杨阳、王峰、忻获麟、颜清宇、卫敏、汪骋、许振明教授等催化领域成果速览
锌空气电池(ZAB)因其高安全性和优异的性能而备受科研人员的关注。然而，ZAB的实际应用很大程度上依赖于开发高效耐久的载体材料来取代传统的碳载体，这些碳载体材料常常存在着不可修复的腐蚀问题，从而严重影响了ZAB的性能。在本文中，中佛罗里达大学杨阳教授等课题组开发出一种新型多孔FeCo玻璃合金作为ZAB的双功能催化载体。这种多孔玻璃合金中的导电骨架不仅可以用于稳定氧还原助催化剂，而且更重要的是FeCo可作为析氧反应的初生相。为了证明玻璃合金作为催化载体的概念，作者将超细的钯纳米粒子锚定在多孔FeCo(称为Pd/FeCo)上作为氧还原活性中心。所制备出的Pd/FeCo催化剂在碱性介质中具有显著提高的氧还原(半波电位为0.85 V)和析氧(10 mA cm−2电流密度下的过电位为1.55 V)反应电催化活性。以Pd/FeCo作为阴极的ZAB在使用时，输出功率密度为117 mW cm−2，而且在200小时(400次循环)内具有优异的循环稳定性，性能可超过传统的碳负载Pt/C+IrO2催化剂。这种将高活性组分与多孔结构相结合的集成设计为开发新型纳米结构电催化剂提供了一种新策略。
Fuping Pan, Zhao Li, Zhenzhong Yang, Qing Ma, Maoyu Wang, Han Wang, Matthew Olszta, Guanzhi Wang, Zhenxing Feng, Yingge Du, and Yang Yang. Porous FeCo Glassy Alloy as Bifunctional Support for High‐Performance Zn‐Air Battery. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202002204
文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202002204
2. 北京化工大学王峰教授Small：相分离Pt–SnO2/C纳米杂化材料用于高效氧还原
加强多相催化剂的界面相互作用可以显著提高催化剂的活性，并且允许使用少量的活性贵金属，从而在不影响催化剂活性的前提下降低成本。在本文中，北京化工大学王峰教授、张正平教授、朱保宁教授等课题组提出了一种简单易行的相分离方法，通过在炭黑表面空气退火PtSn合金纳米粒子，从而在炭黑上原位合成铂-锡氧化物(Pt-SnO2/C)杂化材料。与碳载体上预负载SnO2后沉积Pt纳米粒子形成的对照样品相比，相分离衍生的Pt-SnO2/C催化剂表现出更强的Pt-SnO2耦合界面，其中Pt (111)和SnO2 (200)的晶格发生重叠，使得从SnO2到Pt的电子转移得到增强。此外，Pt-SnO2活性中心对活性氧物种有较强的降解能力。研究结果表明，Pt-SnO2/C纳米杂化材料作为氧还原反应催化剂时具有优异的催化活性和稳定性，其综合性能优于对照样品和商业Pt/C催化剂。这种相分离策略有望应用于其它强耦合纳米杂化材料的制备，并为低成本能量转换器件中高性能多相催化剂的制备提供了一条新的途径。
Jingyu Guan, Yongxi Zan, Rong Shao, Jin Niu, Meiling Dou, Baoning Zhu, Zhengping Zhang, and Feng Wang. Phase Segregated Pt–SnO2/C Nanohybrids for Highly Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysis. Small 2020. DOI:10.1002/smll.202005048
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202005048
3. 加州大学忻获麟教授ACS Catal.: 菱形有序金属间化合物纳米催化剂促进氧还原反应
低铂族金属(PGM)有序金属间化合物催化剂被认为是催化燃料电池中氧还原反应(ORR)最有前景的候选催化剂之一，但其在活性、耐久性和成本等方面如何达到预期的性能仍是燃料电池研究领域的一大挑战。虽然立方和四方有序(L12和L10相)的低铂族金属纳米催化剂已被广泛研究，并在ORR过程中显示出显著改善的耐久性和活性；然而到目前为止，对菱形有序L11催化剂的研究还知之甚少。在本文中，加州大学忻获麟教授联合布鲁克海文国家实验室Kotaro Sasaki教授、天津大学Jing Yang教授等课题组开发出一种L11有序PtCu催化剂用于ORR反应。研究表明，在NH3气中通过热处理赋予氮(N)掺杂，可以进一步提高N掺杂菱形有序PtCu催化剂的催化活性和稳定性，因此在酸性介质中，所制备出PtCu催化剂的ORR质量活度和比活度分别比商用Pt/C提高了近5倍和4倍。原位同步辐射X射线吸收和对分布函数测试表明，有序金属间化合物结构的形成和N掺杂共同提高了PtCu催化剂的耐蚀性，通过降低铜的扩散系数和引入压缩应变效应来调节含氧物种在铂表面的吸附，从而提高了ORR动力学。
