1. Chem. Rev.: 下一代用于电动汽车和电网脱碳的“超越锂离子”电池
锂离子电池（LIB）在性能和成本上的巨大进步使其成为电能存储技术的首选。尽管锂离子电池的既定电池化学性质和电池体系结构可实现良好的功率和能量密度，但LIB不太可能满足储能所需的所有性能，成本和规模目标，特别是在电气化运输和电网等大规模应用中。进一步降低成本和/或增加能量密度的需求，以及对锂离子自然资源需求的日益关注，加速了对所谓“超越锂离子”技术的研究。有鉴于此，加利福尼亚大学伯克利分校Gerbrand Ceder和Kristin Persson等人，讨论了四种重要的“超越锂离子”技术的最新成就，挑战和机遇：钠离子电池，钾离子电池，全固态电池和多价电池。1）针对每种技术详细讨论了挑战背后的基础科学，以及实现低成本和/或高能量密度未来目标的潜在解决方案。虽然在不久的将来，任何特定的新技术都不太可能完全取代锂离子电池，但“超越锂离子”技术应被视为储能设备发展为中大型应用的机会。2）自1970年代初发明LIBs并于1992年由索尼公司商业化以来，LIBs在能量密度、循环寿命、功率、成本和安全性方面都得到了极大的改善，这使得LIBs在包括个人电子产品和电动汽车(EVs)在内的各种应用中取得了巨大的成功。但是，当前的商用LIB不可能满足储能所需的所有性能，成本和能量存储所需的扩展目标。为了使电动汽车达到500 km以上的行驶距离，在电池模块级别需要500 Wh L-1的能量密度（在电池级别需要750 Wh L-1的能量密度）。此外，目前商用LIB的价格比固定式应用的目标成本高5-10倍。3）固定电池的要求与电动汽车中使用的动力电池完全不同。长循环寿命（大于8000个完整循环周期），低成本和高能效（在系统级别上大于90％）是要考虑的最重要参数。依靠自然丰富的钠和钾资源的NIB和KIB可能在固定应用（例如电网）的成本方面提供显着的优势。例如，许多含钒的聚阴离子阴极（例如，NVPF和KVPF）提供可接受的能量密度以及良好的循环稳定性和速率性能。
电池学术QQ群：924176072Yaosen Tian et al. Promises and Challenges of Next-Generation “Beyond Li-ion” Batteries for Electric Vehicles and Grid Decarbonization. Chem. Rev., 2020.DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00767https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00767
2. Chem. Rev.: 电化学氧化诱导的选择性C–C键断裂
温和条件下C-C键的选择性裂解是有机合成和大分子降解的重要手段。然而，传统的化学方法在很大程度上涉及到贵金属过渡金属催化剂的使用，以及化学计量和可能对环境不友好的氧化剂，这损害了碳碳转化化学的整体可持续性。在这方面，电化学C-C键断裂已被确定为一种可持续的、可扩展的策略，利用电力取代产生副产物的化学试剂。迄今为止，该领域的进展主要依靠Kolbe电解和相关工艺。令人鼓舞的是，最近已经开发了越来越多的通过其他方法裂解C-C键的技术。有鉴于此，北京大学的焦宁教授等人，综述了电化学氧化选择性C-C键裂解的最新研究进展，重点介绍了电化学氧化选择性C-C键裂解的合成结果和反应机理，并展示了电化学合成的固有优势和令人兴奋的潜力。1）通过电化学实现的选择性C–C键功能化已成为有机合成中一种有前途且功能强大的方案。尽管在过去的几十年中已经取得了令人瞩目的进展，但该领域的发展仍处于起步阶段。2）与C–C单键的Kolbe型裂解相反，通过电化学方法裂解C═C，芳烃的共轭C═C以及非应变环的C–C键的研究进展仍然缓慢。机理研究表明，电化学氧化C–C键断裂仍然需要从物理化学原理进行更深入的研究，以为开发新反应提供进一步指导。此外，仍然非常需要非对称电化学催化的C–C键功能化。电化学与其他化学策略（例如有机催化，流动化学，生物化学和光化学）的结合在电化学选择性C–C键裂解中引起了越来越多的关注，这为克服一种方法的固有缺陷提供了新的机遇。
