杨全红、胡良兵、全燮、陈朱琦、王得丽、焦宁、汪国秀、余火根教授等催化研究最新成果速览
锂硫电池(Li–S)因其低成本、高能量密度、环境友好等优点而被公认为是最有前景的储能器件之一。然而，由于多硫化物复杂的化学转化所导致的低硫利用率，以及锂金属电极在充放电过程中的腐蚀现象等不利因素，严重阻碍了锂硫电池的实际应用。近年来，具有原子级分散金属中心所组成的单原子催化剂(SACs)，因其独特的催化性能和最大化的原子效率，被广泛用于各种储能器件的高性能电催化材料，其中包括锂硫电池，。在本文中，天津大学杨全红教授联合新加坡国立大学吕炯教授等课题组综述了商业锂硫电池发展的主要障碍和机遇，重点介绍SACs材料在锂硫电池中的特殊作用，包括正极、隔膜、中间层、电解质和负极，并讨论了多硫化物的催化转化机理及锂离子在单原子活性中心上的成核过程。最后，作者强调了该领域需要解决的主要挑战，并提出合理设计和合成高性能SACs以加速其在锂硫电池中应用的前景。
Feifei Wang, Jing Li, Juan Zhao, Yixiao Yang, Chenliang Su, Yu Lin Zhong, Quan-Hong Yang, and Jiong Lu. Single-Atom Electrocatalysts for Lithium Sulfur Batteries: Progress, Opportunities, and Challenges. ACS Mater. Lett. 2020. DOI:10.1021/acsmaterialslett.0c00396
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00396
2. 马里兰大学胡良兵教授Adv. Mater.：连续合成空心高熵纳米颗粒用于能源与催化
在空心结构纳米颗粒中混合多种金属元素是制备高效、低成本催化剂的一种很有前景的方法。然而，由于在苛刻的合金化条件下难以控制材料的形貌，多金属空心纳米颗粒的制备目前仅限于两种或三种元素。在本文中，马里兰大学胡良兵教授等课题组报道了一种连续“液滴-颗粒”策略成功地快速连续合成出空心高熵合金(HEA)纳米颗粒。这些空心HEA纳米颗粒通过气体发泡剂分解形成。在加热过程中，气体发泡剂会在原位产生大量气体从而对液滴进行“吹气”，然后分解金属盐前驱体并使多组分金属粒子成核/生长。所制备出的空心HEA纳米颗粒具有较高的活性中心/质量比，因此非常有望成为能源和电催化应用的候选材料。作为概念性的证明应用，作者将制备出的HEA纳米颗粒作为Li–O2电池的正极催化剂，其表现出创纪录般的电流密度2000 mA gcat.-1，并且具有良好的稳定性和持久的催化活性。该工作为空心HEA纳米材料的连续制造提供了一种可行的策略，在能源和催化领域有着广泛的应用。
Xizheng Wang, Qi Dong, Haiyu Qiao, Zhennan Huang, Mahmoud Tamadoni Saray, Geng Zhong, Zhiwei Lin, Mingjin Cui, Alexandra Brozena, Min Hong, Qinqin Xia, Jinlong Gao, Gang Chen, Reza Shahbazian-Yassar, Dunwei Wang, and Liangbing Hu. Continuous Synthesis of Hollow High‐Entropy Nanoparticles for Energy and Catalysis Applications. Adv. Mater. 2020. DOI:10.1002/adma.202002853
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202002853
3. 大连理工大学全燮教授Appl. Catal. B Environ.: Pt复合CrOx修饰ZnCdS纳米晶氧化还原耦合传输机理用于光催化产氢
金属硫化物光催化剂由于其良好的电子和光学性质，已成为析氢反应(HER)和太阳能转化领域的研究前沿。然而，这类光催化剂的效率主要受到缓慢的光生空穴转移和水分解反应动力学的制约。在本文中，大连理工大学全燮教授等课题组提出了一种由负载在ZnCdS纳米晶上的Pt-CrOx位点所组成的HER催化剂(ZnCdS/Pt-CrOx)，该催化剂采用氧化还原偶(•OH/OH−)传输机制来有效地传递碱性介质中的空穴。Pt位点提供了最佳的氢吸附能，CrOx位点支持水解离，从而加速了水的解离动力学，显著提高了HER产率(21.1mmol g-1h-1)和苯酚的降解。该类型的工作打开了从海水(地球上最大的水源)产生氢气的途径。
