1. Science: 银纳米粒子提高Shewanella微生物燃料电池的电荷提取效率
微生物燃料电池（MFC）可以直接将储存在有机物质中的化学能转化为电能，在发电和废水处理方面具有重要意义。然而，目前Shewanella MFC获得的电流密度和功率密度对于实际应用来说往往过低，这在很大程度上是由于缓慢的跨膜和细胞外电子转移过程导致的。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的黄昱教授和段镶锋教授等人，提出了一种由还原氧化石墨烯-银纳米颗粒(rGO/Ag)支架构建Shewanella MFC中的跨膜和细胞外电子转移过程的策略。
本文要点：
1）报告了一种合理的策略，通过引入跨膜和外膜银纳米粒子来显着提高Shewanella MFC 的电荷提取效率。研究发现，相比于rGO或碳纤维，rGO/Ag电极上形成了由密集堆积的棒状细菌组成的致密生物膜，说明Ag的存在有利于更密集的生物膜形成。
2）由此产生的 Shewanella-silver MFC 可提供3.85±0.05 mA/cm2的最大电流密度、高达0.66±0.03 mW/cm2的最大功率密度和8.6×105/s的周转频率（TOF），这些都远高于迄今为止报告的最好的 MFC。
3）研究发现，一些Ag纳米粒子穿过内外膜之间的整个周质空间并突破外膜，表明跨膜和外膜Ag纳米粒子可能充当金属捷径，绕过由氧化还原中心介导的缓慢电子转移过程，与外部电极直接接触以更有效地提取电荷。
BOCHENG CAO et al. Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells. Science, 2021.
DOI: 10.1126/science.abf3427
http://doi.org/10.1126/science.abf3427
2. Nature Nanotechnol.: 通过单原子合金Pb1Cu将CO2 转化为纯甲酸
利用可再生电力，将二氧化碳排放转化为燃料和化学品，为实现碳中和能源循环提供了一条有效的途径。随着对Cu催化剂认识和合成的不断深入，电化学CO2还原(CO2RR)技术得到了巨大的进展，用于生产碳氢化合物和含氧化合物；然而，作为主要催化剂的铜通常对特定产物表现出有限的选择性和活性，导致生产效率低，反应后需要大量纯化。
有鉴于此，中国科学技术大学曾杰教授、电子科技大学夏川教授、中国科学院大连化学物理研究所肖建平研究员等人，提出了一种单原子铅合金铜催化剂(Pb1Cu)，它可以完全(~96%法拉第效率)将CO2转化为甲酸盐，活性超过1 A cm-2。
本文要点：
1）设计制备了一种M1Cu（M = Pb, Bi, In）单原子合金改变Cu基催化剂CO2RR选择性并高效制甲酸。先分别合成含有Pb、Bi、In掺杂的Cu前驱体，然后在CO2RR条件下原位还原以单原子修饰的Cu催化剂。
2）Pb1Cu 电催化剂在调制的 Cu 位点而不是孤立的 Pb 上将 CO2 转化为甲酸盐。原位光谱证据和理论计算表明，Pb1Cu 催化剂的活化 Cu 位点调节 CO2RR 的第一个质子化步骤，并将 CO2RR 转向 HCOO* 路径而不是 COOH* 路径，从而阻碍了其他产品的可能性。
3）进一步展示了使用固体电解质反应器和 Pb1Cu 在 180 小时内以 100 mA cm–2 连续生产纯甲酸溶液。
Zheng, T., Liu, C., Guo, C. et al. Copper-catalysed exclusive CO2 to pure formic acid conversion via single-atom alloying. Nat. Nanotechnol. (2021).
