Nano Res.[催化]│罗浪里、刘璐、潘原等纳米催化研究进展

一、中国石油大学（华东）潘原综述：单原子催化剂的结构调控用于提高挥发性有机化合物的催化氧化性能

背景介绍

随着工业化进程的加快，挥发有机化合物（VOCs）的排放量急剧增加，不仅导致了一系列环境问题，同时也对人类身体健康造成了严重的威胁。开发高效、可行的低成本VOCs减排方法是一个急需解决的问题。目前，催化氧化VOCs引起了广泛的关注。该技术通过在较低的污染物浓度下，将VOCs完全氧化为CO₂和H₂O，成本低，且二次污染物排放较少，具有很大的发展前景。然而，在催化氧化中，VOCs的反应速度主要取决于催化剂，而氧化过程所需要的高温会导致催化中毒、失活。因此，设计合成具有高活性、高稳定性、低成本的催化剂对于催化氧化VOCs技术的发展至关重要。单原子催化剂（SACs）具有100%的原子利用率，活性位点分散均匀，在提高催化活性和降低反应温度方面表现优异，具有良好的应用前景。然而，SACs的微观结构对其催化性能有很大影响，且控制其催化性能的关键因素尚不清楚。因此，通过精准调控SACs微观结构，提高催化剂性能，以实现更低温度的VOCs深度氧化，具有重要的理论和现实意义。

成果简介

本文首先介绍了VOCs的氧化动力学模型和机理，系统地回顾了近年来SACs在VOCs催化氧化领域的研究现状。从上述研究进展来看，SACs由于其100%原子利用率和均一的活性位点，表现出优异的催化性能，在VOCs催化氧化领域具有良好的发展前景。其次，本文讨论了提高催化VOCs氧化活性的多种结构调控手段，包括形貌修饰、调节金属载体间相互作用、电子价态调控、载体调控、活性中心配位数调控、单原子和氧化物的界面调控等。了解不同调控手段对SACs性能提升的机理，可以为设计开发更为高效的催化氧化VOCs单原子催化剂提供参考。最后，本文总结了SACs在催化氧化VOCs领域尚未解决的问题和面临的挑战，并提出了今后SACs的设计思路和发展前景。

作者简介

潘原，副教授，泰山学者青年专家，山东省优青。从事绿色能源催化领域研究，主要围绕石油化工过程中单原子催化剂的精准构建与调控为核心，探索催化剂原子结构和反应性能之间的构效关系，强化分子在催化剂上的选择活化和定向转化，实现能源与资源高效利用和化工过程的绿色化。以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Matter、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等期刊发表论文67篇，他引6600余次，单篇最高他引1000余次，H指数36。曾获中国青少年科技创新奖、中国百篇最具影响国际学术论文、青岛市自然科学二等奖（1/5）、中国化工学会基础研究成果二等奖（1/6）、侯德榜化工科技青年奖。担任中国可再生能源学会青年委员、山东省青年科学家协会会员、山东省高层次人才发展促进会会员、《Nano Research Energy》《中国石油大学学报》青年编委等学术兼职。

F. Jiang, Z. Zhou, C. Zhang, et al. Structural regulation of single-atom catalysts for enhanced catalytic oxidation performance of volatile organic compounds. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4905-2.

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二、南开大学刘璐课题组——用于海水分解中析氧催化的层状过渡金属氢化物/碳酸氢盐异质结构上的活性位点工程

背景介绍

氢气是一种能量密度高、能量转换效率高、零碳排放的新能源。它是解决环境和能源问题的理想燃料。在各种制氢技术中，电化学水分解已被开发为连续高效获取氢气的最有希望的途径。然而，目前大多数电解水系统使用纯水作为电解质，但是受到淡水资源稀缺的限制。与淡水电解相比，海水电解的发展具有三大显着优势：第一，地球上97%的水资源是海水资源；第二，海水类似于0.5M氯化钠水溶液，具有较高的离子电导率；第三，将海水直接电解槽和燃料电池相结合，可以将氢气转化为电能和水，这也是一种很有前景的海水淡化技术。海水电解目前面临两个主要挑战。一方面，阳极上的OER作为制约电化学水分解效率的主要半反应，无疑也是制约海水电解发展的主要瓶颈。另一方面，海水含有高浓度的氯离子，会在阳极氧化过程中严重损坏电极材料，同时还会与水分解阳极的OER反应竞争。因此，开发高活性、坚固且耐氯的OER电极对于海水电解至关重要。

成果简介

本研究通过简单的溶剂热法合成了一系列FeOOH/Ni(HCO₃)₂异质结构催化剂，并通过简单地调整FeOOH的量来调整催化剂的形貌和性能。样品中的Ni/Fe含量用火焰原子吸收光谱仪确定，然后根据铁的含量对催化剂进行命名。其中，FeOOH_0.60/Ni(HCO₃)₂的OER性能最好，远远超过RuO₂和单体催化剂。具体来说，FeOOH_0.60/Ni(HCO₃)₂在1 M KOH 中只需要216 mV的低过电势就能达到10 mA cm^-2的电流密度。更重要的是，其在碱性天然海水电解质中10 mA·cm⁻²时的过电位仅为251 mV，并且在100 mA·cm⁻²的电流密度下可以稳定运行超过96小时。其优异的OER性能归因于FeOOH和Ni(HCO₃)₂在异质结构形成后的协同效应，异质界面之间电子结构的改变以及合适的分层纳米片形态产生的大量活性位点。本工作研究的催化剂在天然海水电解质中具有良好的OER性能和稳定性，可用于制氢和工业海水淡化。

图文导读

图1.样品的制备过程示意图和形貌表征。

图2.催化剂在1M KOH中的电化学测试。

图3.催化剂在不同电解质中的LSV、全解水测试以及稳定性测试。

图4. 稳定性测试前后的形貌表征和XPS光谱。

作者简介

刘璐，南开大学环境科学与工程学院教授。主要研究方向为：纳米材料的合成及其在催化、能源、毒理等领域的研究。J.Phy.Chem.B, J.Phy.Chem.C, Chem.Mater, E.S&T，Langmuir等杂志的审稿人。2013年获得教育部自然科学奖一等奖（第三完成人），2015年获得天津市自然科学奖二等奖（第三完成人），在Nano Lett, E. S&T, J. Mater. Chem. A, Small, Applied Catalysis B: Environmental 等国际期刊上发表论文140余篇。Email：[e-mail]。

M. Lin, Y. Yang, Y. Song, et al. Engineering active sites on hierarchical transition bimetal oxyhydride/bicarbonate heterostructure for oxygen evolution catalysis in seawater splitting. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4920-3.

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三、天津大学罗浪里教授课题组：铜金合金相分离程度影响CuAu/C电催化剂的CO₂还原性能

背景介绍

合金纳米材料由于其良好的协同效应以及成本效益，在热催化以及电催化等领域得到了广泛的应用。合金材料所具有得可调的化学组成和电子结构对催化反应的过程有着非常重要的影响。比如，在CO₂电化学还原领域，合金纳米催化剂由于可以提高CO₂电还原反应的活性、选择性和稳定性而受到了广泛关注。对宏观尺度的合金材料而言，材料的合金化产生了丰富的物理或化学性质变化。而当合金材料的尺寸缩小到纳米尺度时，除了其化学组成以外，材料的结构、物相及界面都将对材料的催化性能产生重要影响。比如，CuAu纳米颗粒的相分离和表面氧化现象都将对材料的电催化活性产生影响；同时，合金纳米电催化剂在电化学条件下发生的显著的结构和化学变化使其结构-性能关系更加复杂。因此，对电化学反应中纳米合金结构（相、界面和化学组成）的研究显得尤为重要。

成果简介

天津大学罗浪里教授课题组以石墨烯（Gr）和碳纳米管（CNT）负载的CuAu合金纳米颗粒作为模型电催化剂，评估了热氧化造成的CuAu合金的相分离对电催化CO₂还原性能的影响。在经历相同的热退火条件后，作者对两种样品进行了电催化CO₂还原性能测试，发现热退火使CuAu/Gr以及CuAu/CNT样品在CO₂电催化还原反应中对CO的选择性的趋势变化相反。通过详细的结构和化学分析表明，在热退火条件下，Cu的表面氧化形成CuO_x，驱使铜原子从CuAu合金中分离。在相分离过程中，不同的相分离程度会对还原产物的选择性产生影响。比如，CuO_x与Au纳米颗粒的紧密接触可以提高CO选择性，而CuO_x与Au纳米颗粒空间完全分离则会导致CO选择性降低。这些结果为多元素合金纳米材料微观尺度的物相调控在电化学CO₂还原中的应用提供了深入的见解。

图文导读

图1. CuAu/Gr以及CuAu/CNTs的形貌与尺寸。

图2. CuAu/Gr和CuAu/CNTs热处理后的相分离现象。

图3. CuAu NPs原子尺度相分析。(a-b) 最初的CuAu NPs的HRTEM图；(c) b图中纳米颗粒的FFT图像；(d-e) 热处理后负载在CNT上的CuAu NPs的HRTEM图；(f) 图e的FFT图；(g-i) 热处理后负载在三维石墨烯上的CuAu NPs的HRTEM图。

图4. CuAu/Gr以及CuAu/CNTs的CO₂电化学还原性能。

作者简介

罗浪里，天津大学分子+研究院，教授，博士生导师。于纽约州立大学宾汉顿分校获得材料科学与工程博士学位（2007-2012），先后在美国西北大学（2013-2014）、美国能源部西北太平洋国家实验室（2014-2018）从事研究工作。

目前主要研究方向为能源材料应用机理研究。在原子尺度原位表征，金属氧化机理、锂电池电化学反应机理以及异相催化过程与机理等方向取得了一流成果，以第一/通讯作者在Nature Materials, Nature Nanotechnology, PNAS, Physical Review Letters, JACS, Angewandte Chemie, Nano Letters, ACS Nano, ACS Catalysis, Nano Energy等刊物发表文章20余篇，总共发表论文60余篇。回国建立课题组后，主要工作在Physical Review Letters, JACS、Angewandte Chemie、Science Advances以及Nano Energy上发表。

Y. Guan, Y. Liu, Q. Ren, et al. Oxidation-induced phase separation of carbon-supported CuAu nanoparticles for electrochemical reduction of CO₂. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4935-9.

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