王中林，俞書宏，曾杰，張禮知等人近期能源領域研究成果快遞

1.?俞書宏JACS: 納米腔的氧化銅納米催化劑，實現了選擇性還原CO₂至C²⁺產物

選擇性和有效的催化將二氧化碳轉化為具有附加值的燃料和原料，為高密度的可再生能源儲存提供了理想的途徑。將二氧化碳轉化為碳氫化合物(如C²⁺化合物)的一個障礙是很難有效地將C-C鍵的偶聯反應。亞銅被認為是催化C²⁺的形成的活性物質，而在陰極電位下它容易被還原為零價Cu。中國科學技術大學俞書宏教授及其團隊報道了具有納米活性的催化劑可以限制在原位形成的碳中間體，而這些中間體反過來又覆蓋了催化劑的局部表面，從而穩定了Cu⁺。

圖1. 限制在納米尺寸的碳中間體的示意圖。^[1]

2.?中科大曾杰Nature子刊：一種制備單原子催化劑的通用方法——電化學沉積法

單原子催化劑（SACs）以其最大的原子利用率和獨特的電子結構表現出良好的催化性能。然而，所報道的合成SACs的方法通常對錨定金屬或載體有特殊的要求。中國科學技術大學的曾杰和Shiming Zhou報告了一種通用的電化學沉積方法，適用于廣泛的金屬和支撐層來制備SACs。沉積發生在相同的陰極和陽極材料上，不同的氧化還原反應賦予SACs不同的電子態。陰極沉積的SACs對析氫反應活性高，而陽極沉積的SACs對析氧反應活性高。當在Co_0.8Fe_0.2Se₂@Ni泡沫上陰極和陽極沉積的Ir單原子并進行全水解時，在堿性電解液中達到10ma cm^?2僅需要1.39 V的電壓。

圖2. Ir單原子及其電化學系統與性能。^[2]

3. 加拿大Edward H. Sargent院士JACS：調節中間吸附提高了銅鎳合金上硝酸根對氨的活性

電化學轉化硝酸鹽(NO^3-)為氨(NH₃)的循環利用提供了一條生成NH₃的途徑，其價值高于氮氣。然而，目前NO^3-電還原的發展仍然受到缺乏催化劑結構如何調整以提高催化活性的機制描述的阻礙。加拿大多倫多大學的Edward H. Sargent院士等人報道了在Cu₅₀Ni₅₀合金催化劑上進行硝酸鹽還原反應（NO^3-?RR），可以增強其催化性能，對比純銅，以及在0 V條件下可逆氫電極（RHE），其半波電位上升了0.12 V，催化活性提高了6倍。電子結構研究表明，d譜帶中心向費米能級上移，有助于增強了中間吸附能。該工作為設計催化劑使得NO₃^-RR選擇性合成NH₃提供了一條有希望的途徑。

圖3. NO₃^-RR中間物吸附于活性關系。^[3]

4.大連化物所張濤Nature子刊：強金屬-載體相互作用促進熱穩定單原子催化劑的規模化生產

單原子催化劑(SACs)在許多非均相反應中表現出優異的催化性能。然而，生產熱穩定的SACs，特別是以一種簡單和可擴展的方式，仍然是一個艱巨的挑戰。中國科學院大連化學物理研究所的張濤院士、李為臻研究員和喬波濤研究員報道了通過物理混合亞微米級的RuO₂聚集體和MgAl_1.2Fe_0.8O₄尖晶石，從工業RuO₂粉末中合成Ru SACs。擴散過程不是由氣體原子俘獲機制引起的，而是由強共價金屬-載體相互作用導致的。這種合成方法簡單，適用于大規模工業生產。

圖4. Ru單原子透射圖。^[4]

