1、Science：持久耐用的鈣鈦礦太陽能電池

Eu3+-Eu2+離子對在溶液態和薄膜態增加Pb0和I0到Pb2+和I-的轉化率

器件壽命和光電轉換效率（PCE）是決定太陽能電池成本的關鍵參數。雖然在PCE性能上，鈣鈦礦電池已經取得了重大的突破（提升至23.7%），但與多晶硅等材料相比，其在操作條件下的器件穩定性卻一直阻礙著商業化的應用。究其原因，金屬鹵化物鈣鈦礦吸收層材料組分具有軟晶格的構造，并展現出極化的性質，在器件制備過程中易于生成鉛、碘缺陷，造成運行過程中的設備老化及效率下降等問題。針對這類現象，北京大學的嚴純華，周歡萍和孫聆東（共同通訊作者）等人合作發表文章，發現銪離子對Eu3+-Eu2+能夠在循環躍遷的過程中分別選擇性地氧化鉛和還原碘缺陷，充當“氧化還原穿梭機”的角色。利用這一現象，研究人員制備了新型的太陽能電池器件，實現了21.52％的PCE,并且展現出長期耐久性。在最大功率點跟蹤500小時后，這些裝置在1-sun連續照明或者在85℃下加熱1500小時下能夠保持92％和89％的峰值PCE，以及91％的原始穩定PCE。

文獻鏈接：A Eu3+-Eu2+ ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aau5701）

2、Nature：二維電子器件用于能量富集

二硫化鉬基柔性整流天線

獨特的機械性能和電子性能使得二維材料在制備柔性電子器件方面擁有巨大的潛力。這類材料的厚度可以低至單原子層級別，其量產化能力也是有目共睹，因此可以用來發展分布式“智能皮膚”器件。盡管對于分布式電子器件的研究早已出現了，然而可隨時處于能量富集狀態的器件解決方案至今還未被人提出。為了實現這一點， Wi-Fi系統的電磁輻射是可以賦能未來電子器件的理想富集對象。然而，目前的射頻富集裝置如整流天線等不具備優異的傳輸性能，因此高效富集高頻的Wi-Fi通信輻射。

美國MIT的Tomás Palacios（通訊作者）等人發表文章報道了截止頻率高達10千兆赫的二硫化鉬半導體-金屬異質結。這一柔性二硫化鉬基整流器具有原子層級厚度，可以在8-12千兆赫的頻段進行運行操作，其運行范圍可覆蓋絕大多數工業、科學研究以及醫療的無線電波段，包括Wi-Fi通道在內。通過將這一超快的二硫化鉬基整流器與Wi-Fi天線進行集成，研究人員實現了對電磁輻射的零外部偏壓（無需電池）能量富集。更重要的是，二硫化鉬基整流器作為柔性器件，可以實現超越10千兆赫變頻功能。這一工作為柔性電子系統創造了通用型的能量富集模塊。

文獻鏈接：Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting（Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1）

3、Nature：高效去除氫中的微量一氧化碳

xcFe–Pt/SiO2催化劑的合成示意圖及形貌表征

由于質子交換膜燃料電池（PEMFCs）中的催化體系得到了長足進步，使得其作為下一代載具能源的潛力越來越受到人們的關注。然而氫燃料電池汽車的推廣目前仍然困難重重，其中一個關鍵難題是氫燃料電池電極的CO中毒問題。針對這一問題，一個可行的解決方法是在氫中對一氧化碳進行選擇性氧化。但是由于需要在低溫下對催化劑進行活化并完成選擇性氧化反應，因此尋找合適的催化劑是一項不小的挑戰。

中國科學技術大學的路軍嶺教授、楊金龍教授以及韋世強教授（共同通訊作者）等團隊密切合作，利用原子層沉積技術，設計了一種新型Fe1（OH）x-Pt單位點的界面催化劑，該催化劑在低溫環境中能夠高效去除氫氣中的微量CO。研究人員利用原子層沉積中的表面自限制作用，結合二茂鐵金屬在貴金屬表面解離吸附和分子間空間位阻效應的特性，在SiO2負載的Pt金屬納米顆粒表面上精準構筑出單位點的Fe1（OH）x-Pt界面催化活性中心。這一活性中心不僅豐富存在，而且表現出超高活性和穩定性。研究人員利用該新型催化劑首次在~-75 °C至110 °C的超寬溫度區間實現了100%選擇性地CO完全去除，突破了現有催化劑工作溫度相對較高以及區間較窄的問題。這一新型催化材料為氫燃料電池在低溫條件運行期間，避免一氧化碳中毒提供了一種高效保護措施，從而為未來氫燃料電池汽車的推廣掃清了一重大障礙。

