高效电还原CO2（ECR）为有价值的多碳产物是解决CO2排放问题的有效解决方案。基于卟啉的金属有机框架（MOFs）具有多孔结构和有序的活性位点，有望提高ECR生成多碳产物的选择性。本文制备了由铜-四（4-羧基）卟啉（Cu-TCPP）和Cu2O组成的有机/无机杂化Cu-TCPP@Cu2O电催化剂，其中TCPP在调控形貌方面起着重要作用。ECR过程中原位形成的Cu与Cu-TCPP（Cu-TCPP@Cu）结合可以抑制析氢，富集CO中间体，促进C-C偶联生成C2产物。多孔碳（PC）负载的Cu-TCPP@Cu在PC上被还原为Cu纳米簇，同时对C2产物具有较高的ECR活性和选择性。催化剂在-1.0 V时（相对于可逆氢电极），C2产物法拉第效率为62.3%，部分电流密度为83.4 mA·cm-2，是纯Cu2O和TCPP的7.6倍和13.1倍。本论文研究了催化剂形貌和杂化结构如何提高ECR生C2产物的选择性，为高性能ECR催化剂的设计提供了新思路。
在碱性介质中，由于电极材料的较高的稳定性，电催化析氢反应（HER）具有实现大规模制氢的巨大潜力。然而，即使对于最突出的铂催化剂，HER在碱性介质中的反应动力学也比在酸性介质中慢2-3个数量级，这是由于碱性环境下质子的浓度较低。异质结构催化剂具有多种结构优势，研究表明，构建异质结构电催化剂是促进碱性HER动力学的有效策略。协同效应是异质结构的一个独特特征，这意味着一个功能活性位点作为水解离的促进剂，另一个活性位点则负责适度的氢吸附，从而协同提高HER催化性能。此外，异质结构中的每个构建模块都是可调节的，为构建最佳催化剂提供了更多的灵活性和可能性。同时，由于界面处两个组分之间存在费米能级差，可以合理地调控每个组分的电子结构，从而大幅度提高碱性介质中的HER催化性能。随着对纳米结构的深入理解，人们开发了更先进的设计策略来构建高性能异质结构电催化剂。本文综述了异质结构催化剂在碱性HER方面的最新发展，以及构建界面异质结构以促进碱性HER动力学性能的合理设计原则。我们首先介绍了HER在碱性介质中的基本反应途径，然后详细讨论了促进碱性HER动力学的新兴有效策略，包括协同效应、应变效应、电子相互作用、相工程和结构工程，最后提出了未来面向实际应用的新型异质结构催化剂设计所面临的挑战和研究机遇。
本文研究了掺氢天然气直接内重整平管型固体氧化物电池短堆的长期稳定性和衰减机理。通过约3000小时的实测实验，结果显示，电堆的总体衰减率为2.3% kh-1，电堆中三个金属连接板的面积比电阻分别增加了0.276 Ω·cm2、0.254 Ω·cm2和0.249 Ω·cm2，但电堆中两个电池的电压反而分别增加了3.38 mV·kh-1和3.78 mV·kh-1。电堆衰减主要由金属连接件表层氧化及其与阴极集流层材料反应生成SrCrO4物质，两者共同作用增大了电池与金属连接体间的界面电阻所致。结果表明，以掺氢天然气为燃料直接内重整平管型固体氧化物燃料电池电堆具有良好的稳定性。本文工作为掺氢天然气在固体氧化物燃料电池堆中的直接内重整应用提供了理论参考与实验依据。
近年来，联合时频分析再次成为研究热点。超级电容器功率密度高和寿命长，但为了优化平衡功率密度和能量密度，需考虑两个关键因素：（1）多孔基质的比表面积；（2）孔内空间电解质可抵达性。本文采用联合时频分析方法，研究孔内电荷穿透深度及电流空间分布。具体开展了如下工作：（i）在复正弦电流激励下，推导单孔的时域响应和频域响应解析解，由此定义了描述电荷扩散行为的时频特征。（ii）采用联合时频方法，分析了内部参数和外部参数对孔内电荷穿透率的影响，揭示了孔内电荷有限扩散和无限扩散之间的演变规律。（iii）基于穿透率临界值，定义了孔内部参数的临界值，由此判断孔内电荷半无限扩散和有限扩散。本文提出联合时频分析方法，实现了多孔电极中复杂物理化学过程的信息融合，联合时频分析最终殊途同归，并提高诊断可靠性。
