随着人类社会的快速发展，地表水不断受到工业排放污染。与此同时，清洁水短缺问题日益严重。目前，三分之一的人无法获得安全饮用水。传统的热蒸馏和基于膜的反渗透技术已经开发并使用了数十年。这些技术用于将水从污染物中分离出来，以满足不断增长的人类生活标准。然而，能源消耗高、处理过程复杂、经济负担重以及燃料燃烧或废膜带来的二次污染限制了其实际应用，特别是在发展中国家和地区。

太阳能制水被认为是一种绿色、可持续和分散的战略，可以从海水或不可饮用水中获取清洁水。受益于石墨烯、聚吡咯和金属纳米颗粒等太阳能界面材料的发展，研究人员已经实现了高的光利用效率和快速的蒸汽产生动力学。然而，当地表水中存在复杂的污染物时，最先进的单一功能太阳能系统设备仍无法收集清洁水。例如，由于污染而广泛分布在地表水中的VOC（例如二氯甲烷、甲苯和苯酚）很容易通过普通太阳能界面材料迁移到采出水中。即使浓度非常低，这些VOC也有害。非挥发性有机化合物 (NOC) 通常以不溶于水的油的形式存在，可以堵塞太阳能界面材料的孔隙并限制水的传输。地表水中存在的大量细菌会粘附在太阳能界面材料的表面，使其失效。上述因素都将限制太阳能清洁水的实际应用。

本文总结了清华大学曲良体教授，加拿大多伦多大学EdwardH.Sargent院士，华中科技大学孙永明教授，中国科学院合肥物质科学研究院潘旭研究员，韩国首尔国立大学KisukKang教授，波兰科学院有机化学研究所BartoszA.Grzybowski教授，韩国首尔国立大学TaeghwanHyeon教授等课题组在太阳能电池、锂离子电池、电催化、机器学习等领域的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。

最近，太阳能界面系统被视为一种可持续、高效和二氧化碳中性的清洁水生产方法。然而，地表水中复杂的污染物以及环境污染给清洁水获取带来了巨大障碍。

鉴于此，清华大学曲良体教授团队在NatureWater上发表了题为“Multifunctionalsolarwaterharvesterwithhightransportselectivityandfoulingrejectioncapacity”的最新研究成果。

本文要点：

1. 在这篇工作中，作者开发了一种基于太阳能石墨烯/藻酸盐水凝胶（GAH）的清洁水提取器，其具有超强的抗复杂污染物传输能力和超强的防污能力。

2. 该GAH具有较高的水传输选择性，可阻挡 >99.5% 的挥发性有机化合物、>99.3% 的离子（Na⁺、Mg²⁺、K⁺ 和Ca²⁺）以及 100% 的非挥发性有机化合物和细菌。

3. 同时，GAH能够通过在水下形成>140°的大接触角来拒绝油污粘附，使表面细菌几乎100%失活，并防止盐结晶。

4. 鉴于这种对广泛环境的适应性，该GAH可以直接将复杂成分的地表水转化为安全的饮用水。

Hao,X.,Yao,H.,Zhang,P. etal. Multifunctionalsolarwaterharvesterwithhightransportselectivityandfoulingrejectioncapacity. NatWater (2023).https://doi.org/10.1038/s44221-023-00152-y.

金属卤化物钙钛矿材料的光电特性加速了太阳能电池效率提升，目前短路电流(J_SC)目前已接近Shockley-Queisser极限，进一步提高功率转换效率(PCE)需要提高开路电压(V_OC)。钙钛矿太阳能电池(PSC)的V_OC主要因表面和界面陷阱态产生的非辐射复合而减少，赝卤化物（PH）阴离子工程是钙钛矿的光电子学领域较有潜力的表面钝化策略。。

鉴于此，加拿大多伦多大学EdwardH.Sargent院士在NatureMaterials上发表了题为“Anionoptimizationforbifunctionalsurfacepassivationinperovskitesolarcells”的最新研究成果。

本文要点：

1. 在这项研究中，作者创建了一个机器学习工作流程，利用全密度泛函理论计算来训练模型，从而加快开发过程。

2. 这个以物理学为基础的机器学习模型能够准确定位有潜力的分子，这些分子的头部基团可以防止晶格畸变和反位点缺陷的形成，尾部基团经过优化，可以牢固地附着在表面上。

3. 通过实验，本研究发现硫代乙醇酸钠是最有效的钝化剂。采用这种策略后，倒置钙钛矿太阳能电池的功率转换效率达到 24.56%，开路电压高达 1.19V（美国国家可再生能源实验室认证的准稳态效率为 24.04%）。

4. 封装器件在最大功率点上单太阳运行 900小时期间保持了 96% 的初始功率转换能量。

5.目前的研究表明，计算、机器学习和实验相结合的持续进展，对于发现提高光电子学（包括光伏发电）以及相关发光器件性能的分子策略具有进一步的潜力。

Xu,J.,Chen,H.,Grater,L. etal. Anionoptimizationforbifunctionalsurfacepassivationinperovskitesolarcells. Nat.Mater. (2023).https://doi.org/10.1038/s41563-023-01705-y.

