陈经广、鲍哲南、张森、楼雄文、谷猛、杨柏、李剑锋、张健教授等催化研究成果速览

1. 哥伦比亚大学陈经广教授Adv. Energy Mater.: 利用MXenes作为电催化剂的挑战和机遇

可持续的能源转换过程通常需要由可再生能源驱动的电化学反应。二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)是一类重要的二维材料，由于其独特的电学、物理、化学和力学性能，被证明是一类很有前景的非均相电催化剂。近年来，MXenes和MXenes衍生的电催化剂在许多电化学反应中得到了应用，包括析氢反应、析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、氮气还原反应、甲醇氧化反应等。以高丰度金属制备出的MXenes不仅具有大规模应用的潜力，而且其明确的结构也可以使研究人员识别活性中心和催化机制。在本文中，哥伦比亚大学陈经广教授联合天津大学韩优教授等课题组综述了MXenes在电催化中的最新研究，并讨论了设计及制备具有理想电催化性能的MXenes和MXenes基材料的挑战和机遇。 

Yan Wang, Yao Nian, Akash N. Biswas, Wei Li, You Han, and Jingguang G. Chen. Challenges and Opportunities in Utilizing MXenes of Carbides and Nitrides as Electrocatalysts. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202002967

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https://doi.org/10.1002/aenm.202002967

2. 斯坦福大学鲍哲南院士J. Am. Chem. Soc.：三维四羟基醌基金属-有机骨架中价态-电导率依赖相关性

导电金属-有机骨架材料(cMOFs)由于其在电化学储能、电催化和传感等方面的巨大潜力，近年来成为科研人员研究的热点。迄今为止报道的cMOFs多为二维结构，而3D cMOFs仍然很少见。在本文中，斯坦福大学鲍哲南院士等课题组报道了一种由四羟基-1,4-醌(THQ)和硫酸铁(II)盐合成的3D-cMOF，即FeTHQ。所合成出的FeTHQ在300 K下的电导率为3.3 ± 0.55 mS cm^–1，这对于3D-cMOFs来说是很高的。研究发现，FeTHQ的电导率依赖于价态。与空气氧化和sodium naphthalenide还原的样品相比，本文制备出的FeTHQ具有更高的电导率。 

Gan Chen, Leland B. Gee, Wenqian Xu, Yanbing Zhu, Juan S. Lezama-Pacheco, Zhehao Huang, Zongqi Li, Jeffrey T. Babicz, Jr., Snehashis Choudhury, Ting-Hsiang Chang, Evan Reed, Edward I. Solomon, and Zhenan Bao. Valence-Dependent Electrical Conductivity in a 3D Tetrahydroxyquinone-Based Metal–Organic Framework. J. Am. Chem. Soc. 2020. DOI:10.1021/jacs.0c09379

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3. 弗吉尼亚大学张森教授Nat. Catal.: 规整板钛矿TiO₂纳米棒负载单原子Co位点用于高效析氧反应

开发高效的析氧反应(OER)电催化剂是发展清洁能源和燃料转化电化学器件的关键。然而，由于非均相电催化剂结构的复杂性，对其表面催化位点及机理的研究一直是一个很大的挑战。在本文中，弗吉尼亚大学张森教授联合加州理工学院William A. Goddard III教授等课题组研究发现在定义良好板钛矿TiO₂纳米棒(210)表面负载的单原子Co位点催化剂(Co-TiO₂)表现出迄今为止报道钴基多相催化剂的最高周转频率，在300和400 mV过电位下可分别达到6.6±1.2和181.4±28s⁻¹。基于大正则量子力学计算和原位/非原位光谱探针验证出的单位点Co原子结构，作者建立了Co-TiO₂催化反应动力学的完整描述，作为外加电位的函数，揭示了OER过程中的吸附质演化机制。通过计算得到的Tafel斜率和转化频率与实验结果非常吻合。 

Chang Liu, Jin Qian, Yifan Ye, Hua Zhou, Cheng-Jun Sun, Colton Sheehan, Zhiyong Zhang, Gang Wan, Yi-Sheng Liu, Jinghua Guo, Shuang Li, Hyeyoung Shin, Sooyeon Hwang, T. Brent Gunnoe, William A. Goddard III and Sen Zhang. Oxygen evolution reaction over catalytic single-site Co in a well-defined brookite TiO₂ nanorod surface. Nat. Catal. 2020. DOI:10.1038/s41929-020-00550-5

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https://doi.org/10.1038/s41929-020-00550-5

4. 南洋理工大学楼雄文教授Angew. Chem. Int. Ed.：原子级分散活性中心催化剂用于电催化CO₂还原和水裂解

开发电催化能量转换技术来替代传统能源，是解决化石燃料枯竭和相关环境问题的迫切需要。开发稳定、高效的电催化剂对这些技术的推广具有重要意义。单原子催化剂(SACs)是一种新型的催化材料，具有广泛的应用前景。合理设计近程配位环境、长程电子相互作用和配位微环境对SACs的反应机理和相关催化性能有很大影响。在本文中，南洋理工大学楼雄文教授、Deyan Luan等课题组综述了近年来原子级分散型活性中心催化剂用于电催化CO₂还原和水裂解反应的研究进展。根据近年来各种operando研究的进展，阐述了催化机理和潜在的构效关系。最后，通过对单原子催化技术发展的挑战和展望，希望能对SACs在电催化能量转换方面的未来研究有所启示。 

Huabin Zhang, Weiren Cheng, Deyan Luan and Xiong Wen (David) Lou. Atomically Dispersed Reactive Centers for Electrocatalytic CO₂ Reduction and Water Splitting. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202014112

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5. 南方科技大学谷猛教授ACS Catal.: 非晶态CoOx纳米片负载Ir单原子实现超高析氧反应活性