电子转移反应的标准反应速率常数是电化学反应的“本征”动力学性质，也是电极过程动力学研究的重要内容之一，对于电极反应的机理和路径的理解以及电催化剂和电池材料等的筛选和理性设计均具有重要意义。本文将主要介绍电化学反应速率常数测定的实验方法，包括极化曲线、旋转圆盘、超微电极、扫描电化学显微镜、电化学阻抗谱、电流阶跃、电势阶跃以及循环伏安等方法，以期对开展电极过程动力学研究的相关研究人员和学生有所裨益。
本文首次确认Nathan Lewis及其合作者于1989年5月1日在美国马里兰州巴尔的摩举行的美国物理学会（APS）会议上所犯的关键计算错误。Lewis等人分析了Martin Fleischmann及其合作者报告的9轮实验中的热测量结果，并报告在没有催化复合的情况下每轮实验都显示出异常的热功率损失。而本文使用相同的原始数据，经过正确的计算，再次确认每轮实验都显示出异常的功率增益。因此，这些数据意味着可能存在一种能产生能量的新物理现象。
氧化还原电位和酸度常数作为重要的物理化学性质被应用于分析能源材料重要指标值。为了实现能源材料的计算设计，发展计算电化学的方法，在复杂电化学环境下计算这些性质至关重要。近年来，利用计算电化学方法计算氧化还原电位和酸度常数已经受到了广泛的关注。然而，常用的计算方法如基于隐式溶剂化模型的小分子自由能计算，对于复杂溶剂化环境的处理非常有限。因此，基于第一性原理分子动力学（AIMD）的自由能计算被引入来描述复杂溶剂化环境中的溶质-溶剂相互作用。同时，基于AIMD的自由能计算方法已经被证实可以准确预测这些物理化学性质。然而，由于AIMD计算效率低且计算资源需求大，需要引入机器学习分子动力学（MLMD）加速计算。MLMD通过机器学习方法，构建模拟体系结构到第一性原理计算结果的一对一映射，可以在低成本下实现长时间尺度的AIMD。对于氧化还原电位和酸度常数计算，如何构建训练机器学习势函数模型所需的数据集至关重要。本文介绍了如何通过自动化工作流实现自由能计算势函数的自动化构建，通过机器学习分子动力学计算自由能并转化为对应的物理化学性质。
碱性聚合物电解质作为现代碱性氢氧燃料电池的核心组成部分，其单离子导体的特性使得“电极/碱性聚电解质”界面的性质与“电极/溶液”界面有所不同。本文使用微电极，运用循环伏安、电化学交流阻抗以及浸入法等方法，测定了电极/碱性聚电解质界面的微分电容曲线和零电荷电位。该界面的微分电容曲线呈“U”状，且存在局域极小值，该极小值所对应的电位与浸入法测得的零电荷电位数值一致。单离子导体的特性使得“电极/碱性聚电解质”界面在零电荷电位两侧表现出不同的电化学极化行为。
石墨烯具有优异的物理特性，如单原子厚度、极高的载流子迁移率等。然而，其零带隙的半金属特性限制了其在高性能场效应晶体管中的应用。为此，研究者们提出了石墨烯纳米化、外场诱导、掺杂以及化学图案化等策略，以调控其带隙宽度。但是，这些方法的可控性以及稳定性还需要进一步改善。在本研究中，我们提出采用电化学溴化并结合光刻图案化调控单层石墨烯的电子传输特性，通过这种方法，成功制备了图案化的溴化石墨烯（SLGBr）。进一步研究表明，单层石墨烯的电子传输性能可以通过溴化程度来调控。当溴化程度较小时，SLGBr表现为电阻特性，且其电导随溴化程度增加而减小；当溴化程度增加到一定值时，SLGBr表现为与半导体类似的特性。本研究将为全石墨烯器件的制备提供可行的技术路线，拓展其在微电子领域的应用。
氨（NH3）是一种现代社会必需的化学物质。目前，工业上合成NH3仍然采用的是Haber-Bosch过程，即以H2和N2为反应物在铁基催化剂的作用下于高温（400-600 oC）高压（20-40 Mpa）下将N2转化为NH3。然而，其效率只有10%-15%，同时造成大量的能源消耗，而且CO2排放不可避免。开发构建可持续发展的清洁友好的新能源体系是解决能源危机和环境污染问题、实现碳达峰和碳中和的关键战略。半导体光（电）催化固氮可以利用绿色无污染的太阳能制取重要的基础化工原料氨，有望代替传统的化工制氨工艺，解决其能源消耗严重和环境污染的问题。本文概述了光（电）催化固氮反应及其影响因素、光催化、电催化和光电催化固氮反应实验装置与基本特征、光（电）催化固氮反应催化剂研究进展、光电催化固氮反应机理，着重论述了半导体光催化剂、光（电）催化固氮体系以及光催化固氮机理的最新进展，并对太阳能光催化固氮技术加以评述和展望。