快速充电锂离子电池（LIB）可以满足便携式电子产品和电动汽车日益增长的需求。美国先进电池联盟（UnitedStatesAdvancedBatteryConsortium）为快速充电锂离子电池设定了目标，要求在 15分钟（4C）内实现 >80% 的充电状态，以及高能量密度（>满电状态的 80% 或不低于200Whkg^-1）、长寿命和高安全性。迄今为止，即使是最先进的LIB，要实现这一目标仍是一项巨大的挑战。石墨负极被普遍认为是电池快速充电的限制元件。一方面，快速充电受限于石墨表面缓慢的电化学反应过程，包括固电解质相间层（SEI）的Li⁺ 脱溶和SEI内的Li⁺ 传输。另一方面，石墨的平衡电位较低（相对于Li/Li⁺，约为 0.1V），因此石墨的过电位耐受性较低。这意味着在充电过程中，一旦负极电位低于0V（相对于Li/Li⁺），就很容易产生金属锂，从而导致循环稳定性降低，甚至出现安全问题。电解质中的Li⁺ 脱溶和固体-电解质相间层（SEI）的扩散是限制石墨基锂离子电池快速充电的两个决定性步骤。

鉴于此，华中科技大学孙永明教授在NatureEnergy上发表了题为“Fast-chargingcapabilityofgraphite-basedlithium-ionbatteriesenabledbyLi₃P-basedcrystallinesolid-electrolyteinterphase” 的最新研究成果。

本文要点：

1. 在本文中，作者研究了不同SEI组分对Li⁺去溶剂化的影响规律。研究揭示：对Li⁺具有高亲和能的SEI组分可以实现快速Li⁺的去溶剂化。

2. 具体而言，作者结合分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）研究了常规SEI组分（包括有机成分、Li₂O、Li₂CO₃和LiF）和Li₃P对负极界面处Li⁺溶剂化结构的影响。

3. 研究发现，在所研究的SEI组分中，Li₃P对Li⁺的亲和能最强。根据MD结果，Li₃P界面的内亥姆霍兹层（IHP）附近可以形成低溶剂分子配位数的Li⁺溶剂化鞘层，从而促进Li⁺快速去溶剂化。

4. 基于以上结果，作者利用S分子对P分子的“桥接”效应，在石墨表面构筑了超薄P包覆层，制备出“蓝”石墨，该石墨呈现鲜艳明亮的蓝色；电池首次循环时，“蓝”石墨表面原位生成连续的晶态高离子导电性Li₃P基SEI；LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (NCM622)||“蓝”石墨软包电池具有极速快充电性能（10分钟和6分钟可分别充满91.2%和80%的电量）以及在快充条件下（6C, 10分钟充电）优异的循环性能（~1Ah，2000次循环，容量保持率82.9%）。

5. 作者制作了~3Ah的电池装配到手机中用于驱动手机，10分钟充电可实现90.3%电量，进一步证明了“蓝”石墨是一种性能优异的快充锂电池负极。

Tu,S.,Zhang,B.,Zhang,Y. etal. Fast-chargingcapabilityofgraphite-basedlithium-ionbatteriesenabledbyLi₃P-basedcrystallinesolid–electrolyteinterphase. NatEnergy (2023).https://doi.org/10.1038/s41560-023-01387-5.

钙钛矿太阳电池是近年来发展起来的一种新型薄膜太阳电池。由于其较高的效率，简易的制备方法和可预见的低成本而成为领域内的宠儿。围绕钙钛矿材料，研究人员已发展出多种构型的太阳电池如钙-硅叠层太阳电池，钙-钙叠层太阳电池以及研究最为广泛的钙钛矿单结太阳电池。除了科研领域的万众瞩目外，在产业领域同样呈现出热火朝天的态势。钙钛矿太阳电池明天正以惊人的速率向前发展。卤化铅钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其高效率而被广泛研究，但可以看到这些电池的转换效率增长率急剧放缓。值得注意的是，之前对这些电池的大多数研究仅限于表面、掺杂剂和成分水平。

鉴于此，中国科学院合肥物质科学研究院潘旭研究员在Nature上发表了题为“Out-of-planeCationsHomogenisePerovskiteCompositionforSolarCells”的最新研究成果。

本文要点：

1. 在这项研究中，作者首先解析了钙钛矿薄膜中普遍存在但一直被忽略的一个重要问题，即相分布不均匀问题。作者通过原位试验方法对其成因进行了探究，发现不同阳离子在结晶及相转变过程中的速率差过大是组分不均匀的主要原因。

2. 作者团队设计了1-(苯基磺酰基)吡咯（PSP）分子以弥补不同阳离子间的结晶与相转速率差，制备出均匀化的钙钛矿薄膜。这种阳离子组分均匀分布的钙钛矿薄膜有效抑制了由底部富Cs相带来的准I型能级排列，很大程度上提升了载流子寿命及扩散长度，加强了载流子界面抽取。

3. 作者团队利用PSP策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了26.1%的最高效率，认证效率为25.8%。

4. 此外，在2,500小时最大功率电追踪后（MPPT），未封装的器件仍保持其初始 PCE的 92% 的可靠运行稳定性。

Liang,Z.,Zhang,Y.,Xu,H. etal. Out-of-planecationshomogeniseperovskitecompositionforsolarcells. Nature (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0.