电催化学术QQ群：740997841Shi-Hui Shi et al. Electrochemical Oxidation Induced Selective C–C Bond Cleavage. Chem. Rev., 2020.DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00335https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00335
3. Matter：单体的不对称交换用于构建中空纳米颗粒和抗脆性整体结构
通过一种可扩展而又简单的方式构建具有复杂成分和结构精准的纳米颗粒（NPs）对于推动许多应用具有重要意义。近日，浙江大学刘平伟研究员，王文俊教授报道了一种通过不对称单体交换（AME）实现共价有机骨架（COF）的纳米级Kirkendall式转化，用于大规模精确合成结晶度高、组成复杂、中空结构清晰的多孔有机纳米颗粒（NPs）。1）研究人员通过在高度可逆的反应体系中将非晶态COF纳米球（AmoNS）用新单体进行单取代、共取代和顺序取代来实现AME。AME继续进行两个连续的步骤，即AmoNS的分解和较慢的新COF的形成。进而实现了方便和可扩展构建中空NPs，其具有优异的性质，例如最高的BET表面积和特定的功能，如酶功能。2）研究人员将中空NPs作为“细胞”，通过冷模压成型，成功制备出杨氏模量为263 MPa、抗压强度为45 MPa、弹性变形量大于20%的厘米级整料。其具有抗脆性，粉碎研磨5次后即可重塑，模数变化不大。总体而言，通过AME定制多孔有机纳米材料具有巨大的应用潜力，为构建有机纳米结构和宏观材料提供了精确而方便的途径。
纳米合成学术QQ群：1050846953SongWang, et al., Asymmetrical Exchange of Monomers for Constructing Hollow Nanoparticles and Antifragile Monoliths, Matter (2020)DOI：10.1016/j.matt.2020.12.001https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.12.001
4. EES：凝胶电解质中Li2S的稳定氧化还原化学助力具有高能量和高安全性的准固态可充电电池
安全隐患仍然是目前广泛研究的碱金属充电电池(如Li/Na/Ka离子电池、Li/Na-S电池、锂空气电池)实用化的根本障碍。近日，北京化工大学邱介山教授，大连理工大学王治宇教授报道了基于Li2S正极和硅负极在强凝胶聚合物电解质（GPE）中的多电子参与且稳定的化学反应，设计了一种高能、安全的准固态电池。1）这种无锂金属和氧化物的设计不存在泄漏风险，避免了在过度使用条件下不受控制的放热连锁反应，从本质上确保了电池的高度安全性。在此基础上，通过最小化LiPS吸附之间的扩散能垒和Li2S正极上纳米限域双功能电催化吸附器的氧化还原转化以提高电池的氧化还原活性。与已报道的硫或Li2S正极不同，要实现LIPS的转化，必须涉及一个额外的步骤，即从非导电吸收体（如金属氧化物/硫化物）扩散到带电的催化表面。2）通过在多级中空结构中设计具有内置体积调节特性的硅负极来缓冲完全锂化的Li2S，电池稳定性得以优化。同时，在运行的电池中原位生成紧密而灵活的GPE电极界面，以确保良好的界面相容性和离子导电性，同时阻断LiPS并降低热失控。3）实验结果显示，所开发的准固态可充电Li2S‖硅全电池可提供高达802 Wh kg-1 Li2S+Si的高比能量，高耐久性、低自放电以及良好的-20至60 ℃温度适应性。同时，电池在空气或水中表现出优异的抗机械损伤、过热和短路的安全性，为实际应用提供了高可靠性。
电池学术QQ群：924176072Xiangyu Meng, et al, A quasi-solid-state rechargeable cell with high energy and superior safety enabled by stable redox chemistry of Li2S in gel electrolyte, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D0EE03037F
