孙学良、张兵、陈亮、赵慧敏、沈培康、彭峰、彭扬教授等催化研究最新成果速览

1. 西安大略大学孙学良院士Small: 设计低配位单原子铂催化剂实现高效氧还原

调控金属单原子催化剂(SACs)的构型以获得高催化活性与和稳定性，是实现高性价比单原子催化剂用于燃料电池的有效策略。在本文中，西安大略大学孙学良院士联合北京航空航天大学刘利民教授、麦克马斯特大学Gianluigi A. Botton教授等课题组通过原子层沉积(ALD)策略，成功在金属-有机骨架(MOF)衍生的氮掺杂碳(NC)基底上制备出Pt SACs。通过调整Pt前驱体的ALD暴露时间，可在MOF-NC载体上制备出尺寸可控的Pt催化剂，包括Pt单原子、亚团簇和纳米粒子。X射线吸收精细结构光谱表明Pt SACs中具有显著增强的电子空位及Pt-N配位。得益于MOF-NC载体的低配位环境和Pt原子与氮掺杂位点之间的锚定作用，Pt SACs在氧还原反应(ORR)催化方面，具有比Pt纳米粒子催化剂高6.5倍的催化活性和稳定性。密度泛函理论计算表明Pt单原子更倾向于被吡啶氮掺杂的碳位点锚定。更重要的是，作者发现Pt SACs的电子结构可以通过吸附羟基和氧来进行调节，从而大大降低了决速步骤的自由能变化，提高了Pt SACs催化ORR的活性。 

Zhongxin Song, Ya-Nan Zhu, Hanshuo Liu, Mohammad Norouzi Banis, Lei Zhang, Junjie Li, Kieran Doyle-Davis, Ruying Li, Tsun-Kong Sham, Lijun Yang, Alan Young, Gianluigi A. Botton, Li-Min Liu, and Xueliang Sun. Engineering the Low Coordinated Pt Single Atom to Achieve the Superior Electrocatalytic Performance toward Oxygen Reduction. Small 2020. DOI:10.1002/smll.202003096

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https://doi.org/10.1002/smll.202003096

2. 天津大学张兵教授Energy Environ. Sci.：纳米结构过渡金属磷化物的合成与能源相关应用研究进展

能源是现代社会发展中不可缺少的组成部分。纳米结构过渡金属磷化物(TMPs)是近年来在化石燃料清洁生产、可再生能源生产以及储能技术等领域中广泛应用的高效催化剂。在本文中，天津大学张兵教授等课题组对目前主流制备TMPs的策略进行了综述，然后介绍了TMPs作为活性催化剂在热催化、电催化、光催化和储能技术中的不同应用，特别强调了反应活性与TMPs特性的关系。纵观TMPs的各种应用，可以发现TMPs本身在某些特定情况下起着关键作用。而在其它情况下，正是由于表面氧化和TMPs的协同作用，才导致了高的反应活性。最后，作者对TMPs的发展前景进行了展望。

Yanmei Shi, Mengyang Li, Yifu Yu, and Bin Zhang. Recent advances in nanostructured transition metal phosphides: synthesis and energy-related applications. Energy Environ. Sci. 2020. DOI:10.1039/D0EE02577A

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3. 中科院宁波材料所陈亮研究员J. Mater. Chem. A: B-Co协同催化剂用于可见光/红外光驱动CO₂高效转化为乙烷

太阳能驱动CO₂还原为多碳产物对CO₂的再利用起着至关重要的作用，其关键在于筛选出具有良好CO中间产物结合能并最终促进C-C进一步偶联形成C₂₊产物的高效催化剂。在本文中，中科院宁波材料所陈亮研究员、张秋菊研究员联合电子科技大学李白海教授等课题组通过第一性原理计算，提出了一种将杂原子B-Co二聚体锚定在多孔C₂N中的新型协同偶联催化剂(B-Co@C₂N)，其可用于CO₂光催化还原制乙烷。与Co-Co@C₂N相比，B-Co二聚体的形成能有效地调节Co 3d轨道，降低CO的吸附强度并使C-C偶联能垒降低到~0.61 eV。由于U_L(CO₂)-U_L(H₂)正差值导致较强的*CO₂/*COOH中间产物吸附能，使得析氢副反应受到抑制。更重要的是，与纯C2N相比，B-Co@C₂N在可见光和红外光范围内的吸光度也得到显著提高。通过高结合能与AIMD模拟相结合，保证了结构的稳定性和未来实验合成的可行性。本文提出的金属单原子与非金属原子杂化协同概念有望为可见光下CO₂还原为多碳产物开辟一条新途径。 

Lei Li, Haoran Guo, Ge Yao, Chenhui Hu, Chunhong Liu, Ziqi Tian, Baihai Li, Qiuju Zhang, Liang Chen. Visible/Infrared Light-driven High-efficiency CO₂ Conversion into Ethane based on B-Co Synergistic Catalyst. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA05821A

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4. 大连理工大学赵慧敏教授J. Mater. Chem. A：P掺杂g-C₃N₄空心球用于可见光催化分子氧活化制备过氧化氢

石墨化氮化碳(g-C₃N₄)具有独特的电子和光学性质，因此可在可见光驱动下产生H₂O₂。然而，大体积的g-C₃N₄太阳光吸收效率低，载流子迁移率也低，严重制约了材料的光催化活性。在本文中，大连理工大学赵慧敏教授等课题组合成出具有空心球结构的磷掺杂g-C₃N₄，该空心球结构为电荷转移提供了较大的表面积，并显著增强了光吸收性能。特别地，P掺杂可以调节具有更强还原性的能带结构，加速光生载流子的分离。同时，P杂原子还有利于通过双电子O₂还原过程更容易的生成1,4-内过氧化物，从而提高H₂O₂合成的选择性。所制备出的催化剂在纯水中的H₂O₂产率为174 μmol h^-1 g^-1，使用异丙醇为空穴清除剂时的H₂O₂产率为1684 μmol h^-1 g^-1，分别是块状g-C₃N₄的7倍和11倍。本研究为其它H₂O₂光催化剂的设计和改性提供了一条新的途径。 

