李述周、姜银珠、付宏刚、潘晖、严玉山、张铁锐、黄小青教授等催化研究成果速览

1. 南洋理工大学李述周教授ACS Mater. Lett.: 从头算模拟揭示碳基单原子电催化剂的活性

多相单原子催化近年来引起了科研人员广泛的研究兴趣。原子级分散的金属原子通常是单原子催化剂中的活性中心，由于反应中间体的位点限制，因此可能导致非常规的反应机理。单原子的配位环境可以通过调节反应中间产物的吸附来显著影响它们的活性。在本文中，南洋理工大学李述周教授联合复旦大学张黎明教授等课题组讨论了两种配位效应：本征配位和动态配位。本征配位是在催化剂合成过程中形成的，而动态配位是指催化过程中引入的一个原子或一个基团的原位配位。此外，活性中心的电荷容量和溶剂化效应对反应物和中间体在单原子催化剂上的吸附也起着重要作用。 

Lixiang Zhong, Liming Zhang, and Shuzhou Li. Understanding the Activity of Carbon-Based Single-Atom Electrocatalysts from Ab Initio Simulations. ACS Mater. Lett. 2020. DOI:10.1021/acsmaterialslett.0c00419

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2. 浙江大学姜银珠教授Adv. Energy Mater.：空气电催化剂界面工程用于可充电锌-空气电池

针对目前锂离子电池成本高、能量密度不足的现状，水系可充电锌(Zn)空气电池以其成本低、环保、安全、能量密度高等优点，近年来受到科研人员越来越多的重视。然而，锌-空气电池的实际应用受到高过电位的严重限制，这与空气电催化剂处发生的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)固有的缓慢动力学有关。近年来，具有调节界面化学的工程异质结构/杂化电催化剂被证明是改善催化活性的有效策略。在异质结界面上存在着显著的电子效应、几何效应、配位效应、协同效应和限域效应，这些效应对电催化剂的本征活性、活性中心密度和耐久性等性能都有很大的影响。在本文中，浙江大学姜银珠教授等课题组综述了近年来利用界面工程技术开发异质结构空气电催化剂的最新进展，特别概述了界面化学与氧电催化动力学之间的潜在关系。本文综述了具有明确定义的界面对快速氧电催化的关键作用，并为高效异质结构空气电催化剂的合理设计提供了坚实的科学依据。 

Minghe Luo, Wenping Sun, Ben Bin Xu, Hongge Pan, and Yinzhu Jiang. Interface Engineering of Air Electrocatalysts for Rechargeable Zinc–Air Batteries. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202002762

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3. 黑龙江大学付宏刚教授Angew. Chem. Int. Ed.: 二维多孔磷化钼/氮化钼异质结纳米片用于全pH下析氢反应

钼基催化剂的形貌和异质结工程是高效析氢反应(HER)的研究热点，但如何同时实现这两个目标仍然是一个挑战。在本文中，黑龙江大学付宏刚教授、田春贵教授等课题组设计出一种聚乙二醇(PEG)介导组装新策略，以2D [PMo₁₂O₄₀]^3-‐三聚氰胺(PMo₁₂‐MA)纳米片为前驱体成功制备出二维多孔MoP/Mo₂N异质结纳米片。所制备的异质结构纳米片厚度约为20 nm，且具有丰富的孔隙(< 5 nm)。这些结构特征为显著提高HER催化活性提供了一些有利条件，包括理论计算所证实的异质结周围具有良好的水解离动力学、二维纳米片的可及表面以及通过孔增强的传质能力。因此，该2D多孔MoP/Mo₂N异质结纳米片表现出优异的HER活性，在碱性、中性和酸性电解质中电流密度为10 mA cm^‐2时的过电位分别为89、91和89 mV。特别地，该催化剂在中性电解质中的电流密度>55 mA cm^‐2，在碱性电解质中的电流密度>190 mA cm^‐2，性能优于商业Pt/C催化剂。该工作对于二维多孔异质结构催化剂的制备具有重要的应用前景。 

