夏宝玉、王家成、巩金龙、章俊良、沈培康、邱介山、许群、陈亚楠教授等催化研究最新成果速览
镍-铁复合材料是催化析氧反应的高效电催化剂。在本文中，华中科技大学夏宝玉教授等课题组开发出一种微生物腐蚀策略来构建镍铁氢氧化物。以厌氧硫酸盐还原菌中的硫酸盐为电子受体，其在硫化铁修饰的镍铁氢氧化物形成过程中起着非常重要的作用，所制备出的材料表现出优异的电催化析氧性能。实验和理论研究表明，氧氢氧化物与硫化物之间的协同作用是高催化活性的起因。这种微生物腐蚀策略不仅提供了一种高效的电催化剂候选品，而且还将传统的腐蚀工程与新兴的电化学能源技术连接起来。
Huan Yang, Lanqian Gong, Hongming Wang, Chungli Dong, Junlei Wang, Kai Qi, Hongfang Liu, Xingpeng Guo & Bao Yu Xia. Preparation of nickel-iron hydroxides by microorganism corrosion for efficient oxygen evolution. Nat. Commun. 2020. DOI:10.1038/s41467-020-18891-x
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18891-x
2. 中科院上海硅酸盐所王家成研究员Adv. Mater.：双金属间键合作化学促进剂用于单原子分散
原子级分散的催化剂因其能攻最大限度地利用金属组分和具有相对稳定的配位结构，因此表现出较高的催化反应活性和选择性。然而，由于热力学稳定驱动力的作用，使得形成无团聚的原子级金属仍然是一个巨大的挑战。在本文中，中科院上海硅酸盐所王家成研究员、刘建军研究员联合南洋理工大学刘政教授等课题组报道了一种自上而下的制备策略，从铁纳米颗粒开始，利用双金属间键合(Rh-Fe成键)作为化学促进剂，在低温下自发地将铁纳米颗粒转化为单原子。相邻Fe原子与Rh单原子之间存在的Rh-Fe键合有助于热力学稳定性，因此可以从Fe纳米粒子中剥离出单个Fe原子，形成稳定的单原子位点。所制备出的双金属单原子Rh-Fe催化剂对在酸性电解质中的析氢反应具有优异的电催化性能。这种以双金属间键合作为化学促进剂的发现，为化学金属的原子分散及在原子尺度上高效催化剂的设计开辟了一条新途径。
Yao Zhou, Erhong Song, Wei Chen, Carlo U. Segre, Jiadong Zhou, Yung-Chang Lin, Chao Zhu, Ruguang Ma, Pan Liu, Shufen Chu, Tiju Thomas, Minghui Yang, Qian Liu, Kazu Suenaga, Zheng Liu, Jianjun Liu, and Jiacheng Wang. Dual‐Metal Interbonding as the Chemical Facilitator for Single‐Atom Dispersions. Adv. Mater. 2020. DOI:10.1002/adma.202003484
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202003484
3. 天津大学巩金龙教授Adv. Funct. Mater.: 化学钝化双面硅光电极用于光电化学析氢和析氧反应
在本文中，天津大学巩金龙教授、王拓教授等课题组报道了一种具有超长少数载流子扩散长度(1940 µm)的非晶硅层钝化硅光电极，它提供了具有化学钝化的表面。利用这种超长的载流子扩散长度，可以将催化剂层(金属)与硅光电极不同侧面的光吸收区分开，形成用于光电化学水还原和氧化的双面硅光电极。所制备出该光电阴极的光电流为39 mA cm−2，施加的偏压光电流效率(ABPE)为15.4%，稳定性可达100 h。同时，当该结构用作光阳极时，所获得的光电流为38.5 mA cm−2，ABPE为5.8%，稳定性可达200 h。此外，作还构建出一个一体式人造树叶，其太阳能-氢气转换效率为3.7%。这种化学钝化硅光电极打破了传统硅光电极中载流子传输和表面钝化之间的权衡。
Bin Liu, Shujie Wang, Shijia Feng, He Li, Lifei Yang, Tuo Wang, and Jinlong Gong. Double‐Side Si Photoelectrode Enabled by Chemical Passivation for Photoelectrochemical Hydrogen and Oxygen Evolution Reactions. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI:10.1002/adfm.202007222
