封面综述|金属纳米材料相工程（PEN）用于高效电化学CO₂还原

1. 总结了非常规（晶）相结构的金属纳米催化剂的可控合成策略。

2. 阐述了金属纳米催化剂的相工程在电化学CO₂还原应用中的最新研究进展。

3. 展望了纳米材料相工程（PEN）在电化学CO₂还原领域中的机遇和挑战。

在过去的数十年中，电化学二氧化碳还原（CO₂ reduction reaction, CO₂RR）在世界上引起了广泛的研究兴趣，挖掘高性能的催化剂是实现高效CO₂RR的关键因素之一。近期研究表明，金属纳米材料的晶相结构对CO₂RR的性能至关重要。对晶相可控的纳米金属CO₂RR催化剂的开发取得了显著成效，如非常规晶相金属纳米材料的可控合成、可控相变、以及异相结构的构筑等。基于此，作者总结了金属纳米催化剂相工程在CO₂RR领域的最新进展，系统讨论了非常规晶相的金属纳米催化剂的合成策略与调控机理，并重点概述了非常规相的金属纳米催化剂在CO₂RR中的结构与性能优势。该文以“Phase engineering of metal nanocatalysts for electrochemical CO₂ reduction”为题，发表于eScience 2022年第五期，并被选为封面文章。

封面故事：作者根据相工程纳米材料电催化二氧化碳还原反应的基本步骤合理设计此封面。背景采用宇宙炫酷背景，太阳为整个相工程体系，周围围绕着现在最常见的相工程的八种结构分别映衬在太阳系八大行星内部。在远处，二氧化碳团簇以彗星的方式从远处走来，周围围绕着电催化所需要的电子束，其在撞到行星（不同晶型）的一刹那，四散为绚烂的不同选择性的有价值化学品的碎片。通过宏观和微观的对比和结合，来体现整个星系和宇宙的神秘及科学家们向往探索科学本质的无畏精神。

文章首先总结了近年在CO₂RR领域中金属纳米催化剂相工程的实验进展（图1），并简要介绍了具有CO₂RR催化性能的金属纳米材料的常规及非常规晶相，其中包括面心立方（fcc, 3C），密排六方（hcp, 2H和4H）和无定形等（图2）。然后介绍了非常规相金属纳米催化剂的几种重要合成策略，包括胶体合成法、电化学合成法、热处理法等。随之重点讨论了PEN在CO₂RR中的应用，并特别强调了构建清晰的（晶）相-催化活性构效关系的重要性。最后，作者对该领域当前存在的挑战和机遇提出了新见解，并对其未来研究方向进行了展望。

图1. 近年来金属纳米催化剂相工程应用于电化学CO₂RR代表性工作的时间轴

图2. 金属纳米材料相工程用于高效电催化CO₂RR示意图

要点1：总结了晶相可控的金属纳米催化剂的合成方法：

该文介绍了三种主要的合成策略，包括胶体合成法、电化学合成法和热处理法。值得注意的是，与尺寸、组成和形貌的调控不同，PEN侧重于构建全新的结构参数与合成方法。在众多的合成手段中，胶体合成法的应用最为广泛（图3）。到目前为止，研究人员通过胶体法合成了具有非常规相、异相结构、富含孪晶界（Twin boundaries, TBs）和堆叠层错（Stacking faults, SFs）的金属纳米催化剂。

图3. 通过胶体合成法得到晶相可控的金属纳米催化剂

要点2：讨论了PEN在CO₂RR中的应用和进展

该文介绍了（晶）相对于金属纳米催化材料电化学CO₂RR性能（包括催化活性、选择性及稳定性）的影响（图4）。此外，作为一种独特的相类型，原子长程无序排列的无定形结构也展现了优异的催化性能。由于电化学反应主要发生在纳米催化剂的表面，因此CO₂RR性能会受到其晶体结构的显著影响。PEN通过调节金属纳米催化剂材料的电导率、活性中心密度及其对CO₂和反应中间体的相对结合强度，实现了优异的电催化CO₂RR性能（宽电位窗口下的高活性、高选择性以及优异的稳定性）。

图4. 非常规金属相的合成及CO₂RR性能表征

要点3：指出该领域所面临的挑战

尽管PEN的发展与其在CO₂RR中的应用已经取得了相当大的进步，但是许多关键的科学与工程问题仍待解决，如：（1）具有新相的金属纳米催化剂的合成产量受限，与工业化应用还有一定的距离；（2）胶体法合成催化剂过程中使用的表面配体会对催化性能产生不确定影响；（3）需要更深入地理解（晶）相和电催化性能之间的内在关系；（4）需要进一步提升新相催化剂在电催化过程中的稳定性。

