1. Chem. Soc. Rev.：金属卤化物钙钛矿纳米晶体中的掺杂和离子取代
过去十年见证了金属卤化物钙钛矿的合成及其在多种光电应用中的巨大进步。钙钛矿金属卤化物的通式为ABX3。特别地，由于最近钙钛矿纳米晶体的快速发展，金属卤化物钙钛矿的光致发光（PL）性质引起了很多关注。封端配体的引入使得能够合成胶体钙钛矿纳米晶体，与大体积的对应物相比，该晶体对尺寸依赖性的物理性质提供了新的见解。值得注意的是，掺杂和离子取代代表了用于调整钙钛矿纳米晶体的光电性质（例如，吸收带隙，PL发射和量子产率（QY））和稳定性的有效策略。可以通过将新的A'，B'或X'位离子掺入ABX3钙钛矿的A，B或X位离子，在胶体纳米晶体合成过程中或之后进行掺杂和离子取代过程。有趣的是，可以在胶态钙钛矿纳米晶体上进行等价和杂价掺杂以及离子取代。乔治亚理工学院的林志群和湘潭大学Yijiang Liu等人对此展开概述研究。尽管这些设备表现出合理的热稳定性，但它们在照明或稳定的功率输出（SPO）下首先介绍了钙钛矿纳米晶体合成的一般背景。然后详细介绍了A位，B位和X位离子掺杂和取代对胶体金属卤化物钙钛矿纳米晶体的光电性能和稳定性的影响。最后，讨论了掺杂和离子取代的胶体钙钛矿纳米晶体的可能应用和未来的研究方向。
Cheng-Hsin Lu et al. Doping and ion substitution in colloidal metal halide perovskite nanocrystals，Chem. Soc. Rev., 2020. https://doi.org/10.1039/C9CS00790C
2. Chem. Rev.: 水凝胶及其衍生材料在能源和水可持续性领域的应用
能源和水是现代社会的重要基础，可持续能源的储存和转化以及水资源管理的先进技术是世界各国深入研究的重点。除了其传统的生物应用之外，水凝胶由于其独特的性质和可控的理化特性，正成为能源和水相关应用的一种有吸引力的材料。有鉴于此，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人，综述了水凝胶和水凝胶衍生材料在能源和水可持续性应用等领域的应用研究进展。1）重点介绍了各种水凝胶的高度可控合成，其中涉及关键的合成元素，例如单体/聚合物结构单元，交联剂和功能性添加剂，并讨论了如何将水凝胶用作前驱体和模板设计电化学活性材料的三维结构骨架。2）然后，根据凝胶化学的基本原理，对水凝胶材料的结构-性能关系进行了深入的讨论，并最终讨论了诸如离子/电子导电性增强、机械强度、柔韧性、刺激响应性和理想的溶胀行为等性能。水凝胶独特的相互连接的多孔结构可实现快速的电荷/质量传输，同时提供较大的表面积，并且可以调节聚合物与水之间的相互作用，以实现水凝胶内所需的保水，吸收和蒸发。3）这种结构衍生的特性也被紧密地协调，以实现针对不同目标设备的多功能性和稳定性。应用的例子集中在电池，超级电容器，电催化剂，太阳能水净化，和大气水收集，这些都展示了水凝胶和水凝胶衍生材料所带来的空前的技术潜力。最后，分析了面临的挑战和应对它们的潜在方法，以揭示其潜在机制，并将目前的水凝胶材料发展转化为可持续能源和水技术。
Youhong Guo et al. Hydrogels and Hydrogel-Derived Materials for Energy and Water Sustainability. Chem. Rev., 2020.DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00345https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00345
3. Science Advances: 以精子为模板的软磁微型机器人
借助微型机器人进行的微创外科手术和靶向治疗是创新技术，可同时降低干预水平，将药物集中在某些位置，从而降低负面副作用的风险。于此，德国德累斯顿工业大学Veronika Magdanz和荷兰特文特大学Islam S. M. Khalil等人通过静电自组装非运动精子细胞和磁性纳米颗粒，开发出生物混合磁性微机器人。1）将生物实体整合到微型机器人中，除了形状模板外，还具有许多功能优势，例如容易吸收化疗药物以实现靶向药物输送。研究人员提出一种一步法静电自组装技术来制造铁精子（IRONSperms），模仿运动精子细胞运动的软磁微泳。2）实验和理论预测表明，在驱动频率为8Hz、精密角度为45°时，铁精子的游动速度超过0.2体长/s（6.8±4.1µm/s）。3）证明了纳米颗粒涂层增加了精子细胞的声阻抗，并利用超声反馈实现了铁精子簇的定位。也证实了这些微型机器人的生物相容性和载药能力，以及它们作为体内靶向治疗的生物相容性、可控性和可检测的生物杂交工具的前景。
