【催化前沿】张铁锐、苏宝连、李剑锋、段学志、潘洪革、黄洪伟、尹龙卫、杜玉扣教授等催化研究最新成果速览

1. 中科院理化所张铁锐研究员Nano Energy: 水下超疏气Ni/NiMoN阵列用于中性介质析氢

    水在中性电解液中通过电化学裂解产生氢气和氧气，对未来的能源供应安全具有重要意义，并有可能为海水制氢提供新途径。然而，在中性溶液中，由于质子浓度较低，电催化析氢反应(HER)通常以较低的速率发生。在本文中，中科院理化所张铁锐研究员等课题组制备出一种能在中性pH条件下高效析氢新型催化剂，该催化剂由金属Ni纳米粒子修饰的镍钼氮化物纳米线阵列组成(Ni/NiMoN)。整个Ni/NiMoN阵列以铜泡沫为载体，其中镍纳米颗粒促进了吸附水的解离并增加中性电解液中的质子供给，而纳米线阵列则赋予电极表面水下超强的疏气性能。因此，H₂气泡可以非常容易的从电极上分离。基于不同电极组件之间实现的协同效应，Ni/NiMoN纳米线阵列电极具有优异的HER性能，在电流密度为10 mA cm⁻²时，其过电位仅为37 mV 。该研究结果对中性介质中新一代高丰度元素电催化剂的研发具有指导意义。

      Lu Shang, Yunxuan Zhao, Xiangyu Kong, Run Shi, Geoffrey I.N. Waterhouse, Liping Wen, Tierui Zhang. Underwater superaerophobic Ni nanoparticle-decorated nickel–molybdenum nitride nanowire arrays for hydrogen evolution in neutral media. Nano Energy 2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105375

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105375

2. 武汉理工大学苏宝连教授Chem. Rev.：多级结构沸石分子筛材料从设计到应用

   多级分子筛结合了微孔分子筛的固有催化性能和介孔及大孔的优异传输特性，因此成为最理想的催化剂和工业吸附剂，并逐渐变成一个高度发展的重要领域。分子筛材料中的多级结构除了可以提高分子筛的活性、选择性和循环时间外，还可以显著提高分子筛材料的利用效率，从而使能耗、时间和原材料消耗至最少。近些年来，科研人员在分子筛的合成、表征和应用方面取得了重大进展。在本文中，武汉理工大学苏宝连教授、陈丽华教授联合中国石化杨为民博士、谢在库博士等课题组综述了该领域的最新成就，强调了在过去十年中，在开发新战略以创造额外沸石孔隙系统的重大进展。根据原理、通用性、有效性和实际程度，作者对最具创新性的合成方法进行了评述，同时在制备路线和合成沸石多级孔之间建立了牢固的联系。作者详细分析了具有不同层次孔结构的分子筛，即微-中孔结构、微-大孔结构和微-中-大孔结构，并举例说明了它们的优点和制备方法。通过一系列具有代表性的案例，作者讨论了由于提高传质性能而显著改善的催化、环境和生物应用性能。在结论部分，作者设想“通过定量和真实合理设计材料性质”的出现，基于“广义Murray定律”，可以预测和控制仿生多级结构分子筛的制备。此外，本文也从催化、分离、环境、先进材料、化学工程以及生物医学等领域对人工器官和药物传递系统进行了综述。Li-Hua Chen, Ming-Hui Sun, Zhao Wang, Weimin Yang, Zaiku Xie, and Bao-Lian Su. Hierarchically Structured Zeolites: From Design to Application. Chem. Rev. 2020. DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00016

