王中林，俞书宏，曾杰，张礼知等人近期能源领域研究成果快递

1. 俞书宏JACS: 纳米腔的氧化铜纳米催化剂，实现了选择性还原CO₂至C²⁺产物

选择性和有效的催化将二氧化碳转化为具有附加值的燃料和原料，为高密度的可再生能源储存提供了理想的途径。将二氧化碳转化为碳氢化合物(如C²⁺化合物)的一个障碍是很难有效地将C-C键的偶联反应。亚铜被认为是催化C²⁺的形成的活性物质，而在阴极电位下它容易被还原为零价Cu。中国科学技术大学俞书宏教授及其团队报道了具有纳米活性的催化剂可以限制在原位形成的碳中间体，而这些中间体反过来又覆盖了催化剂的局部表面，从而稳定了Cu⁺。

图1. 限制在纳米尺寸的碳中间体的示意图。^[1]

2. 中科大曾杰Nature子刊：一种制备单原子催化剂的通用方法——电化学沉积法

单原子催化剂（SACs）以其最大的原子利用率和独特的电子结构表现出良好的催化性能。然而，所报道的合成SACs的方法通常对锚定金属或载体有特殊的要求。中国科学技术大学的曾杰和Shiming Zhou报告了一种通用的电化学沉积方法，适用于广泛的金属和支撑层来制备SACs。沉积发生在相同的阴极和阳极材料上，不同的氧化还原反应赋予SACs不同的电子态。阴极沉积的SACs对析氢反应活性高，而阳极沉积的SACs对析氧反应活性高。当在Co_0.8Fe_0.2Se₂@Ni泡沫上阴极和阳极沉积的Ir单原子并进行全水解时，在碱性电解液中达到10ma cm⁻²仅需要1.39 V的电压。

图2. Ir单原子及其电化学系统与性能。^[2]

3. 加拿大Edward H. Sargent院士JACS：调节中间吸附提高了铜镍合金上硝酸根对氨的活性

电化学转化硝酸盐(NO^3-)为氨(NH₃)的循环利用提供了一条生成NH₃的途径，其价值高于氮气。然而，目前NO^3-电还原的发展仍然受到缺乏催化剂结构如何调整以提高催化活性的机制描述的阻碍。加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent院士等人报道了在Cu₅₀Ni₅₀合金催化剂上进行硝酸盐还原反应（NO^3- RR），可以增强其催化性能，对比纯铜，以及在0 V条件下可逆氢电极（RHE），其半波电位上升了0.12 V，催化活性提高了6倍。电子结构研究表明，d谱带中心向费米能级上移，有助于增强了中间吸附能。该工作为设计催化剂使得NO₃^-RR选择性合成NH₃提供了一条有希望的途径。

图3. NO₃^-RR中间物吸附于活性关系。^[3]

4.大连化物所张涛Nature子刊：强金属-载体相互作用促进热稳定单原子催化剂的规模化生产

单原子催化剂(SACs)在许多非均相反应中表现出优异的催化性能。然而，生产热稳定的SACs，特别是以一种简单和可扩展的方式，仍然是一个艰巨的挑战。中国科学院大连化学物理研究所的张涛院士、李为臻研究员和乔波涛研究员报道了通过物理混合亚微米级的RuO₂聚集体和MgAl_1.2Fe_0.8O₄尖晶石，从工业RuO₂粉末中合成Ru SACs。扩散过程不是由气体原子俘获机制引起的，而是由强共价金属-载体相互作用导致的。这种合成方法简单，适用于大规模工业生产。

图4. Ru单原子透射图。^[4]

5. 张礼知Chem：单原子加速电子转移促进N₂电还原反应

寻求一种绿色、低成本、可持续的合成氨方法对社会发展和人类生活至关重要。一个有巨大潜力的候选是电催化氮还原。然而，电催化剂分解N≡N键的能力不足，限制了其活性和选择性。华中师范大学张礼知教授等人使用界面极化作为概念上的新策略来促进N≡N键分裂,在-0.2 V vs. RHE的电位下，电催化合成氨的效率达到36.1 ± 3.6 mmol g⁻¹ h⁻¹。这项工作为用环境氨电合成取代Haber-Bosch反应开辟了一条新的途径。

图5. 界面极化加速合成氨。^[5]