Xueming Dang, Ruying Yang, Zhe Wang, Siyi Wu, Huimin Zhao. Efficient visible-light activation of molecular oxygen to produce hydrogen peroxide by P doped g-C₃N₄ hollow sphere. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA07794A

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5. 广西大学沈培康教授Appl. Catal. B Environ.: FeAg/Si催化剂控制H⁺传输速率实现高效固氮

电催化氮还原为农业中活性氮的产生，以及为我们的蓝色星球生产高能量密度无碳燃料提供了理想的途径。然而，由于析氢反应的竞争性极大地限制了电催化固氮的转化率，导致其法拉第效率极低。因此，开发一种新的策略来解决该瓶颈问题是非常必要的。在本文中，广西大学沈培康教授联合乌拉尔联邦大学Panagiotis Tsiakaras教授等课题组通过调节H型电解池中膜孔的数量，线性调节了H⁺离子的传输速率，从而连续调节反应的法拉第效率。同时，作者建立了一个物理模型来揭示法拉第效率的变化机理，理论计算结果与合成的等离子体增强双金属催化剂(分散在硅纳米线上的FeAg纳米团簇)实验结果相吻合，使法拉第效率从9.04%持续提高至41.86%。 

Yang Liu, Xiaoran Zhang, Zhenyu Chen, Xinyi Zhang, Panagiotis Tsiakaras, Pei Kang Shen. Electrocatalytic reduction of nitrogen on FeAg/Si for ammonia synthesis: A simple strategy for continuous regulation of Faradaic efficiency by controlling H⁺ ions transfer rate. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119606

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6. 广州大学彭峰教授ACS Nano: 调节纳米限域Ru/MXene/TiO₂催化剂电子-空穴分离提高光催化析氢活性

在本文中，广州大学彭峰教授联合华南理工大学彭新文教授等课题组提出了一种在不添加还原剂的情况下直接还原Ru³⁺离子制备纳米限域Ti₃C₂/Ru助催化剂的方法。Ti₃C₂/Ru表面原位形成的TiO₂纳米片确保了半导体和助催化剂之间(TiO₂–Ti₃C₂/Ru)的分离，导致电荷分离和迁移比传统制备的Ru–TiO₂–Ti₃C₂更有效。由于较低的费米能级，自组装Ti₃C₂/Ru助催化剂可以在无诱导期的情况下接受光生电子并促进H₂的析出，同时具有较高的表面结构稳定性。通过DFT计算和原位漫反射红外光谱研究了Ti₃C₂在光催化过程中的功函数和表面终态变化，表明结构分离的Ti₃C₂/Ru基光催化剂中的高效电子转移显著减少了电子-空穴的复合，从而提高了光催化析氢活性。该工作为将来利用半导体-助催化剂系统进行太阳能转换提供了一种指导性的设计方法。 

Yunpeng Liu, Yu-Hang Li, Xiaoyao Li, Qiao Zhang, Hao Yu, Xinwen Peng, and Feng Peng. Regulating Electron–Hole Separation to Promote Photocatalytic H₂ Evolution Activity of Nanoconfined Ru/MXene/TiO₂ Catalysts. ACS Nano 2020. DOI:10.1021/acsnano.0c07089

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7. 苏州大学彭扬教授Angew. Chem. Int. Ed.: 三元Cu-Au/Ag纳米框架用于电催化制备乙烯

将二氧化碳电催化还原转化为高价值的多碳(C₂₊)化学品，将化工行业从化石资源的依赖中解放出来，并为终止人为碳循环提供了一条有希望的途径，但同时也由于缺乏高性能的催化剂而受到严重阻碍。在本文中，为了打破中间产物结合的线性标度关系，并最小化CO₂还原反应(CO₂RR)的动力学势垒，苏州大学彭扬教授、邓昭教授、钟俊教授、徐来教授等课题组成功制备出三元Cu-Au/Ag纳米框架以实现CO生成和C-C偶联这两个关键功能的解偶，其中前者由合金化的Ag/Au基底促进，后者则由高应变和带正电荷的Cu簇促进。因此，在H型电解池和流动电解池中分别获得了69±5%和77±2%的法拉第效率，具有良好的电催化稳定性和耐久性。原位IR和DFT计算揭示了生成C₂H₄的两种竞争途径，证明了直接CO二聚反应在能量上是有利的。通过整合串联效应、电子调制和缺陷工程，本研究为催化剂的设计提供了一种范式，以打破线性比例关系，并提高C₂H₄的产量。 

Likun Xiong, Xiang Zhang, Hao Yuan, Juan Wang, Xuzhou Yuan, Yuebin Lian, Hui-dong Jin, Hao Sun, Zhao Deng, Dan Wang, Jiapeng Hu, Huimin Hu, Jinho Choi, Jiong Li, Yufeng Chen, Jun Zhong, Jun Guo, Mark H. Rümmerli, Lai Xu, and Yang Peng. Breaking Linear Scaling Relationship by Compositional and Structural Crafting of Ternary Cu‐Au/Ag Nanoframes for Electrocatalytic Ethylene Production. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202012631

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https://doi.org/10.1002/anie.202012631