化学测量领域的核心挑战之一是实现对单个体（如单个细胞、单个纳米粒子、单个纳米气泡、和单个分子等）超高灵敏检测。电化学是测量单个体电子传递过程最直接最有效的手段之一。通过高时间分辨和高电流分辨的电化学测量能够对微纳尺度界面上的电化学反应进行精准分析，获取每一个单体的特征电信号，解析被平均效应掩盖的个体间差异。目前，已有超微电极纳米孔道以及纳米针尖等在内的多种纳米结构被应用于构建高空间分辨率与高灵敏的单个体电化学传感界面，提供了与单个分析物尺寸匹配的电化学测量界面。同时，随着高时间分辨微弱电流测量仪器的发展，单个体电分析化学技术可实时追踪亚毫秒至微秒级的单个体动态电化学反应过程。基于此，可对体系中每一个待测物进行高通量、快速电化学灵敏测量，有助于识别稀有亚群个体、发现化学反应隐藏中间体、追踪动态相互作用及反应路径。例如，纳米孔道单分子电化学测序与分析，可应用于疾病的早期精准诊断；单颗粒电化学碰撞测量，可准确揭示纳米材料的构效关系；单细胞的原位电化学分析，能够探索细胞内外和细胞间的生化过程，更好地理解细胞间网络通讯机制。近年来，单个体电化学测量技术在测量界面、测量仪器及测量数据分析方面取得了显著进展，为微纳材料、生命分析以及能源催化等领域的研究提供了测量新工具。
《单个体电分析》专辑（2024年第10期和第11期）汇集了在国内外单个体电分析领域具有丰富研究经验团队的前沿成果，共刊载了5篇论文，包括2篇综述论文和3篇研究论文。专辑涵盖了系列创新性工作，如Au@WS2纳米电极上单个纳米气泡的形成分析、用于单个细胞精确递送的纳米孔道电化学技术、金属有机框架功能化的固态纳米通道对锶离子的高灵敏检测、基于铂纳米粒子的碰撞电化学用于乳腺癌MCF-7细胞的快速检测以及液-液界面单个体碰撞电化学研究等。愿借此专辑，为读者了解和深入开展单个体电分析领域的研究提供参考。
我们衷心感谢为本专辑撰稿的研究者们的大力支持和贡献，并对审稿人和编辑部老师们的无私付出和辛勤劳动表示诚挚的感谢！
利用金纳米盘电极的极小尺寸（Au NEs，半径小于50 nm），研究了在纳米电极表面产生的单个氢纳米气泡，以评价其析氢性能。我们研究了Au NEs在不同浓度硫酸中的电化学行为，结果表明CV的形状随着硫酸浓度的增加从S型波逐渐变为峰型波。根据纳米气泡的形成机理，得出了产生单个纳米气泡的最小硫酸浓度，表明此时氢气在电极表面达到了临界过饱和，产生了单个纳米气泡和电化学峰型响应。并通过微动力学模型评价了金纳米电极和金@二硫化钨量子点纳米电极（Au@WS2 NEs）的析氢反应（HER）活性。结果表明，在Au NEs表面的临界溶解氢气浓度约为0.4 mol·L-1，相当于室温和大气压下溶于水中氢气过饱和度的500倍。此外，通过对单个纳米气泡形成前的电流强度的微动力学分析，发现Au@WS2 NEs和Au NEs析氢反应的决速步骤分别为Heyrovsky step和Volmer step，Au@WS2 NEs决速步的标准速率常数（k0）约为Au NEs的12倍，表明Au@WS2 NEs具有更高的HER活性。随着HER活性的增加，气泡形成电位转向更正的电位。这项工作利用极小尺寸的纳米电极甚至包括分子尺寸的纳米电极对其表面产生的单个氢纳米气泡进行研究，为纳米气泡电化学研究提供了基础，并为后续基于气泡的应用提供了新的思路，可以帮助我们设计和筛选应用于基础电化学、电催化和能源相关领域的新型纳米材料，特别是在单个实体水平上。
