038/s44160-023-00462-94. Nature Commun.：低维铁电体中极性气泡的运动和隐形传态电气泡是电偶极子的亚10纳米球形涡流，可以在超薄铁电体中自发形成。虽然电泡的静态特性已经被很好地确立，但对这些粒子状结构的动力学却知之甚少。新南威尔士大学Q. Zhang和阿肯色大学S. Prokhorenko等揭示了在超薄Pb(Zr0.4Ti0.6)O3薄膜中实现电气泡的自发和受控动力学的途径。1）在低屏蔽条件下，作者发现电泡表现出热驱动的混沌运动，产生类似液体的状态。在高屏蔽制度，作者表明，气泡保持静止，但可以不断地被局部电场取代。此外，作者预测并通过实验证明了气泡隐形传态的可能性，这是一个通过PFM尖端的单个电场脉冲将气泡转移到新位置的过程。2）最后，作者将发现的现象归因于能源景观的层级结构。
Prokhorenko, S., Nahas, Y., Govinden, V. et al. Motion and teleportation of polar bubbles in low-dimensional ferroelectrics. Nat Commun 15, 412 (2024).DOI: 10.1038/s41467-023-44639-4https://doi.org/10.1038/s41467-023-44639-45. Nature Commun.：部分还原镍酸盐薄膜中强表面重构的直接观察表面的极性可以通过静电效应影响氧化物薄膜的电子和结构性质。理解这些效应背后的机制需要了解表面的原子结构和静电特性。马克斯·普朗克固态研究所Chao Yang等使用环形明场成像来研究Pr0.8Sr0.2NiO2+x (0 < x < 1)薄膜的表面结构。1）作者在完全氧化的Pr0.8Sr0.2NiO3样品中观察到与八面体旋转相耦合的极性畸变，并且在部分还原的样品中观察到更强的极性畸变。它的空间深度范围是离表面大约三个单位单元。此外，我们使用四维扫描透射电子显微镜(4D-STEM)直接成像表面附近Ni原子周围的局域原子电场，并发现Ni原子的不同价态变化，这通过原子分辨率电子能量损失谱(EELS)得到证实。2）作者的结果表明，还原样品中的强表面重构与由局部化学还原形成的氧空位密切相关。这些发现为在原子水平上理解和进化表面极性提供了见解。
Yang, C., Pons, R., Sigle, W. et al. Direct observation of strong surface reconstruction in partially reduced nickelate films. Nat Commun 15, 378 (2024).DOI: 10.1038/s41467-023-44616-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-023-44616-x6. Nature Commun.：可拉伸的负泊松比多孔超材料 高度可拉伸的多孔材料有希望用于柔性电子器件，但是它们的制造是一个巨大的挑战。同济大学Guoqing Zu等通过单轴、双轴和三轴热压策略获得了几种具有低或负泊松比的高拉伸性导电多孔弹性体。1）通过单轴热压获得的具有折叠多孔结构的还原氧化石墨烯/聚合物纳米复合材料弹性体表现出高达1200%应变的高拉伸性。此外，通过双轴(或三轴)热压，获得了结合了高双轴(或三轴)拉伸性和负泊松比的具有凹入多孔结构的准弹性体。所得的基于弹性体的可穿戴应变传感器表现出超宽的响应范围(0-1200%)。该材料可用于智能热管理和电磁干扰屏蔽，这是通过拉伸调节多孔微结构来实现的。2）这项工作为高拉伸性和负泊松比多孔材料提供了一种通用的策略，这些材料具有用于各种应用的有前途的特征，例如柔性电子器件、热管理、电磁屏蔽和能量存储。
