陈经广、罗胜联、丁书江、曹荣、李箐、刘景富、马杰、王野教授等催化研究最新成果速览

1. 哥伦比亚大学陈经广教授Joule: 等离子体活化工艺用于固氮

可持续固氮过程可以抵消与传统能源密集型Haber-Bosch工艺(HB)相关的重大环境危害及社会成本。在本文中，哥伦比亚大学陈经广教授等课题组比较了HB与可替代型等离子活化工艺在合成氨领域的能源需求、二氧化碳排放量及商品价格等因素。等离子体工艺具有竞争力所需的阈值效率是针对各种H₂源、从天然气到无二氧化碳可再生能源以及碳的定价政策所确定的。作者对可再生能源驱动的模块化氨生产经济性进行了评估，预计在等离子体工艺效率提高6倍后，该过程将具有竞争力。此外，作者还讨论了实现该阈值的技术前景与研究进展，包括等离子体催化剂协同作用、N₂与等离子体活化水直接反应、等离子体N₂氧化等方面。理论能量最小值的比较表明该等离子体活化固氮工艺所需的能量可能低于HB。

Lea R.Winter, Jingguang G. Chen. N₂ Fixation by Plasma-Activated Processes. Joule 2020. DOI:10.1016/j.joule.2020.11.009

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https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.009

2. 南昌航空大学罗胜联教授Small：外部缺陷诱导策略构建光催化剂异质结构的原子级调制界面

尽管目前已报道了大量的异质结构光催化剂，但由于对异质结构界面的性质研究不足，因此其分离效率和电荷流精度仍然很低。具有限域缺陷的光催化剂可以有效地控制光生载流子的迁移，但这些缺陷的亚稳定性大大降低了光催化剂的稳定性。同时，缺陷区域的引入增加了配位不饱和度，使局域的电子产生离域，促进了它们与该区分子/离子的相互作用。因此，利用缺陷诱导策略选择性生长并调制异质结界面不仅可以提高缺陷结构的稳定性，而且可以增强界面电荷的迁移。利用这种方法，可以构建出低接触电阻、界面紧密的光催化异质结构，从而在效率和精度上均实现最佳的电荷迁移。在本文中，南昌航空大学罗胜联教授等课题组对点，线及平面型异质界面和相关的缺陷工程技术进行了详细综述，特别讨论了具有不同空间和尺寸结构的外部缺陷诱导界面异质性，这些异质性具有可调控的界面特性。此外，作者还介绍了利用缺陷诱导策略制备光催化剂异质结构的主要方面，包括i)缺陷的可控生成，ii)先进的表征方法，以及iii)精细的最小界面构建。 

Shuqu Zhang, Yanmei Si, Bing Li, Lixia Yang, Weili Dai, and Shenglian Luo. Atomic‐Level and Modulated Interfaces of Photocatalyst Heterostructure Constructed by External Defect‐Induced Strategy: A Critical Review. Small 2020. DOI:10.1002/smll.202004980

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3. 西安交通大学丁书江教授Adv. Funct. Mater.: 复杂空心碗状纳米结构的合成、应用与展望

纳米材料形貌的可控设计与合成是材料科学领域最具吸引力的研究方向之一。在各种纳米材料中，空心碗状纳米材料在锂离子电池、超级电容器、电化学和光化学催化剂等许多领域都显示出了巨大的潜力和成功。而且空心碗状纳米材料的独特物理化学性质也引起了世界各国科研人员的极大兴趣。在本文中，西安交通大学丁书江教授等课题组综述了近年来空心碗状纳米材料的研究进展，包括：(i)合成方法，如无模板法、无patchy模板法和patchy模板法；(ii)在锂/钠/钾离子电池、微波吸收、水裂解反应等方面的应用。此外，作者也讨论了目前存在的问题和挑战。 

Jin Liang, Huari Kou, and Shujiang Ding. Complex Hollow Bowl‐Like Nanostructures: Synthesis, Application, and Perspective. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI:10.1002/adfm.202007801

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4. 中科院福建物构所曹荣研究员Appl. Catal. B Environ.：无模板策略合成N掺杂多孔碳负载非贵金属单原子催化剂用于高效氧还原反应与锌-空气电池

单原子M-N-C电催化剂由于具有优异的催化活性和最高的原子利用率，因此近年来受到了科研人员广泛的关注。在本文中，中科院福建物构所曹荣研究员、曹敏纳研究员等课题组首次以大环自组装六元瓜环(CB[6])为前驱体，制备了出M-N-C单原子电催化剂用于锌空气电池。利用自组装CB[6]的无模板方法可以制备出具有多级微/介孔结构的多孔N掺杂碳载体。由该多孔碳负载的单原子铁电催化剂(Fe-NHC)在碱性条件下对氧还原反应(ORR)具有优异的半波电位(E_1/2)为0.89V，优于负载Co或Ni的单原子催化剂和商业Pt/C催化剂(E_1/2=0.83V)。此外，与Pt/C+Ir/C催化剂相比，采用Fe-NHC催化剂作为空气阴极的ZAB表现出更高的功率和能量密度，而且具有更长的稳定性。该工作为设计稳定高效、长寿命的电化学器件催化剂提供了一种有前景的策略。 

Suyuan Zhang, Weiguang Yang, Yulin Liang, Xue Yang, Minna Cao, Rong Cao. Template-free Synthesis of Non-Noble Metal Single-Atom Electrocatalyst with N-doped Holey Carbon Matrix for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction in Zinc-Air Batteries. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119780

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https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119780

