邢巍、余桂华、吴宇恩、季恒星、李春忠、巩金龙、肖丰收、刘彬教授等催化研究最新成果速览
在不牺牲电池性能的前提下，降低阴极铂催化剂的负载量是燃料电池发展的一个重要课题，这项技术的投资成本决定了其应用前景。然而，实现这一目标是非常具有挑战性的，因为降低Pt负载量不仅会降低氧还原反应(ORR)的整体动力学，而且会在高电流密度区(HCD)引起严重的传质问题。在本文中，中科院长春应化所邢巍研究员、葛君杰研究员、金钊研究员课题组通过开发出高活性和稳定的铂团簇催化剂克服了上述困难，其中催化剂负载量的降低完全由极高的电化学比表面积(358.6 m2 gPt-1)和铂簇的高分散性来补偿。由于N,P掺杂碳纳米片的强锚定作用，所制备的Pt团簇平均尺寸为1.3 ± 0.4 nm，原子利用率高达32.81%。因此，与同类型工业催化剂(853 mW cm-2, 0.1 mgPt cm-2)相比，最终获得的Pt-9.3@NPC阴极催化剂(0.05 mgPt cm-2)应用于H2/Air燃料电池中时表现出更优异的性能(1071 mW cm-2)，且在HCD时的电压损失更低，证明该工作成功地克服了传质问题。
Siyuan Zhu, Xian Wang, Ergui Luo, Liting Yang, Yuyi Chu, Liqin Gao, Zhao Jin, Changpeng Liu, Junjie Ge, Wei Xing. Stabilized Pt Cluster Based Catalysts Used as Low-loading Cathode in PEMFC. ACS Energy Lett. 2020. DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01748
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2. 德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授Adv. Mater.：用于电化学能量转换材料的凝胶电催化剂
寻求可持续且具有成本效益的新能源是现代社会可持续发展的重大挑战之一。迄今为止，科研人员对燃料电池和电解池等技术抱有相当大的期望。在这些技术中，器件性能强烈依赖于通过化学键断裂或形成而产生和储存化学能的电化学转化过程。然而，电催化剂的效率、选择性和耐久性严重限制了上述先进技术的发展。由于多级多孔结构、成分及结构可调和易于功能化等优点，凝胶材料家族为先进能源技术带来了令人兴奋的机遇。基于成分和功能可控的凝胶材料使得凝胶基电催化剂很有可能突破现有材料的局限性，从而提高电化学能量转化的器件性能。在本文中，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授课题组综述了纳米凝胶基电催化材料的最新进展和面临的挑战，并讨论了凝胶基电催化剂在合成和应用方面的前景和挑战。
Zhiwei Fang, Panpan Li, Guihua Yu. Gel Electrocatalysts: An Emerging Material Platform for Electrochemical Energy Conversion. Adv. Mater. 2020. DOI:10.1002/adma.202003191
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3. 中国科学技术大学吴宇恩教授Adv. Mater.：间隙合金催化CO电还原时的原位拓扑转变
通过电化学的方式将CO还原为高附加值产物，为储存可再生能源提供了希望。尽管铜在CO电还原过程中能将CO转化为多碳(C2+)产物，但开发一种对CO还原具有高选择性和适宜C2+产物产率的Cu电催化剂仍然具有很高的挑战性。在本文中，中国科学技术大学吴宇恩教授、姚涛教授联合南京师范大学李亚飞教授等课题组开发出一种具有丰富孪晶结构的高晶格无序Cu3N，其可作为CO还原的前体电催化剂。通过CO还原反应(CORR)过程中的原位活化和同步的氮释放，产生的金属Cu0催化剂颗粒继承了Cu3N晶格中的位错。在流动池系统中，当电流密度为727 mA cm−2时，该催化剂可提供90%以上的C2+法拉第效率。通过使用带有固态电解质(SSE)的膜电极组件(MEA)电解池，可在阴极和SSE出口处获得17.4 vol%的乙烯流和液体流，C2+产物浓度分别为1.45 M和 230 × 10−3 M。