DOI: 10.1038/s41565-021-00974-5
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00974-5
3. Nature Commun.：阴离子掺杂用于活化d0过渡金属硫属化合物的阴离子氧化还原
层状富锂过渡金属（TM）氧化物LixTMyO2（x>y）是一种极有前途的高容量正极材料，其通过阳离子和阴离子氧化还原过程进行电荷补偿。大量理论研究工作发现，碱性离子引入TM层会导致氧上的2p孤电子对。与基于阳离子氧化还原的传统正极材料相比，其电子态是一个电子储存库，可以潜在地参与阴离子氧化还原过程，并释放额外的容量。然而，在大多数富锂材料中，氧上空穴的形成会导致不稳定的电子组态。因此，电池材料中阴离子氧化还原的开发受到不可逆容量、动力学迟滞、大滞后和电压衰减等问题的严重阻碍。
近日，法兰西学院Jean-Marie Tarascon报道了成功合成一系列全富锂层状硫系化合物Li2TiS3-xSx，发现Se的部分取代使得Li2TiS3具有钟形电化学活性。
本文要点：
1）得到的Li2TiS2.4Se0.6可以提供高达260 mAh/g的重量容量，这与层状氧化物相比，并没有电压衰减和高极化损失等问题。XPS/HAXPES、EPR和NMR等表征技术结果表明，Li2TiS2.4Se0.6的容量来源于阴离子（S2−/Sn−；Se2−/Sen−，n<2）和阳离子氧化还原（ti< span="">3+/4+）氧化还原过程之间的复杂平衡。
2）研究人员提出了一种新的策略，通过改变电子带的能量和对称性来解锁富锂材料中的可逆阴离子氧化还原。这触发了电子TM态的动态参与，如果没有TM态，阴离子氧化还原就不可能发生。低温EPR/NMR测量则提供了实验证据，证明了内部配体通过温度驱动的电子局域化在这个高共价体系中转移金属电荷，这表明能带排列和定位是一个动态过程，不需要简单的氧化态描述和分配。
3）在性能方面，LTFS和Li2TiS3−xSex都显示出类似的可持续的比能量密度。因此，这种类型的硫化物为固态电化学家调节阳离子/阴离子带位置（和氧化还原电位）打开了大门，从而增加了富锂硫化物的电化学容量。
Leube, B.T., Robert, C., Foix, D. et al. Activation of anionic redox in d0 transition metal chalcogenides by anion doping. Nat Commun 12, 5485 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-25760-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25760-8
4. Nature Commun.: 基于多尺度模拟的负载亚纳米催化剂的实时动力学和结构
了解亚纳米催化剂的性能，以及催化剂处理和暴露在光谱探针分子中如何改变其结构，需要在工作条件下进行准确的结构测定。实验缺乏同步的时间和空间分辨率，可能会改变结构，类似的挑战阻碍了第一性原理计算回答这些问题。有鉴于此，美国特拉华大学的Dionisios G. Vlachos和荷兰埃因霍芬理工大学Emiel J. M. Hensen等人，引入了一个多尺度建模框架，以在实验相关的时间尺度上跟踪亚纳米团簇的演变。
本文要点：
1）使用多尺度动力学蒙特卡罗 (KMC) 模拟研究了实验相关条件下的结构演变。具体而言，研究了温度、CO 分压、金属负载和初始催化剂状态在实验相关时间尺度下对催化剂动力学的影响。选择在 CO 气氛中的 CeO2(111) 上的 Pd (n = 1-40) 作为案例研究，这是一种常用于汽车催化转化器的催化剂
2）CO 是多种化学中的反应物（产物），也是红外 (IR) 光谱学中最常见的探针分子。工作侧重于团簇的三维 (3D) 表示，而不是传统的 2D 投影。KMC模拟引擎采用了精确、高效和基于可转移机器学习(ML)的哈密顿函数(在DFT数据上训练)，以描述各种尺寸和位置的簇异构体的能量学和CO吸附。
3）研究表明，即使在室温下，烧结也在几秒钟内发生，并且主要是由自由能降低驱动的。它导致了动力学（远离平衡）冻结的准二维结构系综，这是一氧化碳化学吸附和红外实验所探测的。CO吸附使结构更平坦、更小。高温促使非常迅速的烧结向较大的，稳定/亚稳态的平衡结构发展，其中CO诱导二级结构的变化。
Wang, Y., Kalscheur, J., Su, YQ. et al. Real-time dynamics and structures of supported subnanometer catalysts via multiscale simulations. Nat Commun 12, 5430 (2021).