锶-90是一种高放射性同位素，在食物链和骨骼结构中积累，对人类健康构成重大风险。在复杂的环境水样中，迫切需要一种高灵敏的锶-90检测策略。在这里，金属有机框架（metal organic frameworks）和特异性适配体修饰的固态纳米通道被设计用于高灵敏度的Sr2+检测。MOF导致的纳米通道有效孔径减小与适配体对Sr2+的特异性结合之间的协同作用放大了离子电流信号的差异，显著提高了检测灵敏度。MOF修饰的纳米通道对Sr2+表现出高灵敏度的检测，检测限（LOD）低至0.03 nmol·L-1，没有修饰MOF纳米片的AAO的LOD仅为1000 nmol·L-1。结果表明，MOF修饰的纳米通道对Sr2+的检测限LOD比未修饰MOF的纳米通道高约33,000倍，仿真模拟计算结果与这一实验趋势完全吻合。此外，加标回收实验实现了对各种水样中Sr2+的高度可靠性检测，回收率在94.00%至118.70%之间，变异系数低至2.89%至9.35%之间。APT/MOF/AAO传感系统在真实水样中表现出高回收率和低变异性，凸显了其在此类环境中的强大检测能力。这项研究为快速发展的先进纳米通道传感器领域及其在分析复杂样品方面包括环境污染物检测、食品分析、医疗诊断等的各种应用提供了宝贵的见解。
癌症转移是全球癌症患者的主要死因，也是治疗癌症的主要挑战之一。循环肿瘤细胞（CTCs）在癌症转移过程中起着核心作用。但是，CTCs在外周血中的含量极少，在实际样本中检测CTCs极具挑战性，故高效富集和早期检测CTCs对于及时诊断疾病至关重要。本工作利用免疫磁分离技术和脂质体信号放大策略构建了一种创新的、精密的用于检测MCF-7细胞（人类乳腺癌细胞）的SNCE生物传感器。以包埋铂纳米颗粒（Pt NPs）的脂质体为信号探针，以自制的金超微电极（Au UME）为工作电极。Pt NPs与UME的每次有效碰撞都会产生可区分的阶梯型电流。根据细胞浓度与碰撞频率（单位时间内阶梯型电流数量）之间的关系，对MCF-7细胞进行了精确定量，实现了对MCF-7细胞的高灵敏度和特异性检测。该SNCE生物传感器线性范围为10 cells·mL-1至105 cells·mL-1，检测限低至5 cells·mL-1。此外，在复杂样本中成功检测到MCF-7细胞，表面SNCE生物传感器在患者样本检测方面具有巨大潜力。
水系超级电容器具有快速充放电特性，已经成为一种重要的电化学储能器件。然而，它们的应用受到了较窄电压窗口的制约。尽管近年来盐包水（WIS）电解质的设计已显著克服了这一应用缺陷，但工作电压窗口高达2.5 V的WIS体系仍然非常稀缺。为了丰富超级电容器所用高压水系电解质的类型，本文基于三氟甲烷磺酸四甲基铵盐（TMAOTf）的电化学惰性，报道了一种由TMAOTf、双三氟甲基磺酸亚酰胺锂（LiTFSI）、水（H2O）和乙腈（ACN）组成的TMAOTf基杂化电解质，鉴于ACN对自由水的配位效应、Li+的溶剂化效应以及TFSI-的化学惰性，TMAOTf基杂化电解质展现出优良的非燃特性，且其电化学稳定窗口（3.35 V）远比目前所报道经典WIS电解质的要宽。进一步将这种杂化电解质与商业活性炭电极（YP-50F）所匹配，所构筑的水系超级电容器能够输出宽的工作电压窗口（2.5 V）、高的倍率性能（10A·g-1下的容量保持率为80%）、长的循环寿命（45,000次循环）和优异的低温性能（-20 oC下循环2000次的容量保留率为99.99%），克服了水系超级电容器电压窗口与循环寿命的冲突。因此，这种TMAOTf基复合水系电解质的设计不仅丰富了具有长循环寿命和高工作电压窗口水系超级电容器的类型，也证明了电解质杂化策略对构筑高性能储能器件的有效性，为碳中和目标的实现蓄势赋能。
基于纳米移液管的电化学扫描探针技术是一种多功能非接触成像工具,并被广泛应用于生物学研究。除了一般的表面形貌成像研究外，它在局部递送生物活性分子方面的潜力也逐渐显现。在这篇简短综述中，我们介绍了这种技术在单细胞研究中的应用，特别是局部递送。我们总结并比较了三种递送模式的工作原理，包括阻抗脉冲、压力驱动和电渗流驱动递送，还回顾了这些模式在单细胞研究中的应用。此外，本文还讨论了基于扫描离子电导显微镜的递送技术所面临的技术挑战及其在医学和药理学研究中日益增长的影响力。