Changming Zhao, Gan Luo, Xiaokang Liu, Wei Zhang, Zhijun Li, Qian Xu, Qinghua Zhang, Huijuan Wang, Deming Li, Fangyao Zhou, Yunteng Qu, Xiao Han, Zezhou Zhu, Geng Wu, Jing Wang, Junfa Zhu, Tao Yao, Yafei Li, Henny J.M. Bouwmeester, Yuen Wu. In Situ Topotactic Transformation of an Interstitial Alloy for CO Electroreduction. Adv. Mater. 2020. DOI:10.1002/adma.202002382
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4. 中国科学技术大学季恒星教授Angew. Chem. Int. Ed.：具有优异电化学性能的含钴电催化剂用于铝硫电池
可充电铝硫(Al‐S)电池由于其高安全性、高能量密度及组成电极材料的高地球丰度，被公认为是当前锂离子电池系统的一种潜在替代品。然而，其迟钝的动力响应及较短的寿命是制约该电池应用发展的主要问题。在本文中，中国科学技术大学季恒星教授课题组报道了一种Co(II, III)可作为硫正极中的电化学催化剂，其可以降低Al-S电池的放电-充电电压滞后现象，提高容量保持率和倍率能力。结构和电化学分析表明，Co(II,III)的催化作用与硫化钴的形成及Co(II, III)在硫物种电化学反应过程中的价态变化密切相关，从而改善了反应动力学和硫正极利用率。以Co(II, III)修饰碳正极所组成的铝硫电池，显示出显著降低的电压滞后(0.8 V)，在1 A/g电流密度下200次放电充电循环后的逆比容量为∼500 mAh/g。即便是电流密度高达3 A/g时，可逆比容量依然可以保持在300 mAh/g。
Yue Guo, Zhiqiu Hu, Jiawei Wang, Zhangquan Peng, Junfa Zhu, Hengxing Ji and Li-Jun Wan. Rechargeable Aluminum‐Sulfur Battery with Improved Electrochemical Performance by Cobalt‐Containing Electrocatalyst. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202008481
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5. 华东理工大学李春忠教授Natl. Sci. Rev.: 原位再生CeOx/Bi界面结构用于高性能CO2电还原
揭示催化剂在实际操作条件下的结构演变和工作机理对于设计高效的CO2电还原催化剂至关重要，但该技术目前仍具有很大的挑战性。在本文中，华东理工大学李春忠教授、江宏亮教授课题组通过在多尺度水平上的operando结构测试，确定了在CO2电还原条件下，所制备出的CeO2/BiOCl前体催化剂会逐渐演化为CeOx/Bi界面结构，且Ce3+物种丰富，是真正的催化活性相。与纯Bi相比，CeOx/Bi界面结构具有显著增强的性能，在较宽电位窗口内的甲酸法拉第效率24小时内一直保持在90%。此外，用同位素D2O代替H2O可以进一步提高甲酸法拉第效率。密度泛函理论计算表明，再生CeOx/Bi界面不仅能促进水的活化，适当增加CO2质子化的局部*H物种，而且能稳定甲酸盐途径中的关键中间体*OCHO。
Ruichao Pang, Pengfei Tian, Hongliang Jiang, Minghui Zhu, Xiaozhi Su, Yu Wang, Xiaoling Yang, Yihua Zhu, Li Song, Chunzhong Li. Tracking structural evolution: operando regenerative CeOx/Bi interface structure for high-performance CO2 electroreduction. Natl. Sci. Rev. 2020 DOI:10.1093/nsr/nwaa187
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6. 天津大学巩金龙教授Angew. Chem. Int. Ed.: 钒氧化物在化学环氧化脱氢反应中的覆盖依赖行为
化学成环为烷烃的利用提供了一条既节能又经济的途径。然而，在目前的化学环氧化脱氢体系中，由于O2体相扩散的动力学不匹配，导致了大量的CO2生成，从而降低了烯烃的产率。在本文中，天津大学巩金龙教授课题组通过构建出亚单层或单层钒纳米结构成功避免了O2体相扩散(单层与多层)的干扰，从而抑制丙烷氧化脱氢过程中的二氧化碳生成。二氧化钛载体上高度分散的钒纳米结构在500℃下可表现出90%以上的丙烯选择性，最高转换频率为1.9×10‐2s‐1，比传统的晶态V2O5氧载体高20倍以上。通过结合原位光谱表征和密度泛函理论计算，作者揭示了钒钛界面相互作用的负载-反应势垒关系。该工作表明亚单层或单层纳米结构有可能成为氧化还原反应的氧载体材料平台。
