从全固态金属锂电池到纳米材料,一文看完能源与材料科研新突破

高通量平台用于机器学习指导的脂质纳米颗粒设计

High-throughput platforms for machine learning-guided lipid nanoparticle design

通讯作者：Michael J. Mitchell（University of Pennsylvania）

第一作者：Andrew R. Hanna（University of Pennsylvania）

要设计一种能将核酸有效递送至特定细胞或组织的脂质纳米颗粒（LNP），必须从大量选项中确定多种脂质成分及其相对比例。由于人们对递送载体的分子组成、结构和活性之间的关系认识不全，只能通过筛选大量配方来决定。新兴技术大大加快了LNP库的构建以及对其理化性质和体内/体外行为的测试。这些筛选工具正日益融入人工智能驱动的发现系统，将LNP表征和生物测试数据输入机器学习模型。这类模型能够揭示组成与物理或生物学性质之间的隐藏关系，或是预测全新的脂质结构。本文讨论了化学合成、颗粒配方、表征与药理筛选在自动化和并行化方面的进展，这些进展提高了LNP生成与测试的效率。作者指出，将这类高通量平台与机器学习结合，短期内有望加快针对新治疗靶点的最优核酸LNP的预测。

有机半导体的再入相行为

Re-entrant phase behaviour of organic semiconductors

通讯作者：Jasper J. Michels（Max Planck Institute for Polymer Research），Harald Ade（North Carolina State University）

第一作者：Zhengxing Peng（North Carolina State University）

过去十年间，用于有机光伏的聚合物和小分子受体数量激增。因此，如今比以往任何时候都更需要物理层面的见解和研究，以阐明组成与行为之间的关系。来自北卡罗来纳州立大学和马克斯·普朗克高分子研究所的研究团队系统地探究了55种聚合物-小分子受体共混物的相行为（影响器件性能和稳定性的关键因素）。研究发现，许多共混物表现出非平凡行为，无法用传统的混合理论解释。有趣的是，相图随玻璃化转变温度的变化而变化，有力地表明了构型熵的重要作用。他们提出了一种混合自由能扩展模型，该模型考虑了自由体积和构型自由度的温度依赖性。共混物的相行为可根据各组分的单体体积比进行粗略分类。该模型定性地复现了所有实验观测结果，为新型材料的开发提供了一个可行的起点。

固态溶剂化结构设计助力全固态有机电池

Solid solvation structure design improves all-solid-state organic batteries

通讯作者：Changhong Wang、 Xueliang Sun（University of Western Ontario）

第一作者：Yang Hu、Han Su、Jiamin Fu（University of Western Ontario）

有机电极材料为下一代锂离子电池提供了一种通用且可持续的方法，但存在着工作电压低和循环稳定性差的问题。来自西安大略大学、东方理工大学和浙江大学的研究团队提出了一种固态溶剂化结构设计策略，以提升全固态电池中有机电极材料的电压和稳定性。作为概念验证，研究人员将卤化物电解质作为固态溶质、四氯邻苯醌作为固态溶剂，形成均相固态阴极溶液。对内部溶剂化结构的系统优化使四氯邻苯醌在不对称固态溶剂化鞘中和室温条件下实现了3.6 V的高工作电压。此外，得益于平衡氧化还原途径和静电驱动的自愈合界面，该体系在低堆叠压力下表现出快氧化还原动力学和超过7,500圈的稳定性能。这项研究证明，对于全固态电池而言，有机电极材料是过渡金属氧化物的一种可行、耐久且经济的替代方案。

下一代纳米马达的发展路线图

A roadmap for next-generation nanomotors

通讯作者：Ayusman Sen（The Pennsylvania State University），Samuel Sánchez （The Barcelona Institute for Science and Technology）