5. 华中科技大学李箐教授Appl. Catal. B Environ.: Bi-Pd单原子合金纳米枝晶促进Pd催化CO₂电化学还原制CO

Pd是CO₂电化学还原制备CO的催化剂，但由于其与H原子有很强的亲和力，因此在低过电位下常常受到H₂析出和甲酸盐生成的干扰。在本文中，华中科技大学李箐教授等课题组在密度泛函理论(DFT)计算的指导下，开发出一种Bi原子分散在Pd基底中的Bi-Pd单原子合金(SAA)纳米枝晶(NDs)，并将其用于CO₂高效还原制备CO的催化剂。所制备出Bi₆Pd₉₄-SAA ND催化剂在H型电解池与气体传输流动池中形成CO的法拉第效率(FEs)分别为90.5%和91.8%，过电位分别为290和200 mV，是目前报道Pd基电催化剂中最好的。Bi₆Pd₉₄-SAA ND催化剂上CO产物的显著增强可归因于Bi掺杂导致的氢覆盖率的降低，从而增加了H₂生成的反应势垒，同时减少*COOH生成的自由能。 

Huan Xie, Yangyang Wan, Xiaoming Wang, Jiashun Liang, Gang Lu, Tanyuan Wang, Guoliang Chai, Nadia Mohd Adli, Cameron Priest, Yunhui Huang, Gang Wu, Qing Li. Boosting Pd-catalysis for electrochemical CO₂ reduction to CO on Bi-Pd single atom alloy nanodendrites. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119783

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https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119783

6. 中科院生态环境研究中心刘景富研究员Appl. Catal. B Environ.: 黑磷杂化钯纳米颗粒产生缺电子活性位点用于催化

负载型金属催化剂的电子结构可以有效影响分子的吸附能和反应能垒，这对催化剂的活性至关重要。在本文中，中科院生态环境研究中心刘景富研究员等课题组以少层黑磷为载体制备出纳米杂化钯纳米颗粒催化剂(Pd P/FL-BP)，发现黑磷改性可以改变钯纳米颗粒的缺电子结构。所制备出的Pd-P/FL-BP催化剂对4-硝基苯酚加氢制被4-氨基苯酚表现出大大增强的催化活性，甚至高于迄今为止报道的最佳催化性能。密度泛函理论计算表明，高催化活性与缺电子钯原子有关，这有助于降低反应物的吸附能，促进产物从缺电子活性位点的解吸。 

Zuoliang He, Rui Liu, Cuihong Xu, Yujian Lai, Wanyu Shan, Jingfu Liu. Black Phosphorus Hybridizing Produces Electron-Deficient Active Sites on Palladium Nanoparticles for Catalysis. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119775

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https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119775

7. 山西大学马杰教授Appl. Catal. B Environ.: 流动诱导压电场构建直接Z型ZnO/MoS₂纳米阵列异质结增强光催化性能

在本文中，山西大学马杰教授联合电子科技大学薛欣宇教授、中国矿业大学Hong Wang等课题组利用流动诱导压电场在泡沫镍表面成功构建出ZnO/MoS₂纳米阵列作为直接Z型异质结，从而提高了光催化性能。镍基底的多孔结构可以有效地诱导纳米棒阵列的应用形变，并通过水流产生内置的压电场。在光照50 min后，光催化降解甲基橙的效率为50.6%，在搅拌光照下的降解效率可迅速提高到92.7%。随着搅拌速度的增加，降解速率呈S型关系。此外，该异质结光催化剂在水溶液中甚至在碱性溶液中也具有良好的重复性。作者通过自由基清除实验和电子自旋共振技术研究了活性自由基的作用和数量，表明流动诱导压电场只能显著增加·OH自由基的数量。这一有趣现象可归因于压电场将Ⅱ型异质结转变为Z型。 

Yongming Fu, Zeqian Ren, Jizhou Wu, Yuqing Li, Wenliang Liu, Peng Li, Lili Xing, Jie Ma, Hong Wang, Xinyu Xue. Direct Z-scheme heterojunction of ZnO/MoS₂ nanoarrays realized by flowing-induced piezoelectric filed for enhanced sunlight photocatalytic performances. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119785

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8. 厦门大学王野教授Energy Environ. Sci.: 涉及C-C耦合的C1分子光催化及电催化转化

碳(C1)分子是一种丰富、易得、廉价的碳原料，将其选择性地转化为多碳(C₂₊)化合物是一个极具吸引力但同时富于挑战性的研究目标。光催化和电催化为C1分子在温和及环境友好条件下的活化和可控的C-C耦合提供了巨大的机遇。在本文中，厦门大学王野教授、张庆红教授联合上海石油化工研究院Yangdong Wang等课题组综述了近年来CO、CO₂、CH₄、CH₃OH和HCHO等主要C1分子通过光催化和电催化转化为C₂H₄、C₃H₆、乙醇和乙二醇等C₂₊化合物的研究进展。除了综述光催化剂和电催化剂外，作者还分析了结构-性能关系以及控制活性和产物选择性的关键因素，以期为从C1原料合成C₂₊化合物提供更有效的催化剂合理设计。此外，作者讨论了活性组分、反应中间体和反应或催化剂的作用机理，以加深对C1分子在太阳能或电能存在下发生活化和选择性C-C偶联的化学认识。 

hunji Xie, Wenchao Ma, Xuejiao Wu, Haikun Zhang, Qinghong Zhang, Yangdong Wang and Ye Wang. Photocatalytic and electrocatalytic transformations of C1 molecules involving C–C coupling. Energy Environ. Sci. 2020. DOI:10.1039/D0EE01860K

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https://doi.org/10.1039/D0EE01860K