1. Nature Chemistry：界面质子耦合电子转移动力学的分子水平机理框架
电化学质子耦合电子转移（PCET）反应可以通过外球电子转移到溶液（OS-PCET）或通过表面结合活性位点的界面极化的内球机制（I-PCET）进行。虽然OS-PCET已被广泛研究与分子的洞察力，表面的内在异质性阻碍了分子水平的理解I-PCET。麻省理工学院Yogesh Surendranath等采用石墨共轭羧酸（GC-COOH）作为I-PCET的分子明确主体来分离I-PCET的本征动力学。1）作者测量了整个pH范围内的I-PCET速率，揭示了一种V型pH依赖性，缺乏OS-PCET特有的pH无关区域。因此，作者为I-PCET开发了一个机械模型，该模型调用了涉及水合氢离子/水或水/氢氧化物供体/受体对的协同PCET，仅用四个可调参数捕获了整个数据集。作者发现水合氢离子/水的I-PCET比水/氢氧化物快四倍，而两种反应都显示出相似的高电荷转移系数，表明后期质子转移过渡态。2）这些研究突出了I-PCET和OS-PCET之间的关键机理差异，为理解和模拟对能量转换和催化至关重要的更复杂的多步I-PCET反应提供了框架。
Lewis, N.B., Bisbey, R.P., Westendorff, K.S. et al. A molecular-level mechanistic framework for interfacial proton-coupled electron transfer kinetics. Nat. Chem. (2024).DOI: 10.1038/s41557-023-01400-0https://doi.org/10.1038/s41557-023-01400-02. Nature Commun.：使用四元熔盐电解质在 85 °C 下运行的快速充电铝硫电池熔盐铝硫电池完全基于资源可持续的材料，由于其高倍率性能和适中的能量密度，有望用于大规模储能；但工作温度仍然很高，禁止其应用。在这里，北京大学Quanquan Pang，武汉理工大学麦立强教授报告了一种快速充电铝硫电池，使用温和四元熔盐电解质在 85 °C 的亚水沸点温度下运行。1）四元碱金属氯铝酸盐熔体具有丰富的电化学活性高阶 Al-Cl 簇，但熔点较低，有助于快速 Al3+ 去溶剂化。氮功能化的多孔碳进一步介导硫反应，使电池具有快速充电能力和优异的循环稳定性，在1 C的充电速率下，1400次循环后容量保持率为85.4%。2）证明了不对称硫反应机制正如原位X射线吸收光谱所揭示的，涉及多硫化物中间体的形成，解释了在这样的温度下的高反应动力学，其中通过使用水作为加热介质可以大大简化热管理。
Meng, J., Hong, X., Xiao, Z. et al. Rapid-charging aluminium-sulfur batteries operated at 85 °C with a quaternary molten salt electrolyte. Nat Commun 15, 596 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-024-44691-83. Nature Commun.：通过基于蛭石的异质纳米通道在具有挑战性的现实世界高盐环境中释放渗透能量收集潜力纳米通道膜在渗透能量收集方面已表现出巨大的潜力；然而，它们在实际高盐系统中的效率因离子选择性降低而受到阻碍。在这里，西安建筑科技大学Lei Wang，Jin Wang，苏州大学Ke Zhou提出了一种双分离传输策略，通过一种环保且可扩展的方法构建基于二维（2D）蛭石（VMT）的异质纳米流体系统。 1）在跨膜扩散过程中，阳离子首先在基材的微孔中分离和富集，然后在具有高离子通量的超薄VMT层压板中进行二次精确筛分。因此，纳米流体系统表现出高效的渗透能量收集性能，特别是在高盐环境中。2）值得注意的是，研究人员实现了 33.76 W m−2 的最大功率密度，提高了 6.2 倍，盐度梯度增加了 10 倍，在挑战性条件下超越了最先进的纳米通道膜。此外，证实了使用各种天然盐湖卤水的实用高盐渗透发电，实现了 25.9 W m−2 的功率密度。这项工作引发了利用先进纳米结构进行实用蓝色能量转换的希望。