文獻鏈接：Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H2（Nature, 2019, DOI: 10.1038/ s41586-018-0869-5）

4、Nature：實驗制備磷烯納米帶

PNRs的TEM表征

磷烯（Phosphorene）是一種新興的單元素二維材料，其帶隙具有典型的層數相關性。而與此同時，納米帶因其結合了一維納米材料的特性和二維材料高表面積的特點，并同時表現出出電子-限域以及邊界效應，近年來成為相關研究領域的熱門材料。由此，憑借獨特的各向異性結構，關于磷烯納米帶（PNRs）的理論計算研究顯示PNRs具備優異的性能。然而，有關制備真正離散PNRs的研究到目前為止尚未出現。

倫敦大學學院的C. A. Howard（通訊作者）等人利用“離子剪（Ionic scissoring）”的形式對黑磷晶體進行處理，獲得了大量高質量、單個PNRs。這一自上而下的方法主要分為兩步，首先將黑磷塊體利用鋰離子進行插層處理，獲得的產物之后浸沒在質子惰性的溶劑中并進行機械攪拌，最終產生穩定分散的PNRs溶液。由此制備的PNRs具備4-50nm不等的寬度，主要為單層厚度，測量長度可達75μm，縱橫比最高可達到1000左右。研究還發現該納米帶材料為原子級單晶，以Z字形晶體取向進行排列對齊。這一簡單的液相制備方法為實驗研究PNRs的性質及其應用奠定了基礎。

文獻鏈接：Production of phosphorene nanoribbons（Nature, 2019, DOI: 10.1038/ s41586-019-1074-x）

5、Nature：可逆組裝的蛋白質籠

蛋白質籠的形成

對稱蛋白質籠在自然界中經過進化發展，可以勝任多種角色，包括物質遞送等。不僅如此，這類材料還啟發著合成生物學家，為精確操控蛋白質-蛋白質界面以創造新型蛋白質組裝體提供著源源不斷的思路。盡管實驗室制備蛋白質籠的研究還在不斷取得突破，但是設計蛋白質誘導組裝體依然是一個難點。日本大阪大學的J. G. Heddle（通訊作者）團隊報道了可利用蛋白質-蛋白質界面上的金屬配位來控制組裝-解組裝的人工蛋白質籠。研究人員將金-三苯基膦化合物加入到半胱氨酸取代的蛋白質環中，并觸發了該蛋白質的超分子自組裝，產生了分子量超過2MDa的單分散籠狀結構。這一蛋白質籠展現出優異的化學和熱穩定性，然而同時還能在還原性環境中輕易地進行解組裝行為。研究人員還發現，不僅是金，水銀也能促使這種蛋白質籠生成。這一工作為將蛋白質組裝成具有高等級結構材料提供了新的思路。

文獻鏈接：An ultra-stable gold-coordinated protein cage displaying reversible assembly（Nature, 2019, DOI: 10.1038/ s41586-019-1185-4）

6、Science：機械響應自生長水凝膠

通過機械訓練誘導材料的自發生長

肌肉等生物組織是一種開放動態的載荷學習型系統，能夠展現出結構變形來適應周邊的力學環境。比較常見的例子就是通過反復訓練可以增大骨骼肌，通過反復用力來破壞原有的纖維結構，再利用化學反應和氨基酸構筑單元塑造新的肌肉。而與此相比，人工合成材料常常是靜態封閉的系統，不存在損傷后結構重建現象或者與周邊進行物質交換的功能。因此，反復的機械載荷能夠永久性地損傷這些材料。

受肌肉訓練的啟發，日本北海道大學的龔劍萍和Tasuku Nakajima（共同通訊作者）等人提出可以通過機械化學轉變來發展“自生長”聚合物材料的策略。機械力破壞聚合物鏈可以產生機械自由基，因此可以利用該種自由基進行高效的聚合重組。為了獲得足夠的機械自由基，研究人員以PNaAMPS和聚丙烯酰胺（PAAm）構建了雙網絡凝膠材料。這種凝膠可以提供大量的單體，反復的載荷對凝膠聚合物鏈產生破壞，生成機械自由基，這些自由基與凝膠中單體進行聚合反應，達到重組結構的作用，展現出“自生長”的現象。研究人員認為，這一工作為發展智能的凝膠材料提供了新的機會。