5. EES：揭示kesterite基高效器件中的界面和体缺陷
尽管CdTe和Cu(In，Ga)Se2（CIGS）基薄膜光伏（PV）技术已经高度成熟，实验室规模的效率超过22%。然而，这些技术对稀有元素如Te, In 和 Ga的依赖不可避免地限制了其未来产量，进而阻碍了其大规模应用。在这种背景下，Cu2ZnSn(SxSe1-x)4（CZTSSe）和相关化合物（kesterites）成为一种有效的薄膜PV替代品，具有更高的应用潜力，可用于未来低成本的PV器件的大规模生产。近日，西班牙加泰罗尼亚能源研究所Víctor Izquierdo-Roca，Maxim Guc报道了结合先进的电子显微镜和光谱技术，对高效率Cu2ZnSnSe4基器件进行了详细的分析。特别是，通过将高分辨率电子显微镜技术与宏观、微观和纳米尺度的拉曼、X射线荧光和俄歇光谱测量相结合，实现了存在于器件界面和吸收体中的不同缺陷的形貌的完整表征。通过同时对整体和界面进行研究，可以评估器件各部分存在的缺陷对其性能的影响。1）研究发现，具有良好结晶质量和成分均匀的块体中存在孪晶缺陷，后界面存在微米和纳米空隙，而前界面存在晶粒间的不均匀和位错缺陷。这些问题，结合其他观察到的问题，如强烈的吸收体厚度变化和底部有小颗粒的双层结构，是限制CZTSe器件性能的主要因素。研究工作为寻找新的解决方案，进一步发展kesterite技术，推动其向更高性能发展开辟了道路。
光电器件学术QQ群：474948391R. Fonoll-Rubio, J. Andrade-Arvizu, J. Blanco Portals, I. Becerril, M. Guc, E. Saucedo, F. Peiro, L. Calvo-Barrio, M. Ritzer, C.S. Schnohr, M. Placidi, S. Estrade, V. Izquierdo-Roca and A. Perez-Rodriguez, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/ 10.1039/D0EE02004D
6. Angew：尿素的电氧化：N‐N键的分子内偶联
氮是每种生物的必需物质，氮循环对人类社会具有重要意义。含氮亲核试剂电氧化反应（NOR）在可用氮的降解和转化中起着至关重要的作用。近日，湖南大学王双印，Yuqin Zou，Chen Chen等研究了基于β-Ni(OH)2电极的NOR，并揭示了含氮亲核试剂的转化机理。1）对于两步NOR，质子耦合电子转移（PCET）是电生成电催化剂从β-Ni(OH)2脱氢为β-Ni(OH)O与自发的亲核试剂脱氢氧化反应之间的桥梁。该理论可以很好地解释肼和伯胺的氧化反应，但不足以解释尿素氧化反应（UOR）。2）通过原位跟踪键断裂和形成过程以及理论计算，作者提出了可能的UOR机制，即N‐N键的分子内偶联，并伴随着PCET，水合作用和重排过程，这导致了高的性能和〜100％的N2选择性。3）在理论计算和机理分析的基础上，作者提出了一种高效电催化剂设计策略，即通过用Co杂原子调节β-Ni(OH)2的晶格氧配体环境，降低β-Ni(OH)O形成的能垒，从而导致出色的UOR活性。该工作不仅阐明了β-Ni(OH)2电极上含氮亲核体的电氧化机理，特别是对于尿素，还为氮循环电催化奠定了基础。
电催化学术QQ群：740997841Wei Chen, et al. Unveiling the electrooxidation of urea: the intramolecular coupling of N‐N bond. Angew. Chem. Int. Ed., 2020DOI: 10.1002/anie.202015773https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202015773
7. Nano Lett.：拓扑绝缘子/磁性绝缘子异质结构中的拓扑霍尔效应
