【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览

  1. 华中科技大学夏宝玉教授Acc. Chem. Res.: 先进铂基氧还原电催化剂用于燃料电池

燃料电池是最先进的能源技术之一。用于阴极氧还原反应(ORR)的贵金属铂(Pt)催化剂不仅决定了燃料电池的能量转换效率和使用寿命,而且与燃料电池的成本和广泛应用密切相关。鉴于燃料电池广阔的发展前景,理想的ORR催化剂应具有高效的催化活性,并同时满足大规模应用所需的Pt成本。为了获得低成本、高活性的铂基催化剂,科研人员一直致力于开发更优化的铂基纳米结构和功能载体。通过提高铂利用率和易接近活性表面,降低铂消耗及催化剂成本,加速传质和电子转移,减轻载体腐蚀及铂团聚,并辅以稳定而有效的功能载体,铂基电催化剂的使用水平和寿命将得到显著提高,同时燃料电池也将进入更广泛的商业应用市场。在本文中,华中科技大学夏宝玉教授等课题组重点介绍了铂基催化剂的最新进展,以解决燃料电池中与ORR催化剂相关的问题。作者从不同角度讨论了铂基催化剂的最新进展:(1)铂基纳米结构的多尺度发展;(2)铂基合金组成的多元调控;(3)碳和非碳载体结构的升级;(4)集成铂基催化剂用于燃料电池的研发。最后,作者提出了铂基催化剂未来的一些问题(如反应机理、动力学演化、构效关系等),主要涉及铂集成催化剂的制备策略(铂纳米结构与纳米碳的结合)、性能评估(标准测量方案、实验室级旋转圆盘电极(RDE)测试、应用级膜电极组装(MEA)测试),先进的机理解释技术(光谱学、电子显微镜和原位监测),以及尖端的模拟/计算及人工智能(模拟、计算、机器学习、大数据筛选)等。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览 Lei Huang, Shahid Zaman, Xinlong Tian, Zhitong Wang, Wensheng Fang, and Bao Yu Xia. Advanced Platinum-Based Oxygen Reduction Electrocatalysts for Fuel Cells. Acc. Chem. Res. 2021. DOI:10.1021/acs.accounts.0c00488

文章链接:https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00488

  1. 深圳大学苏陈良教授ACS Energy Lett.: 碳纳米片负载原子级分散Fe-杂原子(N, S)桥位点促进氧还原反应

用于可再生能源领域的碳纳米结构负载原子级分散单位点铁催化剂显示出良好的氧还原反应活性。然而,单个铁原子的微环境需要进一步的改善以进一步优化其催化性能,而这仍然是一个挑战。在本文中,深圳大学苏陈良教授联合新加坡南洋理工大学刘彬教授等课题组开发出一种NaCl模板热解策略在碳纳米片载体上制备出单原子铁催化剂,其具有原子分散的铁-杂原子(N, S)桥位点。研究发现由N和S配位的Fe原子位点(FeN3S)可以引起电荷的重新分布,从而降低含氧反应中间产物的结合强度,使反应动力学加快,促进氧还原反应催化活性。该工作为优化单原子催化剂的电催化性能提供了一种有效的方法。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览Mengran Wang, Wenjuan Yang, Xinzhe Li, Yangsen Xu, Lirong Zheng, Chenliang Su, and Bin Liu. Atomically Dispersed Fe–Heteroatom (N, S) Bridge Sites Anchored on Carbon Nanosheets for Promoting Oxygen Reduction Reaction. ACS Energy Lett. 2021. DOI:10.1021/acsenergylett.0c02484