文獻鏈接：Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aau9533）

7、Science：構建人工血管系統

具有血管拓撲網絡的水凝膠

器官間用于傳輸液體的血管網絡交錯復雜，構筑了精細且尚未研究透徹的三維傳輸系統。人工構建類似的仿生系統不僅能夠加深對生物系統的認知，還具有巨大的應用前景。然而，由于其復雜程度，這類功能化拓撲結構的體外設計和制備是一項非常巨大的挑戰。利用可光聚合物的水凝膠材料，華盛頓大學的J. S. Miller和萊斯大學的K. R. Stevens（共同通訊作者）等人合作設計了具有多血管網絡的人工系統。研究人員以食物添加劑染料作為光刻的光吸收材料，可快速制備單片透明的水凝膠，并在水凝膠中集成了三維液體混合器以及功能化瓣膜。利用空間填充拓撲學，研究人員在水凝膠中精細制作了交錯的血管網絡，研究了人紅細胞的氧合作用以及流動現象。這一人工設計還被用于研究肝損傷模型，為其應用發展奠定了基礎。

文獻鏈接：Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav9750）

8、Nature：大面積二維材料

hBN域的邊緣耦合導向外延生長機制

二維材料的發展開拓了制造新型電子、光電以及光伏器件的可能性，與傳統硅基器件相比，這類材料能夠賦予器件更小的尺寸、更快的速度以及許多額外的功能。而為了實現二維器件的工業化應用，生長大尺寸、高質量的二維單晶就顯得十分必要。如原子層級的六方氮化硼（hBN）因具有優異的穩定性、平坦的表面以及相對較大的帶隙，而認為是理想的二維絕緣體。然而，生長二維hBN的單晶尺寸一直不能突破一毫米水平，嚴重限制了該類材料的工業化發展。

近期，北京大學劉開輝研究員聯合中科院物理所白雪冬研究員、韓國基礎科學研究所（Institute for Basic Science, Ulsan）丁峰以及蘇黎世聯邦理工學院Zhu-Jun Wang（共同通訊作者）等人報道了在銅箔表面成功外延生長尺寸高達100cm2的單晶hBN單層的文章。以往制備大尺寸單晶hBN的難點主要在于過度成核導致無法利用單核生長晶體以及hBN晶格的三重對稱性導致在大多數基底上容易形成反平行的孿晶界。特別是對于后者來說，通過選擇對稱性匹配的基底來提高外延生長單晶的質量，以低對稱hBN（C3υ）為例，理想的基底需要具備C3υ， C3, συ或者C1對稱性。在這項工作中，研究人員首先對工業銅箔進行退火處理，得到了具有C1對稱性的銅箔單晶。之后，以硼烷氨為原料，利用低壓化學氣相沉積（CVD）在銅箔基底上成功合成了大尺寸二維hBN。結構表征以及理論計算表明銅<211>臺階邊緣與hBN的Z形邊緣能夠進行耦合，打破了等價反平行hBN域，使得單向域高度對齊，從而實現了大尺寸的hBN外延生長。這一成果不僅促進拓展了二維器件的應用，還能夠為提高非中心對稱二維材料的外延生長質量提供新的可能性。

文獻鏈接：Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper（Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1226-z）

9、Science：高效的納米濾膜

GNM/SWNT雜化膜進行高效水脫鹽處理示意圖

海水的脫鹽和凈化是持續獲得潔凈水源的理想途徑之一。在這樣的背景下，具有原子級厚度的納米孔二維材料因其表現出高效的分離性能以及高度的透過率而被認為是制備超薄水處理薄膜的潛在材料。理論計算預言，單層納米孔二維薄膜可以提供超快的水滲透和選擇性分離性能。實驗研究也已經表明，納米孔石墨烯薄膜在脫鹽處理方面具有良好的表現。然而，目前的此類石墨烯材料的制備還限制在微米尺度。因為隨著石墨烯面積的增大，面內晶界的存在和嚴重削弱材料的機械性能，致使在引入孔的過程中進一步破壞單層石墨烯的結構完整性，從而在分子水平上失去分離溶質離子和水分子的功能。因此，如何有效制備具有足夠機械強度的大面積納米孔二維薄膜依然是亟待解決的問題。

武漢大學的袁荃教授和加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒教授（共同通訊作者）等人報道研制了大面積石墨烯-納米網/單壁碳納米管（GNM/SWNT）雜化膜。這種膜在擁有原子級厚度的同時，還具備優異的機械強度。其中，單層的GNM具有高密度的亞納米孔，可在有效輸運水分子的同時阻斷溶質離子或者分子，呈現出尺寸選擇性分離性能。而SWNT網絡形成了可以支撐GNM的微框架，并同時將GNM隔離成微尺度島狀區域，進一步保證了原子級厚度GNM的結構完整性。這一GNM/SWNT雜化膜展現出高水滲透性以及對鹽離子或者有機分子的選擇性分離，在進一步的管式模型中也保持著穩定的性能。

