最新催化顶刊：周震、黄维扬、康振辉、陈戈、张晓东等人成果集锦!

1. Nano-Micro Lett.：CoNP@FeNC作为Zn-空气电池的高效ORR电催化剂

开发出廉价、高效、稳定的氧还原反应（ORR）电催化剂，对于提高具有高能量密度的Zn-空气电池的实际性能至关重要。基于此，郑州大学周震教授和南开大学谢召军讲师（共同通讯作者）等人报道了以原位掺杂的金属有机骨架（MOFs，ZIF-8）为前体，通过“双溶剂”方法制备了一系列负载在N掺杂多孔碳基底上的Co纳米颗粒和高度分散的Fe，即CoNP@FeNC电催化剂。

实验测试发现，所制备的CoNP@FeNC-0.05催化剂在在碱性介质中表现出优异的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）性能。此外，与商业Pt/C+RuO₂相比，CoNP@FeNC-0.05作为Zn-空气电池的正极催化剂时，使得可再充电Zn-空气电池表现出更高的峰值功率密度和更好的循环稳定性。根据性能测试和结构表征结构，CoNP@FeNC-0.05中均匀分散的Fe-N位点和Co纳米颗粒有助于电催化ORR/OER的优异性能。

此外，CoNP@FeNC-0.05的多孔结构、大比表面积和独特的3D碳网络也有利于提高ORR/OER性能。该工作为合理设计和构建具有不同活性中心的单一催化剂用于氧电催化提供了有价值的参考，并为可再充电Zn-空气电池的实际应用铺平了道路。

MOF-Derived Co and Fe Species Loaded on N-Doped Carbon Networks as Efficient Oxygen Electrocatalysts for Zn-Air Batteries. Nano-Micro Lett., 2022, DOI: 10.1007/s40820-022-00890-w.

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00890-w.

2. Nat. Commun.：O-Pd/TiO₂高活性和选择性的氧加氢制H₂O₂

纳米钯（Pd）基催化剂广泛用于由氢气（H₂）和氧气（O₂）直接合成过氧化氢（H₂O₂），但由于反应物O₂和生成的H₂O₂均发生O-O键断裂，因此其选择性和产率仍然较差，这可能是O₂在Pd纳米颗粒上的吸附构型不同导致的。基于此，北京工业大学陈戈教授、李洪义教授和庄春强副研究员（共同通讯作者）等人报道了一种具有高活性和选择性的单原子Pd催化剂（O-Pd/TiO₂催化剂）。

通过密度泛函理论（DFT）计算证明，O-O键断裂在单个Pd原子上受到显著抑制，O₂更容易被活化形成*OOH，其是H₂O₂合成的关键中间体，同时关闭H₂O₂的降解。因此，O-Pd/TiO₂催化剂具有高产率和选择性，是因为单原子Pd催化剂上O-O键解离和H₂O₂解离的高能垒。

实验测试发现，优化后的0.1%O-Pd/TiO₂催化剂的H₂O₂产率高达115 mol g_Pd^-1 h^-1，选择性高于99%，超过了已报道的Pd基催化剂的性能。此外，H₂O₂的浓度在一批中达到1.07 wt.%。该工作报道了单原子Pd催化剂在H₂O₂直接合成中的应用，并且将对后续直接合成H₂O₂的催化剂设计和未来相应的机理研究产生深远的影响。

High activity and selectivity of single palladium atom for oxygen hydrogenation to H₂O₂. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32450-6.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32450-6.

3. Nat. Commun.：超越天然酶！单原子纳米酶用于脑外伤的持续缝合

可再生纳米酶（Regenerable nanozymes）具有高催化稳定性和可持续性的优点，是天然酶的有希望的替代品，但是受到催化活性不足和非选择性催化活性的限制。基于此，天津大学张晓东教授（通讯作者）等人报道了了RhN₄、VN₄和Fe-Cu-N₆的三种单原子纳米酶，其催化活性超过了天然酶。

在文中，作者报道了结构明确且原子精确的RhN₄和VN₄生物催化剂，具有高过氧化物酶（POD）和类过氧化氢酶（CAT）活性，超过了相应的天然酶和已报道的FeN₄。值得注意的是，Rh/VN₄优选形成Rh/V-O-N₄活性中心以降低反应能垒并介导“两侧氧连接”反应路径，在类过氧化物酶活性方面显示出比FeN₄高4和5倍的亲和力和天然辣根过氧化物酶。

此外，与天然过氧化氢酶相比，RhN₄在类过氧化氢酶活性方面的亲和力提高了20倍；Fe-Cu-N₆对类超氧化物歧化酶活性具有选择性；VN₄的类谷胱甘肽过氧化物酶活性比天然谷胱甘肽过氧化物酶高7倍。具有Rh/VN₄的生物活性缝合线显示出可回收的催化特性，在1个月内没有明显衰减，并通过促进血管内皮生长因子、调节巨噬细胞等免疫细胞和减轻炎症来加速脑外伤的头皮愈合。

Single-atom nanozymes catalytically surpassing naturally occurring enzymes as sustained stitching for brain trauma. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32411-z.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32411-z.

4. J. Am. Chem. Soc.：近100%选择性！Hg-CoTPP/NG在高电流密度下超稳定的CO₂电还原为CO

电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）具有高法拉第效率（FE）和在高电流密度下的高稳定性，但由于其电化学稳定性差和与析氢反应（HER）的竞争而具有挑战性。基于此，香港理工大学黄维扬（Wai Keung Wong）教授和Linli Xu、北京航空航天大学朱颖副教授（共同通讯作者）等人报道了在密度泛函理论（DFT）计算的指导下，他们设计了一系列新型金属卟啉连接的汞化石墨炔（Hg-MTPP）作为CO₂RR的电催化剂（即Hg-CoTPP），因为Hg-MTPP诱导了高HER过电位。

值得注意的是，Hg-CoTPP在H-型电池中合成并在-0.76 V vs. RHE下产生了95.6%的最大CO法拉第效率（FE）。由于对HER的极大抑制，即使在-1.26 V vs. RHE下也具有91.2%的CO FE。当在流动电池中，Hg-CoTPP与N掺杂石墨烯（Hg-CoTPP/NG）能够在1.2 A cm^-2的电流密度下实现接近100%的高CO FE，特别是在电流密度约为420 mA cm^-2下突破性的超过360 h的稳定性。

进一步的实验和计算结果表明，Hg-CoTPP的汞化石墨炔带来了较高的HER过电位，并调节了金属中心的d-带电子态，使d-带中心更接近费米能级，从而增强了Hg-CoTPP上的*COOH中间体成键。NG的引入可以缩短Co-N配位键，从而增强电子向金属中心的转移，进而而降低*COOH的能垒。该研究结果表明，Hg-MTPP可以作为一类新的二维（2D）材料，并为在商业应用中的高效CO₂RR电催化剂提供了新设计理念。

Metalloporphyrin-Linked Mercurated Graphynes for Ultrastable CO₂ Electroreduction to CO with Nearly 100% Selectivity at a Current Density of 1.2 A cm^-2. J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c05059.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c05059.

5. J. Am. Chem. Soc.：Mn掺杂α-Ni(OH)₂高选择性电催化胺为腈

在化学工业的原料制中，造选择性氧化合成腈至关重要。目前的策略通常涉及在氨氧化/氧化条件下用有毒氰化物代替卤代烷或使用强氧化剂（氧气或过氧化物），这在能源效率、可持续性和生产安全方面提出了巨大的挑战。基于此，南京大学丁梦宁教授和美国加州理工学院William A. Goddard, III（共同通讯作者）等人报道了一种简单、绿色、安全的电催化途径，在环境条件下通过金属掺杂的α-Ni(OH)₂（一种典型的OER催化剂）上的阳极水氧化，选择性地氧化胺生成腈。

通过控制胺分子的共吸附与催化剂表面羟基之间的平衡，作者发现Mn掺杂在胺电催化氧化中最有效，在 1.40 V vs. RHE电压下，胺的完全转化具有高选择性，并具有≥99%的转化率和法拉第效率（FE）超过96%。这种方法在室温和环境压力下操作，不使用强化学氧化剂，因此为腈类生产提供了一种可持续的方法。

此外，作者还系统地进行了机理和理论研究，以阐明反应机理。Mn掺杂促进胺在γ-NiOOH中间体上的吸附，同时保持足够的活性氧化中间体在相邻Ni位点上的吸附能力，从而促进双分子相互作用的阳极效率。在这种情况下，需要考虑两个参与者（有机物质和OER中间体）的吸附能的联合作用来评估催化剂效率。该结论为未来设计使用OER相关氧源的阳极有机氧化系统提供了有效的指导。

Highly Selective Electrocatalytic Oxidation of Amines to Nitriles Assisted by Water Oxidation on Metal-Doped α-Ni(OH)₂. J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c05403.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c05403.