第一作者：Shuqin Chen（The Barcelona Institute for Science and Technology）

自2004年被发现以来，纳米马达的研究已取得显著进展：从阐明不同的推进机制，到研究其集群行为，再到探索其在生物医学和环境修复中的应用。本文回顾了纳米马达研究的发展历程，并讨论了未来的关键挑战，包括开发先进表征技术、精确运动控制、材料创新、理论和建模，以及实际体内生物医学应用。这些挑战凸显了当前合成纳米马达的局限性，并指出了未来变革诊疗学和创造“活体”混合系统的大好机遇。作者提出了“系统材料”的概念，其中涵盖从分子到宏观尺度的相互作用功能材料。因此，本文旨在激励未来的研究人员深化基础认识、取得实际突破，从而引导纳米马达研究的范式转变。

高熵纳米材料的合成方法

Synthetic methods for high-entropy nanomaterials

通讯作者：Sara E. Skrabalak（Indiana University — Bloomington）

第一作者：Nabojit Kar（Indiana University — Bloomington）

“高熵”在过去20年中已成为材料科学中的一个重要概念，近来这一概念开始向纳米材料领域扩展。高熵材料由五种或五种以上主元素以近相等的比例混合而成，高熵效应使其趋向于形成成分复杂的单相材料而非分相材料。高熵纳米材料广阔的成分空间与其独特的结构和催化性能获得了广泛关注。高质量单相高熵纳米颗粒的合成是充分释放其创新潜力的重要条件，且现有多种合成路线。自上而下的方法从块体高熵材料出发，将其分解成纳米结构。自下而上的方法则以原子为起点，通过成核和生长构建纳米材料。这篇综述对高熵合金和高熵金属间化合物纳米颗粒的合成方法进行了分类和比较，揭示了胶体合成法的独特优势——不仅能精准调控高熵纳米颗粒的组成、尺寸和形状，还能捕捉其他方法难以实现的亚稳态结构。

通过创制固态聚合物电解质反应器实现中试规模的5-羟甲基糠醛选择性电氧化

Selective electrooxidation of 5-hydroxymethylfurfural at pilot scale by engineering a solid polymer electrolyte reactor

通讯作者：Hua Zhou、Mingfei Shao（Beijing University of Chemical Technology），Haohong Duan（Tsinghua University）

第一作者：Yue Ren,、Wei Kong,、Yang Li（Beijing University of Chemical Technology）

水相电解是将生物质衍生物转化为塑料单体（如2,5-呋喃二甲酸，FDCA）的一种潜在可持续路径。然而，在千瓦级规模和安培级电流密度下实现高浓度FDCA的选择性电合成仍然难以实现，阻碍了其商业化。来自北京化工大学和清华大学的研究团队设计了一种固态聚合物电解质（SPE）反应器，通过控制法拉第和非法拉第副反应，在工业级电流密度（1.5 A cm−2）下实现了FDCA生产，同时保持了高选择性（97.0%）、高法拉第效率（88.2%）和高浓度（~1.24 M）。SPE反应器在0.5 A cm−2电流密度下连续运行超过140小时，展现了其稳定性。此外，他们利用横向扩展策略构建了4.3 kW的电化学平台，FDCA的产率达到中试规模（33 kg/天）。这项研究证明，反应器工程能够通过电化学过程实现可持续化学品的选择性大规模生产。

溶液加工型锌黄锡矿太阳能组件的认证效率达到10.1%

Solution-processed kesterite solar module with 10.1% certified efficiency

通讯作者：Shaoying Wang、Wei Huang、Hao Xin（Nanjing University of Posts and Telecommunications）

第一作者：Chunxu Xiang、Mingjun Yuan（Nanjing University of Posts and Telecommunications）

溶液加工法用于新兴薄膜太阳能电池时具有巨大优势，但由于结晶过程涉及复杂的相演化和晶粒生长，该方法制备多元素无机薄膜仍存在挑战。来自南京邮电大学的研究团队通过溶液法制备了大面积均匀Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）薄膜和太阳能组件。通过调控硫脲和金属的比例增加薄膜孔隙率，从而促进更均匀的垂向反应和横向晶粒生长，研究团队提升了CZTSSe薄膜的均匀性，实现了13.4%的单节电池效率和8.91%的太阳能组件效率。他们进一步优化了组件结构，以减少非理想接触和图案化导致的电流损失和电阻损耗，CZTSSe组件经美国国家可再生能源实验室认证的效率达到10.1%。在各类先进薄膜太阳能组件中，该组件的开路电压和电流密度封装损失为最低。这项工作证明了溶液加工法制备大面积均匀CZTSSe薄膜和高效太阳能组件的可行性，推动了技术的发展。

