张涛、贺高红、王磊、陈胜、朱俊武、周伟家、潘洪革教授等催化研究成果速览

1. 中科院大连化物所张涛院士Nat. Commun.: 纤维素衍生3-甲基环戊-2-烯酮直接加氢脱氧合成生物基甲基环戊二烯

能源和环境问题促使着科研人员探索将可再生生物质转化为燃料和高附加值化学品的高效工艺。在本文中，中科院大连化物所张涛院士、李宁研究员等课题组开发出一种利用纤维素生产甲基环戊二烯(MCPD)的创新路线，包括将纤维素转化为3-甲基环戊-2-烯酮(MCP)以及随后在锌钼氧化物催化剂上的选择性加氢脱氧过程制备MCPD。锌钼氧化物催化剂的优异活性可归因于在ZnMoO₄还原过程中生成了ZnMoO₃物种。实验表明，在MCP的气相加氢脱氧反应中，ZnMoO₃位点与C=O键而不是C=C键的优先相互作用导致了MCPD的高选择性生成(碳产率为70%)。 

Yanting Liu, Ran Wang, Haifeng Qi, Xiao Yan Liu, Guangyi Li, Aiqin Wang, Xiaodong Wang, Yu Cong, Tao Zhang & Ning Li. Synthesis of bio-based methylcyclopentadiene via direct hydrodeoxygenation of 3-methylcyclopent-2-enone derived from cellulose. Nat. Commun. 2021. DOI:10.1038/s41467-020-20264-3

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20264-3

2. 大连理工大学贺高红教授J. Catal.: 沸石咪唑骨架FeN₅掺杂碳用于CO₂电催化剂

电化学二氧化碳转化为缓解能源危机提供了一种可持续的方法，但仍然是一个长期的挑战。在本文中，大连理工大学贺高红教授、吴雪梅教授等课题组以沸石咪唑骨架-8(ZIF-8)为模板，在氮掺杂碳基底上合成出原子级分散的FeN₅位点，并将其用于高效电催化CO₂还原。所制备出的FeN₅单原子催化剂(Fe-SA/ZIF)在-0.7 V下的法拉第效率为98%，而且在−0.4至−1.0 V的宽电位范围内的法拉第效率也超过95%，该性能超过了大多数报道的单原子CO₂RR催化剂。进一步的密度泛函理论(DFT)计算表明，单原子FeN₅的活性主要来源于面外配位吡啶N调制d带中心的降低；与FeN₄相比，FeN₅可以将CO的吸附能从−1.71降低到−1.49 eV。因此，FeN₄位点和配位吡啶之间的协同效应为设计多种用途的优异电催化剂提供了新的见解。 

Huiyuan Cheng, Xuemei Wu, Xiangcun Li, Yayun Zhang, Manman Feng, Zihao Fan, Gaohong He. Zeolitic imidazole framework-derived FeN₅-doped carbon as superior CO₂ electrocatalysts. J. Catal. 2021. DOI:10.1016/j.jcat.2020.12.032

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jcat.2020.12.032

3. 青岛科技大学王磊教授J. Mater. Chem. A: 简易油相合成多位点协同高熵合金促进碱性析氢反应

尽管科研人员在电催化析氢反应(HER)领域做了大量的工作并取得了很大进展，但高效电催化剂的先进合成策略仍然是最重要的目标。在本文中，青岛科技大学王磊教授、赖建平教授联合香港理工大学黄勃龙教授等课题组首次在油相条件下温和的制备出PdFeCoNiCu高熵合金(HEA)纳米粒子，并将其作为一种高效的HER电催化剂。所制备出的PdFeCoNiCu/C催化剂在碱性介质中具有优异的HER活性，过电位仅为18 mV，Tafel斜率为39 mV dec⁻¹。而且，在所有已报道的非Pt电催化剂中，作者设计出的催化剂在碱性HER中获得最高的质量活性(在−0.07 V下为6.51 A mg_Pd⁻¹)。PdFeCoNiCu/C催化剂在15天内表现出惊人的稳定催化性能，没有明显的活性衰减。基于理论计算表明，HEA表面显示了基于所有金属之间协同效应的电子结构优化。Pd和Co是H₂生成和初始水分解的主要电活性中心，Ni、Fe和Cu则有助于增强电子转移和优化氢中间体的结合能。该工作为基于HEA材料的高效电催化剂设计提供了重要的启示。 

Dan Zhang, Yue Shi, Huan Zhao, Wenjing Qi, Xilei Chen, Tianrong Zhan, Shaoxiang Li, Bo Yang, Mingzi Sun, Jianping Lai, Bolong Huang and Lei Wang. The facile oil-phase synthesis of a multi-site synergistic high-entropy alloy to promote the alkaline hydrogen evolution reaction. J. Mater. Chem. A 2021. DOI:10.1039/D0TA10574K

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA10574K

4. 南京理工大学陈胜教授J. Mater. Chem. A: 具有形状记忆特性的V₃O₇·H₂O电催化剂用于固氮

形状记忆材料能够在力学变形过程中保持其功能，因此在多功能、可穿戴和便携式系统中具有巨大的应用前景。在本文中，南京理工大学陈胜教授、Jingjing Duan等课题组报道了一种具有形状记忆特性的V₃O₇·H₂O一体式材料，并将其作为一种新型的可折叠氮还原反应(NRR)电催化剂。特别地，该电催化剂的设计来自于作者意想不到的观察。通常被认为是一类坚韧且易碎的金属氧化物，通过冰模板冷冻铸造方法，可以在微结构的各向异性排列后显示出形状记忆特性。因此，所制备出的V₃O₇·H₂O电催化剂具有优异的NRR性能，氨产率为36.42 μg h⁻¹ mg⁻¹，−0.55 V下法拉第效率为14.20%，并且运行七个循环而无活性衰减或结构变化。而且值得注意的是，NRR法拉第效率在电极变形过程中没有发生变化，而氨产率即使在显著折叠后也只有轻微下降。通过密度函数理论进一步阐明了NRR是通过以*N₂ + H⁺ → *N₂H为限速步骤的缔合远端途径在V₃O₇·H₂O中的钒活性中心上进行的。 