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00016

3. 厦门大学李剑锋教授Angew. Chem. Int. Ed.:单晶Pt(hkl)面在酸性溶液中CO电氧化的原位拉曼研究

    CO分子具有明确定义Pt(hkl)单晶电极表面的吸附和电氧化是解开燃料电池催化剂中毒机理的关键步骤。在本文中，厦门大学李剑锋教授、刘国坤教授联合利物浦大学Gary Attard教授、宁德时代Yi-Min Wei博士等课题组采用原位电化学壳层分散纳米颗粒增强拉曼光谱(SHINERS)与理论计算相结合，研究了Pt(hkl)表面在酸性溶液中CO的电氧化行为。研究发现，在Pt(111)和Pt(100)晶面上可成功获得吸附CO*分子的拉曼信号，而在整个电氧化过程中，在Pt(110)表面只观察到顶部位点吸附的CO*。通过同位素替代实验和DFT计算，作者给出了在Pt(100)和Pt(111)表面形成OH*和COOH*物种的直接光谱证据。总之，OH*和COOH*物种的形成和吸附在加速电氧化过程中起着至关重要的作用，这与CO电氧化的预氧化峰有关。该工作加深了对CO电氧化过程的认识，并为抗中毒和高效催化剂的设计提供了新的视角。Min Su, Jin-Chao Dong, Jia-Bo Le, Yu Zhao, Wei-Min Yang, Zhi-Lin Yang, Gary Attard, Guo-Kun Liu, Jun Cheng, Yi-Min Wei, Zhong-Qun Tian and Jian-Feng Li. In Situ Raman Study of CO Electrooxidation on Pt(hkl) Single Crystal Surfaces in Acidic Solution. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202010431

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202010431

4. 华东理工大学段学志教授ACS Catal.：原子级分析Pt-PdO界面位点用于制氢

     抑制催化剂失活的同时而不损害催化剂活性，一直是多相催化中一个长期而难以实现的目标。在本文中，华东理工大学段学志教授等课题组报道了原子工程Pt-PdO界面位点在制氢活性和耐久性方面的显著突破。结合动力学(同位素)分析、多重表征技术、分子动力学和密度泛函理论计算，组装揭示了Pt-Pd原子结构的演化过程。即钯与铂纳米粒子的外表面分离，然后发生部分氧化，形成富铂核和富PdO/Pd壳层的结构。其中PdO对H₂O的强活化能力弥补了其对Pt电子性质的不利影响，并分别为氨硼烷和H₂O的活化创造了Pt和PdO界面位点。此外，由于强电子排斥和空间位阻效应，这些表面PdO位点可以强烈抑制B(OH)₄⁻的吸附，从而保护Pt活性中心免受毒害。结果表明，这种独特的铂钯比为1:1的原子结构是火山型曲线顶端最有前景的催化剂。本文提出的策略明确阐明了Pt-PdO界面具有高活性和耐久性的特征，并为设计新型高活性、高稳定性的金属催化剂提供了依据。Wenyao Chen, Weizhong Zheng, Junbo Cao, Wenzhao Fu, Gang Qian, De Chen, Xinggui Zhou, and Xuezhi Duan. Atomic Insights into Robust Pt-PdO Interfacial Sites Boosted Hydrogen Generation. ACS Catal. 2020. DOI: 10.1021/acscatal.0c03214

文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03214

5. 浙江大学潘洪革教授Sci. Bull.: 异质结构电催化剂界面工程用于高效碱性氢电催化

   提高碱性条件下的析氢反应和氢氧化反应(HER/HOR)动力学是实现碱性介质中再生氢循环的关键。近年来，大量的研究表明界面工程对提高异质结构电催化剂的性能，特别是对于涉及碱性氢电催化等多种反应中间体的电化学反应具有重要意义，其相关的研究进展也相应带来了实质性且非琐碎的基本见解。在本文中，浙江大学潘洪革教授、孙文平教授等课题组综述了界面工程在开发高效碱性HER和HOR异质结构电催化剂方面的研究现状，讨论了界面工程如何促进反应动力学以及界面工程给碱性HER和HOR带来了哪些基本见解。特别地，具有丰富界面的异质结构电催化剂，由于不同组分的协同作用，可表现出显著的加速碱性氢电催化动力学，可以平衡中间产物在界面上的吸附/解吸行为。同时，界面工程也可以通过电子相互作用、界面键合和晶格应变来有效地调整活性中心的电子结构，从而适当地优化氢等靶向中间体的结合能。此外，限域效应对于通过维持高密度的活性位点来实现高耐久性也至关重要。最后，作者对发展高效的碱性氢电催化异质结构催化剂的挑战和机遇提出了自己的看法。Guoqiang Zhao, Yinzhu Jiang, Shi-Xue Dou, Wenping Sun, Hongge Pan. Interface engineering of heterostructured electrocatalysts towards efficient alkaline hydrogen electrocatalysis. Sci. Bull. 2020. DOI: 10.1016/j.scib.2020.09.014