5. 張禮知Chem：單原子加速電子轉移促進N₂電還原反應

尋求一種綠色、低成本、可持續的合成氨方法對社會發展和人類生活至關重要。一個有巨大潛力的候選是電催化氮還原。然而，電催化劑分解N≡N鍵的能力不足，限制了其活性和選擇性。華中師范大學張禮知教授等人使用界面極化作為概念上的新策略來促進N≡N鍵分裂,在-0.2 V vs. RHE的電位下，電催化合成氨的效率達到36.1?± 3.6?mmol g^?1?h^?1。這項工作為用環境氨電合成取代Haber-Bosch反應開辟了一條新的途徑。

圖5. 界面極化加速合成氨。^[5]

6. 阿卜杜拉國王科技大學JACS：高穩定的膦酸酯MOFs高效光催化制氫

光活性金屬有機骨架(MOFs)是最有前途的光催化制氫材料之一，但與其他傳統的MOFs相比，膦酸酯基的MOFs在很大程度上還未得到廣泛的關注。阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef通過一種簡便的攪拌水熱法設計了1D膦酸鈦MOF光催化劑。由于–OH官能團具有很強的供電子能力，可以有效地改變價帶頂，將光吸收轉移到光譜中的可見光部分，因而有機磷連接基的均相摻入可以有效縮小帶隙。這項工作論證了通過有機配體的合理功能化來調整膦酸酯基MOFs電子結構的可能性，為開發具有設計結構和電子特性的先進光催化劑開辟了新途徑。納米結構和電子態的這種工程概念預示著一種新的MOF基光催化劑的設計范式。

圖6. TiPNW MOF光催化性能和機理。^[6]

7. 中科院曹安民AM：瀝青衍生的軟碳作為鉀離子電池的穩定負極材料

鉀離子電池(KIBs)是一種很有前途的儲能系統，但其電極材料的穩定性和高速率性能，尤其是碳作為研究最多的負極材料，成為主要的挑戰。中科院曹安民課題組研究發現研究表明，瀝青衍生的軟碳是一種非石墨化碳，在電池領域較少受到重視，在KIB負極中具有特殊的優勢。得益于其高度可調的結晶度和晶格間距，從而可以很好地控制軟碳的結構柔性，從而滿足KIB在高能量密度和穩定性方面的需求。

圖7.電極材料電化學性能。^[7]

8.王雙印/蔣三平/鄭建云Small: 鈷基催化劑中重組氧化物層與OER催化性能之間的關系

鈷鎳酸鹽在強堿性溶液中對氧發生反應(OER)表現出良好的催化活性和穩定性。確定鈷族元素化合物上氧化層的固有組分/結構-性質關系對于設計更好、更便宜的OER技術商業可行性電催化劑至關重要。湖南大學王雙印教授、澳大利亞科廷大學蔣三平教授和湖南大學鄭建云副教授等人系統地分析了重構后的氧化層及其對OER活性的影響。原位電化學阻抗譜(EIS)和近邊x射線吸收精細結構(NEXAFS)光譜表明，鈷族元素化合物比Co₃O₄具有更高的OER性能，這是由鈷族元素化合物演化而來的鈷氧化物層中更多的結構無序和氧缺陷位點所致。目前的研究表明，通過控制重組活性層的亞表面缺陷，有望進一步提高鈷基電催化劑的OER性能。

圖8. 陽極氧化后的電催化測量數據。^[8]

9. 王中林/孫春文Nano Energy: 納米摩擦發電機電沉積三功能電催化劑實現水分解和可充電鋅空氣電池

設計高性能的電化學水分解電催化劑和可充電金屬空氣電池是一項迫切而具有挑戰性的任務。中國科學院北京納米能源與系統研究所孫春文研究員和王中林院士等人利用層狀摩擦納米發電機（TENG）產生的高壓脈沖直流電提供了一種新型電源，可在沒有任何封端劑的情況下將亞2 nm Pt納米團簇電沉積到NiFe-LDH納米片上，以提高析氫反應（HER）的活性，并將NiFe-LDH晶格中的部分Fe³⁺陽離子還原為Fe²⁺，以增強析氧反應（OER）活性。使用最佳催化劑（Pt-NiFe-LDH-0.5-12）作為全水分解電極，在50 mA cm^-2的電流密度下，OER和HER之間的電勢差降至1.63 V，遠低于混合的貴金屬催化劑（Pt/C和RuO₂，1.98 V）。Pt-NiFe-LDH-0.5-12作為可充電鋅空氣電池的空氣電極，在較高的開路電壓、較高的往返效率和耐久性能上明顯優于裸NiFe-LDH。