6. 阿卜杜拉国王科技大学JACS：高稳定的膦酸酯MOFs高效光催化制氢

光活性金属有机骨架(MOFs)是最有前途的光催化制氢材料之一，但与其他传统的MOFs相比，膦酸酯基的MOFs在很大程度上还未得到广泛的关注。阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef通过一种简便的搅拌水热法设计了1D膦酸钛MOF光催化剂。由于–OH官能团具有很强的供电子能力，可以有效地改变价带顶，将光吸收转移到光谱中的可见光部分，因而有机磷连接基的均相掺入可以有效缩小带隙。这项工作论证了通过有机配体的合理功能化来调整膦酸酯基MOFs电子结构的可能性，为开发具有设计结构和电子特性的先进光催化剂开辟了新途径。纳米结构和电子态的这种工程概念预示着一种新的MOF基光催化剂的设计范式。

图6. TiPNW MOF光催化性能和机理。^[6]

7. 中科院曹安民AM：沥青衍生的软碳作为钾离子电池的稳定负极材料

钾离子电池(KIBs)是一种很有前途的储能系统，但其电极材料的稳定性和高速率性能，尤其是碳作为研究最多的负极材料，成为主要的挑战。中科院曹安民课题组研究发现研究表明，沥青衍生的软碳是一种非石墨化碳，在电池领域较少受到重视，在KIB负极中具有特殊的优势。得益于其高度可调的结晶度和晶格间距，从而可以很好地控制软碳的结构柔性，从而满足KIB在高能量密度和稳定性方面的需求。

图7.电极材料电化学性能。^[7]

8.王双印/蒋三平/郑建云Small: 钴基催化剂中重组氧化物层与OER催化性能之间的关系

钴镍酸盐在强碱性溶液中对氧发生反应(OER)表现出良好的催化活性和稳定性。确定钴族元素化合物上氧化层的固有组分/结构-性质关系对于设计更好、更便宜的OER技术商业可行性电催化剂至关重要。湖南大学王双印教授、澳大利亚科廷大学蒋三平教授和湖南大学郑建云副教授等人系统地分析了重构后的氧化层及其对OER活性的影响。原位电化学阻抗谱(EIS)和近边x射线吸收精细结构(NEXAFS)光谱表明，钴族元素化合物比Co₃O₄具有更高的OER性能，这是由钴族元素化合物演化而来的钴氧化物层中更多的结构无序和氧缺陷位点所致。目前的研究表明，通过控制重组活性层的亚表面缺陷，有望进一步提高钴基电催化剂的OER性能。

图8. 阳极氧化后的电催化测量数据。^[8]

9. 王中林/孙春文Nano Energy: 纳米摩擦发电机电沉积三功能电催化剂实现水分解和可充电锌空气电池

设计高性能的电化学水分解电催化剂和可充电金属空气电池是一项迫切而具有挑战性的任务。中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙春文研究员和王中林院士等人利用层状摩擦纳米发电机（TENG）产生的高压脉冲直流电提供了一种新型电源，可在没有任何封端剂的情况下将亚2 nm Pt纳米团簇电沉积到NiFe-LDH纳米片上，以提高析氢反应（HER）的活性，并将NiFe-LDH晶格中的部分Fe³⁺阳离子还原为Fe²⁺，以增强析氧反应（OER）活性。使用最佳催化剂（Pt-NiFe-LDH-0.5-12）作为全水分解电极，在50 mA cm^-2的电流密度下，OER和HER之间的电势差降至1.63 V，远低于混合的贵金属催化剂（Pt/C和RuO₂，1.98 V）。Pt-NiFe-LDH-0.5-12作为可充电锌空气电池的空气电极，在较高的开路电压、较高的往返效率和耐久性能上明显优于裸NiFe-LDH。

图9. Pt–NiFe-LDH催化剂结构与性能。^[9]

10. 韩国蔚山研究员Nature Commun.: 法拉第效率高达28%的钌@碳纳米管电催化剂制氢

开发高效、稳定的电催化剂是实现纯氢电化学生产的关键。在实际应用中，一种经济、简便的制氢催化剂的方法是必不可少的。韩国蔚山科学技术大学的Jong-Beom Baek教授和Javeed Mahmood等人报道了钌(Ru)纳米粒子均匀地沉积在多壁碳纳米管(MWCNTs)上作为一种高效的HER催化剂。该催化剂在酸性和碱性电解质中分别以13和17 mV的超小过电位获得10 mA cm^–2电流密度，均超过了商用Pt/C电催化（16 mV和33 mV）。此外，该催化剂在两种介质中均具有出色的稳定性，循环过程中几乎表现出“零损失”。在实际设备中，该催化剂每消耗的功率产生的氢气多15.4％，并且比Pt/C（85.97％）具有更高的法拉第效率，达到92.28％。密度泛函理论计算表明，钌-碳键是最有可能的活性位点。

图10. 电化学性能与比较。^[10]

参考文献：

[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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