催化顶刊合集：Nature子刊、EES、AM、CEJ、ACB、ACS Catalysis等成果！

1. Chem. Eng. J.：锚定在Co-Mo复合氧化物上的超小IrO₂纳米颗粒实现高效酸性析氧

氢作为一种环境友好的能源载体，具有极高的能量密度，被认为是传统化石燃料的理想替代能源。电催化水分解是各种制氢方法中最有前途的一种，尤其是其可以利用可再生能源。与碱性水电解相比，在酸性介质中使用成熟的质子交换膜(PEM)进行水分解，具有副反应少、离子电导率高、成本低和纯度高等优点。然而，质子交换膜水电解槽(PEMWE)的实际应用仍然受到限制，这主要归因于析氧反应(OER)的缓慢动力学。

此外，许多催化剂在酸性条件下更容易被氧化或溶解，导致失活严重，电能消耗大。到目前为止，IrO₂是各种报道中性能最佳的酸性OER催化剂，但贵金属Ir是极其稀有且昂贵的。因此，合理设计高活性的Ir基催化剂，同时降低Ir的负载量是十分必要的。

基于此，浙江大学Li Ping和张兴旺(共同通讯)等人在Co₃O₄-CoMoO₄纳米笼上均匀分散了超小的IrO₂纳米颗粒(IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄)，该催化剂也不负众望的展现出了优异的催化性能。

本文在酸性溶液(0.5 M H₂SO₄)中测试了制备的催化剂的电催化OER性能。为了比较，在相同的条件下，本文还测试了商业IrO₂(com-IrO₂)的电催化活性。线性扫描伏安(LSV)曲线表明，构建氧化物异质结构后，IrO₂的OER活性被显著提高。

正如预期的那样，IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄表现出优异的OER活性，其在10 mA cm^-2的电流密度下的过电位仅为236 mV，远小于IrO₂@Co₃O₄(301 mV)，IrO₂(313 mV)，com-IrO₂(336 mV)和Co₃O₄-CoMoO₄(410 mV)。通过LSV曲线得到的OER Tafel斜率图也表明IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄在OER过程中具有快速的反应动力学，其Tafel斜率仅为46.5 mV dec^-1。

值得注意的是，IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄在过电位为300 mV时具有713 A g^-1_Ir的优异质量活性，分别是IrO₂@Co₃O₄和IrO₂的13.2倍和37.5倍，其催化性能与最近报道的基于Ir的酸性OER催化剂相当。

本文的密度泛函理论(DFT)计算研究了异质界面对催化剂OER性能的影响。计算后发现，与IrO₂@Co₃O₄相比，IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄的界面处可以看到更强的电子转移，这说明Mo的引入使催化剂的电子结构得到了进一步的调节。同时，从Co₃O₄-CoMoO₄的电荷密度差分布可以看出，电子在Co₃O₄-CoMoO₄的界面局部聚集，显著地改变了其电子结构，从而促进了Co₃O₄相与CoMoO₄相的协同作用。

之后，本文还通过计算IrO₂、IrO₂@Co₃O₄和IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄的态密度(DOS)以研究Mo对催化剂电子结构的影响。研究后发现，IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄异质结构的费米能级附近的局域态高于IrO₂和IrO₂@Co₃O₄，这表明在OER过程中，氧化物异质界面可以调节电子结构，增强电子迁移率，实现快速的电子转移。

此外，当引入Co₃O₄和Co₃O₄-CoMoO₄后，催化剂的d带中心分别移至-1.6388和-1.5901 eV，而IrO₂的d带中心则为-2.2534 eV，这表明吸附中间体与IrO₂@Co₃O₄-CoMoO₄表面的相互作用增强。

更加重要的是，OER途径的吉布斯自由能图表明IrO₂与Co₃O₄-CoMoO₄耦合形成的异质界面可以有效地调节O中间体在活性位点的吸附能，降低能垒，这与实验中其具有高催化活性相一致。总之，本文的策略表明了氧化物异质结构催化剂在酸性OER中的潜在应用。

Ultrasmall IrO₂ Nanoparticles Anchored on Hollow Co-Mo Multi-oxide Heterostructure Nanocages for Efficient Oxygen Evolution in Acid, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.145353.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145353.