Phase engineering of metal nanocatalysts for electrochemical CO₂ reduction

Y.J. Zhai, P. Han, Q.B. Yun, Y.Y. Ge, X. Zhang*, Y. Chen*, H. Zhang*

eScience 2 (2022) 467-485

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266714172200101X

复制链接至浏览器即可下载，或点击文末“阅读原文”查看

通讯作者 张华

香港城市大学胡晓明讲座教授

欧洲科学院外籍院士 亚太材料学院院士

分别于1992和1995年获南京大学学士和硕士学位，1998年获北京大学博士学位（导师：刘忠范院士）。1999和2001年分别赴比利时鲁汶大学Frans C. De Schryver院士课题组和美国西北大学Chad A. Mirkin院士课题组从事博士后研究。2003和2015年分别在美国NanoInk公司和新加坡生物工程与纳米技术研究院工作。2006年加入新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院任助理教授，分别于2011、2013年晋升为副教授、教授，2019年加盟香港城市大学化学系。张华教授的研究领域涵盖多个前沿交叉学科。目前的研究聚焦在纳米材料相工程（PEN）、精细多级结构的可控外延生长等；主要包括以下几个方面：超薄二维纳米材料（如金属纳米片、金属硫族化合物、石墨烯、金属有机骨架、共价有机框架等）、新晶相的金属和半导体纳米材料、新型无定形纳米材料，及其多功能纳米复合材料的制备，以及在催化、清洁能源、光电器件、纳米与生物传感、环境水污染处理等方面的应用研究。迄今为止，张华教授已在中国、美国、欧洲、新加坡等地申请专利80余项（包括授权1项中国专利，10项美国专利，1项欧洲专利和3项新加坡专利），发表了550余篇学术论文。截止于2022年10月10日，张华教授的文章已被引用123,000余次（H因子为171，Google Scholar数据）和105,200 余次（H因子为161，科睿唯安）。张华教授于2020年当选欧洲科学院外籍院士（Foreign Fellow of European Academy of Sciences），2015年当选亚太材料学院院士（Academician of the Asia Pacific Academy of Materials），2014年当选英国皇家化学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry）。张华教授所获得学术荣誉和奖项包括：入选“全球最有影响力科学思想名录（the World's Most Influential Scientific Minds）”和“高被引科学家名单”(2014年“材料科学”，2015-2021“化学”和“材料科学”；汤森路透/科睿唯安), 2014和2015年分别入选全球17和19位热门科学家榜单（Hottest Researchers of Today），并于2014年在“Materials and More”领域排名第一（汤森路透），荣获香港城市大学杰出研究奖（2022），香港城市大学校长奖（2021），澳大利亚伍龙贡大学校长国际学者奖（Vice-Chancellor's International Scholar Award，2016），美国化学学会ACS Nano Lectureship奖（2015）, 世界文化理事会（WCC）特别表彰奖（Special Recognition Award，2013）, 希腊ONASSIA Foundation Lectureship （2013）, SMALL青年创新奖（Wiley-VCH, 2012），南洋杰出研究奖（2011）等。现任SmartMat共同主编，ChemNanoMat共同编辑委员会主席，Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Small、Chem、Matter、Research、eScience、Aggregate、高等学校化学学报、物理化学学报等30余种杂志的编委会或顾问委员会成员。

通讯作者 张晓

香港理工大学助理教授

于2017年在新加坡南洋理工大学获得博士学位，之后在美国莱斯大学从事博士后研究。2021年秋季就职于香港理工大学任助理教授。目前在Nat. Catal.、Nat. Chem.、Nat. Rev. Chem.、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际学术期刊上发表SCI论文100余篇，H因子54。于2020年和 2021 年连续入榜全球“高被引科学家”。张晓教授课题组的研究领域涵盖多个前沿交叉学科。目前的研究聚焦于：（1）清洁能源转化：1，电化学反应器设计；2，电化学小分子转化（例如H₂O、O₂、CO₂和N₂等）电化学转化为高附加值化学品；3，膜组装技术及工艺。（2）先进材料及工艺：新型二维纳米材料（纳米片、薄膜及异质相等）的结构及机械性能研究；新型催化剂的设计及应用。

通讯作者 陈也

香港中文大学助理教授

分别于2015年和2019年在新加坡南洋理工大学材料科学与工程系获得学士学位（一等荣誉学位）和博士学位。期间主要从事金属基纳米材料的晶相可控合成与性质研究，包括非常规晶相金属纳米结构的湿化学法合成、模板法生长，低维金属纳米材料的设计与合成、以及新型纳米材料在催化、清洁能源等前沿领域的应用研究。近五年在包括Nat. Chem.、Nat. Catal.、Nat. Mater.、Nat. Rev. Chem.、Nat. Prot.、Chem. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Chem等国际顶级刊物上发表SCI论文50余篇，H因子30。2020年秋季起就职于香港中文大学化学系，任助理教授。课题组现阶段的研究方向包括新型无机纳米材料的湿化学合成及其在催化、光学、生物检测等领域的应用。

---

eScience致力于发表能源、电化学、电子学、环境等相关领域及其交叉学科具有原创性、重要性和普适性的最新研究成果。eScience初创就集国际刊号、国内刊号、商标权于一身，并入选2020年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。2022年初被DOAJ数据库收录。目前，eScience已有七期论文上线，受到海内外专家学者的广泛关注和引用。未来，eScience将坚守“植根中国，拥抱世界，引领未来”的初心使命，为教育、科技、人才的创新发展提供支撑，继续提升国际学术影响力，勇攀世界科技高峰，服务科技强国建设，助力“碳达峰”和“碳中和”国家重大战略目标。

欢迎大家关注与投稿！期刊将执行快速、公正、严格、规范的稿件评审制度。

▼点击阅读原文，获取期刊全文