Ying Gu, Aiping Wu, Yanqing Jiao, Huiru Zheng, Xueqi Wang, Ying Xie, Lei Wang, Chungui Tian, and Honggang Fu. Two Dimensional Porous Molybdenum Phosphide/Nitride Heterojunction Nanosheets for pH‐Universal Hydrogen Evolution Reaction. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202016102

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4. 澳门大学潘晖教授J. Mater. Chem. A：磷官能化MXenes用于高效析氢

作为二维材料的一个重要家族，MXenes由于其独特的物理化学性质如高导电性和表面活性，因此在各种应用中显示出巨大的潜力。在本文中，澳门大学潘晖教授、王双鹏教授等课题组研究了54个磷官能化MXenes (P-MXenes)，并根据第一性原理计算分析了它们的动力学、热稳定性和力学稳定性，进而筛选出10个稳定结构。研究发现，这些稳定的P-MXenes仍然呈现金属特性，并具有弱磁性。它们对氢的吸附吉布斯自由能接近于零，是一种与铂相当的电催化剂。为了了解HER中的微动力学过程，作者使用了一个明确的水模型来研究Volmer–Heyrovsky (V–H)和Volmer–Tafel (V–T)路径。作者发现由于活化势垒较低，P-MXenes在V-H过程中表现出很高的HER活性。这种系统性的研究证实了MXenes磷功能化的可能性，并指导通过表面改性来设计新型的电催化剂，对其机理进行深入的理解。 

Youchao Kong, Shanshan Yan, Jinxian Feng, Shuangpeng Wang and Hui Pan. Design of phosphorus-functionalized MXenes for highly efficient hydrogen evolution reaction. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA10136B

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA10136B

5. 特拉华大学严玉山教授ACS Catal.: 含氟镍铁羟基氧化物析氧电极用于进水式氢氧化物交换膜电解槽

在本文中，特拉华大学严玉山教授等课题组开发出一种溶解氧和静电位腐蚀策略，在压缩的泡沫镍上合成出垂直排列的含氟镍铁羟基氧化物纳米片阵列，作为一种高效的自支撑析氧电极。其可与聚芳基哌啶氢氧化交换膜和离子交换容量高的离聚物集成，应用于一台以纯水为进水的氢氧化物交换膜电解槽中，该电解槽在1.8 V下的电流密度可达到1020 mA cm^–2，并且可以防止催化剂在连续运行期间发生失活(200 mA cm^–2下>160 h)。该工作为利用间歇式可再生能源大规模生产低成本氢气提供了一条可能的途径。 

Junwu Xiao, Alexandra M. Oliveira, Lan Wang, Yun Zhao, Teng Wang, Junhua Wang, Brian P. Setzler, and Yushan Yan. Water-Fed Hydroxide Exchange Membrane Electrolyzer Enabled by a Fluoride-Incorporated Nickel–Iron Oxyhydroxide Oxygen Evolution Electrode. ACS Catal. 2020. DOI:10.1021/acscatal.0c04200

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6. 中科院理化所张铁锐研究员Adv. Energy Mater.: 电催化氧还原制过氧化氢——从均相电催化到多相电催化

过氧化氢(H₂O₂)是一种环境友好的氧化剂，广泛应用于化学工业、环境卫生和环境修复等领域。目前，过氧化氢在工业上是通过蒽醌法生产的，该工艺有许多缺点例如不能分散生产、高能耗、大量有机副产品废料以及需要将制备出的过氧化氢运输到使用点等。因此，电化学合成H₂O₂作为一种可替代、低成本、小规模、分布式的H₂O₂制备技术正引起科研人员的广泛关注。在本文中，中科院理化所张铁锐研究员、尚露研究员等课题组综述了近年来电催化氧还原反应(ORR)制备H₂O₂的均相和多相催化剂的研究进展。本文首先介绍了氧化还原反应的基本原理和研究ORR制备过氧化氢的方法。其次，讨论了均相催化剂上过氧化氢的生成，重点讨论了反应机理以及影响活性、选择性和反应动力学的因素。随后，介绍了在非贵金属基纳米材料、碳材料和单原子催化剂等非均相催化剂上合成过氧化氢的最新突破。其中单原子催化剂作为均相催化和多相催化之间的桥梁，同时具有优异的催化性能，因此受到特别关注。最后，重点讨论了电化学ORR合成H₂O₂的挑战和机遇。 