6. Adv. Sci.：带正电Pt基纳米反应器助力高效稳定HER

带正电的Pt可以作为析氢反应（HER）的活性中心，但相应的高电流密度电催化剂的设计从未实现。基于此，苏州大学钟俊教授和康振辉教授（共同通讯作者）等人报道了一种带正电的Pt在有效的Fe-PtNiPO纳米反应器中的应用，以实现高效和稳定的HER。

通过同步辐射X射线吸收光谱证实了内部带正电Pt的形成，原位实验揭示了纳米反应器中的快速电荷转移。Pt周围的Ni基材料用于调整电子结构并促进水离解形成局部富集的H⁺，而多孔Fe壳既可以防止活性材料的损失，又可以实现有效的材料传输。所有有益的组合物共同作用以形成有效的HER纳米反应器。

实验测试发现，Fe-PtNiPO纳米反应器在电流密度为10 mA cm^-2时表现出19 mV的低过电位，并且在100 mV时表现出10.93 A mg_Pt^-1的高质量活性。最重要的是，Fe-PtNiPO纳米反应器只需要193 mV的超低过电位即可实现1000 mA cm^-2的高电流密度，并在300 h内具有出色的稳定性，这代表了碱性HER的最佳电催化剂之一，可用于大型未来规模化工业应用。

Positively Charged Pt-Based Nanoreactor for Efficient and Stable Hydrogen Evolution. Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202203199.

https://doi.org/10.1002/advs.202203199.

7. Sci. Adv.：PSS/Ru/Al₂O₃/Pt/HCa₂Nb₃O₁₀实现高效太阳能驱动整体水分解

虽然染料敏化金属氧化物（dye-sensitized metal oxides）是作为太阳能驱动Z-型水分解的析氢光催化剂的良好候选者，但由于不受控制的电荷重组反应，它们的太阳能转化为氢气（solar-to-hydrogen, STH）能量转换效率仍然很低。基于此，日本东京工业大学Kazuhiko Maeda和美国宾夕法尼亚大学Thomas E. Mallouk（共同通讯作者）等人报道了一种用无定形三氧化二铝（Al₂O₃）和聚（苯乙烯磺酸盐）（PSS）对Ru染料敏化的Pt插层HCa₂Nb₃O₁₀纳米片（Ru/Pt/HCa₂Nb₃O₁₀）的改性，显著提高了整体水分解的STH效率。

在文中，作者利用Al₂O₃和PSS进一步改性Ru染料敏化铌酸盐纳米片，与PtO_x/H-Cs-WO₃OER光催化剂和I₃^–/I^–氧化还原穿梭结合，即使在模拟阳光的弱强度下，也可以用作高效的HER光催化剂。实验表明，在Ru染料敏化纳米片上发生了非常有效的反电子转移反应，从而导致整体水分解的STH能量转换效率较低。

对比使用未改性的Ru/Pt/HCa₂Nb₃O₁₀的类似系统，一个因素约100，当PSS/Ru/Al₂O₃/Pt/HCa₂Nb₃O₁₀纳米片与基于WO₃的析氧（OER）光催化剂和I₃^–/I^–氧化还原介质结合使用时，其整体水分解效率提高了约100倍。此外，PSS/Ru/Al₂O₃/Pt/HCa₂Nb₃O₁₀光催化剂在420 nm处获得了0.12%的最大STH和4.1%的表观量子产率（AQY），是目前已报道染料敏化水分解系统中最高值，可与传统的基于半导体的悬浮颗粒光催化剂系统媲美。

Surface-modified, dye-sensitized niobate nanosheets enabling an efficient solar-driven Z-scheme for overall water splitting. Sci. Adv., 2022, DOI: 10.1126/sciadv.adc9115.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9115.

8. Nano Research：B/N-MOF-S纳米催化剂用于高效联氨辅助制氢

制备出负载型高密度金属纳米颗粒（NPs），对于提高其多相催化性能具有重要意义。其中，金属有机骨架（MOFs）的热转化已被证明是合成高金属负载量的负载金属NPs的一种有前途的方法，但实现金属均匀分散是一个挑战。基于此，华南理工大学李映伟教授和陈立宇教授（共同通讯作者）等人报道了一种“空间隔离和掺杂锚定”的策略，通过将块状MOF转化为含双杂原子的花状MOF薄片（B/N-MOF-S），以抵抗MOF热解过程中的金属聚集。

该方法可以在空间上隔离金属离子，增加锚定位点数量，从而有效地构建物理和/或化学屏障，协同防止金属NPs在高温转化过程中聚集。在1000 °C热分解后，B/N-MOFs共掺杂碳负载Co NPs（Co/BNC）具有均匀的分散性和37.3 wt.%的高Co负载，而未掺杂的MOFs产得尺寸更大、分布不均匀的Co NPs。

实验测试发现，所得Co/BNC在析氢反应（HER）和肼氧化反应（HzOR）中均表现出良好的电催化活性。此外，采用Co/BNC作为正极和负极材料的双电极整体肼裂解电解液仅需0.617 V的电压即可实现100 mA·cm^-2的高电流密度。实验结果和理论计算表明，具有大量暴露活性位点的小Co NPs的良好分散性和具有高本征活性的Co中心的缺电子状态有助于Co/BNC实现优异HER和HzOR性能。

Resisting metal aggregation in pyrolysis of MOFs towards highdensity metal nanocatalysts for efficient hydrazine assisted hydrogen production. Nano Research, 2022, DOI: 10.1007/s12274-022-4777-5.

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4777-5.

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