Sai Chen, Chunlei Pei, Xin Chang, Zhi-Jian Zhao, Rentao Mu, Yiyi Xu, Jinlong Gong. Coverage‐dependent Behaviors of Vanadium Oxides for Chemical Looping Oxidative Dehydrogenation. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202005968
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7. 浙江大学肖丰收教授Appl. Catal. B Environ.: 钾导向可持续合成新型KFI结构高硅小孔沸石(ZJM-7)用于NH3-SCR反应
SSZ-13等高硅小孔硅铝酸盐分子筛在NH3(NH3-SCR)选择性催化还原NOx中已得到商业应用，但其合成通常需要使用有机模板，因此对环境不友好。解决上述问题的方法是在不含有机模板的情况下可持续地合成高硅小孔分子筛。其中一个例子是8元环硅酸铝KFI分子筛，它在常规合成中总是富Al的(Si/Al<4, KFI-4.0)。在本文中，浙江大学肖丰收教授联合中科院武汉物理数学所郑安民研究员等课题组受高通量计算的启发，成功地在K+存在下用KFI分子筛(Si/Al>5，命名为ZJM-7)制备了新的高硅小孔分子筛。有趣的是，Cu-ZJM-7催化剂在850 ℃水热处理12小时后，仍表现出优异的NH3-SCR反应性能。ZJM-7分子筛的可持续合成与优良的催化性能相结合，为今后开发高效、低成本的SCR催化剂提供了良好的契机。
Shichao Han, Xiaomin Tang, Lijin Wang, Yanhang Ma, Wei Chen, Qinming Wu, Ling Zhang, Qiuyan Zhu, Xiangju Meng, Anmin Zheng, Feng-Shou Xiao. Potassium-directed sustainable synthesis of new high silica small-pore zeolite with KFI structure (ZJM-7) as an efficient catalyst for NH3-SCR reaction. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119480
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8. 南洋理工大学刘彬教授Nat. Commun.: 铱纳米团簇双功能电催化剂配位工程用于全pH水裂解
电化学水裂解为缓解全球能源和环境危机提供了一种很有前景的能源转换和储存技术，但目前仍缺乏高效、全pH通用的电催化剂来提高阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)的动力学。在本文中，南洋理工大学刘彬教授联合苏州科技大学杨鸿斌教授等课题组报道了一种在氮硫共掺杂石墨烯基底上均匀分散的铱纳米团簇，其可作为在所有pH条件下均表现出高效稳定HER和OER活性的电催化剂。在中性、酸性和碱性电解液中达到10mAcm−2电流密度时的过电位分别为300, 190和220mV。基于探测实验、operando X射线吸收光谱和理论计算，作者将高催化活性归因于催化剂与氢(对于HER)和含氧中间物种(对于OER)的最佳结合，源于氮和硫配位铱位点的可调控的良好电子状态。
Qilun Wang, Cong-Qiao Xu, Wei Liu, Sung-Fu Hung, Hong Bin Yang, Jiajian Gao, Weizheng Cai, Hao Ming Chen, Jun Li & Bin Liu. Coordination engineering of iridium nanocluster bifunctional electrocatalyst for highly efficient and pH-universal overall water splitting. Nat. Commun. 2020. DOI:10.1038/s41467-020-18064-w
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