Wang, J., Cui, Z., Li, S. et al. Unlocking osmotic energy harvesting potential in challenging real-world hypersaline environments through vermiculite-based hetero-nanochannels. Nat Commun 15, 608 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-023-44434-1强金属-载体相互作用（SMSI）已成为多相催化研究的一个重要且前沿的领域。它们在改变负载金属的化学吸附性能、界面结构和电子特性方面发挥着至关重要的作用，从而对催化性能产生深远的影响。近日，北京大学马丁教授，中国科学院大连化学物理研究所Botao Qiao全面总结 SMSI 的最新进展和见解。2）作者还确定了新型 SMSI 系统在催化化学中的创新设计和应用，并强调了它们在提高特定情况下的催化性能、选择性和稳定性方面的关键作用。尤其值得注意的是活性金属与金属碳化物之间SMSI的发现，开创了SMSI领域的新纪元。3）作者还讨论了原子分散的金属和载体之间的强相互作用，重点是载体的电子效应。此外，还详细阐述了 SMSI 的化学性质及其潜在的催化机制。显然，SMSI 修饰已成为增强各种催化应用中催化性能的有力工具。
Ming Xu, et al, Renaissance of Strong Metal−Support Interactions, J. Am. Chem. Soc., 2024DOI: 10.1021/jacs.3c09102 https://doi.org/10.1021/jacs.3c091025. JACS：原子分散的 ZnCo-N-C 作为碱性燃料电池的 ORR 电催化剂氢燃料电池作为未来汽车交通最有前途的新一代能源之一，受到越来越多的关注。为了推动燃料电池技术的发展，迫切需要开发高效、耐用、低成本的电催化剂来加速迟滞的氧还原反应(ORR)动力学。近日，威斯康星大学麦迪逊分校Manos Mavrikakis，康奈尔大学Héctor D. Abruña报道了金属−有机骨架衍生的非贵金属双金属单原子催化剂(Zn/Co−N−C)，由Co−N4和Zn−N4局域结构组成。1）50K循环后，该催化剂的半波电位(E1/2)为0.938 V，比可逆氢电极(RHE)的半波电位(E1/2)高，稳定性好(ΔE1/2)=−8.5 mV)。此外，这一卓越的性能在实际燃料电池工作条件下得到了验证，在已报道的碱性燃料电池SACS中，达到了创纪录的峰值功率密度∼1 W cm−2。2）采用X-射线吸收光谱对活性中心进行了鉴定，揭示了催化机理。结果表明，Co−N4结构中的Co原子是主要的催化活性中心，其中一个轴向含氧物种在ORR过程中结合形成OADS−Co−N4基团.。此外，基于势相关的微观动力学模型和芯能级位移计算的理论研究与实验结果吻合较好，并为氧物种在ORR过程中在Co−N4中心上的成键提供了见解。这项工作提供了对−N−C催化剂中活性中心的全面的机理理解，并将为未来燃料电池和其他能源应用的高性能单中心电催化剂的设计和发展铺平道路。
Weixuan Xu, et al, Atomically Dispersed Zn/Co−N−C as ORR Electrocatalysts for Alkaline Fuel Cells, J. Am. Chem. Soc., 2024https://doi.org/10.1021/jacs.3c113556. JACS：超亲水表面自发形成二维非晶形包合物的证据保存在海床中的笼状水合物通常分散在粗粒沉积物的孔隙中；因此，它们的形成通常发生在纳米限制下。在这里，国家纳米科学中心Yurui Gao，宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco，香港城市大学Xiao Cheng Zeng展示了第一个分子动力学(MD)模拟证据，证明了在没有常规纳米限制的情况下，二维(2D)笼状水合物在晶体表面自发形成。1）通过模拟单分子沉积，说明了二维笼状物形成的动力学过程。在各种超亲水的面心立方表面上观察到了二维非晶态图案。值得注意的是，即使在室温下，2D非晶笼状物的形成也可以在很大的温度范围内发生。2）水−表面强烈的相互作用、客体-气体分子的特性以及底层表面结构决定了2D无定形笼状结构的形成。绘制了二维包合物的半定量相图，其中特征气体分子在典型的Pd(111)和Pt(111)表面的二维包合物的典型图案被独立的分子动力学模拟所证实。 3）通过改变衬底的晶格应变，展示了一种可调谐的2D非晶笼状结构。此外，从头算分子动力学模拟证实了二维非晶笼状化合物的稳定性。阐明了在超亲水表面形成二维笼状物的基本物理机制，从而更深入地了解了水−表面相互作用的关键作用。
Yurui Gao, et al, Evidence of Spontaneous Formation of Two-Dimensional Amorphous Clathrates on Superhydrophilic Surfaces, J. Am. Chem. Soc., 2024https://doi.org/10.1021/jacs.3c10701
7. Angew：在TiO2表面构筑均匀单原子Pt用于光催化制氢