文獻鏈接：Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecular nanofiltration（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aau5321）

10、Nature：受晶體構造啟發的結構材料

損傷耐受型結構材料

由節點有序排列形成的結構材料具有輕量的特點，并能展現出傳統固體材料不曾擁有的性能。已有研究報道的結構材料一般由“晶胞”定向排列而成。因此，當材料載荷超過屈服點時，就會出現局部高應力帶，無可挽回地破壞材料的機械強度。這一所謂“后屈服破壞”現象與金屬單晶的位錯滑移造成的應力快速下降相似。英國帝國理工學院的Minh-Son Pham（通訊作者）等人利用在晶體材料中發現的硬化機制（hardening mechanism）發展了一種具有損傷耐受特點的結構材料。通過仿照晶體材料的微尺度結構如晶界及其強化機制，研究人員發現冶金學概念可以被用來研究提升結構材料的機械性能。研究人員制備了一系列具有介觀晶格特點的結構材料，這類結構集成整合了冶金硬化概念（如粒度效應以及多相硬化），能夠展現出優異的剛度和輕度。該種新型結構材料在面臨額外載荷時，不僅展現出損傷耐受的特點，還能進一步增強其相關性能。這一材料構筑方法為設計發展高性能材料提供了新型思路。

文獻鏈接：Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure（Nature,2018, DOI: 10.1039/ s41586-018-0850-3）

11、Science：高效電還原二氧化碳

三價鐵離子-碳-氮的表征

電化學還原二氧化碳是一種儲存太陽能以及風能的新興方式。為了實現高效率和可擴展的目標，該反應需要在低過電勢下快速和有選擇性地完成。目前，金基納米材料是能夠將二氧化碳還原成一氧化碳最為活躍有效的催化劑。但是，這類材料成本高昂，實現量產的前景不明。相較而言，非貴金屬的成本低下，量產化可能性更高，但是其反應要求的過電勢太高，困擾著這類非貴金屬材料在催化還原二氧化碳領域的發展前景。洛桑聯邦理工學院的Xile Hu以及臺灣大學的Hao Ming Chen（共同通訊作者）等人報道了具有單分散鐵離子位點的催化劑。這種催化劑能夠在低至80毫伏的過電勢下還原二氧化碳產生一氧化碳。原位的X射線吸收譜揭示了催化劑的活性位點是離散的三價鐵離子，其與氮摻雜碳基質中的吡咯氮原子進行配位，能夠在電催化過程中維持三價氧化態。電化學數據表明，相較于二價鐵離子而言，三價鐵離子能夠快速吸附二氧化碳，同時對一氧化碳的吸附能力較弱，因此表現出優異的催化性能。

文獻鏈接：Atomically dispersed Fe3+ sites catalyze efficient CO2 electroreduction to CO（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw7515）

12、Science綜述：從功能化納米復合物到器件

功能化納米復合材料的應用

含有納米尺度顆粒的復合物集成到第二相或者是基質中可以為設計擁有多種性質的功能材料提供了新的機會。這類結合可以通過在分級結構中進行多尺度控制來達到增強優化性能的目的。例如，納米晶體通過定向排列形成具有可控間距的超晶格材料，可以展現出單顆粒不曾擁有的性質和行為。這類功能化進展如今被應用在廣大領域之內，如可穿戴傳感器、可控制離子、電子傳輸的催化劑等。然而，由于合成方法的限制、集成制備技術的不可控性等客觀原因的存在，納米復合物的應用發展依然被大大地阻礙了。加州大學圣芭芭拉分校的Daniel S. Gianola（通訊作者）團隊近期梳理了賦能這類復合材料的關鍵科學進展，包括納米顆粒的合成和組裝、多尺度組裝和圖案化以及組裝穩定性的力學表征。作者重點關注了這些研究領域的關聯性，闡述了納米復合物的設計及其為器件集成提供的制備思路。此外，文章還總結了依然存在的研究難點，包括尋找可以產生硬性材料的顆粒-液體系統中關于組裝相容性的關鍵需求，以及探究疇界和結構缺陷在組裝超晶中作用和本質。對這些科學問題的進一步研究能夠為復合材料的發展提供更深層次的理解。

文獻鏈接：Bridging functional nanocomposites to robust macroscale devices（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4299）