1. 共价有机骨架的单晶 x 射线衍射结构表征
（Single-crystal x-ray diffraction structures of covalent organic frameworks）
材料名称：大型单晶三维亚胺基 COF
研究团队：美国加州大学伯克利分校 Omar M. Yaghi 研究组
结晶问题是多孔共价有机骨架（COF）化学中的突出挑战。它们的结构表征仅限于基于粉末 X 射线或电子衍射数据的建模和解决方案。还尚未有适合于 X 射线衍射表征的 COF 单晶的报道。Ma 等人开发了一种生长大型单晶三维亚胺基 COF（COF-300、水合形式的 COF-300、COF-303、LZU-79 以及 LZU-111）的通用步骤。高质量的晶体使得能够收集高达 0.83 埃分辨率的单晶 X 射线衍射数据，从而产生明确的解决方案和精确的各向异性细化。诸如相互渗透程度，水合形式中水的排列，反向亚胺连接性，连接无序和罕见拓扑结构等特征都得到了原子精度（这方面没有单晶体无法确定）的一一揭秘。（Science DOI: 10.1126/science.aat7679）
2. 单晶二维共价有机骨架的晶种生长
（Seeded growth of single-crystal two-dimensional covalent organic frameworks）
材料名称：二维共价有机骨架
研究团队：美国西北大学 William R. Dichtel 研究组
将单体聚合成周期性二维网络，提供了结构上精确的分层大分子片，且其能表现出所需的机械、光电和分子传输性质。合成二维共价有机骨架（2D COF）方法一般是基于单体聚合，但通常容易得到包含聚集纳米级微晶的分散粉末。Evans 等人发现可以使用两步法控制 2D COF 的形成，其中将单体缓慢加入预制的纳米颗粒晶种中。得到的 2D COF 被分离为单晶微米化颗粒。相对于多晶粉末样品，分散的 COF 纳米颗粒的瞬态吸收光谱显示信号质量改善了两到三个数量级，并且表明了激子扩散尺度比此前方法更长。这些发现使得对合成二维聚合物结构和性质的广泛探索成为了可能。（Science DOI: 10.1126/science.aar7883）
3. 对金刚石中非环境敏感固态自旋缺陷的观测
（Observation of an environmentally insensitive solid-state spin defect in diamond）
材料名称：金刚石
研究团队：美国普林斯顿大学 Nathalie P. de Leon 研究组
设计操纵相干系统是量子科学的核心目标。金刚石中的色心是一种很有前景的方法，它具有将原子的相干性与固态平台的可扩展性结合起来的潜力。Rose 等人报导了一种对声子和电场噪声引起的环境退相干不敏感的色心：硅空位的中性电荷状态（SiV0）。通过精心的材料工程设计，实现了注入硅到 SiV0 超过 80％ 的转换率。SiV0 表现出了接近 1 分钟的自旋晶格弛豫时间和接近 1 秒的相干时间。其光学特性非常好，其约 90％ 的发射进入了零声子线和近变换限制的光学线宽。这些组合特性使 SiV0 成为了一种用于量子网络应用的很有前景的缺陷。（Science DOI: 10.1126/science.aao0290）
4. 一种用于电网储能的中温石榴石型基于固体电解质的熔融锂电池
（An intermediate temperature garnet-type solid electrolyte-based molten lithium battery for grid energy storage）
材料名称：石榴石型固体电解质熔融锂电池
研究团队：中国清华大学伍晖研究组和斯坦福大学崔屹研究组
电池是一种极具吸引力的电网储能技术，但是具有电网所需功能（具有大功率容量、高安全性和低成本）的可靠电池系统仍未出现。Jin 等人报告了一种由熔融锂阳极、熔融 Sn-Pb 或 Bi-Pb 合金阴极以及石榴石型 Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZTO）固体电解质管构成的基于固体电解质的熔融锂电池。并表明，组装的 Li||LLZTO||Sn-Pb 和 Li||LLZTO||Bi-Pb 电池可以在分别在 50 mA·cm-2 和 100 mA·cm-2 电流密度下在 240℃ 的中间温度下稳定循环约一个月，并几乎没有容量衰减，平均库仑效率达 99.98％。此外，电池具有大功率容量，Li||LLZTO||Sn-Pb 的电流密度高达 300 mA·cm-2（90 mW·cm-2），Li||LLZTO||Bi-Pb 的电流密度高达 500 mA·cm-2（175 mW·cm-2）。这一设计为工作在中间温度、高安全系数和低资本和维护成本的电网储能提供了前景。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0198-9）
5. 通过对光催化 Cu2O 颗粒中的不对称照射进行电荷分离
（Charge separation via asymmetric illumination in photocatalytic Cu2O particles）
材料名称：Cu2O