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.09.014

6. 中国地质大学黄洪伟教授Adv. Funct. Mater.:面向压电催化与压电光催化的催化剂分类、改性策略、反应机理与实际应用

   压电催化是一种依赖电荷能量或电荷载体分离效率的催化技术，因此受到了科研人员的广泛关注。由应变或应力引起的压电势可以产生巨大的电场，这被证明是传输电子和空穴的有效手段。近年来，国内外课题组对该领域进行了大量的研究，主要集中在两个方面：i) 压电催化中表面电荷能的改变；ii) 分离光生载流子并提高集成压电半导体或压电体/半导体耦合系统的催化活性。在本文中，中国地质大学黄洪伟教授、张以河教授联合纽卡斯尔大学马天翼教授等课题组系统总结了以上两方面的研究进展，有助于加深对相关问题的认识，开拓压电催化的新思路。作者系统地分析了各种压电催化剂和压电光催化剂的电荷转移行为和催化机理，还讨论了力学能的类型以增强压电催化的策略，以及压电催化和压电光催化的一些先进应用。最后，从材料、组装形式、应用等方面提出了压电催化和压电光催化未来的发展方向。Shuchen Tu, Yuxi Guo, Yihe Zhang, Cheng Hu, Tierui Zhang, Tianyi Ma, and Hongwei Huang. Piezocatalysis and Piezo‐Photocatalysis: Catalysts Classification and Modification Strategy, Reaction Mechanism, and Practical Application. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202005158

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202005158

7. 山东大学尹龙卫教授Adv. Funct. Mater.:MXene基材料界面化学用于能量储存和转换

    MXenes由于其优异的电导率、可调的层结构及界面结构等优点而备受科研人员的关注。然而，MXenes在储能器件中的实际应用却受到反应动力学迟钝、活性中心有限、材料利用率低等问题的严重限制。在本文中，山东大学尹龙卫教授、Zhaoqiang Li教授等课题组全面总结了MXenes基材料在合理微观结构设计以提高电化学反应动力学和能量转化性能方面的最新进展。本文从MXenes的制备和性质入手，其制备主要分为含氟酸刻蚀法和无氟刻蚀法；然后从层间距、多孔结构、端基和表面缺陷等方面综述了MXenes的层间结构设计和界面功能化，重点转向基于原位衍生和表面自组装的先进MXene基异质结的构建。基于这些微观结构的调制策略，作者重点介绍了基于MXenes的超级电容器、碱性金属离子电池、金属硫电池和光/电催化方面的最新进展。最后，作者指出了二维MXene基纳米结构未来研究的关键挑战和展望，旨在为MXene基电化学储能电极的设计提供全面的参考。Xiaobin Hui, Xiaoli Ge, Ruizheng Zhao, Zhaoqiang Li, and Longwei Yin. Interface Chemistry on MXene‐Based Materials for Enhanced Energy Storage and Conversion Performance. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202005190

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202005190

8. 苏州大学杜玉扣教授Adv. Funct. Mater.:低维金属纳米材料用于先进电催化

  电催化剂的进步极大地促进了清洁可持续能源技术的发展，尤其是低维金属纳米材料(LDMNs)，其具有独特的结构、理化和电子性质，包括高活性表面积、高效电子转移和表面丰富的不饱和原子。最近的研究也表明，表面工程、界面工程和应变工程可以增加LDMNs的表面活性中心，增强协同效应和电子调制，从而为提高LDMNs的电催化性能提供了新途径。在本文中，苏州大学杜玉扣教授等课题组综述了LDMNs作为电催化剂在先进电催化反应中的应用前景，并介绍了它们在结构设计、可控合成和性能提高途径等方面的最新研究成果。在对高质量LDMNs的可控合成策略进行充分讨论的基础上，作者对LDMNs在能源相关转换技术中的未来发展提出了展望和潜在挑战。Hui Xu, Hongyuan Shang, Cheng Wang, and Yukou Du. Low‐Dimensional Metallic Nanomaterials for Advanced Electrocatalysis. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202006317

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202006317