王磊、蒋三平、符显珠、江俊、黄延强、李隽、胡良兵、雷永鹏教授等催化研究最新成果速览

1. 青岛科技大学王磊教授Nat. Commun.: 高熵合金纳米催化剂点对点快速电子转移驱动高效氧化还原电催化

设计可同时用于还原和氧化反应的高性能电催化剂目前正面临着严峻的挑战。在本文中，青岛科技大学王磊教授、赖建平教授联合香港理工大学黄勃龙教授等课题组采用一种简单的常压低温油相合成策略，成功制备出均匀、超小(~3.4nm)的高熵合金(HEAs) Pt₁₈Ni₂₆Fe₁₅Co₁₄Cu₂₇纳米粒子。所制备出的Pt₁₈Ni₂₆Fe₁₅Co₁₄Cu₂₇/C催化剂对析氢反应(HER)和甲醇氧化反应(MOR)具有优异的电催化性能。该催化剂于碱性介质中在110mAcm⁻²的电流密度下表现出11mV的低过电位，以及优异的活性(10.96Amg⁻¹_Pt at −0.07V)和稳定性。此外，其在碱性溶液中催化MOR反应的活性(15.04Amg⁻¹_Pt)也是前所未有的。周期性DFT计算证实了HEA表面在HER和MOR过程中的多活性中心是质子和中间转化的关键因素。同时，HEA表面的结构也为还原和氧化过程提供了快速的电子转移路径。 

Hongdong Li, Yi Han, Huan Zhao, Wenjing Qi, Dan Zhang, Yaodong Yu, Wenwen Cai, Shaoxiang Li, Jianping Lai, Bolong Huang & Lei Wang. Fast site-to-site electron transfer of high-entropy alloy nanocatalyst driving redox electrocatalysis. Nat. Commun. 2020. DOI:10.1038/s41467-020-19277-9

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2. 科廷大学蒋三平教授Nano Energy：无模板法合成碳纳米管负载高密度单原子铁用于高温聚电解质膜燃料电池

碳负载铁单原子催化剂(FeSA)是高温聚电解质膜燃料电池(HT-PEMFCs)中替代贵金属铂催化剂的理想选择。然而，要在导电碳载体如碳纳米管(CNTs)上负载高密度的铁原子活性中心，则通常需要依赖模板来避免铁原子的团聚。在本文中，科廷大学蒋三平教授联合中科院大连化物所刘健研究员、北京航空航天大学卢善富教授、中南大学Yi Cheng等课题组提出一种简单且无模板的策略成功在碳纳米管上制备出高密度的铁单原子催化剂。单原子铁载量为3.5 wt%的FeSA在O₂饱和的0.1 M HClO₄溶液中，催化ORR反应的起始电位(E_on)为0.95 V，半波电位(E_1/2)为0.801 V，与Pt/C (Pt负载为25 μg_Pt cm^-2)的性能相当。如此高的ORR性能来自于高密度的单原子位点和高导电性的碳纳米管石墨烯网络。最重要的是，FeSA在0.2 M H₃PO₄ + 0.1 M HClO₄电解液中表现优异的耐磷酸盐稳定性，其E_1/2为0.80 V，比商业Pt/C催化剂高出27 mV。此外，所合成出的FeSA催化剂可作为优异的无贵金属基(PGM)阴极在HT-PEMFC中具有良好的适用性，以脱水H₂为燃料时的峰值功率密度为266 mW cm^-2，且在240 ℃下具有优异的稳定性。该方法为开发高效无铂族金属的燃料电池催化剂提供了一条简便实用的途径。 

Yi Cheng, Jinyang Zhang, Xing Wu, Chongjian Tang, Shi-ze Yang, Panpan Su, Lars Thomsen, Feiping Zhao, Shanfu Lu, Jian Liu, San Ping Jiang. A Template-free Method to Synthesis High Density Iron Single Atoms Anchored on Carbon Nanotubes for High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. Nano Energy 2020. DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105534

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3. 深圳大学符显珠教授Nano Energy: 大电流密度下无CO₂排放的电催化CH₃OH选择性节能制氢技术