普通锂（Li）离子电池改变了能源的产生和消耗方式，从而深刻地改变了现代社会。电池的每个充放电周期都需要将锂离子传送很远的距离。商用锂离子电池含有一种液态电解质，以促进锂离子的快速传输。但人们有强烈的动机用固态电解质来取代液态电解质。与使用液态电解质的电池相比，固态电池更安全、更紧凑，可大幅提高锂离子电池的能量密度。然而，与液体相比，离子在大多数固体中的传输速度较慢。为了使固态电池商业化，开发具有高离子电导率、强大的化学和电化学稳定性以及机械柔韧性的材料至关重要。虽然先前的研究成功地合成了具有高离子电导率的硫化物和氧化物基固体电解质，但这些材料都没有完全满足所有要求。

鉴于此，韩国首尔国立大学KisukKang教授在Science上发表了题为“Designofatrigonalhalidesuperionicconductorbyregulatingcationorder-disorder”的最新研究成果。

本文要点：

1. 在该工作中，作者阐明了锂金属卤化物实现高电导率的离子传输机制，并通过建立阳离子排列与锂扩散动力学之间的相关性，展示了一种增强离子传导性的创新策略。

2. 结果发现，渗流扩散网络和层间距离是决定三方hcp叠层 Li₃MCl₆ 中锂超离子传导的关键因素，并受阳离子（M）排列的制约。

3. 虽然M可作为扩大层间空间的支柱，从而促进平面内的锂扩散，即整体扩散性的瓶颈，但过高的M含量会破坏平面内的锂渗滤网络。这种权衡关系表明，要获得最佳的锂离子传导性，ab平面上的M占有率存在边界条件，这可以作为一种设计规则。

4. 作为概念验证实验，作者引入了 Li₃Y_0.2Zr_0.6Cl₆，这是一种卤化物超离子导体，它具有扩大层间空间的渗流扩散网络，因此表现出更强的离子电导率。

SeungjuYu etal.,Designofatrigonalhalidesuperionicconductorbyregulatingcationorder-disorder. Science 382,573-579(2023).https://doi.org/10.1126/science.adg6591.

析氧反应 (OER) 是可再生燃料生产技术的基石。目前，OER需要高效的催化剂来加速其缓慢的动力学。鉴于铂族金属的高价格，许多其他材料已被研究作为潜在的OER催化剂。由于钙钛矿氧化物独特的电子、结构和电催化特性以及低成本和易于合成，最近受到了广泛的研究。除了传统的实验研究之外，这项努力还得到了包括机器学习在内的各种理论研究的支持。然而，鉴于实验过电势数据的缺乏（尤其是多金属钙钛矿氧化物），机器学习驱动的OER模型在很大程度上依赖于密度泛函理论计算，然后在此基础上训练机器学习模型。这种方法可以快速筛选候选结构，但预测的超电势通常不准确。因此，尽管研究人员已经提出了高性能多金属钙钛矿氧化物OER催化剂的理论研究，但这些材料都没有通过实验验证。

鉴于此，波兰科学院有机化学研究所BartoszA.Grzybowski教授、韩国首尔国立大学TaeghwanHyeon教授在NatureMaterials上发表了题为“Activelearningguidesdiscoveryofachampionfour-metalperovskiteoxideforoxygenevolutionelectrocatalysis”的最新研究成果。

本文要点：

1. 在这项研究中，作者设计了机器学习工作流程，并最终发现了高性能四金属钙钛矿氧化物OER催化剂。

2. 该工作流程的主要特点是（1）通过结构表征数据增强的基于图形的矢量化方案，以及（2）指导闭环实验的主动学习组件。

3. 作者使用该方法，只需30个初始晶体结构和一轮数据增强（需要合成额外的10个钙钛矿），该模型就能够最大限度地减少其不确定性并做出准确预测。

4. 作者重新发现几个成熟的OER活性趋势，最重要的是，作者发现了一种高性能Ca_0.8Pr_0.2Co_0.8Fe_0.2O_3–δ (CPCF) 钙钛矿氧化物，该氧化物表现出10mAcm^–2_氧化物的本征过电势为391mV，这是已知最低的四金属钙钛矿氧化物之一，并且优于主流的OER电催化剂，例如传统的IrO₂或最先进的Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3–δ (BSCF) OER电催化剂。

5. 这些结果证实基于稀疏但高质量的数据和物理相关表示的主动学习方法可以指导多维参数空间的有效实验探索，从而有助于加速发现高性能材料。

Moon,J.,Beker,W.,Siek,M. etal. Activelearningguidesdiscoveryofachampionfour-metalperovskiteoxideforoxygenevolutionelectrocatalysis. Nat.Mater. (2023).https://doi.org/10.1038/s41563-023-01707-w.