【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览

  1. 北京大学马丁教授J. Am. Chem. Soc.: 扩大α-MoC负载CoNi催化剂的协同效应实现稳定制氢

在本文中,北京大学马丁教授联合中国科学院大学周武教授、浙江大学姚思宇教授等课题组利用强金属-载体相互作用(SMSI)效应,在α-MoC表面合成出高度分散的CoNi双金属催化剂,并首次在原子水平上用实空间化学成像方法观察了近原子级分散Co和Ni原子之间的相互作用。结合α-MoC在低温下分解水的能力,所合成出的CoNi/α-MoC催化剂对氨硼烷水解制氢具有良好的协同性能。在298 K时,1.5Co1.5Ni/α-MoC双金属催化剂的金属归一化活性达到321.1 molH2·mol–1CoNi·min–1,该性能超过了以往报道的所有无贵金属基催化剂,而且是商业Pt/C催化剂活性的4倍。

【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览 Yuzhen Ge, Xuetao Qin, Aowen Li, Yuchen Deng, Lili Lin, Mengtao Zhang, Qiaolin Yu, Siwei Li, Mi Peng, Yao Xu, Xueyao Zhao, Mingquan Xu, Wu Zhou, Siyu Yao, and Ding Ma. Maximizing the Synergistic Effect of CoNi Catalyst on α-MoC for Robust Hydrogen Production. J. Am. Chem. Soc. 2021. DOI:10.1021/jacs.0c11285

文章链接:https://doi.org/10.1021/jacs.0c11285

  1. 武汉理工大学木世春教授Nano Energy:维生素C增殖Fe-N4活性中心用于高效氧电催化

暴露在金属有机骨架(MOFs)表面的游离过渡金属离子(如Fe2+、Co2+)在碳化过程中会发生高度团聚,不利于M-NX活性中心的形成,从而导致电化学活性中心的减少。在本文中,武汉理工大学木世春教授、何大平教授等课题组为了有效地抑制MOFs表面的游离金属离子并增加Fe-N4活性中心的数量,采用具有配位过渡金属能力的维生素C(L(+)-抗坏血酸)与亚铁离子进行络合。同时,维生素C的酸性能适度侵蚀MOFs材料的表面,进一步加速碳化产物中孔和缺陷的产生。与未添加维生素C的对照样品相比,铁基(VC-MOF-Fe)催化剂中的Fe-N4活性位点明显增加,氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)性能也得到显著提高。在用于锌空气电池时,VC-MOF-Fe (113 mW cm2)的峰值功率密度也优于商业的20% Pt/C+RuO2催化剂。有趣的是,维生素C的功能也适用于钴基催化剂(VC-MOF-Co)的合成,证明了该策略的普适性。

【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览Chenxi Hu, Huihui Jin, Bingshuai Liu, Lvhan Liang, Zhe Wang, Ding Chen, Daping He, Shichun Mu. Propagating Fe-N4 active sites with Vitamin C to efficiently drive oxygen electrocatalysis. Nano Energy 2021. DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105714

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105714

  1. 中国科学技术大学曾杰教授J. Am. Chem. Soc.: Pd-Pt四次元立方体催化剂用于氧还原反应

空心框架结构在催化领域中有着特殊的意义,因为它们只有脊和中空的内部结构,因此可以使得活性位点的可接近性达到最大程度。在本文中,中国科学技术大学曾杰教授、鲍骏教授等课题组设计制备出一种Pd–Pt空心框架结构,该结构由通过主体对角线连接的双壳立方体组成,可作为氧还原反应(ORR)的高效催化剂。该材料的设计灵感来自立方体的4D类似物,因此表示为四次元立方体。该工作的蚀刻过程包括选择性地去除钯原子,然后重新排列剩余的钯和铂原子。此外,该蚀刻策略制备Pd-Pt纳米立方体的成功之处在于初始Pd-Pt纳米立方体中Pd/Pt比例的选择。以不同比例的Pd–Pt纳米立方体为模板,可分别得到Pd–Pt八足结构、镶嵌结构和纳米框架。在ORR过程中,Pd-Pt四次元立方体的质量活度最高,为1.86 A mg–1Pt,超过其它Pd–Pt纳米晶。结合机理研究表明,Pd-Pt四次元立方体的高活性来自于其独特的晶面效应和组分效应,从而获得最佳的氧吸附能。

【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览Sheng Chen, Jiankang Zhao, Hongyang Su, Hongliang Li, Huili Wang, Zhenpeng Hu, Jun Bao, and Jie Zeng. Pd–Pt Tesseracts for the Oxygen Reduction Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2021. DOI:10.1021/jacs.0c12282

文章链接:https://doi.org/10.1021/jacs.0c12282

  1. 华中科技大学王得丽教授Appl. Catal. B Environ.:原位耦合NiFe纳米颗粒与N掺杂碳纳米纤维用于锌空气电池驱动水分解

在本文中,华中科技大学王得丽教授等课题组通过在碳布上原位耦合NiFe纳米粒子和N掺杂碳纳米纤维,成功地制备了一种柔性三维自支撑双功能电极(NiFe/NCNF/CC)。电极中的三维网络结构是由细长的N掺杂碳纳米纤维交联而成,因此具有较大的比表面积,保证了电子/电荷的快速转移。NiFe粒子与N掺杂碳纳米纤维在三维空间的原位耦合为OER和ORR提供了足够稳定的反应位点。因此,NiFe/NCNF/CC电极具有高效、稳定的ORR和OER性能。由NiFe/NCNF/CC电极组装的锌空气电池具有140.1 mW cm-2的高功率密度和700次循环的充放电稳定性。有趣的是,柔性锌-空气电池还具有优异的柔性及可折叠的力学性能,在1.0 mA cm-2时仅具有0.55 V的低压间隙。另外,两个液态锌-空气电池还可作为自组装水分解器件的稳定电源。