Veronika Magdanz, et al., IRONSperm: Sperm-templated soft magnetic microrobots. Science Advances 2020.DOI: 10.1126/sciadv.aba5855https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eaba5855
4. Angew: 揭示铁单原子催化剂上甲烷的非氧化转化之谜
随着石油资源消耗的增加以及页岩气，天然气水合物和沼气的大规模发现，用天然气等相对丰富的资源代替石油来生产液体燃料和基础化学品已成为学术界和工业界研究的重点。甲烷的转化既可以通过合成气（CO和H2的混合物）的间接途径实现，也可以通过诸如甲烷的氧化偶联（OCM），甲烷的选择性氧化（SOM），和甲烷的非氧化脱氢芳构化（MDA）等直接途径来实现。其中，直接非氧化途径是比较理想的，因为它比间接途径更经济、更环保，可以绕开多个反应步骤，而其他氧化直接途径往往涉及过氧化。然而，直接非氧化途径遭受甲烷活化的重大挑战，因为CH4具有低电子亲和力，零偶极矩和高C-H键能（439 kJ/mol）。非氧化途径的另一个缺点是严格的热力学约束，这通常需要高温和苛刻的条件。因此，寻找在相对温和的条件下实现甲烷非氧化转化的独特催化剂是催化界的长期目标。Bao等人在二氧化硅限域单原子铁催化剂（Fe1©SiO2）上直接进行甲烷的非氧化转化（Science，2 014，344，616）是催化科学中的一个里程碑式的发现。然而，最初提出的气相反应机理存在很大争议。有鉴于此，清华大学李隽教授等人，通过综合的计算模型和仿真，提出了一种表面反应机理。1）研究表明，甲烷的活化发生在单一的铁位点，而解离的甲基在反应条件下不利于解吸成气相。2）相比之下，解离的甲基更喜欢转移到活性中心的相邻碳位点（Fe1©SiC2），然后进行C-C偶联和氢转移，从而通过关键的-CH-CH2中间体生成主要产物（乙烯）。3）发现了一种准Mars-van-Krevelen（准MvK）表面反应机制，该机制涉及提取和重新填充表面碳原子，以实现甲烷在Fe1©SiO2上的非氧化转化，并且这种新的表面过程被认为比气相反应机理更可行。
Jun Li et al. Unravelling the Enigma of Nonoxidative Conversion of Methane on Iron Single‐Atom Catalysts. Angew., 2020.DOI: 10.1002/ange.202003908https://doi.org/10.1002/ange.202003908
5. Angew：锂金属电池固体电解质相间促进剂的溶剂化规则
尽管金属锂负极具有极高的能量密度，但由于锂金属与电解液界面的不稳定性，严重阻碍了锂金属电池（LMBs）的实际应用。由于溶剂的电化学性质会受到溶剂化状态的严重影响。因此要形成能稳定锂金属负极的功能性电解质体系，充分了解溶剂分子的溶剂化行为具有重要意义。近日，阿贡国家实验室Chi-Cheung Su，Khalil Amine报道了通过各种电化学和溶剂化研究，固体-电解质界面（SEI）促进剂在LMBs电解质中的溶剂化规则。1）研究人员将氟乙烯碳酸酯用作SEI促进剂，其能够在锂金属表面形成坚固的SEI，同时实现相对稳定的LMB循环。2）结果表明，氟乙烯碳酸酯的溶剂化数必须为≥1，才能保证形成稳定的SEI，其中SEI促进剂的牺牲还原会导致LMBs的稳定循环。Chi-Cheung Su, et al, Solvation Rule for Solid-Electrolyte Interphase Enabler in Lithium Metal Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2020https://doi.org/10.1002/anie.202008081
6. Angew：利用二维Bi2O2Se进行痕量氧检测