文章链接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02484

  1. 新加坡国立大学陈伟教授Cell Rep. Phys. Sci.: 二维材料欧姆接触工程

半导体器件研究的主要领域之一是在半导体和金属电极之间设计透明或欧姆接触,以便将电荷载流子有效地注入传导通道。近年来快速发展的二维(2D)材料具有原子级的平坦表面,由于没有悬空键,因此直观上很有希望与金属形成欧姆接触。然而,由于费米能级pinning等界面效应,二维器件的接触通常具有较大的肖特基势垒,很少遵循肖特基-莫特定律。在本文中,新加坡国立大学陈伟教授联合深圳大学韩成教授等课题组综述了在二维电子器件中实现二维材料欧姆接触工程的最新进展。作者首先简要介绍了Si和2D材料接触的基础物理,随后介绍了各种工程策略,包括能带匹配、掺杂、相工程、缓冲层插入、二维/金属范德华接触和边缘接触等。最后,作者讨论了未来二维电子学中优化接触的机遇和挑战。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览Yue Zheng, Jing Gao, Cheng Han, and Wei Chen. Ohmic Contact Engineering for Two-Dimensional Materials. Cell Rep. Phys. Sci. 2021. DOI:10.1016/j.xcrp.2020.100298

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100298

  1. 湖南大学黄彬彬教授Cell Rep. Phys. Sci.: 电场驱动纳米颗粒产生双功能双极电极与纳米电解池用于水修复

高级氧化工艺(AOPs)是解决日益严重水污染问题的最有效方法之一。然而,催化剂与牺牲化学品的高成本和高风险,以及电子转移到过氧化物的低效率阻碍了它们进一步的应用。在本文中,湖南大学黄彬彬教授等课题组报道了一种在电场中添加纳米颗粒(NPs)并在NPs表面进行电子转移以产生活性氧物种(ROS)的新方法。该策略无需使用任何牺牲性化学品,静电感应可以驱动单个NPs的电荷分离。由于极化作用,NPs会被转化为许多双极性电极,激活电生成的H2和O2形成ROS,从而有效地使其与邻近污染物发生快速反应。该发现为AOPs提供了一种通用的方法,在实际的水体修复中将有着广泛的应用。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览Qian Guo, Chao Lei, Wenqian Chen, Jingya Zhang, and Binbin Huang. Electric-Field-Driven Nanoparticles Produce Dual-Functional Bipolar Electrodes and Nanoelectrolytic Cells for Water Remediation. Cell Rep. Phys. Sci. 2021. DOI:10.1016/j.xcrp.2020.100299

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100299

  1. 青岛大学刘晓敏教授Coordin. Chem. Rev.: 来自不同世界的火花——MOFCOF的合作

近年来,金属有机骨架(MOFs)和共价有机骨架(COFs)基功能复合材料因其优异的协同性能而备受科研人员的广泛关注。随着对拓展多组分骨架材料的多样性和性能越来越感兴趣,MOFs和COFs的共性和独特性为MOFs-COFs复合材料的未来发展搭建了一座桥梁。在本文中,青岛大学刘晓敏教授等课题组综述了MOFs-COFs复合材料从合成到应用的最新进展。从制备方法入手,分别介绍了在不同合成条件下制备出由MOFs介导的MOF@COF复合材料和COFs介导的COF@MOF复合材料,并总结了MOF@COF复合材料和COF@MOF复合材料在催化、吸附分离、储能和传感等方面的潜在应用。基于上述讨论,作者进一步强调了MOFs-COFs复合材料面临的机遇和挑战。总之,这篇小综述有望为令人眼花缭乱但尚处于萌芽阶段的MOFs-COFs复合材料开发提供灵感。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览Ming-Xue Wu, Yan Wang, Guohui Zhou, Xiaomin Liu. Sparks from different worlds: Collaboration of MOFs and COFs. Coordin. Chem. Rev. 2021. DOI:10.1002/anie.202014968