2. Adv. Mater.：MoS₂中的层间约束NiFe双原子实现超高效酸性全水解

空间约束策略通过将活性物质限制在特定的空间中，形成一个独特的微环境来平衡过渡态复合物，从而调节反应化学，引起了人们对多相催化的极大兴趣。然而，在传统的液相方法中，主要发展的“受限”主体分子，如金属-有机骨架、钛酸盐纳米管、层状双氢氧化物、碳纳米管、共价-有机骨架，通常涉及过量的金属或其他试剂，这种依赖于模板的方法也限制了主体分子的多样性。

值得注意的是，层状二维材料固有的具有范德华相互作用的层间空间是一个很有前景的纳米反应器，同时也是许多功能材料(金属、聚合物、有机小分子等)稳定的纳米级“庇护所”。典型的二维材料，如MoS₂，具有独特的电子性质、稳定的结构和高度暴露的表面，在构建明确的结构约束方面显示出显著的潜力，但很少得到开发。

基于此，江西师范大学袁彩雷等人提出了一种巧妙的方法，其将Ni和Fe双原子组装到MoS₂的中间层中，这一策略也实现了高效全水解。

经过电化学测试后发现，在0.5 M H₂SO₄溶液中，达到-10 mA cm^-2的电流密度，层间约束NiFe@MoS₂和平面NiFe@MoS₂分别需要67和121 mV的过电位，对应的Tafel斜率分别为26.8和62.4 mV dec^-1。

同时，在67 mV的过电位下，层间约束的NiFe@MoS₂的转换频率(TOF)优于平面NiFe@MoS₂，这揭示了层间约束的NiFe@MoS₂的本征活性高于非层间约束的NiFe@MoS₂，这也凸显了层间约束结构在提高催化剂HER性能方面具有重要作用。

令人兴奋的是，在本文之后的OER测试中也发现了类似的趋势。层间约束的NiFe@MoS₂和平面NiFe@MoS₂都表现出优异的OER活性，甚至超过了商业IrO₂催化剂(338 mV)。

值得注意的是，当电流密度为10 mA cm^-2时，层间约束的NiFe@MoS₂具有较小的过电位201 mV，对应的Tafel斜率为48.3 mV dec^-1，表现出优越的OER性能，这强调了约束效应在改善催化剂OER性能方面发挥的显著作用。

层间约束的NiFe@MoS₂在酸性溶液中卓越的HER和OER性能促使本文继续探索其全水解性能。令人满意的是，达到10 mA cm^-2的电流密度，NiFe@MoS₂||NiFe@MoS₂只需要1.493 V的电压，这优于基准的IrO₂||Pt/C电解槽(1.6 V)。

本文的理论计算首先研究了活性金属Ni(和Fe)位点上的H₂O吸附和解离能。从计算结果可以看出，与平面NiFe@MoS₂相比，层间约束的NiFe@MoS₂的Fe和Ni位点的能垒明显降低。值得注意的是，当层间距离减小到1.2 nm时，无论是Fe还是Ni位点的能垒都进一步降低。这一结果揭示了层间约束效应对H-O-H键断裂的优化，从而形成了更有利的反应趋势。

此外，1.2 nm Fe_confine位点的ΔG_H*为0.085 eV，远低于1.5 nm Fe_confine位点(0.105 eV)和平面Fe位点(0.114 eV)。在1.2 nm Ni_confine位点(0.195 eV)，1.5 nm Ni_confine位点(0.266 eV)和平面Ni位点(0.277 eV)中也发现了类似的比较，这证实了约束效应在促进HER中具有重要作用。

