李灿、丁彬、蒋青、汪夏燕、涂江平、范战西教授等催化研究最新成果速览

1. 中科院大连化物所李灿院士Angew. Chem. Int. Ed.: 揭示Ferrihydrite水合结构用于光电化学水氧化的空穴储存

在光电催化体系中，Ferrihydrite (Fh)被证明是空穴储存层(HSL)。然而，Fh中负责空穴储存的本征结构功能仍旧不清楚。在本文中，中科院大连化物所李灿院士、施晶莹研究员等课题组通过对Fh进行精心设计的煅烧脱水，揭示了Fh材料的HSL功能与结构演化之间的本质联系。研究发现，晶体水分子在Fh中的不可逆和逐渐损失会导致HSL功能的减弱，并伴随着内部结构单元的排列。作者提出了脱水过程中的结构演化过程，确定了Fh对HSL功能的主要活性结构为[FeO₆]多面体单元，其与两个或三个结晶水分子键合。随着化学结晶水的不断流失，[FeO₆]水合单元的配位对称性发生突变，形成更为有序的结构，从而导致难以接受光生空穴。本研究揭示了Fh材料中水合结构与空穴储存之间的关系。 

Pengpeng Wang, Deng Li, Haibo Chi, Yongle Zhao, Junhu Wang, Dongfeng Li, Shan Pang, Ping Fu, Jingying Shi, and Can Li. Unveiling the Hydration Structure of Ferrihydrite for Hole Storage in Photoelectrochemical Water Oxidation. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202014871

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202014871

2. 东华大学丁彬教授Adv. Mater.：磁性催化剂的电磁感应增强电催化ORR/OER性能

设计稳定高效低成本的氧还原和析氧反应(ORR/OER)电催化剂是当前新能源技术发展的一个重要挑战。在本文中，东华大学丁彬教授、闫建华教授等课题组开发出一种碳基磁性纳米笼双功能催化剂，它可以通过施加适度的磁场(350 mT)直接提高氧催化活性。作者采用简单的静电纺丝策略在大孔碳纳米纤维中原位掺杂金属钴纳米点(≈10 nm)，从而成功制备出一种孔隙率为90%，电导率为905 S m⁻¹的催化剂。外加磁场可以使钴被磁化成具有高自旋极化的纳米磁体，从而促进氧中间体的吸附和电子转移，显著提高催化活性。令人印象深刻的是，对于ORR过程，半波电位增加了20 mV；对于OER过程，电流密度为10 mA cm⁻²处的过电位降低了15 mV。与商用Pt/C+IrO₂催化剂相比，磁催化锌空气电池的容量提高了2.5倍，并且在155小时内表现出更长的耐久性。该研究结果指出了利用电磁感应提高氧催化活性的一种非常有前景的策略。 

Jianhua Yan, Ying Wang, Yuanyuan Zhang, Shuhui Xia, Jianyong Yu, and Bin Ding. Direct Magnetic Reinforcement of Electrocatalytic ORR/OER with Electromagnetic Induction of Magnetic Catalysts. Adv. Mater. 2020. DOI:10.1002/adma.202007525

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202007525

3. 吉林大学蒋青教授Adv. Funct. Mater.: 纳米多孔表面高熵合金作为高效多位点电催化剂用于非酸性析氢反应

碱性和中性介质下的电催化析氢反应提供了一种采用无铂金属电催化剂实现大规模电解生产纯氢燃料的可能性，但目前大多数基于非贵金属过渡金属的电催化剂仍在高过电位下运行。在本文中，吉林大学蒋青教授、郎兴友教授等课题组设计出一种具有电化学活性高熵CuNiMoFe表面的一体式纳米多孔多元素CuAlNiMoFe电极，该电极有望成为碱性和中性介质中析氢反应(HER)的经济高效电催化剂。由不同的铜、镍、钼和铁金属组成的表面高熵合金提供了许多双功能电催化位点，因此增强了水分解和活性氢中间产物的吸附/解吸动力学，使得纳米孔CuAlNiMoFe电极具有良好的非酸性HER电催化性能，有利于电子传递/传质。在1 M KOH和pH 7的缓冲电解液中，该高熵CuAlNiMoFe电极的过电位仅需≈240和≈183 mV，电流密度分别为≈1840和≈100 mA cm⁻²，比采用三元CuAlNi表面合金及双金属Cu–Ni表面合金的电极分别高出≈46和≈14倍。这种非贵金属多元素合金优异的电催化性能使其成为水电解中高性能的非酸性HER电催化电极。 