在新兴的物联网时代，二维(2D)材料因其迷人的电学性质、大的比表面积和高度集成的可行性，在环境气体分子检测方面具有巨大的应用潜力。然而，开发检测下限在亚ppm范围内的痕量氧敏2D材料和器件仍然是一个挑战。近日，北京大学彭海琳教授报道了利用二维Bi2O2Se纳米板成功制成了电阻型氧敏元件，并展示了其显著的灵敏度，其最低检测率为0.25 ppm，并且在室温下具有高选择性和长期稳定性。1）研究人员首次通过扫描隧道显微镜（STM）和第一性原理计算研究了Bi2O2Se的痕量氧检测机理。研究发现Bi2O2Se暴露于氧时显示出具有改善比表面积的非晶Se原子层。2）研究人员用原位常压X射线光电子能谱（APXPS）研究了Bi2O2Se表面的非晶态Se原子层，证明了Bi2O2Se在环境氧气浓度降至4.0×10-11mol/L时仍能吸附可观测到的氧量。3）霍尔测量表明，吸附的氧分子会降低二维Bi2O2Se的载流子密度和迁移率，从而降低其电导率。4）这种二维Bi2O2Se传感器具有良好的选择性、合理的耐用性和对0.25-400 ppm氧气的宽范围响应。此外，研究人员还制作了阵列式2D Bi2O2Se传感器，并将其集成到并行连接形式中，表现出增强的信噪比，以实现低于0.25 ppm的最小检测。
Shipu Xu, et al, Exploiting Two-Dimensional Bi2O2Se for Trace Oxygen Detection, Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI：10.1002/anie.202006745https://doi.org/10.1002/anie.202006745
7. Angew：三角空心多酸框架内的超稳定{Ag7}5+纳米团簇
小型Agn纳米团簇（n <10）由于其独特的电子态和光学特性，有望应用于传感，生物标记和催化等诸多领域。然而，由于小型Ag纳米团簇的稳定性低，因此其合成，结构确定和性质的探索仍然是主要挑战。近日，东京大学Kosuke Suzuki，Kazuya Yamaguchi等报道合成了一个由新颖的三角形中空多金属氧酸盐（POM）框架[Si3W27O96]18−支撑的原子精确的面心立方型小型纳米团簇Ag7。1）三腔隙前驱体[SiW9O34]10-可以用来生成新型的三角形空心POM框架。2）高分辨率电喷雾电离（ESI）质谱和密度泛函理论（DFT）计算表明，Ag7团簇的两个价电子在纳米簇上离域，形成{Ag7}5+纳米团簇在可见光和紫外光区域均显示出独特的{Ag7}5+-POM电荷转移带。3）此外，该小的{Ag7}5+纳米团簇在溶液中表现出前所未有的超稳定性，尽管具有暴露的Ag位点，且这些位点可以被小分子（例如O2，水和溶剂）接触。
Kentaro Yonesato, et al. An Ultrastable, Small {Ag7}5+ Nanocluster within a Triangular Hollow Polyoxometalate Framework. Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202008402https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008402
8. Nano Letters：一种简便、快速、高产率地合成银纳米线的方法
银纳米线（AgNWs）结合了高导电性和可见光的弱消光，被广泛应用于从透明电极到温度和压力传感器。目前，合成AgNWs最常用的策略是多元醇合成，而这往往会形成银纳米颗粒副产物。这些纳米颗粒会降低基于AgNWs的器件的性能，必须通过几个纯化步骤将其去除。近日，荷兰基础能源研究所Andrea Baldi报道了一种简单的高通量合成银纳米线的方法，副产物最少，反应时间和操作温度之间存在直接的关系。1）通过对样品的光学消光光谱和电子显微镜图像的时间分辨分析，研究人员阐明了AgNWs的形状演化过程。特别地，一旦形成了球形的银种子颗粒，银纳米线的生长速度就非常快，在160 °C的温度下，反应在24 min内就完成了。而在形成AgNWs后，它们可以降解回颗粒，表现为其光学消光峰半高宽的增加和λ>500 nm时背景消光的增加。2）当反应在敞开的容器中进行时，研究发现纳米线降解更快，因此可以通过密封容器以抑制气泡形成而使纳米线降解最少。3）在AgNWs合成过程中，研究人员发现仅需改变溶液温度即可控制反应动力学，而不会显著改变反应机理。这种简化的合成方法避免了使用注射泵，大大减少了AgNWs的生产时间和成本，并使其更容易扩展到工业应用中。
Matteo Parente, et al, Simple and fast high-yield synthesis of silver nanowires, Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01565https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01565
9. AM：用于锂硫电池液-固氧化还原转化的双向催化剂