Solvent-based plastic recycling technologies

基于溶剂的塑料回收技术

通讯作者：George W. Huber（University of Wisconsin–Madison）

第一作者：Zhuo Xu（University of Wisconsin–Madison）

溶剂回收法能够利用各种塑料垃圾生产高质量塑料树脂，同时保持聚合物链的完整性，因此受到了产业界和学术界的广泛关注。来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队重点介绍了溶剂型技术的发展，聚焦其基本原理、技术经济性和生命周期分析，以及商业化。溶剂回收的基本步骤包括塑料破碎、塑料溶解、过滤或离心，以及吸附、沉淀和溶剂去除等清洗步骤（可选）。溶剂中积累的杂质也必须清除。溶剂型技术的目标是生产不含塑料污染物或其他添加物的高质量树脂。这类技术的缺点在于其理化复杂性，以及难以实现具有高聚合物与溶剂产量和吞吐量的大规模连续运行。因此，化学工程对于溶剂型回收技术的商业化至关重要。

基于亲和力的高效锂金属电解液设计框架

Unified affinity paradigm for the rational design of high-efficiency lithium metal electrolytes

通讯作者：Xiulin Fan（Zhejiang University）

第一作者：Ruhong Li、Haikuo Zhang（Zhejiang University）

电解质工程领域的突破是高能电池化学的重要支撑。然而，电池性能与电解质结构之间复杂的相互作用仍不明确且难以预测。来自浙江大学的研究团队引入了“归一化阳离子/阴离子-溶剂亲和力”的概念，它描述了溶剂与阳离子和阴离子之间的关键相互作用。这种创新方法使研究人员能够对电解质微观结构、输运特征、氧化还原行为和中间相特征进行同步定量预测。他们利用该框架筛选了约150种候选溶剂，确定了新型电解液配方，极大提高了锂金属沉积/剥离库伦效率（ >99.5%）。其中，四种电解液的库伦效率超过99.8%，同时增强了侵蚀性高电压负极的耐久性。采用这些配方，研究团队实现了高度可逆的锂金属电池（LMB），能量密度达到破纪录的600 Wh kg−1，循环寿命超过100次，推动了LMB向实际应用迈进。这种基于亲和力的统一框架为面向高能LMB和其他碱金属离子电池的下一代电解液设计提供了宝贵的见解。

自适应界面实现零外压全固态锂金属电池

Adaptive interphase enabled pressure-free all-solid-state lithium metal batteries

通讯作者：Xiayin Yao（Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences）， Heng Zhang（Huazhong University of Science and Technology），Xuejie Huang（Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences）

第一作者：Guanjun Cen、Hailong Yu（Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences）

全固态锂金属电池（ASSLMB）采用更安全的不可燃固态电解质，并且可以实现更高的能量密度，是一种有前景的下一代储能技术。然而，负极与固态电解质之间的空隙会使电池性能衰减加快，仍然是一个重大挑战。来自中国科学院物理研究所和华中科技大学的研究团队突破传统界面设计策略，提出了基于固态电解质中预置阴离子可控迁移的动态自适应界面，在低外压条件下实现了ASSLMB稳定运行。该界面可适应锂金属负极的体积变化，在低外压或零外压下维持锂金属负极与“刚性”固体电解质之间的紧密接触。由此构建的锂金属全电池在1.25 mA cm−2的电流密度下循环2,400次后，仍表现出卓越的倍率性能和90.7%的容量保持率。值得注意的是，零外压软包电池循环300次后，容量保持率依然有74.4%。这项工作解决了锂金属负极与高模量固态电解质之间固-固接触持续损失的关键问题，推进了ASSLMB作为高能可持续电化学存储系统的实际部署。