DOI: 10.1038/s41467-021-25752-8
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25752-8
5. PNAS: 锚定在NiFeOOH上的铱单原子催化剂增强水氧化活性的起源
由于缓慢的水氧化反应，电源合成可再生燃料和原料的效率，因此受到了限制。单原子催化剂(SACs)，具有可控的配位环境和极高的原子利用率，为高性能水氧化催化剂的设计开辟了新的思路。有鉴于此，美国SLAC国家加速器实验室的Michal Bajdich和斯坦福大学的崔屹等人，通过X射线吸收光谱测量、光谱计算和电化学活性的计算，证明了IrNiFe SACs的水氧化活性的来源是在原位条件下的NiFe氧化物中存在高度氧化的Ir单原子(Ir5.3+)。
本文要点：
1）开发了一种原位低温光化学还原法，用于将Ir单位点锚定在NiFe氧化物载体上，制备了具有良好水氧化性能的Ir0.1/Ni9Fe SAC催化剂。
2）通过将XAS分析与模拟光谱和OER活性计算相结合，明确地识别出Ir物种采用了氧化态大于+5的单原子构型。通过系统地提高氧化态和调节Ir活性位点的配位环境，可以获得最佳的水氧化催化剂。
3）催化剂Ir0.1/Ni9Fe SAC在10 mA cm-2下表现出183 mV的过电位，并在1 M KOH电解液中操作100小时后仍保持其优异的性能，优于已报道的催化剂和商业IrO2催化剂。
Zheng, X., Tang, J., Gallo, A. et al. Origin of enhanced water oxidation activity in an iridium single atom anchored on NiFe oxyhydroxide catalyst. PNAS, 2021.
DOI: 10.1073/pnas.2101817118
https://doi.org/10.1073/pnas.2101817118
6. Chem: 用于医疗保健的金属有机框架的单原子工程
单原子纳米催化剂/纳米酶(SACs/SAEs)以其最大的原子利用效率和明确的局域结构而成为研究的前沿。金属有机框架材料(MOFs)具有结构多样性和功能可调性，是构建SACs/SAEs的理想主体材料。此外，MOF前驱体在一定条件下的热解可以形成MOF衍生的SACs/SAEs。有鉴于此，南洋理工大学赵彦利教授等人，综述了用于医疗保健的金属有机框架基单原子纳米催化剂/纳米酶的研究进展。
本文要点：
1）首先介绍了纳米酶的分类和酶促机制、SACs/SAEs 的综合表征技术以及基于 MOF 的 SACs/SAEs 的各种合成方法。
2）然后，重点介绍了基于 MOF 的 SAC/SAE 在酶促保健领域的最新进展，即癌症治疗、生物传感、抗菌方法、活性氧自由基清除和环境保护。
3）最后，总结了从这些研究中获得的见解，并讨论了可能的设计原则和未来的挑战，以更深入地了解这一新兴领域，从而为跨越传统纳米酶进入下一代生物安全 SAC/SAE 新时代提供了巨大的机会。
Dongdong Wang et al. Single-atom engineering of metal-organic frameworks toward healthcare. Chem, 2021.
DOI: 10.1016/j.chempr.2021.08.020
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.08.020
7. EES: 镧系元素的电子扰动增强Pt-Ln合金的甲醇氧化反应活性
直接甲醇燃料电池在实际应用中仍然面临着高活性和高稳定性的挑战。贵金属Pt作为电催化剂虽然得到了广泛的应用，但其稳定性差、成本高等问题制约了其大规模应用。有鉴于此，南开大学杜亚平教授和香港理工大学黄勃龙教授等人，合成了一系列Pt-Ln/C (Ln = La, Ce, Pr, Nd)纳米合金催化剂，以提高Pt对甲醇氧化的电活性，抑制Pt的 CO 中毒效应。
本文要点：
1）通过将镧系元素与 Pt 合金化，合成了一系列 Pt-Ln/C（Pt5La/C、Pt5Ce/C、Pt5Pr/C 和 Pt5Nd/C）纳米合金催化剂，系统研究了镧系元素电子结构扰动对Pt甲醇氧化活性的影响。镧系元素的特殊电子结构显着增强了铂甲醇的氧化活性。
2）其中，镧系元素电子微扰与催化活性的关系遵循峰“火山”关系。DFT 计算揭示了不同 Pt5Ln 样品的不同电子结构，其中 Pt5Ce 中的最佳 d-f 耦合导致电活性和选择性的显着提高。这种电子结构也有效地抑制了 MOR 过程中的 CO 中毒效应。
3）Pt5Ce/C 表现出最佳性能，比活性最高，为32.74 mA cm-2Pt，是普通Pt/C (2.94 mA cm-2Pt)的11.1倍。
总之，该工作证明了镧系元素由于电子结构扰动而对 Pt 电活性的关键促进作用，这为设计高效的镧系合金催化剂提供了新思路。
Shuai Zhang et al. Lanthanide Electronic Perturbation in Pt-Ln (La, Ce, Pr and Nd) alloys for Enhanced Methanol Oxidation Reaction Activity. Energy Environ. Sci., 2021.