为了进一步了解催化剂在酸性电解质中的OER活性，本文还计算了OER四个基本步骤中每个中间体(OH^*，O^*和OOH^*)的吉布斯自由能。在U=1.23 V时，1.2 nm Ni_confine位点的理论过电位最低，为0.34 V，低于1.5 nm Ni_confine位点的理论过电位(0.43 V)和平面Ni位点的理论过电位(0.48 V)。

同样，1.2 nm Fe_confine位点(0.50 V)也具有比1.5 nm Fe_confine(0.53 V)和平面Fe位点(0.59 V)更低的理论过电位。这些结果表明，约束效应可以显著降低催化剂的吉布斯自由能，从而提高催化剂的OER的性能。总之，本文的研究策略对于实现金属催化剂在恶劣的酸性条件下的高活性和稳定性具有重要意义。

Interlayer-Confined NiFe Dual Atoms within MoS₂ Electrocatalyst for Ultra-Efficient Acidic Overall Water Splitting, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202300505.

https://doi.org/10.1002/adma.202300505.

3. Appl. Catal. B：FeS₂微球表面重构后形成的FeS₂@FeOOH催化剂实现高效水氧化

全球变暖和燃烧传统化石燃料造成的环境污染是两个不容忽视的问题。因此，开发清洁的可再生能源成为科学家和工程师的重要研究课题。氢气(H₂)具有较高的能量密度，被认为是具有吸引力的化石燃料的替代品。

通过绿色电将水分解为H₂和O₂是生产氢气的最有效的方法之一。水分解反应包括两个半反应：阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。理论上，通过1.23 V的外加电位就可以将水分解为H₂和O₂，但由于电化学反应电阻、溶液电阻、外路电阻等的影响，两个电极处施加的实际电压必须大于1.23 V。

因此，有必要在反应过程中使用高效的电催化剂来降低过电位。与两电子转移过程的HER相比，改善OER的缓慢反应动力学对于大规模产氢至关重要。因此，开发高效、稳定、低成本的OER催化剂十分必要。

基于此，聊城大学尹杰、周华伟以及中国科学院过程工程研究所刘阔(共同通讯)等人合成了负载在泡沫Ni(NF)上的均匀FeS₂微球(FeS₂ MS/NF)，其表现出优异的OER活性。此外，本文的多种表征揭示了核壳结构的FeS₂@FeOOH有利于提高催化剂的OER性能。

本文利用标准的三电极体系中评估了FeS₂ MS/NF的OER性能。测试后发现，FeS₂ MS/NF仅需要170 mV的过电位就能达到10 mA cm^-2的电流密度，比1.0 M KOH中的RuO₂(301.5 mV)和NF(387.5 mV)的过电位要小得多。

当电流密度为50和100 mA cm^-2时，FeS₂ MS/NF的过电位分别为283和314 mV，这表明FeS₂ MS/NF的电催化性能远优于RuO₂(405.9 mV@50 mA cm^-2，462.8 mV@100 mA cm^-2)。Tafel斜率是评价催化剂的电化学活性的另一个重要指标。FeS₂ MS/NF的Tafel斜率为60 mV dec^-1，显著低于RuO₂(132 mV dec^-1)和NF(154 mV dec^-1)，这表明FeS₂ MS/NF具有更快的电子转移速率，从而显著提高了其OER催化活性。

为了评估催化剂的稳定性，本文进一步在0.6 V的恒定电位下对FeS₂ MS/NF进行了长达170小时的测试。测试结果显示，在170小时内，FeS₂ MS/NF的过电位基本保持不变，这表明FeS₂ MS/NF在碱性条件下对OER具有出色的稳定性。

本文的一系列的结构表征和分析证实了，OER后微球表面的硫大量溶解，形成了一层非晶FeOOH的壳层，而内核仍然保持了二硫化铁的晶相。这种独特的核壳结构使得本文的催化剂比传统的FeOOH和FeS₂更具有导电性，而且非晶壳和大量的晶格缺陷可以优化催化剂对水和氧的吸附能，从而提高催化剂的OER性能。