开发高效的析氧反应(OER)电催化剂对可再生能源的储存具有重要意义。在本文中，南方科技大学谷猛教授联合电子科技大学祖小涛教授、俄勒冈州立大学冯振兴教授等课题组设计出一种在非晶态CoO_x纳米片上负载的高密度Ir单原子催化剂(ANSs)用于OER电催化。实验结果表明，在CoO_x ANSs中，Ir单原子被丰富的表面吸附氧所锚定。所制备出的Ir单原子催化剂具有超高的质量活性，是工业IrO₂催化剂的160倍。此外，IrCoO_x ANSs在OER催化过程中表现出低于30mv的低起始电位。原位X射线吸收光谱表明，Ir-O-Co对可以直接提高OER效率，增强了Ir的稳定性。 

Chao Cai, Maoyu Wang, Shaobo Han, Qi Wang, Qing Zhang, Yuanmin Zhu, Xuming Yang, Duojie Wu, Xiaotao Zu, George E. Sterbinsky, Zhenxing Feng, and Meng Gu. Ultrahigh Oxygen Evolution Reaction Activity Achieved Using Ir Single Atoms on Amorphous CoO_x Nanosheets. ACS Catal. 2020. DOI:10.1021/acscatal.0c04656

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6. 吉林大学杨柏教授ACS Cent. Sci.: 碳点——一种应用广泛的新型碳基纳米材料

碳点(CDs)作为一种新型的碳基纳米材料，由于其多样的物理化学性质，良好的生物相容性、独特的光学性能、成本低、生态友好、丰富的功能基团(如氨基、羟基、羧基)、稳定性高、电子迁移率高等优点。在本文中，吉林大学杨柏教授等课题组在分析CDs形成机理、微纳米结构和性质特点的基础上，对CDs的分类进行了全面的综述，并介绍了CDs的合成方法和光学性质，包括强吸收、光致发光和磷光等。此外，还系统地介绍了近年来在光学(传感器、防伪)、能源(发光二极管、催化、光电、超级电容器)和有前景的生物医学等领域的重大进展。最后，作者还展望了目前所面临的关键问题、未来的研究方向和前景，以展示CDs基材料的全貌。 

Junjun Liu, Rui Li, and Bai Yang. Carbon Dots: A New Type of Carbon-Based Nanomaterial with Wide Applications. ACS Cent. Sci. 2020. DOI:10.1021/acscentsci.0c01306

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7. 厦门大学李剑锋教授ACS Mater. Lett.: 核-壳-卫星等离子体光催化剂用于广谱光催化水分解

光催化分解水是利用太阳能制氢的理想方法，这种可再生能源将有助于解决当前的环境问题。然而，目前的光催化剂远远不能满足商业应用的性能要求。近年来，利用等离子体纳米颗粒(NPs)的表面等离子体激元共振(SPR)增强光催化技术由于其在可见光和近红外光谱区具有优异的太阳能收集能力而受到越来越多的关注。在本文中，厦门大学李剑锋教授、孙岚教授、张华博士联合闽南师范大学徐娟教授等课题组在普通CdS光催化剂的基础上，制备出一系列不同核型和壳层厚度的核-壳等离子体光催化剂。结合实验结果和有限元方法(FEM)，作者推导了近场增强机制和等离子体激元共振能量的转移机制。为了进一步提高能量转换效率，作者设计并制备了核-壳-卫星型等离子纳米复合光催化剂Ag@SiO₂@CdS-Au。由于热电子注入和等离子体耦合效应有效扩大了光催化剂的光吸收，因此显著提高了催化性能。与传统CdS相比，该等离子体纳米复合光催化剂的光催化活性提高了200倍以上。该工作加深了对SPR增强光催化机理的理解，为设计等离子体激元光催化剂提供了一种有效的策略。 

He Ren, Jing-Liang Yang, Wei-Min Yang, Han-Liang Zhong, Jia-Sheng Lin, Petar M. Radjenovic, Lan Sun, Hua Zhang, Juan Xu, Zhong-Qun Tian, and Jian-Feng Li. Core–Shell–Satellite Plasmonic Photocatalyst for Broad-Spectrum Photocatalytic Water Splitting. ACS Mater. Lett. 2020. DOI:10.1021/acsmaterialslett.0c00479

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8. 中科院福建物构所张健研究员ACS Mater. Lett.: 以钛氧簇合物为前驱体合成Ti-MOFs单晶

钛(IV)基金属有机骨架(Ti-MOFs)由于其在光催化领域的广泛应用，近年来受到了科研人员的广泛关注；然而，合成具有精确晶体结构的新型Ti-MOFs仍然具有挑战性。在本文中，中科院福建物构所张健研究员、王飞研究员等课题组以一个大的Ti₄₄氧簇合物为前驱体与有机配体组装，合理设计出三个具有单晶结构的Ti-MOFs(称之为FIR-125—FIR-127)。采用单晶X射线衍射法表明作者成功制备出大单晶，并对其结构进行了测定。在合成过程中，大的Ti₄₄-oxo团簇被转移到Ti-MOF中的小Ti₈O₈(CO₂)₁₆构筑单元中。此外，FIR-125具有高稳定性、永久孔隙率和优异的光催化活性。该工作为通过大尺寸钛氧团簇的缓慢转变实现Ti-MOFs大单晶体的生长提供了一种新的策略。 

Yayong Sun, Dong-Fei Lu, Yuexin Sun, Mei-Yan Gao, Nan Zheng, Cheng Gu, Fei Wang, and Jian Zhang. Large Titanium-Oxo Clusters as Precursors to Synthesize the Single Crystals of Ti-MOFs. ACS Mater. Lett. 2020. DOI:10.1021/acsmaterialslett.0c00456

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https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00456