Zhang, X., Sun, Q., Liang, X. et al. Stretchable and negative-Poisson-ratio porous metamaterials. Nat Commun 15, 392 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-44707-3https://doi.org/10.1038/s41467-024-44707-37. Nature Commun.：高温下稳定的近黑体太阳能吸收的可扩展纳米结构通过纳米结构增强光捕获在工程应用中普遍存在，例如，在改进高效聚光太阳能热(CST)技术中。然而，大多数纳米工程涂层和亚表面无法扩展到大表面(> 100 m2)，并且在高温(> 850°C)下不稳定，这阻碍了它们在CST中的广泛采用。澳大利亚国立大学Juan F. Torres等提出了一种可扩展的层纳米架构，可以显著增强任意材料的太阳能吸收。 1）作者的电磁学模型预测，尖端光吸收剂的吸收率可以进一步提高70%以上，即在没有纳米结构的情况下，相对于基线值的黑体吸收有所改善。在实验中，纳米结构产生的太阳能吸收器在光学上更接近黑体35%，即使在空气中长期(1000小时)高温(900摄氏度)老化后也是如此。据作者所知，稳定的太阳能吸收率超过97.88±0.14%，这是迄今为止在这些极端老化条件下报道的最高值。2）层纳米结构的可扩展性通过辅助沉积得到进一步证明，为现有和新开发的CST吸收材料的简单而显著的太阳能吸收率提升和维护方法铺平了道路。
Guo, Y., Tsuda, K., Hosseini, S. et al. Scalable nano-architecture for stable near-blackbody solar absorption at high temperatures. Nat Commun 15, 384 (2024).DOI: 10.1038/s41467-023-44672-3https://doi.org/10.1038/s41467-023-44672-38. JACS：一种成分简单的无铅薄膜中的超高效率卓越储能现代电子设备和电力系统非常需要介电电容器来存储和回收电能。然而，同时实现高能量密度和效率仍然是一个挑战。在这里，北京科技大学Shiqing Deng，He Qi，Jun Chen报道了在理论和相场模拟的指导下，能够在钛酸锶（SrTiO3）（一种线性电介质）中实现90−94%的超高效率和85−90 J cm−3的高能量密度的优异综合性能。1）通过引入 Ti/O 缺陷来操纵局部对称性，从而获得简单的化学成分。2）原子尺度表征证实，这些 Ti/O 缺陷会导致局部对称性破缺和局部晶格应变，从而导致形成尺寸从 2 到 8 nm 不等的孤立超细极性纳米团簇。这些纳米团簇造成相当大的介电极化和可忽略的极化滞后。本研究开辟了设计高性能介电电容器的新领域，利用一大系列现成的线性电介质和非常简单的化学物质。
Tianyu Li, et al, Ultrahigh-Efficiency Superior Energy Storage in Lead-Free Films with a Simple Composition, J. Am. Chem. Soc., 2024 DOI: 10.1021/jacs.3c08903https://doi.org/10.1021/jacs.3c089039. JACS：氟离子电池中涉及 O−O 键形成的高容量双层钙钛矿氟氧化物阴极开发电化学高能量存储系统对于绿色和可持续的能源供应至关重要。一个有前途的候选者是氟离子电池（FIB），它可以提供比锂离子电池更高的体积能量密度。然而，具有转化型反应的典型金属氟化物阴极导致低倍率性能。最近，据报道，与具有转化型反应的典型金属氟化物阴极相比，层状钙钛矿氧化物和氟氧化物，例如LaSrMnO4和Sr3Fe2O5F2，表现出相对较高的倍率性能和循环稳定性，但它们的放电容量（~118 mAh/g）低于锂离子电池中使用的典型阴极。在这里，京都大学Kentaro Yamamoto使用双层 Ruddlesden−Popper 型钙钛矿氟氧化物 La1.2Sr1.8Mn2O7−δFx 证明了氟离子的电化学嵌入具有优异的可逆性、循环性和倍率性能。1）有趣的是，除了 0 < x < 2 的常规 Mn 氧化还原外，这种氟氧化物还可以通过形成 O−O（阴离子氧化还原）将过量的氟离子 (2 < x < 4) 纳入钙钛矿块中。尽管La1.2Sr1.8Mn2O7−δFx通过形成O−O键而表现出高容量，但其容量仍然与富锂正极相当。因此，利用相同的反应机理开发比La1.2Sr1.8Mn2O7−δFx具有更高容量的新型阴极。 