本文的研究结果表明，Fe的氧化态从FeS₂增加到FeOOH，促进了水氧化的多电子转移过程，S浸出形成的SO₄^2-结合OH^–吸附可以稳定OOH^*中间体，这均有利于OER，这也使得本文制备的催化剂的OER性能优于现有文献中的Fe/S基非贵金属催化剂。总之，本研究为OER催化剂的自优化重构功能层设计提供了一种有效的策略，并推动了电解水技术的发展。

Highly Efficient FeS₂@FeOOH Core-Shell Water Oxidation Electrocatalyst Formed by Surface Reconstruction of FeS₂ Microspheres Supported on Ni Foam, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123171.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123171.

4. Adv. Mater.：协同铜单原子催化剂在二维氮化碳中强化CO₂电解制甲烷

可再生电力日益增长的技术经济竞争力和大气中不断增加的二氧化碳(CO₂)排放量促使人类重新思考循环能源和产物的方式，以实现封闭的碳经济。为此，低温电子驱动的二氧化碳还原(eCO₂R)利用可再生能源可以通过多个质子和电子转移步骤生产大量的工业燃料和原料。

其中，甲烷(CH₄)的燃烧热最高(55.5 MJ/kg)，以天然气的形式可以提供全球24%的能量，这也使得eCO₂R-CH₄工艺成为实现碳中和的有效途径。然而，缺乏合适的阴极催化剂阻碍了eCO₂R的商业可行性，它仍然面临低选择性(<60%)，低偏电流密度(<200 mA cm^-2)和CH₄形成的高过电位等问题。

基于此，多伦多大学Chandra Veer Singh、辛辛那提大学吴敬杰和莱斯大学Pulickel M. Ajayan(共同通讯)等人利用二维氮化碳(CN)基质，通过简单的金属离子交换过程，获得了高密度(1.5% at%)的Cu-N₂型单原子位点。本文的研究策略也有效的提升了催化剂的CO₂还原性能。

本文在1 M KOH电解质中测试了Cu-PHI-5wt%和Cu-PTI-5wt%的电催化CO₂还原性能。对于这两种催化剂，在-0.60 V到-0.65 V的低过电位范围内，CO和H₂是主要的产物。在这个低过电位范围内，Cu-PHI的FE_H2(40-50%)特别高，而CO则是Cu-PTI的主要产物(FE_CO30-40%)。与Cu-PTI(无石墨化N)相比，在Cu-PHI上较高的总体产氢百分比可归因于其结构中较高的有利于HER的N-C位点(NC₂-吡啶和NC₃-石墨结合)的百分比。

在-0.88 V和-0.84 V时，Cu-PHI和Cu-PTI的FE分别为54%和68%，Cu-PHI和CuPTI对应的CH₄偏电流密度(j_CH4)分别达到263和348 mA cm^-2，Cu-PTI的j_CH4在-0.86 V时最大可达395 mA cm^-2。除了生成CH₄，Cu-PHI和Cu-PTI还生成了C₂H₄，C₂H₅OH和CH₃COO^–等C₂产物。然而，Cu-PHI在-0.81 V时的FE_C2为~13%，Cu-PTI在-0.71 V时的FE_C2为~10%。在-0.84 V下，Cu-PTI和Cu-PHI的eCO₂R→CH₄的转换频率(TOF)分别为1.14和0.56 s^-1，这与最近文献中报道的一些最好的eCO₂R催化剂相当。

综上所述，本文使用了一种简单的金属离子交换过程，在二维CN基体、PHI和PTI上，将高位点密度的单原子Cu均匀的分散在纳米微孔中。与理论计算相印证的详细光谱研究揭示了三角形CN孔顶点处的CuN₂型配位环境及其各自的电子态。

通过对两种基质中Cu的负载量进行优化，本文的得到了性能最优异的Cu-PHI和Cu-PTI催化剂，而且其性能超过了许多最先进的催化剂。本文的广泛的eCO₂R控制研究和详细的结构-活性研究合理化揭示了两种催化剂相对eCO₂R性能的重要催化见解。