与磁性绝缘体（MI）界面连接的拓扑绝缘体（TI）具有异常霍尔效应（AHE），量子AHE和拓扑霍尔效应（THE）。然而，最近的研究表明，TI / MI异质结构中共存的磁相可能导致与THE相似的AHE相关反应，但实际上并非如此。近日，科罗拉多州立大学Mingzhong Wu等研究发现TI / MI结构中的真实THE只有一个磁相。1）作者构建了TI Bi2Se3薄膜生长在MI BaFe12O19薄膜上的双层TI / MI异质结构。研究表明，该结构在T = 2–3 K的温度范围内显示THE，而在T = 80–300 K时显示AHE。在T = 3–80 K，这两种效应共存，但显示出相反的温度依赖性。2）对照测量，计算和模拟研究均表明，观察到的THE来自斯格明子，而不是两个AHE响应的共存。3）斯格明子的形成由于在界面处发生了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）；DMI强度的估计值大大高于基于重金属的系统。
光电器件学术QQ群：474948391Peng Li, et al. Topological Hall Effect in a Topological Insulator Interfaced with a Magnetic Insulator. Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03195https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03195
8. Nano Letters：一种层次化阳极氧化铝模板
阳极氧化铝（AAO）模板因其高度有序和可调的多孔结构而被广泛用于开发各种功能纳米材料。近日，上海科技大学陈刚研究员报道了通过结合AAO模板和胶体模板的优点，形成了一种具有六方有序晶胞和径向分布的纳米通道的新型层次化AAO（hAAO）模板。1）研究人员通过将自组装聚苯乙烯微球模板集成到AAO制备过程中形成hAAO，并从机械应力和电场诱导的氧化物溶解两个方面对hAAO进行了合理处理。hAAO模板的背面类似于蛾眼阵列，并表现出良好的疏水性。2）研究人员以hAAO为模板，采用一系列材料和合成技术制备了制备了TiO2、SiO2和PMMA纳米有序阵列。通过去除氧化铝纳米通道从hAAO模板获得D-hAAO模板。然后利用D-hAAO模板制备的TiO2和Ag纳米阵列上覆盖氧化铝薄膜，形成径向TiO2纳米柱阵列和蛾眼状Ag纳米阵列。3）所制备的径向TiO2纳米柱阵列构成了具有清晰光子带隙的高质量光子晶体。蛾眼状Ag纳米阵列可以作为稳定的SERS衬底，因为其独特的纳米结构可以增强局部电场，而氧化铝覆盖层则可以保护Ag免受氧化。
纳米合成学术QQ群：1050846953Youdi Hu, et al, A Hierarchical Anodic Aluminum Oxide Template, Nano Lett., 2020DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03585https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03585
9. Nano Energy: 大规模生产单原子金属氮催化剂的通用多米诺反应策略
开发用于将CO2转化为高附加值化学品的高效电催化剂是非常需要的，但要实现这些催化剂的规模化生产，同时在低过电位下显示高产物选择性和大电流密度，仍然是一个巨大的挑战。有鉴于此，北京航空航天大学朱英教授、澳大利亚新南威尔士大学戴黎明教授等人，开发了一种用于大量生产高效M-SA/NC催化剂的多米诺反应策略，其中Ni-SA/NC对CO2转化为CO表现出优异的电催化活性。1）开发了一种通用的多米诺反应策略，用于批量生产锚固在N掺杂碳纳米片（M-SA/NC）上的金属单原子，包括Fe，Co，Ni，Mn，Mo，Pd及其组合SA/NC。在热解过程中，NaNO3原位分解，释放出能够吹送PANI的气体，然后用氧气将碳化PANI中的碳片蚀刻，形成微孔，并用CO蚀刻聚集的金属颗粒。