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202007222
4. 上海交通大学章俊良教授J. Mater. Chem. A：铜钯纳米球及其铂单壳层衍生催化剂用于碱性和酸性氧还原反应
氧还原反应(ORR)在各种可再生能源技术中起着至关重要的作用，然而，目前常用的商业电催化剂在碱性和酸性条件下的电催化性能非常不理想，这极大地限制了ORR技术的广泛应用。在本文中，上海交通大学章俊良教授等课题组(1)开发了一种简单的热处理(HT)制备出碳负载的具有梯度结构(CG)、高度均匀且小尺寸的Cu1Pd1纳米球(NSs)催化剂(CGCu1Pd1 NSs/C-HT)；(2)通过完全铜欠电位沉积和Pt2+电流置换，在上述退火的CGCu1Pd1 NSs上进一步镀上一层Pt单层(ML)壳(MSs)材料(CGCu1Pd1@PtML NSs/C-HT)。详细的物理化学表征、电化学分析和密度泛函理论计算表明，得益于NSs的CG结构、尺寸形态、退火效应、以及铜诱导的几何效应和配体效应，与CGCu1Pd1 NSs/C、商业化Pd/C和Pt/C催化剂相比，CGCu1Pd1 NSs/C-HT不仅具有超高的碱性ORR电催化活性，同时也具有令人满意的电化学耐久性。此外，由于CGCu1Pd1核所赋予的Pt-MS结构效应和协同效应，CGCu1Pd1@PtML NSs/C-HT具有非常优异的酸性ORR电催化活性。本研究不仅成功地开发出两种高性能是ORR电催化剂，而且对其ORR电催化性能的显著提高原因进行了全面的研究，为合理设计和制备高活性、高耐久性的ORR电催化剂提供了依据。
Liuxuan Luo, Cehuang Fu, Shuiyun Shen, Fengjuan Zhu and Junliang Zhang. Probing structure-designed Cu–Pd nanospheres and their Pt-monolayer-shell derivatives as high-performance electrocatalysts for alkaline and acidic oxygen reduction reactions. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA05905F
文章链接：
https://doi.org/10.1039/D0TA05905F
5. 广西大学沈培康教授J. Mater. Chem. A: 多重缺陷及应变工程提高介孔SrTiO3光催化固氮活性
尽管可持续合成氨技术在近年来已取得长足的进展，但氮还原反应缓慢的动力学极大限制了其进一步的应用范围。因此，开发高效的太阳能固氮光催化剂仍然是一个巨大的挑战。在本文中，广西大学沈培康教授联合湖北大学张信义教授等课题组提出一个通过多重缺陷和应变工程合成介孔SrTiO3纳米颗粒催化剂的普适性策略。实验和理论研究表明，在可控加氢过程中会产生一定数量的氧空位等表面缺陷，通过液氮淬火可以引入晶格应变，从而提高介孔SrTiO3纳米颗粒的光催化固氮活性。氨产率为109.15 μmol g-1 h-1，是基准SrTiO3纳米粒子的4.3倍。这种合成方法本身不受材料特性的限制，而且易于放大，这可能为商业应用的高性能催化剂开辟一条新途径。
Bingmei Huang, Yang Liu, Qi Pang, Xinyi Zhang, Huanting Wang, and Pei Kang Shen. Boosting the photocatalytic activity of mesoporous SrTiO3 for nitrogen fixation through multiple defect and strain engineering. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA08678A
文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA08678A
6. 大连理工大学邱介山教授Energy Environ. Sci.: 镍钴氢氧化物于400 mA cm-2电催化合成高纯度苯甲酸
随着能源和环境问题的日益突出，利用混合电催化水电解技术生产高附加值精细化工产品，为取代传统的高耗能化工技术带来了很大的希望。然而，由于阳极析氧反应的竞争导致低电流密度，严重阻碍了精细化学品和氢气的大规模生产。此外，产物与复杂电解质之间的分离仍然是一个重要的障碍。在本文中，大连理工大学邱介山教授、于畅教授等课题组首次提出了混合水电解与常规结晶分离相结合的方法，实现了无杂质苯甲酸的电催化生产和分离。作者首次制备出高活性面积、低电荷转移电阻的镍泡沫负载NiCo氢氧化物非晶态纳米片(A-Ni-Co-H/NF)，并应用于催化苯甲醇的电催化氧化反应。所制备出的A-Ni-Co-H/NF可在不发生OER的情况下实现超过400 mA cm-2的工业级电流密度，并具有超快的反应动力学。Ph-COOH的产率接近100%，室温常压下仅需15min即可完成反应。原位拉曼光谱表明，A-Ni-Co-H/NF催化剂在EBA反应过程中具有可逆的结构演化和恢复特性，转化后的含钴物种的镍氧氢氧化物(Co-NiOOH)是真正的活性组分。本文提出了一种新型的电催化剂，实现了高附加值化学品的工业化生产，该集成技术也为电催化过程中产物的分离和收集提供了指导。