Xueru Zhao, Hao Cheng, Liang Song, Lili Han, Rui Zhang, Gihan Kwon, Lu Ma, Steven N. Ehrlich, Anatoly I. Frenkel, Jing Yang, Kotaro Sasaki, and Huolin L. Xin. Rhombohedral Ordered Intermetallic Nanocatalyst Boosts the Oxygen Reduction Reaction. ACS Catal. 2020. DOI:10.1021/acscatal.0c04021
文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.0c04021
4. 南洋理工大学颜清宇教授ACS Nano：调整多金属氧化物纳米板的电子结构以实现含氧中间体的良好吸附能
高活性析氧反应(OER)电催化剂是将可再生电力高效转化为燃料和化学品的重要催化剂。在本文中，南洋理工大学颜清宇教授、刘彬教授等课题组通过连续的阳离子交换和电化学氧化策略，制备出一系列多金属氧化物纳米板OER电催化剂，并通过多种金属物种之间的相互协同作用，对其电子结构和多金属活性中心进行有效调节。在所有制备出的多金属氧化物纳米板中，CoCeNiFeZnCuOx纳米板表现出最佳的OER中间产物吸附能。CoCeNiFeZnCuOx纳米板催化剂具有较高的电化学活性表面积，在1 M KOH溶液中于10 mA cm–2 (η10)的电流密度下仅表现出低至211 mV的OER过电位，Tafel斜率低至21 mV dec–1，优于商业IrO2 (η10时为339 mV，塔菲尔斜率为55 mV dec–1)催化剂。此外，该催化剂可在10mA cm–2 (过电位为211 mV)和100 mA cm–2 (过电位为307 mV)的电流密度下稳定运行100 h。
Wenjing Huang, Junming Zhang, Daobin Liu, Wenjie Xu, Yu Wang, Jiandong Yao, Hui Teng Tan, Khang Ngoc Dinh, Chen Wu, Min Kuang, Wei Fang, Raksha Dangol, Li Song, Kun Zhou, Chuntai Liu, Jian Wei Xu, Bin Liu, and Qingyu Yan. Tuning the Electronic Structures of Multimetal Oxide Nanoplates to Realize Favorable Adsorption Energies of Oxygenated Intermediates. ACS Nano 2020. DOI:10.1021/acsnano.0c08571
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08571
5. 北京化工大学卫敏教授Angew. Chem. Int. Ed.: 集成电极负载NiSn原子对用于协同电催化CO2还原
电化学CO2还原技术(CO2RR)是缓解全球气候变暖和能源供应问题的有效途径。然而，如何开发高效的CO2RR电催化剂以提高反应效率并指导对催化机理的认识仍然是一个巨大的挑战。在本文中，北京化工大学卫敏教授、邵明飞教授等课题组在分级集成电极上设计出一种NiSn原子对电催化剂(NiSn‐APC)，其在促进CO2RR的活性和选择性时表现出协同效应。该NiSn原子对由相邻的Ni和Sn分别与4个氮原子(N4‐Ni‐Sn‐N4)配位而成，并通过高角度环形暗场扫描电镜(HAADF‐STEM)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)所证实。因此，所制备出的NiSn-APC催化剂对CO2RR生成甲酸盐具有优异的催化活性，其转化率为4752 h‐1，甲酸盐产率为36.7 mol h‐1 gSn‐1，活性中心利用率为57.9%，优于之前报道的单原子催化剂(SACs)。此外，原位衰减全反射红外光谱(ATR‐IR)和密度泛函理论(DFT)计算都验证了相邻Ni对Sn的电子再分配，其降低了*OCHO中间体的势垒，并使该决定步骤在热力学上变成自发。本文的NiSn协同催化CO2RR为合理设计和制备性能显著提高的原子对电催化剂提供了一个成功的范例。