【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览Chenglong Lai, Jiayi Fang, Xupo Liu, Mingxing Gong, Tonghui Zhao, Tao Shen, Kangli Wang, Kai Jiang, Deli Wang. In situ coupling of NiFe nanoparticles with N-doped carbon nanofibers for Zn-air batteries driven water splitting. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119856

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119856

  1. 中山大学纪红兵教授Appl. Catal. B Environ.: 具有增强可见光吸收和电荷迁移率的锌卟啉/g-C3N4异质结用于胺氧化偶联

石墨氮化碳(g­C3N4, CN)由于其高稳定性和合适的带隙而被广泛用作光催化剂。然而,由于低效率的光捕获和光生载流子的快速复合,限制了其进一步的发展。在本文中,中山大学纪红兵教授、周贤太教授等课题组通过将锌卟啉共轭微孔聚合物(ZnP-CMP)与CN进行复合,成功合成出具有可见光响应的锌卟啉(ZnP)/CN异质结光催化剂。所制备出的ZnP/CN表现出优异的光催化活性,在可见光下高效催化胺氧化偶联为亚胺,该光催化效率是CN的25倍,是ZnP-CMP的2倍左右。ZnP-CMP的引入促进了可见光捕获和光生电荷迁移率,从而显著提高了催化效率。此外,ZnP/CN异质结光催化剂还表现出良好的宽基底范围、稳定性和可重复使用性。

【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览Wen Zou, Xiao-Hui Liu, Can Xue, Xian-Tai Zhou, Hai-Yang Yu, Ping Fan, HongBing Ji. Enhancement of the visible-light absorption and charge mobility in a zinc porphyrin polymer/g-C3N4 heterojunction for promoting the oxidative coupling of amines. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119863

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119863

  1. 山东大学黄柏标教授Appl. Catal. B Environ.: 2D/2D超薄BiVO4/Ti3C2纳米片异质结用于光催化分解水

光催化分解水是一种很有前景的将太阳能转化为氢气(H2)和氧气(O2)的环保技术。在本文中,山东大学黄柏标教授、刘媛媛教授等课题组研究发现BiVO4超薄纳米片在模拟太阳光照射下可以同时将纯水分解成H2和O2,而且无需牺牲试剂。因此,作者通过BiVO4与Ti3C2纳米片之间的静电作用,成功地合成出一种新型的2D/2D BiVO4/Ti3C2复合材料。由于独特的2D/2D异质结具有较大的界面接触面积和较短的电荷输运距离,BiVO4/Ti3C2复合材料表现出更高的光激发载流子迁移和分离效率,最终表现出显著提高的光催化整体水分解活性。该工作可能为超薄BiVO4纳米片用于光催化水分解提供了首次实验证实,而且BiVO4与Ti3C2的2D/2D结合可以进一步提高其活性,对今后设计高效的水分解光催化剂具有指导意义。

【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览Yujie Li, Yuanyuan Liu, Danning Xing, Jiajia Wang, Liren Zheng, Zeyan Wang, Peng Wang, Zhaoke Zheng, Hefeng Cheng, Ying Dai, Baibiao Huang. 2D/2D Heterostructure of Ultrathin BiVO4/Ti3C2 Nanosheets for Photocatalytic Overall Water Splitting. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119855

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119855

  1. 重庆大学王煜教授Appl. Catal. B Environ.: MoO3基底限域富空位单层1T-MoS2用于高效电催化氮还原制氨

电化学驱动氮还原制氨作为Haber-Bosch工业过程的一种替代方法受到了科研人员的广泛关注。得益于仿生无机结构,MoS2被证明是一种很有前景的电催化氮还原反应(ENRR)催化剂。然而,该材料存在着活性位点不足和动力学缓慢等缺点。在本文中,重庆大学王煜教授等课题组采用界面工程策略合成出一种新型的ENRR电催化剂,在载体MoO3基体上均匀生长具有高活性中心密度(S空位)的单层1T-MoS2材料(称为SV-1T-MoS2@MoO3)。得益于功能S空位、设计良好的结构和金属1T-MoS2相的相对优势,所合成出的SV-1T-MoS2@MoO3催化剂在酸性介质下具有优异的电催化性能,NH3产率高达116.1 μg h-1 mg-1cat.,法拉第效率高达18.9%,优于之前报道的其它MoS2基催化剂。密度泛函理论计算表明,S空位可以调节SV-1T-MoS2@MoO3的电子结构,使N2分子的反键2π*轨道向费米能级移动,从而使催化过程向更有利于ENRR的方向发展。本工作设计的SV-1T-MoS2@MoO3杂化结构为更好地制备高效固氮催化剂提供了参考和启示。

【催化前沿】马丁、木士春、曾杰、王得丽、纪红兵、黄柏标、王煜教授等催化研究最新成果速览Xiangrong Zi, Jin Wan, Xiaohui Yang, Wu Tian, Huijuan Zhang and Yu Wang. Vacancy-rich 1T-MoS2 monolayer confined to MoO3 matrix: An interface-engineered hybrid for efficiently electrocatalytic conversion of nitrogen to ammonia. Appl. Catal. B Environ. 2021. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119870

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119870

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参考文献: