王戈、杨绍贵、储伟、梁鑫、王帅、胡文彬、宋春山、曾光明教授等催化研究最新成果速览

1. 北京科技大学王戈教授Appl. Catal. B Environ.: 光促进自优化TiO₂@BiOCl光催化剂结构重构用于CO₂选择性转化为CH₄

开发具有最佳活性和选择性的设计良好的光催化剂是将二氧化碳转化为可再生燃料一个很有前景的策略。在本文中，北京科技大学王戈教授、董文钧教授等课题组通过在TiO₂纳米管的缺陷表面上温和地生长超薄BiOCl层，成功制备出一种自优化TiO₂@BiOCl光催化剂。在光照的促进下，缺陷TiO₂纳米管基底上形成大量的H-掺杂氧空位以扩大光吸附范围，同时BiOCl薄层上的Bi⁰原子被还原，重构出BiOCl-Bi⁰-TiO₂原子异质结。Bi⁰原子可以将光生电子直接注入到掺氢氧空位中的Ti³⁺，从而有效地聚集电子并提高光催化效率。因此，Bi-Ti双金属位点和氢掺杂的氧空位优化了CO₂还原路径，实现高CH₄选择性。最后，重构后的TiO₂@BiOCl催化剂在CO₂光还原过程中，CH₄产率最高可达168.5 µmolg^-1h^-1，CH₄选择性最佳为99.4%。因此，这种开创性采用自优化策略构建的高效光催化剂，为高效光催化剂的制备开辟了一条新的途径。 

Rongjie Li, Qingjie Luan, Cheng Dong, Wenjun Dong, Wei Tang, Ge Wang, Yunfeng Lu. Light-facilitated structure reconstruction on self-optimized photocatalyst TiO₂@BiOCl for selectively efficient conversion of CO₂ to CH₄. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119832

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119832

2. 南京师范大学杨绍贵教授Appl. Catal. B Environ.：Co₃O₄/g-C₃N₄/Bi₂O₂CO₃型p-n/n-n双异质结用于过硫酸盐光催化降解碘海醇

在本文中，南京师范大学杨绍贵教授、何欢教授等课题组采用溶剂热法合成出一种具有p-n/n-n异质结的新型Co₃O₄/g-C₃N₄/Bi₂O₂CO₃ (BCCN)光催化剂。在BCCN/光/PS降解体系中，20 mg/L的碘海醇在60min的降解率达到94% (k_app =0.0417min^-1)，分别是BCCN/光(k_app =0.0150min^-1)和BCCN/PS(k_app =0.0064min^-1)体系的2.8倍和6.5倍。g-C₃N₄的引入降低了材料的导带，产生超氧自由基并活化过硫酸盐，从而进一步阻止了光电子和空穴的复合。研究发现，超氧自由基和单线态氧自由基是降解碘海醇的主要自由基。此外，过硫酸盐还可以作为电子受体，提高电子转移效率。硫酸盐、超氧化物和羟基自由基之间的相互作用促进了单线态氧的产生。通过理论计算和液相色谱-质谱联用分析了碘海醇在体系中的降解途径，表明BCCN/light/PS系统为降解水环境中的有机污染物提供了一种新的方法。 

Weiming Xiang, Qiuyi Ji, Chenmin Xu, Yang Guo, Yazi Liu, Dunyu Sun, Wenwu Zhou, Zhe Xu, Chengdu Qi, Shaogui Yang, Shiyin Li, Cheng Sun, Huan He. Accelerated photocatalytic degradation of iohexol over Co₃O₄/g-C₃N₄/Bi₂O₂CO₃ of p-n/n-n dual heterojunction under simulated sunlight by persulfate. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119847

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119847

3. 四川大学储伟教授Appl. Catal. B Environ.: 冷冻等离子体技术调控铂单原子配位用于析氢反应

单原子催化剂(SACs)的配位调控性是催化剂筛选和构效关系分析中一个重要而又具有挑战性的问题。在本文中，四川大学储伟教授联合阿卜杜拉国王科技大学Ning Wang等课题组利用温和的冷冻等离子体技术，通过改变气体类型(N₂、Ar或空气)和处理时间，成功制备出配位可调的Pt单原子。结合密度泛函理论计算，预测了Pt-N配位浓度与析氢反应(HER)中氢原子的吸附自由能(ΔG_H*)高度相关，并通过实验进一步验证了该观点。值得注意的是，空气等离子体引入的N, O共掺杂催化剂在40mV时具有较高的TO∼13 H₂ s^-1，质量活度为7.41 A mg^-1_Pt，是商业Pt/C催化剂的26.5倍。性能的提高可能源于活性碳位点的优化电子结构，其具有适度的电子转移和p-带中心，因此与H*的结合强度合适，使ΔG_H*接近于零。 

Jing Li, Yanan Zhou, Weijing Tang, Jian Zheng, Xiaoping Gao, Ning Wang, Xiao Chen, Min Wei, Xin Xiao, Wei Chu. Cold-plasma technique enabled supported Pt single atoms with tunable coordination for hydrogen evolution reaction. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119861

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119861

4. 北京化工大学梁鑫教授Adv. Funct. Mater.：Ar/H₂/O₂控制零维、一维和二维钌纳米晶生长热力学和动力学用于酸性水分解

在本文中，北京化工大学梁鑫教授等课题组开发出一种气体控制形成策略，通过在典型惰性气体、还原性气体和氧化性气体(Ar/H₂/O₂)中原位调节生长热力学和动力学，成功合成出自支撑的0D Ru纳米颗粒、1D Ru纳米线和2D Ru纳米片。这些钌纳米颗粒、纳米线和纳米片的生长过程分别遵循非定向生长、形状导向纳米颗粒附着和定向生长机制。动力学研究表明H₂可以加速Ru前驱体的还原速率，而O₂抑制了还原速率。不同气体覆盖率下的吉布斯表面自由能计算结果进一步表明，小分子气体可以有效地调节表面状态和生长速率。所制备出的这些钌纳米晶具有优异的酸性水分解催化活性。该工作系统地研究了小分子气体对Ru纳米晶形成过程的影响，为今后高性能纳米材料的开发和研究提供了有效的思路。 

Ligang Chen, Yaping Li, and Xin Liang. Ar/H₂/O₂‐Controlled Growth Thermodynamics and Kinetics to Create Zero‐, One‐, and Two‐Dimensional Ruthenium Nanocrystals towards Acidic Overall Water Splitting. Adv. Funct. Mater. 2021. DOI:10.1002/adfm.202007344

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202007344

5. 华中科技大学王帅教授Adv. Funct. Mater.: 单原子催化剂的合成策略、催化应用和性能调节

近年来，随着原子级分散金属催化剂研究的迅速发展，单原子催化作为新领域引起了科研人员的广泛研究兴趣。单原子催化剂(SACs)作为一种新型的催化新材料，以其优异的催化活性受到了科学研究和工业应用的广泛关注。此外，金属单原子的其它催化性能包括稳定性和选择性，可以通过调整其电子/几何结构和调节金属-载体的相互作用来进一步改善。SACs通常由分散的原子和适当的载体材料所组成，用于固定、限域和/或与单分散的金属原子配位。因此，单金属位点的性质可以使其获得接近100%的最大原子利用率，这对于贵金属基催化剂的开发具有重要意义。在本文中，华中科技大学王帅教授、Fei Xiao教授联合成均馆大学Jong Wook Bae教授等课题组为了系统地了解SACs的结构-活性关系和潜在的催化机理，着重讨论了SACs在合成策略、催化应用和性能调控等方面的代表性科研成果。在综述电化学、光化学、有机合成、生物医学等领域的典型单原子催化过程及其机理的基础上，指出了单原子催化和SACs发展面临的挑战和前景。 

Jiangbo Xi, Hyun Seung Jung, Yun Xu, Fei Xiao, Jong Wook Bae, and Shuai Wang. Synthesis Strategies, Catalytic Applications, and Performance Regulation of Single‐Atom Catalysts. Adv. Funct. Mater. 2021. DOI:10.1002/adfm.202008318

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202008318

6. 天津大学胡文彬教授Angew. Chem. Int. Ed.: 杂原子掺杂金属氧化物反调节CO₂电还原和析氢活性

调节费米能级附近的电子态可以有效地促进催化反应动力学。然而，阐明金属氧化物的特定电子态在同时调节CO₂电还原反应(CO₂RR)和竞争析氢反应(HER)中的作用仍然很少，因此很难准确预测实际的CO₂RR性能。在本文中，天津大学胡文彬教授、邓意达教授、韩晓鹏教授等课题组利用具有不同外电子(Mo和Cu)的杂原子取代Zn位点，从而调节ZnO费米能级附近的占据轨道和未占据轨道。研究发现，不同的电子态对CO₂RR及HER活性的调节趋势完全相反，从而显著地调节了CO₂RR的实际性能。同时，作者还证明了电子态、反应自由能与实际活性之间的关系。该工作为通过调控组成和电子结构设计高效的CO₂RR电催化剂提供了可能。 