最重要的是，AC-HAADF-STEM表征和第一性原理计算表明了纳米孔内超过键距的多个相邻Cu位点的存在和热力学可行性，有利于协同催化。在PTI中，三角形的9N孔尺寸导致了更强的Cu-N结合能，通过协同催化改变反应的能量分布和PLS能量，从而产生更高的催化活性。总之，本文对Cu-CN SACs的研究从基础和性能层面推进了eCO₂R到CH₄的过程。

Cooperative Copper Single Atom Catalyst in Two-dimensional Carbon Nitride for Enhanced CO₂ Electrolysis to Methane, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202300713.

https://doi.org/10.1002/adma.202300713.

5. Energy Environ. Sci.：Ti₂O电极上带负电荷的Pt纳米粒子实现高效氧还原

氧还原反应(ORR)是燃料电池、金属-空气电池等电化学能量转换系统的关键半反应之一。铂等贵金属是目前最高效的ORR催化剂，这也导致了多种基于Pt的纳米材料和合金的开发，这些材料可以减少昂贵且稀缺的Pt的负载量。

然而，这些催化剂仍然难以确保在氧化条件下的长期运行稳定性，尤其是对于基于Pt的纳米粒子(NPs)。过渡金属氧化物(TMOs)，如钙钛矿，作为ORR催化剂的一种替代催化剂，已经引起了人们的广泛研究兴趣，但它们的催化活性和稳定性还远不如Pt基催化剂。

基于此，韩国建国大学Hyuksu Han和成均馆大学Sung Wng Kim(共同通讯)等人制备了由[Ti₂O]²⁺ 2e^–负载的带负电荷的铂纳米粒子(Pt NP)，以实现超稳定的电催化ORR。

本文通过测试暴露于空气中的a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–、ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–和商业Pt/C(20wt.% Pt)催化剂的线性扫描伏安(LSV)曲线评估了制备的催化剂的电催化ORR活性。在a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–上形成的带负电荷的Pt NP显著提高了催化剂的极限电流密度和半波电位(E_1/2)。

值得注意的是，ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–催化剂的极限电流密度与商业Pt/C催化剂相当。之后，本文进一步研究了ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–催化剂的质量活性。

值得注意的是，在0.4 V电压下，ea-Pt/a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–的比活性(14.2 mA cm_pt^-2)和质量活性(3.1 |A| mg_pt^-1)比基准Pt/C催化剂分别高出89倍和31倍。此外，由a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–的LSV曲线可知，起始电位在0.7 V左右，阴离子电子参与反应是明显但却缓慢的，导致带负电荷的Pt NPs表面积累的多余电子的活化较慢，并在0.9 V下获得的比活性(2.10 mA cm_pt^-2)比Pt/C(0.08 mA cm_pt^-2)高26倍，其质量活性(0.45 |A| mg_pt^-1)比Pt/C(0.05 |A| mg_pt^-1)高9倍。催化剂优异的催化性能应该与a-TiO_x/[Ti₂O]²⁺ 2e^–的强金属-载体相互作用诱导产生的带负电荷的Pt NP有关。

本文的研究结果表明，本文的这种前所未有的Pt纳米颗粒在电子器件上显示出强大的稳定性，即使在连续运行350小时后，其稳定性也能高达95%。基于Pt金属与电子之间功函数的差异，自发的电荷转移并导致Pt-skin结构积累了过量的电子，这是催化剂能实现超持久催化的原因。

值得进一步注意的是，本文制备的催化剂的比活性和质量活性比最近报道的Pt纳米结构催化剂高了一个数量级以上。这种优异的催化性能在实际的AMEFC中得到了实现，引发了对商业燃料电池性能提升的进一步深入研究。由于由极低功函数的电子支撑的金属纳米材料原则上可以带负电荷，因此这项工作为开发工业能源转换中实用的异质结构电催化剂提供了合理的策略。

Negatively Charged Platinum Nanoparticles on Dititanium Oxide Electride for Ultra-durable Electrocatalytic Oxygen Reduction, Energy & Environmental Science, 2023, DOI: 10.1039/d3ee01211e.

https://doi.org/10.1039/D3EE01211E.