2）制备的Ni-SA/NC表现出CO2还原为CO的非凡催化活性，在流通池中以0.55 V的低过电势产生的电流密度高达213.2 mA cm-2，CO法拉第效率高达96.9％。3）DFT计算表明，NiN4物种中的N原子充当了CO2RR的活性位点，而不是常规的Ni原子，因为相邻的吡咯N诱导Ni 4s轨道的电子转移到NiN4中相邻的N 2s轨道，从而导致高N 2s电子密度，以促进COOH*的形成。总之，该工作不仅为大规模制备M-SA/NC多相电催化剂以高效CO2还原提供了合理的设计概念，而且为CO2RR的电子转移机理提供了深刻的见识。
纳米催化学术QQ群：256363607Xingpu Wang et al. Universal domino reaction strategy for mass production of single-atom metal-nitrogen catalysts for boosting CO2 electroreduction. Nano Energy, 2021.DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105689https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105689
10. Small Science: 具有原位形成硫空位的ReS2纳米片用于高效和高选择性的光催化二氧化碳还原
人造光合作用可以通过使用半导体光催化剂将二氧化碳（CO2）和水（H2O）转化为碳氢化合物，从而提供有价值的燃料并对温室效应产生积极影响。然而，低效率的载流子解离和运输以及缺乏表面活性位点是提高其活性和光催化还原二氧化碳选择性的两个主要缺点。近年来，ReS2以其独特的理化性质而在光催化领域引起了极大的关注。然而，ReS2在光催化还原二氧化碳方面的应用却鲜有报道。有鉴于此，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授和冉景润等人，报道了在ReS2纳米片和CdS纳米粒子之间形成的异质结，使得CO的产量显著提高，达到7.1μmol g-1，选择性达到93.4%。1）通过超声剥离的方法制备了超薄的ReS2纳米片并与硫化镉纳米颗粒复合得到了I型异质结，ReS2纳米片厚度约6.5 nm。这种超薄的结构有利于其表面暴露更多的活性位点。2）所制备的ReS2/CdS异质结显示出增强的可见光吸收，高效的电子-空穴对分离/转移以及在原位产生的ReS2硫空位上增加的CO2吸附/活化/还原，这些都有利于CO2的光还原。3）在光催化性能试验中发现，最优ReS2/CdS异质结的一氧化碳产量约为7.1 μmol g-1，相比CdS纳米颗粒的性能提高了大约3倍，而且在循环测试中该异质结结构表现出很好的循环稳定性。总之，该工作对催化、电子学和光电子学中表面活性位点和半导体异质结的实际设计和制造具有重要的指导作用。
光催化学术QQ群：927909706Yanzhao Zhang et al. ReS2 Nanosheets with in situ Formed Sulphur Vacancies for Efficient and Highly‐Selective Photocatalytic CO2 Reduction. Small Science, 2020.DOI: 10.1002/smsc.202000052https://doi.org/10.1002/smsc.202000052
11. ACS Nano：MOF衍生的CoF2的纳米限域和混合导线助力高性能金属氟化物-锂电池