Jiajun Wang, Guangjin Wang, Jinfeng Zhang, Yidu Wang, Han Wu, Xuerong Zheng, Jia Ding, Xiaopeng Han, Yida Deng, and Wenbin Hu. Inversely Tuning the CO₂ Electroreduction and Hydrogen Evolution Activity on Metal Oxide via Heteroatom Doping. Angew. Chem. Int. Ed. 2021. DOI:10.1002/anie.202016022

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202016022

7. 宾夕法尼亚州立大学宋春山教授Appl. Catal. B Environ.: 等离子体增强催化还原SO₂——表面反应与相反应的解耦

当非热等离子体与多相催化耦合时会发生复杂的过程，这使得理解等离子体-催化协同作用的机理变得非常模糊。此外，催化系统中同时发生均相的等离子体相反应和非均相的表面催化反应，这使得区分等离子体的贡献非常困难。在本文中，宾夕法尼亚州立大学宋春山教授等课题组对等离子体条件下的表面反应进行了仔细而严格的评估。作者以SO₂加氢为探针反应，研究了等离子体诱导SO₂吸附质的表面反应、解吸和解离过程，并且采用程序升温等离子体诱导表面反应方法将表面反应与体相反应进行解耦。定性和定量分析揭示了一种新的Eley-Rideal反应，即等离子体在气相中产生氢原子和氧化铝上强烈吸附SO₂之间的反应。此外，等离子体引起了弱吸附SO₂物种的部分解吸，并增强了SO₂在负载型硫化铁催化剂上的强化学吸附。而且等离子体可以促进H₂的化学吸附和与硫化铁表面的反应，从而产生硫空位。该工作揭示了等离子体催化协同作用的可能活性起源，并对等离子体辅助SO₂加氢反应的潜在机制提供了基本的见解。 

Mohammad S. AlQahtani, Xiaoxing Wang, Sean D. Knecht, Sven G. Bilén, Chunshan Song. Plasma-Enhanced Catalytic Reduction of SO₂: Decoupling Plasma-Induced Surface Reaction from Plasma-Phase Reaction. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119852

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119852

8. 湖南大学曾光明教授Appl. Catal. B Environ.: 具有增强界面电荷转移的2D/2D CoAl-LDHs/Ti₃C₂T_x肖特基异质结用于光催化

层状双金属氢氧化物(LDHs)是一种有前景的非贵金属光催化剂。但不幸的是，大块LDHs的内在活性相对较低，这限制了它们的进一步应用。在本文中，湖南大学曾光明教授、刘智峰教授等课题组采用剥离法制备出一种超薄、多孔、富空位的CoAl-LDHs水滑石纳米片，然后将其与过渡金属碳化物纳米片(MXenes, Ti₃C₂T_x)进行静电组装，设计出一种2D/2D CoAl-LDHs/Ti₃C₂T_x杂化光催化剂。实验表明，CoAl-LDHs/Ti₃C₂T_x杂化材料对盐酸四环素具有优异的可见光催化降解活性(96.67%)。结合多种表征技术(SEM、TEM、AFM、N₂吸附-脱附分析、XRD、FTIR、UV-vis-DRS、光电化学测试)和密度泛函理论计算(电学和光学性质)表明，如此优异的光催化活性可归因于CoAl-LDHs纳米片和Ti₃C₂T_x纳米片之间的协同作用和肖特基异质结的形成，因此表现出明显的可见光吸收、高比表面积、快速的电子转移和电子空穴对复合的抑制。 

Binbin Shao, Zhifeng Liu, Guangming Zeng, Yang Liu, Qinghua Liang, Qingyun He, Ting Wu, Yuan Pan, Jing Huang, Zan Peng, Songhao Luo, Chao Liang, Xiaojuan Liu, Shehua Tong, Jie Liang. Synthesis of 2D/2D CoAl-LDHs/Ti₃C₂T_x Schottky-junction with enhanced interfacial charge transfer and visible-light photocatalytic performance. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119867

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119867