文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202014968

  1. 中科院福建物构所王要兵研究员Nano Energy: 电催化剂在能量转换反应中的表面演化

为了开发和改进用于能量转换反应的电催化剂,深入了解其活性位点是非常必要的。事实上,活性位点在实际操作条件下可能受到各种结构/化学演化的影响,近年来通过后催化和原位表征揭示了上述观点。深入的研究表明,电场、电解质、反应物/中间物/产物和电催化剂之间的多重相互作用增加了电催化剂表面的易变性,从而触发了表面的演化。因此,表面演化导致了活性位点初始设计与实际设计的偏差。该理念呼吁重新确定活性位点以合理设计电催化剂,并进一步提供更准确的指导方针。在本文中,中科院福建物构所王要兵研究员等课题组综述了电催化剂表面演化的起源,并总结了典型电催化剂表面演化的一般形式,包括组分浸出、相变、原子重排和亚稳中间体等,提出了通过原子/缺陷调制、界面耦合、预合成结构优化和形成保护层来形成或保留稳定的高活性位点的控制策略。最后,作者提出了目前开发电催化剂所面临的挑战,包括确定的结构-性能关系、先进的表征技术以及在表面演化后更严格地识别真实活性位点的策略。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览Yiyin Huang, Aya Gomaa Abdelkader Mohamed, Jiafang Xie, Yaobing Wang. Surface Evolution of Electrocatalysts in Energy Conversion Reactions. Nano Energy 2021. DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105745

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105745

  1. 天津大学邓意达/陈亚楠/胡文彬教授Cell Rep. Phys. Sci.: 超快合成功能纳米材料

纳米材料由于其独特的功能,近年来在储能和能量转换领域引起科研人员的广泛关注。与传统方法相比,具有特殊动力学条件的超快合成方法在可控亚稳态材料的制备中显示出巨大的潜力和广阔的应用前景。在本文中,天津大学邓意达教授、陈亚楠教授、胡文彬教授等课题组介绍了喷雾热解法(SP)、微波法(MW)、激光液相烧蚀法(LAL)和高温冲击法(HTS)等几种典型超快合成方法的原理和优点,其中HTS被认为是具有可调特性纳米材料制备的最新技术。这些领域研究的最新进展证明了超快合成对可调纳米材料在各种领域中应用的潜力。最后,作者总结了有待解决的关键问题,并对该领域的未来发展进行了展望。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览Rui Jiang, Yumin Da, Xiaopeng Han, Yanan Chen, Yida Deng, and Wenbin Hu. Ultrafast Synthesis for Functional Nanomaterials. Cell Rep. Phys. Sci. 2021. DOI:10.1016/j.xcrp.2020.100302

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100302

  1. 北京大学邹如强教授Energy Environ. Sci.: 共价有机骨架材料用于能源应用

随着化石燃料的过度消耗和随之而来的能源危机与环境问题,开发取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源和环境友好型能源技术迫在眉睫,例如太阳能电池和新型电化学能量转换和储存装置。开发能量转换和储存器件的支撑平台以改善传质和电子传递,已经成为能源研究领域的中心。共价有机骨架材料(COFs)是通过共价键连接起来的新型晶体多孔材料,其具有灵活的分子设计和合成策略、高共轭和可修饰的结构、高比表面积和孔隙率等优点。基于这些优点,COFs在光催化、电催化、超级电容器、金属离子/硫电池等能源领域有着广阔的应用前景。在本文中,北京大学邹如强教授等课题组综述了近年来COFs领域的最新研究进展,包括COFs的分子设计和合成方法,以及COFs在能量转换和储存中的应用。此外,作者也讨论了发展更有效的能量转换和储存COFs材料的挑战和前景。该综述有望进一步提高COFs基材料在能源应用中的研究热情。

【催化前沿】夏宝玉、苏陈良、陈伟、黄彬彬、刘晓敏、王要兵、邓意达、邹如强教授等催化研究成果速览De-Gao Wang, Tianjie Qiu, Wenhan Guo, Zibin Liang, Hassina Tabassum, Dingguo Xia and Ruqiang Zou. Covalent organic framework-based materials for energy applications. Energy Environ. Sci. 2021. DOI:10.1039/D0EE02309D

文章链接:https://doi.org/10.1039/D0EE02309D

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参考文献: