谢毅、木士春、董全峰、孙学良、赵东元、郑南峰、熊宇杰、袁忠勇教授等催化研究最新成果速览

1. 中国科学技术大学谢毅院士Chem. Soc. Rev.: 超薄2D光催化剂用于CO₂光还原的基础和挑战

光催化二氧化碳还原目前存在光转化效率低、产物选择性差等问题。超薄二维材料具有高密度和均匀的活性中心，因此可以作为理想的模型以决定二氧化碳还原的光转化效率和产物选择性。在本文中，中国科学技术大学谢毅院士、孙永福教授课题组综述了具有缺陷能级和中间带的超薄二维半导体以及具有特殊部分占据带的导体实现在扩展吸收光谱范围上的突破，讨论了具有缺陷态、表面极化态和内建电场的超薄二维半导体对载流子分离效率的提高。此外，作者还回顾了超薄二维半导体在平面内异质结构、孤立单原子和丰富低配位双金属位诱导的加速氧化还原反应动力学。最后，作者对如何利用具有双重或多重活性中心的超薄二维材料将二氧化碳高选择性和高效率地光催化转化为C₂₊产物进行了展望。                           

Xingchen Jiao, Kai Zheng, Liang Liang, Xiaodong Li, Yongfu Sun and Yi Xie. Fundamentals and challenges of ultrathin 2D photocatalysts in boosting CO₂ photoreduction. Chem. Soc. Rev. 2020. DOI:10.1039/D0CS00332H

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https://doi.org/10.1039/D0CS00332H

2. 武汉理工大学木士春教授ACS Energy Lett.：离子热制备纯相RuB₂用于酸性介质高效析氧和水裂解

开发在酸性介质中高效、稳定的析氧反应(OER)催化剂目前仍然是一个巨大的挑战。在本文中，武汉理工大学木士春教授课题组首次报道了以氯化钾和氯化锂熔融盐为溶剂合成出相纯RuB₂。在0.5 M硫酸介质中，所制备出的RuB₂作为OER催化剂仅需223 mV的过电位即可达到10 mA cm^-2的电流密度，这是迄今报道的Ir/Ru基酸性OER催化剂过电位的最小值。更重要的是，在酸性水裂解反应中，RuB₂表现出优异的催化活性和稳定性，它只需要1.525 V的电压即可满足10 mA cm^-2的电流密度，比酸性电解质中报道的大多数双功能电催化剂都要高。通过理论计算结果进一步证实，*OOH中间体的形成为速率决定步骤(RDS)，该步骤在RuB₂催化剂上的势垒较低，因此显著提高了OER活性。此外，该工作代表了有重大意义的过渡金属硼化物在酸性介质中高效催化OER转化的研究。

Ding Chen, Tingting Liu, Pengyan Wang, Jiahuan Zhao, Chengtian Zhang, Ruilin Cheng, Wenqiang Li, Pengxia Ji, Zonghua Pu, Shichun Mu. Ionothermal Route to Phase-Pure RuB₂ Catalysts for Efficient Oxygen Evolution and Water Splitting in Acid Media. ACS Energy Lett. 2020.DOI:10.1021/acsenergylett.0c01384

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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c01384

3. 厦门大学董全峰教授Adv. Energy Mater.: 双位点催化剂耦合LiO₂中间产物促进可逆O₂转化用于Li‐O₂电池

对于Li‐O₂电池而言，放电时O₂还原为固态Li₂O₂和充电时Li₂O₂再氧化为O₂的可逆性是决定其性能的重要过程。设计具有良好Li₂O₂生成/分解机理的高效催化剂，对于开发高性能的Li‐O₂电池至关重要。在本文中，厦门大学董全峰教授、郑明森教授课题组首次报道了一种具有高度O₂转化可逆性的碘代甲苯(PhIO)催化剂。得益于其优异的捕获及耦合LiO₂中间产物能力，极化的I³⁺=O²⁻键中的I原子和O原子可可分别作为Lewis酸性位点和碱性位点(双位点)与O²⁻和Li⁺相互作用。通过单电子途径可以有效地促进Li₂O₂的形成和分解，从而大大改善电极表面的钝化问题和反应动力学。此外，传统高活性的LiO₂中间产物所引起的副反应也可以通过形成一系列低反应性中间体(LiO₂-3PhIO,(LiO₂)₂-4PhIO和Li₂O₂-4PhIO)来有效抑制。因此，PhIO催化的Li–O₂电池表现出低过电位、高容量和优异的循环稳定性。

Xiaodong Lin, Zongqiang Sun, Chun Tang, Yuhao Hong, Pan Xu, Xueyang Cui, Ruming Yuan, Zhiyou Zhou, Mingsen Zheng, Quanfeng Dong. Highly Reversible O₂ Conversions by Coupling LiO₂ Intermediate through a Dual‐Site Catalyst in Li‐O₂ Batteries. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202001592

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4. 西安大略大学孙学良院士Adv. Energy Mater.：MOF衍生单原子催化剂用于电化学反应最新进展

电催化在清洁能源转化中起着至关重要的作用，使未来的可持续技术有了很大的改善，由金属有机骨架(MOF)衍生的单原子催化剂(SACs)是一种在电化学反应中的新兴催化材料。SACs具有独特的电子结构、低配位环境、量子尺寸效应和金属-载体相互作用等优点，有望在清洁能源转化领域提高电催化活性、稳定性和选择性。在本文中，西安大略大学孙学良院士联合深圳大学骆静利院士等课题组系统地综述了MOF衍生SAC的合成路线及其各自的合成机理，并详细讨论了每种策略的典型实例，随后总结了密度泛函理论(DFT)计算在理解SACs的孤立空间分布、局域电子结构、配位环境以及稳定机制等方面的最新进展。此外，作者重点介绍了MOF衍生SACs几种重要的电催化应用和电催化机理，包括在氧还原反应、CO₂还原反应、氮气还原反应、析氢反应、析氧反应等多个应用领域。最后，为促进高性能SAC的进一步发展，作者提出了若干技术挑战和相应的研究方向。

Zhongxin Song, Lei Zhang, Kieran Doyle-Davis, Xianzhu Fu, Jing-Li Luo, Xueliang Sun. Recent Advances in MOF‐Derived Single Atom Catalysts for Electrochemical Applications. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202001561

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https://doi.org/10.1002/aenm.202001561

5. 复旦大学赵东元院士Adv. Energy Mater.: 介孔材料用于电化学储能和转换

开发高性能的电极材料是下一代能量转换和储存系统的迫切需求。介孔材料由于具有独特的结构特性，在获得高能量/功率密度、长寿命、增加界面反应活性和增强动力学的高性能电极方面显示出巨大的潜力。在本文中，复旦大学赵东元院士、李伟教授课题组综述了介孔材料在电化学能量转换和储存装置中的应用。作者介绍了介孔材料的合成、结构、性能及其在可充电电池、超级电容器、燃料电池和电解池中的应用性能，为高性能介孔电极的制备提供了实用的细节和启发性的意见。最后，作者对介孔材料在未来能量转换与储存器件发展中的研究挑战与展望作了总结。

Lianhai Zu, Wei Zhang, Longbing Qu, Liangliang Liu, Wei Li, Aibing Yu, Dongyuan Zhao. Mesoporous Materials for Electrochemical Energy Storage and Conversion. Adv. Energy Mater. 2020, DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119419

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6. 厦门大学郑南峰教授Chem. Rev.: 原子级分散金属催化剂的表面配位化学

具有原子级分散的金属催化剂(ADCs)作为一种新兴的多相催化剂，近二十年来得到了广泛的研究。催化金属中心的原子分散性质使其成为连接均相和非均相金属催化剂的理想体系。近年来，随着新型合成方法的迅速发展，使金属原子可分布在不同化学成分和性质的载体上，因此导致了ADCs的爆炸式研究。各种ADCs的开发为在原子水平上研究复杂的多相催化机理提供了一个强大的材料平台。在本文中，考虑到ADCs上的分散型金属原子都是与载体进行配位的，厦门大学郑南峰教授课题组系统地阐述了表面配位化学对ADCs催化性能的影响。本文从配位化学与多相催化之间的联系入手，简要介绍了常用的结构表征方法在确定ADCs配位结构方面的优缺点，并对ADCs在不同载体上的表面配位化学进行了讨论。作者在文中主要说明了不同载体上的局部和邻近配位物种如何与分散金属中心一起作用来共同决定ADCs的催化活性、选择性和稳定性。在重点介绍ADCs于催化过程中动态配位结构变化的基础上，作者提供了个人对ADCs领域进一步发展的观点。

Ruixuan Qin, Kunlong Liu, Qingyuan Wu, Nanfeng Zheng. Surface Coordination Chemistry of Atomically Dispersed Metal Catalysts. Chem. Rev. 2020. DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00094

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https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00094

7. 中国科学技术大学熊宇杰教授Chem. Soc. Rev.: 光催化CO₂转化能从传统CO_x加氢反应中学到什么？

由太阳能驱动的二氧化碳(CO₂)还原为燃料/原料是解决能源危机和二氧化碳排放问题一个很有前景的战略。尽管目前已有大量的研究工作，但由于CO₂的高键能及还原产物的多样性，使得如何实现高效、高选择性的CO₂还原仍然是一个巨大的挑战。除了控制光的收集和电荷转移(如光催化分解水)外，催化活性中心的设计对于提高二氧化碳还原活性和选择性(例如C–C耦合)也非常重要。在本文中，中国科学技术大学熊宇杰教授课题组通过梳理现有CO_x加氢反应的规律，论证了如何设计高效、高选择性的光催化CO₂还原催化活性中心，重点聚焦在C=O的活化及C–C的耦合以形成高附加值化学品。本文旨在强调光催化二氧化碳还原转化领域的挑战，以及光催化与传统催化体系的联系，为读者进入该领域的研究提供指导。

Tingting Kong, Yawen Jiang and Yujie Xiong. Photocatalytic CO₂ conversion: What can we learn from conventional CO_x hydrogenation?. Chem. Soc. Rev. 2020. DOI:10.1039/C9CS00920E

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https://doi.org/10.1039/C9CS00920E

8. 南开大学袁忠勇教授Appl. Catal. B Environ.: 氮硫共掺杂碳包覆VN纳米点用于Zn-N₂电池

在温和条件下的电化学氮还原反应(ENRR)是一种很有前景的合成氨策略，但其需要高效的电催化活性中心。在本文中，南开大学袁忠勇教授课题组将氮化钒纳米点嵌入超薄的N,S-共掺杂碳基底中制备出VN@NSC作为高效的ENRR催化剂，其在电化学合成氨方面表现出优异的稳定性、较高的NH₃产率和pH无关性。此外，VN@NSC作为氮气阴极时，所组装出的Zn-N₂电池具有很好的应用前景。作者认为，VN@NSC如此优异的活性来自于其结构优势和组分之间的协同作用，特别是N,S-共掺杂碳(NSC)作为一种具有足够多碳缺陷的稳定载体，不仅在VN纳米颗粒的尺寸限域生长中起着至关重要的作用，而且还是N₂分子吸附和活化的出色“捕捉器”。同时，封装在NSC“捕捉器”中的VN纳米点起到了高效的N₂到NH₃“转换器”作用，该镶嵌结构可以有效地防止VN纳米点因氢溢出而导致的脱落和失活。此外，¹⁵N同位素标记实验为准确检测氨气产率提供了充分的证据，电化学原位傅里叶变换红外光谱提供了合理的VN@NSC催化ENRR机制。

Xian-Wei Lv, Yuping Liu, Yan-Su Wang, Xiao-Lu Liu, and Zhong-Yong Yuan. Encapsulating vanadium nitride nanodots into N,S-codoped graphitized carbon for synergistic electrocatalytic nitrogen reduction andaqueous Zn-N₂ battery. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119434

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https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119434