催化加速转化是抑制锂硫（Li-S）电池中可溶性多硫化物穿梭的一种很有前途的方法，但已报道的催化剂大多只作用于单向的硫反应（还原或氧化），无法实现硫物种的快速循环利用。因此，催化加速转化是抑制锂硫(Li-S)电池中可溶性多硫化物穿梭的一种很有前途的方法。近日，清华大学深圳国际研究生院吕伟副研究员，北京航空航天大学张千帆副教授，天津大学杨全红教授报道了一种氧化物-硫化物异质结构的双向催化剂设计，既加速了可溶性多硫化物的还原，又加速了不溶性放电产物（如Li2S）的氧化，为提高循环稳定性和硫利用率指出了一条根本途径。1）通过在Ni3S2表面原位生长TiO2纳米颗粒来制备TiO2-Ni3S2异质结构，而紧密结合的界面是实现双向催化的关键。2）对于还原反应，TiO2捕获电子，而Ni3S2催化转化多硫化物。对于氧化反应，TiO2和Ni3S2均表现出溶解Li2S的催化活性，使催化剂表面焕然一新。3）用TiO2-Ni3S2制备的硫正极在0.5 C下，循环900 h后的容量衰减率为0.038%，特别是硫负载量为3.9 mg cm-2时，在0.3 C下，循环500 h容量保持率高达65%。这项工作揭示了双向催化剂的作用机理，以推动锂硫电池的实用化。
Ruochen Wang, et al, Bidirectional Catalysts for Liquid–Solid Redox Conversion in Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202000315https://doi.org/10.1002/adma.202000315
10. AM：钠离子电池的高效正极钠补偿
由于地球上钠来源丰富、成本低廉，钠离子电池在大规模固定储能方面的潜在应用引起了人们的极大关注。然而，在硬碳负极的固体电解质界面（SEI）形成过程中，正极钠离子的不可逆消耗严重影响了钠离子全电池（SIFCs）的电化学性能。近日，中科院化学研究所郭玉国研究员报道了一种高效正极钠盐补偿剂-草酸钠（Na2C2O4），其理论容量高达400 mA h-1，容量利用率高达99%。1）通过调节不同物理化学特性的导电添加剂，研究人员将Na2C2O4氧化电位从4.41降至3.97 µV，成功实现了Na2C2O4作为牺牲钠物种，并分析了相应的氧化电位调控机理。2）电化学分析结果表明，在以硬碳为负极，P2-Na2/3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2为正极，以Na2C2O4为钠源的全电池中，200次循环后容量保持率从63%提高到85%，能量密度从129.2 W h kg-1提高到172.6 W h kg-1。
Yu-Bin Niu, et al, High-Efficiency Cathode Sodium Compensation for Sodium-Ion Batteries, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202001419https://doi.org/10.1002/adma.202001419
11. AM：具有埃级通道石墨烯膜的选择性渗透水用于浓缩生物乙醇
从理论上讲，基于石墨烯的层压膜可以选择性地从乙醇-水溶液中转移乙醇，同时阻止水进入。近日，澳大利亚莫纳什大学王焕廷教授报道了将壳聚糖衍生的碳片插入热还原氧化石墨烯(GO)片中，从而制备出具有坚固埃级通道的石墨烯膜(ACGMs)。1）研究人员研究了具有坚固和连续的狭窄孔（平均孔径为3.9Å）的ACGMs对乙醇的脱水作用。令人惊讶的是，在乙醇-水溶液的存在下，只有水可以渗透ACGMs。2）对于含90wt％乙醇的水-乙醇混合溶液，水可以选择性地渗透ACGMs，在20 °C下的水通量为63.8±3.2 kg m-2 h-1，在60 °C下的水通量为389.1±19.4 kg m-2 h-1 °C，比传统的渗透膜高两个数量级。这意味着ACGMs可以在室温下有效地工作。此外，乙醇可以快速浓缩到高纯度（99.9wt%）。3）ACGMs有望以高效率生产生物乙醇，从而提高其工艺的可持续性。
Xiaofang Chen, et al, Selective Permeation of Water through Angstrom-Channel Graphene Membranes for Bioethanol Concentration, Adv. Mater. 2020DOI: 10.1002/adma.202002320https://doi.org/10.1002/adma.202002320.