Rui-Qi Yao, Yi-Tong Zhou, Hang Shi, Wu-Bin Wan, Qing-Hua Zhang, Lin Gu, Yong-Fu Zhu, Zi Wen, Xing-You Lang, and Qing Jiang. Nanoporous Surface High‐Entropy Alloys as Highly Efficient Multisite Electrocatalysts for Nonacidic Hydrogen Evolution Reaction. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI:10.1002/adfm.202009613

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202009613

4. 北京工业大学汪夏燕教授Adv. Funct. Mater.：金红石型TiO₂晶格中置换分散的高氧化CoO_x簇合物触发高效Co-Ti协同催化中心用于析氧反应

设计低成本、高活性、高稳定性的析氧反应(OER)电催化剂是开发廉价水裂解系统和金属空气电池的主要挑战之一。在本文中，北京工业大学汪夏燕教授联合南京理工大学阚二军教授、中科院理化所张铁锐研究员等课题组通过热诱导相分离策略，在金红石型TiO₂载体晶格中制备出置换分散、高氧化状态的亚纳米CoO_x簇合物(Co‐TiO₂)。由于CoO_x团簇与TiO₂载体的强相互作用，Co‐TiO₂表现出优异的OER本征活性和耐久性。在350 mV的过电位下，Co‐TiO₂的转换频率高达3.250 s⁻¹；在类似试验条件下，该值是当前钴基活性材料中OER性能最高的值之一；此外，在恒定过电位为400 mV时持续运行30000 s后，OER电流密度的损失仅为6.5%，优于基准的Co₃O₄和RuO₂催化剂。机理分析表明，Co中心与其相邻的Ti原子之间发生了电荷转移，从而触发了Co-Ti协同催化中心的形成，其中，OH*和O*优先吸附在Co和Ti的桥位点上，具有良好的吸附能，使O₂生成的能垒降低。 

Yong Yan, Chunyue Liu, Hanwen Jian, Xing Cheng, Ting Hu, Dong Wang, Lu Shang, Ge Chen, Peter Schaaf, Xiayan Wang, Erjun Kan, and Tierui Zhang. Substitutionally Dispersed High‐Oxidation CoO_x Clusters in the Lattice of Rutile TiO₂ Triggering Efficient Co-Ti Cooperative Catalytic Centers for Oxygen Evolution Reactions. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI:10.1002/adfm.202009610

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202009610

5. 浙江大学涂江平教授J. Mater. Chem. A: MoX₂催化剂相调控用于电催化研究进展

二硫化钼和二硒化钼(MoX₂, X = S和Se)由于其超薄的层状结构、独特的物理化学性质和可控的电子结构，是近年来研究最广泛的两种二维电催化材料。然而，由于其不理想的活性和稳定性，科研人员采用了多种策略来调节和优化MoX₂的电催化性能，包括相位调控、形貌调节及复合修饰等。通过引入高活性金属1T相MoX₂，相位调控被认为是优化MoX₂表面电子结构的最有效方法。在本文中，浙江大学涂江平教授、张玲洁教授等课题组综述了2H和1T相MoX₂的各种相位调制方法和必要的表征手段，并介绍了它们在电催化领域，特别是析氢反应中的应用。此外，作者还强调了当前的挑战，并对先进MoX₂电催化剂的未来发展方向提出了一些见解。 

Yahao Li, Yan Zhang, Xili Tong, Xiuli Wang, Lingjie Zhang, Xinhui Xia and Jiangping Tu. Recent progress on the phase modulation of molybdenum disulphide/diselenide and their applications in electrocatalysis. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA08514F

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA08514F

6. 香港城市大学范战西教授ACS Mater. Lett.: 二维铑纳米材料的控制合成及催化应用研究进展

铑材料具有独特的电子结构和稳定的化学性质，是各种工业化工过程中重要的贵金属催化剂之一。近年来，二维(2D)铑纳米材料已成为许多重要化学反应的优异催化剂，如析氢、析氧、醇氧化、一氧化碳氧化和有机反应等。在本文中，香港城市大学范战西教授等课题组综述了二维铑纳米材料的控制合成和催化应用领域研究的最新进展。首先介绍了二维铑纳米材料的典型合成方法及其机理，然后系统地总结了二维铑纳米材料在典型化学反应中的催化应用。最后，通过整理最新的研究进展，作者对这一新兴研究方向的关键挑战和未来的研究机会提出了一些个人观点。 

Jinwen Yin, Juan Wang, Yangbo Ma, Jinli Yu, Jingwen Zhou, and Zhanxi Fan. Recent Advances in the Controlled Synthesis and Catalytic Applications of Two-Dimensional Rhodium Nanomaterials. ACS Mater. Lett. 2020. DOI:10.1021/acsmaterialslett.0c00473

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https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00473