Hongling Huang, Chang Yu, Xiaotong Han, Huawei Huang, Qianbing Wei, Wei Guo, Zhao Wang, Jieshan Qiu. Ni, Co hydroxide triggers electrocatalytic production of high-purity benzoic acid over 400 mA cm-2. Energy Environ. Sci. 2020. DOI:10.1039/D0EE02607G
文章链接：
https://doi.org/10.1039/D0EE02607G
7. 郑州大学许群教授Adv. Energy Mater.: 二维非范德华Co2N基异质结用于高效电解水
用于水裂解的二维异质结构材料设计和合成通常是基于范德华(vdW)纳米片，但这种方法在活性和稳定性方面正逐渐接近其性能上限。在本文中，郑州大学许群教授、崔鑫炜教授等课题组探索了一种基于二维非vdW和导电纳米片的新型异质结构。值得注意的是，二维非vdW Co2N纳米片的晶间生长是在碳纤维纸(CPs)集流体和石墨烯层间实现的，因此可在CPs中形成了一个连锁结构。Co2N纳米片的外露表面具有较高的表面能，因此可以锚定高活性的CoNC，从而在CPs外形成2D CoNC-Co2N异质结构。由于2D非vdW纳米片的性质以及CoNC、纳米片和CPs之间形成牢固的导电连接，使得该集成电催化系统由非vdW Co2N纳米片桥接而成，在碱性介质中具有1.52 V的低过电位和280 h的稳定性，该性能优于大多数双功能和非贵金属基电催化剂。
Jingyun Jiang, Pengfei Yan, Yannan Zhou, Zhenfeng Cheng, Xinwei Cui, Yifei Ge, and Qun Xu. Interplanar Growth of 2D Non‐Van der Waals Co2N‐Based Heterostructures for Efficient Overall Water Splitting. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202002214
文章链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202002214
8. 天津大学陈亚楠、胡文彬、邓意达教授Adv. Energy Mater.: 空气辅助瞬态合成亚稳态氧化镍促进碱性燃料氧化反应
构建具有活性和耐久性的非贵金属基电催化剂是燃料电池实际应用和发展的重要要求之一，但目前燃料电池的电荷传输和反应动力学均相对迟缓。在本文中，天津大学陈亚楠教授、胡文彬、邓意达教授等课题组通过空气辅助瞬态热冲击策略，成功合成出高度分散在碳布上的超薄碳包覆氧化镍纳米颗粒(NiO@C/CC)，并将其作为碱性燃料氧化的电催化剂。所合成出的NiO@C/CC催化剂在乙醇电氧化、甲醇电氧化和乙二醇电氧化过程中具有优异的催化活性(电流密度高达119.1 mA cm−2)和耐久性(在试验过程中电流略有衰减)，其性能优于大多数已报道的非贵金属催化剂。NiO@C/CC的优异催化性能主要来自于氧空位、高浓度、高价态的Ni和NiO@C纳米粒子中的碳层，它们有助于调节反应物的表面性质和电子结构，增强电荷转移，提供丰富的活性中心，从而提高反应物分子在其表面的吸附能力。这种空气辅助瞬态热冲击策略可用于指导过渡金属化合物的合理设计和快速合成，并将其作为直接碱性醇燃料电池的先进催化剂。
Chang Liu, Wei Zhou, Jinfeng Zhang, Zelin Chen, Siliang Liu, Yang Zhang, Jiaxing Yang, Lianyong Xu, Wenbin Hu, Yanan Chen, and Yida Deng. Air‐Assisted Transient Synthesis of Metastable Nickel Oxide Boosting Alkaline Fuel Oxidation Reaction. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202001397
文章链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202001397