12. ACS Cent. Sci.: 新兴的多功能单原子催化剂/纳米酶
单原子催化剂（SAC）代表金属原子的最大利用效率，其中金属活性位点在载体上被隔离，并被诸如氧，氮，硫等的配位原子稳定。得益于近年来在合成策略，表征方法和计算模型的最新进展，已开发出许多SAC，它们可在各种反应表现出优异的催化性能。催化选择性和活性是纳米技术和生物医学领域需要优化和增强的关键问题。有鉴于此，新加坡南洋理工大学楼雄文教授等人，综述了近年来在阐明SAC结构及其对催化性能的影响方面的一些实验和理论进展。详细介绍了SAC的用途，并强调了这些催化剂在生物医学，环境保护和能量转换应用中的优势。最后，还讨论了SAC当前面临的挑战和未来前景。1）得益于孤立活性位点的独特结构和电子特性，SAC为各种各样的催化反应提供了广阔的机会。凭借不饱和配位环境和反应中心均质性的优势，SACs可视为均相催化剂、多相催化剂和酶之间的概念桥梁。总的来说，尽管取得了巨大的成功，但在SACs的研究和实际应用中仍然存在许多挑战。2）(1)金属原子的负载量一般在5% wt %以下，这极大地限制了SACs的性能满足实际工业应用的要求。金属与载体之间的强相互作用是构建高负载量催化剂的前提。因此，通过增加载体上的锚位点或锚定能力，在孤立的金属原子与支架之间构建强配位环境是迫切需要的。（2）调节SACs电子结构的研究仍处于早期阶段。许多催化过程是复杂的多步反应，这意味着单个位点可能无法活化所有中间体。应强调孤立原子与配位原子之间的电子耦合，以及相关的非金属原子的催化活化作用。（3）阐明特定反应中的实际活性位点对于深入了解结构与活性之间的关系至关重要，这有助于合理设计高效催化剂。3）（4）必须解决稳定性问题才能使SAC得到广泛应用。由于其固有的活性优势，SACs在实际应用中极具吸引力。然而，由于催化过程中，特别是在金属负载量较高的情况下，可能会发生团聚和浸出，使得催化剂的稳定性仍然是一个大问题。选择合适的金属和合适的载体并改善它们之间的相互作用是最有效的策略。此外，通过减少催化过程中孤立反应中心的聚集，加强金属与载体的相互作用也可以确保稳定性。此外，形成双原子活性位点是增强稳定性的另一种有效策略。（5）催化选择性是一个重要的工业参数。与一些颗粒/团簇催化剂相比，SACs的催化选择性有了很大提高，但在提高催化选择性方面仍有很大的空间。（6）在生物医学应用中， SAzymes的长期生物安全性是至关重要的问题之一，但尚未得到充分研究。与小的生物分子相比，SAzymes往往具有相对较大的尺寸和较高的稳定性，从而导致更长的血液循环时间和一些不良反应，从而阻碍了其潜在的生物医学应用。因此，精确设计生物相容性SAzymes并为将来的临床应用进行SAzymes生物安全性的全面评估非常重要。例如，利用丰富的官能团进行表面修饰，可以进一步提高SACs的生物相容性，同时使其功能多样化，适用于不同的生物医学用途。总之，该工作为SAC的工程设计和理解提供了一些新的观点，并有望进一步推动这一新兴领域的发展。
Huabin Zhang et al. Emerging Multifunctional Single-Atom Catalysts/Nanozymes. ACS Cent. Sci., 2020.DOI: 10.1021/acscentsci.0c00512https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c00512