Munir Ahmad, Xie Quan, Shuo Chen, Hongtao Yu, Zeng Zhenxing. Operating redox couple transport mechanism for enhancing photocatalytic H2 generation of Pt and CrOx-decorated ZnCdS nanocrystals. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119601
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119601
4. 华中科技大学陈朱琦教授Appl. Catal. B Environ.：调控Co3O4到Co9S8的S掺杂用于过氧单硫酸盐活化
引入非金属杂原子是提高多相催化剂催化过氧单硫酸盐活化性能的有效途径，但遗憾的是，杂原子对催化过程的影响还没有得到深入的揭示。在本文中，华中科技大学陈朱琦教授、肖军武教授等课题组报道了一系列以Co3O4为前驱体，具有不同硫掺杂含量的Co9S8纳米棒催化剂。研究发现S掺杂有效地提高了催化剂的催化活性，随着S掺杂含量的增加，催化过程由非自由基(1O2)逐渐转变为自由基(SO4•-)。此外，猝灭实验、EPR、XPS和自由基定量分析表明，1O2浓度与ΔOL呈线性关系，表明1O2来源于PMS与OL的反应。而且硫的掺杂也改变了钴的价态，在Co3O4/PMS中，ROS通过Co3+/Co2+催化生成。然而，在Co9S8/PMS中，由于S2-的低氧化还原电位，Co3+/Co2+/Co0都参与了ROS的生成。该工作为研究PMS基多相催化体系中杂原子对催化过程的影响提供了新的线索和策略。
Xinquan Zhou, Mengyi Luo, Chuyi Xie, Huabin Wang, Jia Wang, Zhulei Chen, Junwu Xiao, Zhuqi Chen. Tunable S Doping from Co3O4 to Co9S8 for Peroxymonosulfate Activation: Distinguished Radical/Nonradical Species and Generation Pathways. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119605
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119605
5. 华中科技大学王得丽教授Appl. Catal. B Environ.: PtCu纳米框架从无序到有序结构演化用于氧还原
铂(Pt)基无序合金向化学有序金属间化合物转变的晶体结构工程已引起科研人员在氧还原反应(ORR)领域越来越多的关注。然而，系统比较不同晶体结构催化性能的文章却鲜有报道。在本文中，华中科技大学王得丽教授等课题组合成出备受关注的PtCu纳米框架(原子无序)，并首次研究了其结构与性能的关系。随后，通过适当的高温处理制备出了以前鲜有报道的菱面体PtCu金属间化合物(L11结构，原子有序)。与无序对应物相比，L11 PtCu催化剂具有显著增强的ORR耐久性(30000次循环后仅衰减15%)，同时降低了ORR的初始活性(0.44 A mgPt-1)。通过原位STEM实验结合三维层析成像技术，作者发现有序化过程提高了抗铜浸出的能力，同时也导致了NFs的崩塌和团聚。该工作为将来质子交换膜燃料电池中铂基电催化剂的研究提供了一个直观的认识。
Mingxing Gong, Dongdong Xiao, Zhiping Deng, Rui Zhang, Weiwei Xia, Tonghui Zhao, Xupo Liu, Tao Shen, Yezhou Hu, Yun Lu, Xu Zhao, Huolin Xin, and Deli Wang. Structure Evolution of PtCu Nanoframes from Disordered to Ordered for the Oxygen Reduction Reaction. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119617
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119617
6. 北京大学焦宁教授Chem. Rev.: 电化学氧化诱导C–C键选择性断裂