圖9. Pt–NiFe-LDH催化劑結構與性能。^[9]

10. 韓國蔚山研究員Nature Commun.: 法拉第效率高達28%的釕@碳納米管電催化劑制氫

開發高效、穩定的電催化劑是實現純氫電化學生產的關鍵。在實際應用中，一種經濟、簡便的制氫催化劑的方法是必不可少的。韓國蔚山科學技術大學的Jong-Beom Baek教授和Javeed Mahmood等人報道了釕(Ru)納米粒子均勻地沉積在多壁碳納米管(MWCNTs)上作為一種高效的HER催化劑。該催化劑在酸性和堿性電解質中分別以13和17 mV的超小過電位獲得10 mA cm^–2電流密度，均超過了商用Pt/C電催化（16 mV和33 mV）。此外，該催化劑在兩種介質中均具有出色的穩定性，循環過程中幾乎表現出“零損失”。在實際設備中，該催化劑每消耗的功率產生的氫氣多15.4％，并且比Pt/C（85.97％）具有更高的法拉第效率，達到92.28％。密度泛函理論計算表明，釕-碳鍵是最有可能的活性位點。

圖10. 電化學性能與比較。^[10]

參考文獻：

[1]Peng-Peng Yang, et al., Protecting Copper Oxidation State via Intermediate Confinement for Selective CO₂?Electroreduction to C²⁺?Fuels, JACS, 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c01699.

[2]Zhirong Zhang, et al., Electrochemical deposition as a universal route for fabricating single-atom catalysts, Nature Communications, 2020, 11, 1215.

[3]Yuhang Wang, et al., Enhanced Nitrate-to-Ammonia Activity on Copper–Nickel Alloys via Tuning of Intermediate Adsorption, 2020, DOI: 10.1021/jacs.9b13347.

[4]Kaipeng Liu, et al., Strong metal-support interaction promoted scalable production of thermally stable single-atom catalysts, Nature Communications, 2020, 11, 1263.

[5]Jie Li, et al., Accelerated Dinitrogen Electroreduction to Ammonia via Interfacial Polarization Triggered by Single-Atom Protrusions, Chem, 2020, 6, 1-17.

[6]Yun-Pei Zhu, et al. Highly Stable Phosphonate-Based MOFs with Engineered Bandgaps for Efficient Photocatalytic Hydrogen Production. Adv. Mater. 2020, 1906368.

[7]Yuan Liu, et al., Pitch‐Derived Soft Carbon as Stable Anode Material for Potassium Ion Batteries, Adv. Mater., 2020, 2000505.

[8]Yanhong Lyu, et al., Identifying the Intrinsic Relationship between the Restructured Oxide Layer and Oxygen Evolution Reaction Performance on the Cobalt Pnictide Catalyst, Small, 2020, 1906867.

[9]Junxing Han, et al.,?Triboelectric Nanogenerators Powered Electrodepositing Tri-Functional Electrocatalysts for Water Splitting and Rechargeable Zinc-Air Battery: A Case of Pt Nanoclusters on NiFe-LDH Nanosheets. Nano Energy, 2020, 72,104669.

[10]Do Hyung Kweon,?Ruthenium anchored on carbon nanotube electrocatalyst for hydrogen production with enhanced Faradaic efficiency, Nature Commun., 2020, 11, 1278.

本文由Nano Optic供稿。

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