2）需要强调的是，与LIB一样，目前的FIB在循环稳定性、倍率特性、氟离子扩散等电化学性能方面还有进一步改进的空间；可用的策略包括用其他过渡金属进行化学取代、氧空位控制、电极混合物成分的优化、调整颗粒形态以及控制电极和电解质之间的界面接触。这次在140℃下测量电池性能主要是因为所使用的固体电解质的氟离子电导率较低。因此，开发具有高离子电导率和电化学窗口的新型固体电解质是必要的。3）鉴于传统钙钛矿材料已知的结构和成分多种多样，通过形成 O−O 键捕获过量氟离子的能力为钙钛矿工程增加了一个新维度，不仅适用于电池研究，也适用于其他学科。事实上，具有“密堆积”结构的钙钛矿 ABO3 中分子状 O2 的形成并不明显，总体上可能是一个有趣的研究课题。此外，这项研究充分提高了人们的认识，即电化学是获得新型氟氧化物的强大工具，更广泛地说，是获得可能对各种物理和化学功能产生影响的混合阴离子化合物。
Hidenori Miki, et al, Double-Layered Perovskite Oxyfluoride Cathodes with High Capacity Involving O−O Bond Formation for Fluoride-Ion Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c10871 https://doi.org/10.1021/jacs.3c1087110. JACS:通过离子共结晶实现的无高氯酸盐高能氧化剂为了实现更可持续的固体火箭发动机，寻找合适的氧化剂高氯酸铵（AP）替代品是当务之急。氧化盐硝酸铵（AN）和二硝酰胺铵（ADN）被认为是AP的潜在绿色替代品，但存在大量的处理和加工问题，包括稳定性差和针状晶体形态抑制致密堆积；这些都阻碍了它们的广泛使用。近日，密歇根大学安娜堡分校Adam J. Matzger报道了利用离子共结晶来产生这些氧化盐与高能共形成物的第一个共晶体，并且第一个这样的共晶体保持正氧平衡。1）氮唑基含能分子5,5'-二硝基-2H,2H'-3,3"-bi-1,2,4-三唑(DNBT)成功与AN共晶，生成共晶2AN:DNBT。2）差示扫描量热法数据证实，AN 在共晶中稳定，其纯态存在固态相变问题。3）将这种共结晶策略应用于 ADN 可以生成 2ADN:DNBT，它是所有有机共晶中氧平衡最高的。
Andrew J. Bennett, et al, Perchlorate-Free Energetic Oxidizers Enabled by Ionic Cocrystallization, J. Am. Chem. Soc., 2024DOI: 10.1021/jacs.3c12023https://doi.org/10.1021/jacs.3c12023多金属氧酸盐(POMs)是一种具有独特物理化学性质的分子金属氧化物簇，在可再生能源体系中为创造高效、稳定的电催化剂做出了重要贡献。由于POMs的基本优点，如分子结构的多样性和大量的氧化还原活性位点，许多努力都致力于扩展其应用领域。到目前为止，已经开发了将POM分子组装成超结构、将POM支撑在多相基底上以及POM衍生的金属化合物的各种策略来合成电催化剂。四川大学Chong Cheng和Shuang Li等系统地总结了POM结构材料的最新进展，特别关注它们的分子基础，电催化作用，以及POM和POM衍生的电催化剂的最新突破。1）值得注意的是，作者集中于揭示POM结构材料如何影响其电催化活性的当前状态、本质和机制，并揭示未来发展的关键要求。未来的挑战，目标，比较和创造聚甲醛结构材料的前景也进行了系统的讨论。2）作者预计这篇综述将对促进多酸结构材料在电催化中的繁荣和广泛应用的跨学科努力产生重大影响。
T. Ma, R. Yan, X. Wu, M. Wang, B. Yin, S. Li, C. Cheng, A. Thomas, Polyoxometalate-Structured Materials: Molecular Fundamentals and Electrocatalytic Roles in Energy Conversion. Adv. Mater. 2024, 2310283.DOI: 10.1002/adma.202310283https://doi.org/10.1002/adma.202310283