金属氟化物（MF）转换型正极在理论上比镍基或钴基插层氧化物正极具有更高的重量和体积容量，这使得金属氟化物−锂电池有望成为下一代高能量密度电池的候选材料。然而，过渡MF正极的低容量利用率、大电压滞后以及较差的循环稳定性等缺点，给其高能特性蒙上了一层阴影。造成这一现象的原因主要是因为其反应动力学差、电导率低、MF/电解质界面的以及循环过程中活性物质的溶解等。有鉴于此，中科大余彦教授，上海大学陈双强教授，中南大学吴飞翔教授报道了通过对含Co的金属有机骨架（MOF）进行高温碳化并通过NF3气体进行有效的低温氟化，成功地合成了具有MOF形状的CoF2@C复合材料。这种复合设计实现了纳米CoF2纳米颗粒（5∼20 nm）的纳米限域，并在结构中形成了有效的混合导线。1）三维骨架中超细的颗粒尺寸、交联的碳网络和相互连接的纳米孔提供了有效的Li+/e−传输通道，缩短了扩散路径，有利于转化反应的动力学。此外，石墨碳壁作为CoF2的保护层可以抑制活性物种的溶解，骨架内CoF2纳米颗粒周围的空隙可以缓解体积变化的不利影响。2）实验结果显示，所制备的CoF2@C复合正极具有较高的容量利用率（0.1 C时为554 mAh g-1，0.2 C时为472 mAh g-1）、良好的倍率性能（高达2 C），以及在1.5 mg cm-2的有效质量载荷下，具有长期循环稳定性（400次循环中的平均容量保持率为95%），优于以往的文献报道数据。总而言之，该研究不仅报道了一种简单的复合设计策略来实现具有高性能的CoF2−Li电池，而且有望为许多其他金属氟化物−锂电池提供通用的解决方案。
多孔材料学术QQ群：813094255Feixiang Wu, et al, Metal−Organic Framework-Derived Nanoconfinements of CoF2 and Mixed-Conducting Wiring for High-Performance Metal Fluoride-Lithium Battery, ACS Nano, 2020DOI: 10.1021/acsnano.0c08918https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c08918
12. Small: 可充电镁电池电极材料优化的最新进展与挑战
可充电镁电池（RMB）由于其低成本和高安全性特性，已被认为是可补充锂离子电池的有极具发展前景的电化学储能系统之一。然而，高极化态的Mg2+离子在基体中缓慢的固态扩散以及在Mg金属表面形成阻塞层等诸多挑战严重阻碍了高性能RMBs的发展。为了在实际应用中解决这些问题，在过去的几十年里，人们提出了屏蔽二价Mg2+电荷、扩展基体材料层数、优化电极-电解质界面等修饰阴极和阳极的创新策略来推动该技术的发展。有鉴于此，武汉理工大学麦立强教授、安琴友副研究员等人，综述了可充电镁电池电极材料优化的最新研究进展。1）由于镁金属的高安全性，低成本和高自然丰度，RMBs是一种很有前途的候选者。介绍了文献中提出的七种优化策略，包括阴极和阳极的改性。通常，掺杂离子，纳米结构的构建和复合材料的制造通常是提高RMBs电化学性能的有效改性方法。改变晶体形态和电荷屏蔽的方法在V-、Ti-和Mn-基阴极中被广泛采用，在其他材料体系中鲜有报道。虽然对有机分子预插层进行了大量的实验和计算研究，但具体有机材料的选择和相应的主体结构仍然充满挑战。2）新开发的电极-电解质界面优化修饰策略可以实现简单Mg盐电解质中Mg阳极的镀/剥离，但在Mg表面构建理想的保护层相当困难。由于独特的阴极、阳极和电解质之间的复杂相互作用和不兼容性，选择一个适当的策略来提高RMBs的整体性能是具有挑战性的。另一方面，将这些策略中的两三个结合起来是另一个有希望的方向。多种策略在氧化物(V2O5、MnO2)、硫化物(TiS2、CuS)中的应用已被证明是一种有效的方法，在提高有机材料、聚阴离子、普鲁士蓝类似物等储存Mg性能方面仍需进一步努力。未来的重点应放在开发镁金属阳极的创新方法。此外，高能量密度镁硫电池由于具有高容量和可接受的工作电压，是一个很有前途的方向。此外，非腐蚀性新型电解质的研究也至关重要。要实现高能RMBs。
电池学术QQ群：924176072Cunyuan Pei et al. Recent Progress and Challenges in the Optimization of Electrode Materials for Rechargeable Magnesium Batteries. Small, 2020.DOI: 10.1002/smll.202004108https://doi.org/10.1002/smll.202004108