在温和条件下的C-C键选择性断裂可以作为有机合成和大分子降解的一种有价值的工具。然而，传统的化学方法在很大程度上涉及到贵金属-过渡金属催化剂以及化学计量比和非环境友好型氧化剂的使用，严重损害了碳-碳转化化学的整体可持续性。在这方面，电化学氧化诱导的C–C键选择性断裂被认为是一种可持续和可扩展的策略，它利用电来代替产生化学试剂产生的副产物。迄今为止，这方面的进展主要依赖于Kolbe电解及相关工艺。令人鼓舞的是，最近已经有越来越多的例子表明可以通过其它电化学策略使碳-碳键发生选择性断裂。在本文中，北京大学焦宁教授等课题组综述了电化学氧化诱导C-C键选择性断裂的最新进展，着重强调了合成结果和反应机理，展示了电化学合成的固有优势和未来潜力。
Shi-Hui Shi, Yujie Liang, and Ning Jiao. Electrochemical Oxidation Induced Selective C–C Bond Cleavage. Chem. Rev. 2020. DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00335
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00335
7. 悉尼科技大学汪国秀教授Nat. Commun.: 空心碳正极负载钴单原子催化剂实现高功率锂硒电池
硒正极由于具有与硫正极相当的高导电率和体积容量而受到科研人员的广泛关注。然而，由于硒与锂的反应活性很低，而且聚硒化物的穿梭效应导致较大的体积变化和容量迅速衰减，严重阻碍了锂硒电池的实际应用。近年来，单原子催化剂以其独特的电子和结构性质、最大的原子利用率和优异的催化性能，在电化学能源转化和储存领域引起了广泛的关注。在本文中，悉尼科技大学汪国秀教授、刘浩教授联合中科院大连化物所刘健研究员、中国科学技术大学宋礼教授等课题组开发出一种温和的策略制备出钴单原子/氮掺杂空心多孔碳(CoSA-HC)的方法。该材料中钴单原子可以激活硒的反应性，固定硒和聚硒化物。所制备出的硒碳(Se@CoSA-HC)正极具有高放电容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性，库仑效率约为100%。该工作为实现长循环寿命和高功率的锂硒电池开辟了一条道路。
Hao Tian, Huajun Tian, Shijian Wang, Shuangming Chen, Fan Zhang, Li Song, Hao Liu, Jian Liu & Guoxiu Wang. High-power lithium–selenium batteries enabled by atomic cobalt electrocatalyst in hollow carbon cathode. Nat. Commun. 2020. DOI:10.1038/s41467-020-18820-y
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-18820-y
8. 武汉理工大学余火根教授Chem. Eng. J.: 富硒非晶态NiSe1+x纳米团簇助催化剂高效光催化产氢
开发和制备具有丰富活性中心的新型非贵金属助催化剂是提高光催化性能的迫切要求。在本文中，武汉理工大学余火根教授等课题组将富硒非晶态NiSe1+x纳米团簇(a-NiSe1+x)作为一种新型的助催化剂，通过一种简单的光诱导沉积方法与TiO2进行了合理结合，从而大大提高了TiO2的光催化产氢速率。有趣的是，与晶体硒化镍(c-NiSe)相比，a-NiSe1+x由于其高度不规则的排列结构和较小的粒径(0.5–2 nm)，表现出更多的不饱和活性硒原子。光催化结果表明，a-NiSe1+x纳米团簇能显著提高TiO2的产氢活性(4095.3 μmol h−1 g−1, AQE = 19.6%)，高于纯TiO2和c-NiSe/TiO2。通过密度泛函理论(DFT)计算和原位X射线光电子能谱(ISI-XPS)测试表明，a-NiSe1+x/TiO2的优异催化性能可归因于从TiO2到a-NiSe1+x助催化剂间促进的光电子转移与Se原子作为良好产氢活性位点之间的协同作用。此外，a-NiSe1+x也可作为典型g-C3N4和CdS光催化剂的通用助催化剂。由于a-NiSe1+x催化剂制备工艺温和、成本低、活性好，因此在制备先进光催化材料方面具有广阔的应用前景。
Duoduo Gao, Xinhe Wu, Ping Wang, Huogen Yu, Bicheng Zhu, Jiajie Fan, Jiaguo Yu. Selenium-enriched amorphous NiSe1+x nanoclusters as a highly efficient cocatalyst for photocatalytic H2 evolution. Chem. Eng. J. 2020. DOI:10.1016/j.cej.2020.127230
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127230