Yuntong Sun, Shan Ding, Chen Zhang, Jingjing Duan and Sheng Chen. A shape-memory V₃O₇·H₂O electrocatalyst for foldable N₂ fixation. J. Mater. Chem. A 2021. DOI:10.1039/D0TA10510D

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA10510D

5. 南京理工大学朱俊武教授Nano-Micro Lett.: 氧掺杂石墨氮化碳多孔纳米片能带工程与形貌控制用于高效光催化析氢

石墨氮化碳(g-C₃N₄)基光催化剂在水分解领域显示出巨大的潜力。然而，g-C₃N₄的低比表面积、较差的扩散性能、较低的电荷分离效率等固有缺点仍然是其实现高效析氢的瓶颈。在本文中，南京理工大学朱俊武教授联合江苏大学周亚洲教授、杨娟教授等课题组通过在N₂/O₂气氛下的多步热处理，成功制备出具有高达148.5 m² g⁻¹表面积的空心氧掺杂g-C₃N₄纳米片(OCN)，其中C–O键通过物理吸附和掺杂两种方式形成。物理表征和理论计算表明，O-吸附能促进缺陷的产生，导致空心形貌的形成，而O-掺杂则使g-C₃N₄的带隙减小。优化后的OCN催化剂在~20 h内具有3519.6 μmol g⁻¹ h⁻¹的优异光催化析氢活性，比未掺杂g-C₃N₄ (850.1 μmol g⁻¹ h⁻¹)高出4倍以上，也优于大多数报道的g-C₃N₄基催化剂。 

Yunyan Wu, Pan Xiong, Jianchun Wu, Zengliang Huang, Jingwen Sun, Qinqin Liu, Xiaonong Cheng, Juan Yang, Junwu Zhu, Yazhou Zhou. Band Engineering and Morphology Control of Oxygen-Incorporated Graphitic Carbon Nitride Porous Nanosheets for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution. Nano-Micro Lett. 2021. DOI:10.1007/s40820-020-00571-6

文章链接：https://doi.org/10.1007/s40820-020-00571-6

6. 济南大学周伟家教授Nano-Micro Lett.: 激光合成及微加工制备微/纳米结构材料用于能量转换和储存

众所周知，纳米材料在各种应用中表现出许多有趣的物理和化学性质，包括能量转换和存储、纳米电子、传感器和致动器、光子学器件，甚至用于生物医学等目的。近十年来，激光作为一种合成技术和微加工技术，促进了纳米材料的制备和纳米结构的构建，包括激光加工诱导的碳纳米材料和非碳纳米材料、多级结构的构建、图案化、杂原子掺杂、溅射刻蚀等。因此，激光诱导的纳米材料和纳米结构在光热转换、电池、超级电容器、传感器、驱动器和电催化电极等电子器件中有着广泛的应用。在本文中，济南大学周伟家教授联合山东大学刘宏教授等课题组综述了近年来激光合成碳基和非碳基纳米材料的研究进展，概述了激光电子器件的各种应用。作者表示，随着激光合成技术和激光微加工技术在纳米材料制备方面的不断研究，面向能量转换和存储的激光合成技术将得到快速发展。 

Lili Zhao, Zhen Liu, Duo Chen, Fan Liu, Zhiyuan Yang, Xiao Li, Haohai Yu, Hong Liu, Weijia Zhou. Laser Synthesis and Microfabrication of Micro/Nanostructured Materials Toward Energy Conversion and Storage. Nano-Micro Lett. 2021. DOI:10.1007/s40820-020-00577-0

文章链接：https://doi.org/10.1007/s40820-020-00577-0

7. 浙江大学潘洪革教授Nat. Commun.: 非晶碳无需石墨化利用CO₂绿色合成石墨

在缺乏过渡金属催化剂的情况下，石墨的低温合成仍然是一个巨大的挑战。在本文中，浙江大学潘洪革教授联合上海理工大学郑时有教授、浙江工业大学张文魁教授等课题组报道了一种在无过渡金属催化剂的情况下，由二氧化碳在超低温下直接合成石墨的绿色高效方法。当二氧化碳和氢化铝锂的混合物被加热到126℃时，二氧化碳通过与氢化铝锂反应在秒时间尺度内转化为石墨亚微米片。气相压力相关的合成石墨的动力学能垒被证明是作者在没有非晶碳石墨化过程情况下合成石墨的主要原因。该石墨亚微片作为储锂材料时可表现出优异的倍率性能和循环性能，在1.0Ag^–1下1500次循环后可逆容量约为320mAhg^–1。该研究为从温室气体中低温合成石墨提供了一条途径。 

Chu Liang, Yun Chen, Min Wu, Kai Wang, Wenkui Zhang, Yongping Gan, Hui Huang, Jian Chen, Yang Xia, Jun Zhang, Shiyou Zheng & Hongge Pan. Green synthesis of graphite from CO₂ without graphitization process of amorphous carbon. Nat. Commun. 2021. DOI:10.1038/s41467-020-20380-0

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20380-0