电化学氧化有机材料升级近年来被认为是一种很有前景的节能制氢策略，但其在大电流密度下实现高产率的高附加值化学品仍然具有挑战性。在本文中，深圳大学符显珠教授等课题组合成出一种富缺陷的Ni₃S₂-CNFs纳米异质结构，其表现出良好的电催化性能，能够高效、无二氧化碳排放地选择性催化甲醇制备增值甲酸盐，在高法拉第效率(>90%)可实现大电流密度(>700 mA cm⁻²)。此外，甲醇升级反应代替了反应迟缓的OER，大大提高了水电解制氢的效率，降低了能耗。DFT计算表明，原位形成的具有协同效应的Ni–OOH和SO_x能有效地调节Ni₃S₂-CNFs纳米异质结构中Ni₃S₂的d带中心，其作为独特的协同活性中心，在热力学上有利于甲醇转化为甲酸盐，抑制其进一步氧化为二氧化碳，从而使无二氧化碳排放的甲醇升级反应具有较高的活性和选择性。 

Bin Zhao, Jianwen Liu, Xuewan Wang, Chenyu Xu, Pengfei Sui, Renfei Feng, Lei Wang, Jiujun Zhang, Jing-Li Luo, Xian-Zhu Fu. CO₂-emission-free Electrocatalytic CH₃OH Selective Upgrading with High Productivity at Large Current Densities for Energy Saved Hydrogen Co-generation. Nano Energy 2020. DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105530

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4. 中国科学技术大学江俊教授J. Am. Chem. Soc.：氮化硼和石墨烯夹心单原子催化剂实现极化电场高效固氮

开发高效的单原子催化剂(SACs)用于固氮反应具有重要意义，同时也是一个巨大的挑战，目前对有效控制SACs极化电场策略的缺乏极大地限制了SACs的活性和选择性。在本文中，中国科学技术大学江俊教授等课题组利用第一性原理计算，报道了夹在六方氮化硼(h-BN)和石墨烯片层之间的单个过渡金属(TM)原子(即BN/TM/G)材料，其可作为电化学氮还原反应(NRR)的高效SAC。这些三明治结构可实现稳定和可调节的界面极化场，使TM原子能够将电子供给到相邻的B原子作为活性中心。结果表明，B原子部分占据的p_z轨道可以与N₂的反键态形成B-to-N π-back键，从而削弱N≡N键。此外，h-BN表面不强不弱的电场也进一步促进了N₂的吸附和活化。研究发现，BN/TM/G体系的NRR催化活性与TM原子上的正极化电荷程度相关。特别地，BN/Ti/G和BN/V/G催化剂具有较高的稳定性，优异的能量效率和抑制竞争性的析氢反应。 

Shaobin Tang, Qian Dang, Tianyong Liu, Shiyong Zhang, Zhonggao Zhou, Xiaokang Li, Xijun Wang, Edward Sharman, Yi Luo, and Jun Jiang. Realizing a Not-Strong-Not-Weak Polarization Electric Field in Single-Atom Catalysts Sandwiched by Boron Nitride and Graphene Sheets for Efficient Nitrogen Fixation. J. Am. Chem. Soc. 2020. DOI:10.1021/jacs.0c09527

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5. 中科院大连化物所黄延强研究员J. Am. Chem. Soc.: 双功能Ir₁-In₂O₃单原子催化剂促进CO₂高选择性加氢制乙醇

近年来，通过碳链可控生长的CO₂加氢反应制备高价值C₂或C₂₊产物引起了科研人员的极大兴趣，但目前对特定产物尤其是乙醇实现高选择性的制备仍然是一个挑战。在本文中，中科院大连化物所黄延强研究员、Junguo Ma等课题组设计出一种双功能Ir₁–In₂O₃单原子催化剂，通过将单原子Ir锚定在In₂O₃载体上，实现了两个活性中心的整合。这种Ir₁–In₂O₃单原子催化剂对CO₂在液体中的加氢反应表现出优异的催化活性，对乙醇的选择性高达>99%，初始转化率高达481 h^-1。通过表征表明孤立的Ir单原子与相邻的氧空位形成Lewis酸碱对，从而激活CO₂并形成吸附在Ir原子上的羰基(CO*)中间物种。将CO*与吸附在In₂O₃上的甲醇氧物种进行偶联可以形成C-C键。这种有效的双功能单原子催化剂具有协同利用单原子中心和底物的催化作用，为复杂催化体系的催化剂设计提供了新的途径。 

Xue Ye, Chongya Yang, Xiaoli Pan, Junguo Ma, Yaru Zhang, Yujing Ren, Xiaoyan Liu, Lin Li, and Yanqiang Huang. Highly Selective Hydrogenation of CO₂ to Ethanol via Designed Bifunctional Ir₁–In₂O₃ Single-Atom Catalyst. J. Am. Chem. Soc. 2020. DOI:10.1021/jacs.0c08607