6. Nat. Commun.：Pd掺杂Cu催化剂高选择性的将CO转化为正丙醇

正丙醇是一种具有广泛用途的有前景的化学品，例如作为制药工业的原料和燃料。预计到2027年，其年全球市场规模将达到10.6亿美元。目前，正丙醇通常是通过丙醛的催化加氢步骤，然后由乙烯和一氧化碳(CO)进行热羰基化反应来制备。

或者，它可以直接通过电化学CO还原反应(CORR)产生，这也提供了一种有前景的方法来实现封闭的碳循环。先前的报告表明，铜(Cu)是唯一的催化剂，可以使^*CO中间体在CORR中偶联形成多碳(C₂₊)产物。然而，在Cu表面合成正丙醇仍然面临法拉第效率低(FEs<40%)、反应速率低和稳定性差等问题，这严重限制了其工业应用。

基于此，复旦大学徐昕和张波(共同通讯)等人引入了一种“原子尺寸失配”策略来调节活性位点，并通过简单的方法合成出了Pd掺杂Cu催化剂，该催化剂在具有丰富的Pb原子晶界的同时还能实现高效的CORR。

本文的研究结果表明，纯Cu催化剂上的主要产物是C₂(乙醇、乙酸酯和乙烯)，在负电位(-0.88 V)下，正丙醇FE最高为28±2%，高于Pb-Cu催化剂。在-0.58~-0.98 V范围内，Pb-Cu电极上的正丙醇FEs明显增强，电流密度达到38±2 mA cm^-2，是Cu电极(-0.68 V)的2倍。此外，与纯Cu电极相比，Pb-Cu催化剂上正丙醇在总多碳产物中的FE比在-0.68 V时提高了2倍。

值得注意的是，与Cu催化剂相比，Pb-Cu催化剂上C₂₊产物的总FEs相似。因此本文提出，在Pb-Cu催化剂上增加的低配位位点提高了表面^*CO的覆盖率，并提高了C₁-C₂偶联从C₂到C₃形成途径的机会。

之后，本文还评估了商业Cu纳米粒子(Com-Cu)的CORR性能。与Com-Cu相比，本文的Cu催化剂对包括正丙醇在内的C₂₊产物显示出更高的选择性。这与以前的报道一致，OD-Cu可以通过增加局部^*CO浓度来促进C₂₊的形成。

之后，本文比较了^*CO在Pb-Cu表面和在Cu(211)表面上的结合强度。计算后发现，Cu(211)表面有两种^*CO结合类型，在Pb-Cu表面，有各种类型的^*CO结合，一般比Cu(211)表面的^*CO结合更强。这些结果也与TPD的结果一致，其中掺杂Pb的Cu比未掺杂的Cu显示出更多的^*CO脱附峰和更强的^*CO结合强度。在Pb-Cu表面的高覆盖度下，较强的^*CO结合强度有助于在工作条件下保持所需的高^*CO覆盖率。

总之，结合本文的实验和理论计算的结果，本文将这种高正丙醇选择性归因于丰富的Pb-富Cu-晶界位点，不同结构的强CO吸附，从而有效地实现高表面CO覆盖率。此外，Pb-Cu表面在反应过程中具有柔性和自适应性，因此催化剂也保持了良好的C-C偶联能力。合成的Pb-Cu催化剂的独特性质促进了C₃选择性的形成。综上所述，这项工作的发现可能为CO→正丙醇电合成的催化剂设计以及CO₂RR和CORR的工业应用提供新的思路。

Pb-rich Cu Grain Boundary Sites for Selective CO-to-n-propanol Electroconversion, Nature Communications, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-40689-w.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40689-w.