Wenfu Xie, Hao Li, Guoqing Cui, Jianbo Li, Yuke Song, Shijin Li, Xin Zhang, Jin Yong Lee, Mingfei Shao, and Min Wei. NiSn Atomic Pair on Integrated Electrode for Synergistic Electrocatalytic CO2 Reduction. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202014655
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202014655
6. 厦门大学汪骋教授J. Am. Chem. Soc.: 金属-有机层负载可调控钴-多吡啶催化剂用于低过电位下电化学CO2还原
Co通常可以作为电化学CO2还原(CO2RR)过程中的活性中心，其催化活性可以通过改变配位环境来进行调节。然而，在均相体系中，由于还原低配位Co物种的双分子分解，使得Co中心附近的配位数不易被改变。在本文中，厦门大学汪骋教授等课题组报道了一种负载于二维金属有机层(MOLs)上的Co催化剂用于CO2RR，其中Co中心的N原子配位数可以从2调节到5。其中，氮原子来自联吡啶、三吡啶和苯基吡啶配体的组合，而且Co中心被隔离并稳定在分子上以防止双分子分解。所制备出的催化剂表示为MOL-Co-Nx (x = 2–5)，其在电化学上CO2还原为CO催化过程中都是有效的，但它们的活性与配位N原子的数量高度相关。MOL-Co-N3催化剂表现出最优异的催化活性，电流密度最高可达2.3 A mg–1，CO的法拉第效率为99%，过电位仅为380 mV。密度泛函理论计算将Co-N3中心的高活性归因于配体场强和开放配位位点之间的平衡：高配位场强度可以促进键合，而开放的配位位点则允许HCO3-的协助，两者共同加速了C-O的裂解。因此，MOLs为系统研究电催化中配位环境与开放金属中心反应性之间的关系提供了一个独特的平台。
Ying Guo, Yucheng Wang, Yan Shen, Zhuanyun Cai, Zhe Li, Jia Liu, Jiawei Chen, Chi Xiao, Huichong Liu, Wenbin Lin, and Cheng Wang. Tunable Cobalt-Polypyridyl Catalysts Supported on Metal–Organic Layers for Electrochemical CO2 Reduction at Low Overpotentials. J. Am. Chem. Soc. 2020. DOI:10.1021/jacs.0c10719
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.0c10719
7. 上海交通大学许振明教授J. Mater. Chem. A: 利用废旧锂离子电池调控g-C3N4的π共轭结构实现废弃物回收与高活性光催化剂构建的双赢途径
废旧锂离子电池(LIBs)具有数量巨大、高危害性及高价值等特点，其回收利用一直是全球关注的焦点之一。现有的废弃LIBs处理主要集中在元素分离上，该方法比较复杂，而且耗能较大，甚至会产生新的环境问题。在本文中，上海交通大学许振明教授等课题组突破了传统的元素分离方法，直接利用废弃LIBs进行光催化应用。通过在530 °C下对废弃LiCoO2正极、三聚氰胺和NH4Cl进行简单的一锅烧结，成功引入Li–Cl–Co阴-阳离子协同调节g-C3N4的π-共轭结构以提高其光催化活性。Li-Cl-Co阴-阳离子通过Li-N、Li-Cl、Cl-C和Co-N键稳定在g-C3N4中。相邻三嗪单元间的Co降低了带隙和电子跃迁能。Li和Cl的掺杂分别减小和增大了层间距，导致能垒的梯度减小，从而显著地促进了g-C3N4层间的电荷迁移和分离。这些特性共同促成了优良的光催化性能，模拟太阳光光催化析氢和RhB的降解率分别是原g-C3N4的12.6倍和15.3倍。该研究避免了元素分离，并独特地将废弃LIBs用于光催化应用，从而将与回收相关的环境风险降至最低。此外，该研究还揭示了一个协同的概念，即将废弃物转化为高效的光催化剂用于环境保护。
Bo Niu, Jiefeng Xiao and Zhenming Xu. Utilizing spent Li-ion batteries to regulate the π-conjugated structure of g-C3N4: a win–win approach for waste recycling and highly active photocatalyst construction. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA10881B
文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA10881B