当使用单原子作为光催化产氢的助催化剂，如何在半导体表面生成可调控并且表面单原子的分散性均一具有非常大的困难和挑战。有鉴于此，埃尔朗根-纽伦堡大学Patrik Schmuki等通过平面吸附(4-羧基苯基)-卟啉（TCPP，tetrakis-(4-carboxyphenyl)-porphyrin）以及与Pt配位的Pt-TCPP，因此实现了构筑单原子催化剂的过程能够控制单原子催化剂的空间分布。 1）通过将Pt-TCPP和TCPP控制形成共吸附单分子层，实现了对表面Pt单原子密度的控制。作者通过调节Pt-TCCP和TCPP的比例，最高的单原子密度达到2.6×105 atom μm-2。通过在空气气氛中加热处理能够保持单原子的分布和单原子状态，而且在光催化制氢中表现优异的性能。2）这项工作展示说明使用TCPP类型分子能够在半导体表面构筑间距确定的单原子金属位点，而且能够轻松的修饰多种不同单原子和官能团。
Shanshan Qin, Nikita Denisov, Hyesung Kim, Patrik Schmuki, Photocatalytic H2 Generation: Controlled and Optimized Dispersion of Single Atom Co-Catalysts Based on Pt-TCPP Planar Adsorption on TiO2, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202316660https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202316660
8. Angew综述：金属有机笼限域光催化在有机转化领域的前景
自组装构筑的金属有机笼（MOCs, metal-organic cages）所具有的金属和有机组分能够提供多功能催化作用，而且金属有机笼具有酶催化剂类似的空间限域微环境，因此在催化有机转化反应的过程中表现独特的非共价键弱相互作用和电子转移/能量转移，因此MOCs能够成为拟酶催化剂。最近，人们将MOCs光反应器发展为超分子光催化剂，这种MOCs光反应器表现非常好的反应活性，同时与在溶液中的反应相比表现独特的催化选择性。有鉴于此，中山大学苏成勇、焦志威等总结最近二十年光活性金属有机笼催化剂受到光诱导作用产生的光生自由基反应。1）我们总结光反应器如何将化学计量比的光化学反应转变为具有转化数的光催化反应，从高能量的紫外光驱动转向可见光催化，从简单的自由基反应变成具有化学选择性和立体选择性等多重选择性的光催化反应。2）我们关注于光活性金属有机笼（PMOCs, photoactive metal-organic cages）如何在结构和功能上模拟生物酶催化剂集成到单个金属有机笼，从而起到多功能光反应器的作用。通过这些总结，展示了PMOCs有助于解决目前单电子转移（SET）和能量转移（EnT）过程的有机催化转化反应，实现简单绿色的光催化转化。
Yanke Hao, Yu-Lin Lu, Zhiwei Jiao, Cheng-Yong Su, Photocatalysis Meets Confinement: An Emerging Opportunity for Photoinduced Organic Transformations, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202317808https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202317808
9. AM：单层NiI2多铁性的原子尺度可视化
层状范德华材料的进展导致了低至单层极限的铁磁和铁电材料的发现。最近，在单层NiI2中报道了第一个纯二维多铁性材料的证据。然而，利用基于散射和光学体技术探测2D材料的多重铁性具有挑战性，需要在原子尺度上进行实验以充分表征单层极限下的多重铁性有序性。阿尔托大学Peter Liljeroth和Jose L. Lado等使用由密度泛函理论（DFT）计算支持的扫描隧道显微镜（STM）来探测和表征单层NiI2中的多铁性有序性。1）作者证明，NiI2显示的II型多铁性有序性源于磁性自旋螺旋有序性和强自旋轨道耦合的结合，允许在STM实验中探测多铁性有序性。此外，作者通过外电场操纵多铁性畴直接探索了NiI2的磁电耦合。2）作者的发现为在微观水平上分析磁电效应建立了一个新的观点，为在范德华材料及其异质结构中设计新的多铁性有序铺平了道路。
M. Amini, et al, Atomic-Scale Visualization of Multiferroicity in Monolayer NiI2. Adv. Mater. 2024, 2311342.DOI: 10.1002/adma.202311342https://doi.org/10.1002/adma.202311342