7. Adv. Mater.：由木材衍生的独立式碳基电极实现工业级制氢

电化学水分解利用可再生电力生产高纯氢气是一种有前景的可持续能源策略。在高电流密度下，大量氢气通过析氢反应(HER)快速扩散，大大降低了电解水的能源效率和可扩展性，从而对高效稳定的电催化剂提出了要求。迄今为止，Pt基催化剂被认为是性能最优异的HER电催化剂，但存在稀缺性和成本高的问题。为了解决这些问题，人们投入了大量的精力来开发高效的非贵金属电催化剂，以取代昂贵的Pt/C基催化剂。

然而，大多数报道的电催化剂只能在低电流密度(≤500 mA cm^-2)或低输出(总电流≤200 mA)下运行良好，并且在使用粘结剂制备电极时受到催化剂脱落导致的稳定性差的影响，这些都严重限制了大规模的水电解制氢。

基于此，浙江大学张兵等人通过将Ni纳米颗粒包覆在氮掺杂碳化木骨架中构建了一种碳电极(Ni@NCW)，该催化剂也不负众望的实现了高效析氢。

本文通过标准的三电极体系，在0.5 M H₂SO₄中测试了独立Ni@NCW电极的电催化HER性能。为了研究Ni@NCW-2.0催化剂的分层多孔结构和独立电极形式对催化剂HER催化性能的影响，本文还制备了Ni@NCW-2.0粉末并通过Nafion将其涂覆碳纸(CP)上并与Ni@NGP-2.0(使用石墨板代替碳化木)和商业Pt/C进行对比。

根据线性扫描伏安(LSV)曲线可以发现，商业Pt/C在酸性介质中表现出优异的催化活性，Ni@NCW-2.0也以相对较低的过电位(158 mV)达到10 mA cm^-2的电流密度。更加重要的是，与Ni@NCW-2.0/CP(445和509 mV)和Ni@NGP-2.0(365和405 mV)相比，Ni@NCW-2.0电极在电流密度为50和100 mA cm^-2时，过电位仅分别为267和304 mV，表现出更高的催化活性。

值得注意的是，Ni@NCW-2.0只需要381 mV的小过电位就可以实现500 mA cm^-2的大电流密度，这大大低于Ni@NCW-2.0/CP和Ni@NGP-2.0催化剂的过电位。此外，本文还对利用不同三聚氰胺量制备出的Ni@NCW进行了碱性HER催化活性测试。LSV曲线表明，Ni@NCW-2.0在酸性和碱性介质中都表现出良好的催化活性。

其中Ni@NCW-2.0在20、50、100 mA cm^-2电流密度下(1 M KOH)的过电位分别为70、158、240 mV，优于Ni@NCW-1.0(123、241、302 mV)和Ni@NCW-1.5(118、225、276 mV)，这说明氮掺杂可以优化Ni@NCW的HER性能。

Ni@NCW-2.0除了在酸性和碱性介质中展现出优异的HER活性，其也表现出非凡的电催化稳定性，Ni@NCW-2.0电极在高电流密下(500 mA cm^-2@0.5 M H₂SO₄，1000 mA cm^-2@1 M KOH)运行100小时后仍能保持优异的HER催化活性。

本文的研究结果表明，得益于催化剂的多孔结构和独立活性位点的优势，其可以直接用作酸性和碱性介质中的HER电极，并具有良好的动力学特性。令人印象深刻的是，这种Ni@NCW电极可以在AEMWA装置中提供4.0 A的工业级电流，并具有非凡的稳定性。基于本文的实验结果和理论计算结果还可以得知，N掺杂碳层不仅可以调控催化剂的电子性能，还可以促进电荷转移以增强催化剂的电导率，显著提高催化剂的HER活性。

此外，优化的水解离能垒和△G_H*表明，Ni纳米粒子和N掺杂碳层之间的协同作用有助于催化剂实现优异的HER性能。综上所述，本文基于天然木材的原位合成策略为制备稳定、高效的三维分层多孔碳电极提供了可行和可持续的路径，从而实现了先进的电化学能量转换。这项工作的结果也证明了Ni@NCW碳电极在实际AEMWA中的巨大应用潜力，可用于实现工业级产氢。

Wood-Derived Freestanding Carbon-based Electrode with Hierarchical Structure for Industrial-Level Hydrogen Production, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202304917.

https://doi.org/10.1002/adma.202304917.