DOI: 10.1039/D1EE02433G
https://doi.org/10.1039/D1EE02433G
8. EES: 在环境条件下电催化NO3-合成氨，太阳能转化效率>11%
氨是一种用于制造肥料、药物、弹药和塑料的基本商品化学品，是一种很有前途的替代燃料来源和载体。目前，大多数氨是由Haber-Bosch 工艺生产的，然而该工艺的能耗占全球能源生产的 1-2% ，而且排放大量温室气体。使用硝酸盐太阳能驱动的氨电化学合成提供了一种利用废水生产可再生燃料的可持续途径。
有鉴于此，伊利诺伊大学的Meenesh R. Singh、劳伦斯伯克利国家实验室Joseph A. Gauthier以及陶氏化学公司的Aayush R. Singh等人, 设计制备了一种氧化物衍生的 Co 作为高效的 NiRR 催化剂，具有最高的比活性（~14.56 mA cm-2 at -0.8 V vs. RHE）和选择性。
本文要点：
1）催化剂筛选研究使用了Fe, Ni, Co, Cu和Zn，采用密度泛函理论(DFT)结合计算氢电极(CHE)测定了中间吸附能。研究发现Co和Ni最有可能是活性的，出现在非常接近NiRR火山图的峰值。
2）氧化物衍生的Co是一种高效的NiRR催化剂，拥有最高的活性（-0.8 V （vs RHE）时为14.56 mA cm-2）和选择性。氧化物衍生的 Co 在 -0.8 V （vs. RHE）下显示出 92.37 ± 6.7% 的最大法拉第效率和 565.26 mA cm-2 的氨电流密度。
3）将这种催化剂集成到光伏电解槽中，利用太阳能电池为电解供电，氨的 STF 效率达到了前所未有的 11%，比最先进的系统高出一个数量级。
Nishithan C. Kani et al. Solar-driven electrochemical synthesis of ammonia using nitrate with 11% solar-to-fuel efficiency at ambient conditions. Energy Environ. Sci., 2021.
DOI: 10.1039/D1EE01879E
https://doi.org/10.1039/D1EE01879E
9. AM: 设计超分子水凝胶，以轻松控制细胞封装和行为
细胞外基质 (ECM) 通过小分子和大聚合物分子的分层组装形成瞬态的水凝胶状纤维网络，为细胞提供机械支持和生化线索。因此，通过各种分子的非共价组装形成的合成纤维超分子网络是作为天然 ECM 合成模拟物的潜在候选材料，条件是用生物化学线索进行功能化才是有效的。鉴于此，荷兰埃因霍芬理工大学Patricia Y. W. Dankers等人利用自组装成超分子纤维的慢速和快速交换分子的组合来形成具有可调动态行为的瞬态水凝胶网络。
本文要点：
1）获得的结果证明，调节这些分子之间的比例决定了水凝胶在分子和网络水平上的动态行为程度，这被认为能够在这些材料中有效掺入细胞粘附功能。
令人兴奋的是，该系统中超分子组分的动态特性可以方便地用于配制多组分超分子水凝胶，以便于培养和封装单细胞、球体和类器官。重要的是，这些发现强调了分子设计和交换动力学对于超分子水凝胶作为合成 ECM 模拟物的应用的重要性。
Diba, M., et al., Engineering the Dynamics of Cell Adhesion Cues in Supramolecular Hydrogels for Facile Control over Cell Encapsulation and Behavior. Adv. Mater. 2021, 33, 2008111.