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6. 清华大学李隽教授Chem. Rev.: 石墨烯基金属单原子催化剂稳定性和催化活性的理论认识

多相单原子催化剂(SACs)具有贵金属利用率高、活性中心精确、选择性可调、活性优异等优点，已成为催化科学近年来的一个新兴前沿。石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维碳材料，其表现出独特的结构和电子性质，因此是SACs极好的载体材料。在本文中，清华大学李隽教授等课题组综述了近年来石墨烯基SACs的研究进展。在大量的已发表文献中，作者有选择地关注锚定在不同石墨烯载体上金属单原子(SAs)的稳定性，以及基于石墨烯的SACs对不同化学反应的催化性能，包括热催化和电催化。本文对石墨烯基SACs的电子结构及其与催化活性内在联系的基本认识进行了详细总结，并对今后利用石墨烯和类石墨烯材料设计的高效SACs提供一个必要展望。 

Hong-Ying Zhuo, Xin Zhang, Jin-Xia Liang, Qi Yu, Hai Xiao, and Jun Li. Theoretical Understandings of Graphene-based Metal Single-Atom Catalysts: Stability and Catalytic Performance. Chem. Rev. 2020. DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00818

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7. 马里兰大学胡良兵教授Adv. Mater.: 木质结构中的纳米级离子调控及器件应用

离子的传输和调节存在于能量储存及转换、环境修复、传感、离子电子学和生物技术等相关器件和应用中的基本过程。采用自上而下或自下而上方法制造的木质材料具有独特的多级多孔纤维结构，因此为多尺度离子的调节提供了一个吸引人的材料平台。这些材料中的离子传输行为可以通过从宏观到纳米级的结构和组分工程进行调节，从而赋予木质材料多种功能，用于各种新兴应用。在本文中，马里兰大学胡良兵教授等课题组综述了木质结构中离子调控的最新进展，其应用包括电池、超级电容器、热电子、盐梯度发电机、太阳能脱盐膜、水过滤器、离子纳米流体、晶体管、传感器和生物器件等。作者首先讨论了木材中多级细胞结构和木质结构改性策略以及溶液基多孔介质中的基本离子传输行为，进一步探讨了影响木质结构中离子迁移行为的关键因素和调控策略，包括孔结构(如孔径、孔隙率和弯曲度)和表面性质(如表面电荷密度和电位)的调节。本文还讨论了木质结构在各种器件中的离子传输行为和调控策略，重点讨论了它们的结构-性能关系。最后，作者对该领域的当前挑战、未来研究方向和商业化机会提出了自己的观点。 

Chaoji Chen and Liangbing Hu. Nanoscale Ion Regulation in Wood‐Based Structures and Their Device Applications. Adv. Mater. 2020. DOI:10.1002/adma.202002890

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8. 中南大学雷永鹏教授Adv. Energy Mater.: 电纺无机纳米纤维用于氧电催化

得益于大比表面积、短电荷传输路径、高化学稳定性等优点，以静电纺丝技术制备出的一维纳米纤维材料在燃料电池和金属空气电池中受到研究人员极大的关注。在本文中，中南大学雷永鹏教授、周科朝教授联合南京航空航天大学彭生杰教授等课题组简要介绍了静电纺丝技术的工作原理及其在燃料电池、金属空气电池方面的应用，其次介绍了静电纺丝法制备的无贵金属电催化剂的最新进展，主要包括杂原子掺杂静电纺丝碳纳米纤维(ECNFs)，总结了过渡金属纳米颗粒及化合物(合金、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物)修饰ECNFs和独特的纳米结构过渡金属-氮-ECNFs(包括单原子催化剂)。在本文中，作者重点介绍了具有自支撑特性的静电纺丝纤维电极。此外，作者还讨论了以氧化物、氮化物和碳化物或其杂化材料作为电催化剂的电纺纳米纤维。最后，展望了电纺NFs基氧电催化剂的发展前景和未来可能的研究方向。这一综合性的回顾对于理解先进能量转换及储存器件设计于制造是有价值和帮助的。 

Yongpeng Lei, Qichen Wang, Shengjie Peng, Seeram Ramakrishna, Dou Zhang, and Kechao Zhou. Electrospun Inorganic Nanofibers for Oxygen Electrocatalysis: Design, Fabrication, and Progress. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.201902115

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https://doi.org/10.1002/aenm.201902115