8. ACS Catal.：硼/氮诱导的表面环境调节有利于实现高效析氧

电催化析氧反应(OER)作为水分解的半反应之一，在探索高效的OER电催化剂方面受到了广泛关注。值得注意的是，OER动力学很大程度上取决于纳米电催化剂的物理化学表面，其中氧连接表面微环境(OLSME)是决定OER性能的关键。预期理想的OLSME应有利于构建活性位点，调节中间吸附，稳定相重构，优化电子转移，增强稳定性，提高耐腐蚀性，从而实现能量有利的OER途径。

基于此，昆士兰科技大学梅俊、廖婷和孙子其(共同通讯)等人选择催化惰性氧化钼催化剂作为代表性模型，并选择阴离子B/N作为调节剂，实现了高效OER。

本文在1.0 M KOH溶液中评估了BMO型和NMO型催化剂的电催化OER性能。根据极化曲线可以看出，BMO型催化剂的过电位顺序为:BMO-750<BMO-950<BMO-550<BMO-350，其中电流密度为10和30 mA cm^-2。

此外，BMO-750催化剂的Tafel斜率最低，这表明其具有良好的OER动力学。使用NMO型催化剂进行相同的催化测试后，可以发现NMO-750催化剂表现出最好的OER性能，并在10和30 mA cm^-2的电流密度下展现出较低的过电位以及更好的反应动力学。进一步与NMO-750催化剂(310 mV)比较，BMO-750催化剂在10 mA cm^-2下的过电位仅为298 mV。

然后，为了确认Mo位点对催化剂催化性能的贡献，本文利用阴离子B/N调节剂在750 ℃下处理了无Mo的CC(NCC-750和BCC-750)。从极化曲线等数据可以看出，BCC-750催化剂在10 mA cm^-2下的过电位为343 mV，表现出最佳的OER性能，这表明B的存在对提高催化剂的催化性能起着至关重要的作用。

与BCC-750催化剂相比，Mo在NMO催化剂中的存在大大提高了OER活性。与NCC-750和CC-750催化剂相比，只有BCC-750催化剂表现出最佳的反应动力学。最后，本文利用BMO-750/NMO-750与商业Pt/C组成双电极体系，在1.0 M KOH溶液中评估了BMO-750/NMO-750的全水解性能。Pt/C||BMO-750和Pt/C||NMO-750和其它体系仅需要1.61 V的电压就可以达到10 mA cm^-2的电流密度。在50 mA cm^-2的高电流密度下，Pt/C||BMO-750体系的电压仅为1.69 V，优于Pt/C||NMO-750体系(1.73 V)。

为了证明钼氧化物催化剂的OLSME与相和化学价高度相关，本文利用MoO₃和MoO₂模型，借助B/M调节剂进行了理论计算，并探索了OH吸附行为以验证其在碱性溶液中的潜在催化活性。引入OH后，负的结合能(E_b)表示其结构稳定。此外，吸附能(E_ad)对B/N调控的MoO₃/MoO₂相表现出选择性行为。具体来说，与N存在时相比，B调控的MoO₂模型显示出较低的实际E_ad值。相反，N调控更有利于优化MoO₃相，表现出较低的实际E_ad值。

综上所述，本文提出了在金属氧化物催化剂上调节OLSME的概念，从而调节了催化剂的OER活性。这项工作也为高效催化剂的设计提供了新的思路，并为活化惰性金属氧化物纳米催化剂提供了新的可能性。

Boron/Nitrogen-Induced Surface Environment Modulation for Favorable Phase and Valence toward Efficient Oxygen Evolution, ACS Catalysis, 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c02808.

https://doi.org/10.1021/acscatal.3c02808.