https://doi.org/10.1002/adma.202008111
10. AM: 3D 带状柔性电子产品的抗疲劳设计策略
由于其在可穿戴电子设备、柔性机器人、组织/细胞支架等方面的广泛应用，三维 (3D) 柔性电子产品代表了近年来备受关注的新兴领域。功能器件系统中广泛采用的 3D 导电介观结构在实际操作中不可避免地会经历重复的平面外压缩，因此抗疲劳设计策略对于提高 3D 柔性电子产品的可靠性具有重要意义。以前的研究主要集中在平面带状几何结构的疲劳失效行为上，而针对 3D 带状细观结构的抗疲劳设计策略和预测失效标准仍然缺乏。
鉴于此，清华大学张一慧等人展示了一种抗疲劳策略，通过将金属主导失效转换为所需的聚合物主导失效，显著延长了 3D 带状柔性电子设备的疲劳寿命。
本文要点：
1）结合原位测量和计算研究，可以建立能够准确预测平面外压缩下的疲劳寿命的失效准则，从而为具有不同 3D 几何形状的抗疲劳细观结构的设计提供有用的指导。
2）两个机械可靠的 3D 设备，包括一个电阻式振动传感器和一个能够解耦温度测量的janus 传感器，作为两个示范性的例子，以突出长期健康监测和人类机器人感知中的潜在应用。
Cheng, X., et al., An Anti-Fatigue Design Strategy for 3D Ribbon-Shaped Flexible Electronics. Adv. Mater. 2021, 33, 2102684.
https://doi.org/10.1002/adma.202102684
11. ACS Nano：一种具有超灵敏温度和机械变色反应的人造变色龙皮肤
动态伪装是变色龙最耐人寻味的特点，它能在外界刺激下通过虹膜细胞的收缩和伸展迅速而灵敏地调节皮肤颜色。鸟嘌呤纳米晶在表面虹膜载体中的有序排列形成了非紧密堆积（NCP）光子晶体，在变色龙动态伪装中起着不可替代的作用。此外，变色龙皮肤的颜色来源于该有序阵列中折射率（RI）周期性变化所产生的光子阻带（PSB）。同时，颜色的亮度取决于PSB的强度，而PSB的强度由RI对比度和周期数决定。近日，大连理工大学武素丽教授报道了采用双填充策略构建了分别与鸟嘌呤纳米晶和胞质溶胶折射率相近的ZnS纳米球和聚合物组成的非紧密堆积光子晶体。
本文要点：
1）ZnS@SiO2纳米球通过自组装形成紧密堆积的中间光子晶体，然后在空隙中填充聚合物。然后用HF溶液刻蚀SiO2部分，再用聚合物填充，从而成功地实现了非紧密堆积的光子晶体。
2）实验结果显示，由于折射率的相似对比度和非紧密堆积结构，所设计的光子晶体的刺激响应与变色龙的皮肤一样敏感。当温度从30升高到55 °C或压缩应变为20%时，该结构的反射峰可蓝移200 nm以上。
这项工作不仅通过引入两步填充策略构建了非紧密堆积光子晶体，而且证明了在光子晶体中采用高折射率对比度是实现超灵敏的有效策略，这对各种应用都具有重要意义。
Yue Wu, et al, Artificial Chameleon Skin with Super-Sensitive Thermal and Mechanochromic Response, ACS Nano, 2021
DOI: 10.1021/acsnano.1c05612
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05612
12. ACS Energy Letters：调节纯锡钙钛矿薄膜的表面钝化和残余应变
钙钛矿材料表面和晶界处电子缺陷的钝化是抑制钙钛矿太阳能电池（PSC）中电荷复合的最重要策略之一。尽管已经研究了几种钝化分子，但很少有研究关注它们在调节钙钛矿薄膜的表面钝化和残余应变方面的应用。蔚山科学技术大学校Sang Il Seok等人研究了Cs0.1FA0.9SnI3钙钛矿薄膜的残余应变分布曲线及其对光伏器件效率的影响。
本文要点：
1）研究发现了与垂直于基板表面的成分不均匀性相关的面外压缩应变的梯度分布。通过有意设计表面钝化和残余应变的双重效应，我们实现了高达 9.06% 的创纪录功率转换效率，这是报道以来在正置 n-i-p 架构中报告的最高效率。
Manman Hu et al. Regulating the Surface Passivation and Residual Strain in Pure Tin Perovskite Films, ACS Energy Lett. 2021, 6, 3555–3562
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01575