研究团队：中国科学院大连化学物理研究所范峰滔和李灿研究组
太阳能驱动的光催化反应为可持续燃料提供了一种可能的途径。而这些过程都依赖于光生电荷的有效分离，因此理解和探索电荷分离的驱动力是提高光催化性能的关键。 Chen 等人利用表面光电压显微镜，证实了可以通过不对称光照射高对称性 Cu2O 光催化剂颗粒使光生电荷有效分离。空穴和电子分别转移到了单个光催化粒子的照射区域和阴影区域。定量结果表明，电子和空穴迁移率之间的内在差异使得扩散控制的电荷分离过程能够强于传统内建电场（40 mV 对 10 mV）。基于这些发现，Chen 等人在单个光催化粒子上对空间分离的氧化还原助催化剂进行了组装，通过这一做法，将典型光催化反应的性能提高了 300％。这些发现突出强调了电荷迁移率差异引起的驱动力以及在光催化中利用不对称光照射进行电荷分离。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0194-0）
6. 利用密度泛函理论和统计学习确定单金属原子和氧化物载体之间的相互作用趋势
（Interaction trends between single metal atoms and oxide supports identified with density functional theory and statistical learning）
材料名称：单金属原子及氧化物载体
研究团队：美国宾夕法尼亚大学 Michael J. Janik 和 Thomas P. Senftle 研究组
单原子催化剂提供了高反应性和选择性，同时最大限度地利用了昂贵的活性金属组分。 但是它们易烧结，其中的单个金属原子会聚集成热力学稳定的簇。对于防止烧结来说，调节单个金属原子和氧化物载体之间的结合强度是至关重要的。O’Connor 等人应用密度泛函理论以及基于最小绝对收缩和选择算子回归的统计学习方法，来识别预测单个金属原子和氧化物载体之间的相互作用强度的性质描述符。并展示了界面结合是与负载金属（例如通过氧化物形成能进行测量的亲氧性）和载体（例如通过氧空位形成能进行测量的还原性）的物理性质相关的。这些性质可用于凭经验筛选金属-载体对之间的相互作用强度，从而有助于设计对抗烧结稳固的单原子催化剂。（Nature Catalysis DOI: 10.1038/s41929-018-0094-5）
7. 对透过基于分层石墨烯的纳米多孔膜的离子扩散的低压静电调节
（Low-voltage electrostatic modulation of ion diffusion through layered graphene-based nanoporous membranes）
材料名称：基于分层石墨烯的纳米多孔膜
研究团队：澳大利亚墨尔本大学 Jefferson Zhe Liu 和 Dan Li 研究组
纳米局限中的离子传输与体材料中的离子传输是不同的，并且纳米局限中的离子传输已经在科学和工程学科中进行了广泛的研究。对于纳米多孔材料的诸多能量和水应用，在浓度驱动的离子扩散的同时还经受由表面电荷或外部施加的电势引起的局部电场。 由于在严重的纳米限制（<2nm）下具有独特的拥挤分子间力，离子的传输行为会受到由表面电位诱导的界面电双层（EDL）的影响，具有复杂的含义，并产生特殊的离子动力学。然而，研究这种表面电位及其与纳米局限的耦合是如何操纵离子扩散的，在实验上仍然是一个挑战。Cheng 等人利用基于层状石墨烯的纳米多孔膜中的可调节纳米局限结构，展示了低于 2nm 的受限离子扩散可以被表面电位诱导的 EDL 大幅调节。根据电势标志，离子对的组合和浓度、扩散速率都可以被可逆地调制，并且在 0.5 伏内增强 4~7 倍，盐浓度梯度直跨海水盐度。建模表明了这种异常增强的扩散与严重纳米局限下的强离子相关性有关，且不能用传统的理论预测来解释。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0181-4）
8. 高摩尔比非燃电解液用于锂离子和锂金属二次电池
（Non-flammable electrolytes with high salt-to-solvent ratios for Li-ion and Li-metal batteries）
材料名称：非燃磷酸酯电解液
研究团队：美国太平洋西北国家实验室刘俊研究组
不易燃的电解质本质上可以消除火 灾危险并提高电池安全性，但是由于阳极表面的强催化活性，它们与电极材料尤其是石墨阳极的相容性仍然是一个障碍。Zeng 等人报导了一种通过调节 Li 盐与溶剂的摩尔比来改善非易燃磷酸酯电解液稳定性的方法。在高 Li 盐-溶剂摩尔比（约 1：2）下，磷酸酯溶剂分子大部分与 Li+ 阳离子络合，并且可以有效地抑制溶剂分子对石墨阳极的反应性。具有这些电解质的商业 18650 锂离子电池也已被证明了，具有高循环库仑效率（99.7％）、良好的循环寿命和安全性。 此外，这些不易燃的电解质对 Li-金属电极的反应性相对降低了。并证明了在 Li-Cu 半电池中的非枝晶的 Li-金属电镀和剥离具有高库仑效率（>99％）和良好的稳定性。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0196-y）