Yulin Wang, Georey I. N. Waterhouse, Lu Shang, and Tierui Zhang. Electrocatalytic Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide: From Homogenous to Heterogenous Electrocatalysis. Adv. Energy Mater. 2020. DOI:10.1002/aenm.202003323

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7. 苏州大学黄小青教授CCS Chem.: 高度扭结铂纳米棒用于高效燃料电池催化

与低缺陷铂(Pt)基纳米材料被广泛应用于改善质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中氧还原反应(ORR)催化的研究不同，在本文中，苏州大学黄小青教授等课题组通过连续的化学和电化学老化过程，以海绵状Pt-Te纳米棒(PtTe₂ NRs)为前驱体成功制备出一种具有高度扭曲结构的新型铂纳米棒(NRs)，其可作为一种先进、高效的燃料电池催化剂。所制备出的高度扭曲Pt NRs在0.90 V下表现出优异的ORR比活性和质量活性分别为4.70 mA cm⁻²和2.77 A mg⁻¹_Pt，分别是商业Pt/C催化剂的18.8和16.3倍，质量活性更是美国能源部2020年目标的6.3倍。此外，在30000次循环运行后，观察到可忽略的性能衰减。如此高的ORR性能使这些独特的Pt NRs比商业Pt/C催化剂具有更高的活性和寿命，这与实验结果一致。研究表明，强电子-晶格耦合的异常抑制了无障碍电子转移的库仑斥力，同时暴露出大量的活性中心，这是实现高性能燃料电池反应的关键。 

Lingzheng Bu, Bolong Huang, Yiming Zhu, Fandi Ning, Xiaochun Zhou & Xiaoqing Huang. Highly Distorted Platinum Nanorods for High-Efficiency Fuel Cell Catalysis. CCS Chem. 2020. DOI:10.31635/ccschem.020.201900123

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8. 中南大学范战西教授Energy Environ. Sci.: 单原子催化剂配位结构调节实现高效电催化CO₂还原

电化学CO₂还原反应(CO₂RR)可以在温和的条件下消除过量排放的CO₂，是生产燃料/高价值化学品一种可持续的方法，不仅维持了碳平衡，而且还能缓解能源短缺。然而，低电流密度、竞争性析氢反应和产物分布不可控是亟待解决的问题。由于单原子催化剂(SACs)具有明确的活性中心，因此可以通过调节单原子金属中心的配位键、键长/键角来影响CO₂RR的选择性/活性，而选择性/活性依赖于电子转移、吸附状态等。因此，深入总结CO₂RR的配位结构调控具有重要的意义。在本文中，中南大学雷永鹏教授等课题组主要介绍了碳载体/其它载体负载SACs中中心原子、配位原子对CO₂RR的调控作用。作为原型，总结了结构和XAFS光谱特性之间的确切相关性，重点分析了配位原子和配位数对电流密度、还原产物、反应路径的影响。最后，对配位结构识别、机器学习、配位原子精细调整和产物分布控制等方面提出了展望。本文对如何合理设计配位结构，实现高效的电催化CO₂还原具有重要意义。 

Yuchao Wang, Yi Liu, Wei Liu, Jiao Wu, Qian Li, Qingguo Feng, Zhiyan Chen, Xiang Xiong, Dingsheng Wang and Yongpeng Lei. Regulating the coordination structure of metal single atoms for efficient electrocatalytic CO₂ reduction. Energy Environ. Sci. 2020. DOI:10.1039/D0EE02833A

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0EE02833A