单颗粒碰撞电化学通过溶液中颗粒与电极的随机碰撞，以单颗粒分辨率直接表征实体/颗粒，获得丰富的物理化学信息，成为近二十年来电分析化学的前沿之一。有趣的是，（微/纳米级）传感电极从可极化的液/液（汞/液）界面发展到固/液界面，再到液/液界面（即两互不相溶电解质溶液界面，ITIES），仿佛完成了一个循环（但实际上并没有）。ITIES凭借其可极化性（在水/α,α,α-三氟甲苯界面处高达1.1 V的电势窗口）和高重现性，已成为蓬勃发展的SECE中最新的传感电极。SECE在固/液界面发展起来的四种测量模式（直接电解、介导电解、电流屏蔽和电荷置换）也在微型ITIES上得到了充分实现。本文将从基本概念、运行机制和最新进展（例如离子体的发现、法拉第离子转移的屏蔽效应等）的角度讨论ITIES中的这四种模式，并展望这一新兴领域未来的发展方向。
诱导经典强金属-载体相互作用（SMSI）是一种提高负载型金属催化剂性能的有效途径，这指的是载体包覆金属纳米颗粒的结构重构效应。传统的SMSI诱导方式是热还原方法，但这过程中往往伴随着会损害催化活性的金属纳米颗粒的长大过程。为了解决这一问题，本研究开发了一种温和的电化学方法来诱导SMSI，并在核壳结构CNT@SnO2载体上负载的Pt纳米颗粒催化剂中进行了验证。高分辨透射电镜（HRTEM）和电化学测试结果证实了电化学诱导方法成功在Pt纳米颗粒表面构建了SnOx包覆层。这种SnOx包覆层可以保护Pt纳米颗粒在氢氧化反应（HOR）中不受CO杂质的毒害。实验显示，当H2中混入10000 ppm浓度的CO时，E-Pt-CNT@SnO2的HOR电流密度经过2000 s后仍能保持85%，而商用Pt/C在相同条件条件下工作300 s则完全失活。此外，SnOx包覆层与Pt纳米颗粒之间存在电子相互作用，这导致电荷从载体迁移到Pt纳米颗粒上，并在远离界面处聚集。这种电荷转移降低了Pt对H中间体的吸附能，提高了E-Pt-CNT@SnO2的HOR活性，催化剂的交换电流密度为1.55 A·mgPt-1，是商业Pt/C的1.3倍。原位拉曼光谱和理论计算结果表明，电化学诱导SMSI的关键因素是Pt纳米颗粒对Sn-O键强度的减弱。此外，Pt纳米颗粒对载体不同区域的Sn-O键强度的弱化存在差异，其中表面Sn原子与内部O原子之间的键强度弱于Sn原子与表面O原子之间的键强度，这促进了SnOx团簇的形成和迁移。
使用陶瓷电解质的全固态锂离子电池（LIBs）被认为是理想的可充电电池形式，因为它们具有高能量密度和安全性。然而，在追求全固态LIBs的过程中，锂资源层面的问题往往被选择性的忽视了。最具实用化潜力的富锂陶瓷电解质会使得全固态LIBs的锂消耗量是常规LIBs的数倍至数十倍。考虑到以当前的锂资源条件很难支撑全固态锂离子电池的可持续发展，另一种同样能够提供高能量密度和安全性双重优势的系统——全固态钠离子电池（SIBs），相比于锂离子电池具有更显著的可持续性优势，并有可能成为下一代高能量密度电池发展竞赛中的有力竞争者。然而，目前关于全固态钠离子电池的研究依然处于十分初步的阶段，本文简要介绍了全固态SIBs的研究现状，并通过对聚合物类材料，钠超离子导体（NASICON）类材料等固态钠离子导体的总结讨论，解释了全固态SIBs的可行性与潜在优势的来源。此外，本文还简要讨论了通过人工智能辅助开发固态钠离子导体的可行性，旨在激发研究人员的兴趣并吸引更多人关注到全固态SIBs这一领域中。
能源需求的持续增长和环境污染的加剧构成了亟待解决的主要挑战。开发和利用风能和太阳能等可再生、可持续的清洁能源至关重要。然而，这些间歇性能源的不稳定性使得对储能系统的需求日益迫切。水系锌离子电池（AZIBs）因其独特优势，如高能量密度、成本效益、环保性和安全性，受到广泛关注。然而，AZIBs面临着重大挑战，主要是锌枝晶的形成严重影响了电池的稳定性和寿命，导致电池失效。因此，减少锌枝晶的形成对于提高 AZIBs 的性能至关重要。本综述系统而全面地梳理了当前抑制锌枝晶形成的策略和进展。通过综合分析锌阳极、电解质、隔膜设计和改性以及其他新机制的最新发展，为研究人员提供一个透彻的理解，以指导未来的研究，推动水性锌离子电池技术的发展。
