8篇催化顶刊：张强、王定胜、孙建敏、苏陈良、段晓光、余芳等人最新成果

1. J. Am. Chem. Soc.：半固定化分子电催化剂助力高性能Li-S电池

锂-硫（Li-S）电池具有2600 Wh kg^-1的超高理论能量密度，是有前途的下一代储能装置。然而，具有复杂均相和非均相电化学过程的多相硫氧化还原反应动力学缓慢，因此需要有针对性的高效电催化剂。基于此，清华大学张强教授和北京理工大学李博权教授（共同通讯作者）等人报道了一种半固定化分子电催化剂，以适应锂-硫（Li-S）电池中硫氧化还原反应的特点。

具体而言，卟啉电催化活性位点通过共价接枝到聚吡咯连接体上而集成在石墨烯导电基底上。聚吡咯接枝点赋予卟啉活性位点具有异质和均质性电催化功能，分别源于其固有的导电性和柔韧性，即作为本工作中的半固定化策略。一方面，导电聚吡咯连接体将卟啉活性位点整合在导电通路中，用于非均相电催化。另一方面，聚吡咯连接体的柔性将卟啉活性位点的电催化功能从二维（2D）导电表面扩展到三维（3D）体电解质，以实现均相电催化。

最后，作者将半固定化策略的有效性在实际Li-S电池中得到了进一步验证，该电池实现了优异的倍率性能和较长的寿命，以及343 Wh kg^-1高能量密度的Li-S袋式电池。该研究结果不仅提出了一种设计有效的半固定化电催化剂策略，以提高Li-S电池的性能，而且还启发了面向类似多相电化学能量过程的电催化剂的发展。

Semi-Immobilized Molecular Electrocatalysts for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c09107.

https://doi.org/10.1021/jacs.1c09107.

2. Adv. Energy Mater.：掺入Ru调节金属间氧化铱的电子再分布助力高效氧化酸性水

在质子交换膜（PEM）电解槽中，开发高性能电催化剂来催化分解水以产生可持续的氢气仍然面临着挑战。然而，PEM电解槽中唯一适用于多质子耦合过程的析氧反应（OER）的IrO_x要求更高的标准，因为Ir位点上的氧键较弱，导致氧化和酸性条件下的高过电位和稳定性差。基于此，哈尔滨工业大学孙建敏教授和周欣副教授（共同通讯作者）等人报道了一种通过将金属钌（Ru）掺入金属间氧化铱（IrO_x）合成的金属间化合物Ru₁Ir₁O_x纳米催化剂。

通过利用Ru和Ir原子之间的电子特性，金属间化合物Ru₁Ir₁O_x催化剂在酸性电解质中，当电流密度为10 mA cm^-2_geo时表现出204 mV的低过电位（η），超过了IrO_x、RuO_x和其他具有不同摩尔比的Ru_mIr_nO_x纳米催化剂。同时，代表性的Ru₁Ir₁O_x在1.53 V vs RHE下显示出1224.6 A g-1_{noble metal}的高质量活性，分别比IrO_x和RuO_x高约29倍和11倍，证明了优化后对酸性OER的显着增强电子结构和价态。更重要的是，所制备的Ru₁Ir₁O_x能够在电流密度为100 mA cm^-2_geo下保持连续的OER电解至少110 h，且变化可忽略不计。

根据计算，Ru₁Ir₁O_x还显示出比IrO_x（7.92×10⁵）和RuO_x（1.99×10³）更高的稳定性数（1.13×10⁶），表明Ru₁Ir₁O_x的金属间纳米结构进一步增强了稳定性。正如密度泛函理论（DFT）计算研究表明，将Ru掺入IrO_x形成金属间化合物Ru₁Ir₁O_x有效地调整了Ir 5d态的电荷重新分布，从而增强了氧中间体的吸附，并将电位决定步骤（PDS）的能垒从1.02 ev（IrO_x）降低到0.65 eV（Ru₁Ir₁O_x）。由于电荷再分配，Ir价态的降低和Ru价态的增强显著地调节了Ir位的电子结构，从而显着增强酸性OER特性。该研究成果为开发高效、稳定的酸性OER催化剂以及在PEM电解槽中的应用提供了前景。

Regulating Electron Redistribution of Intermetallic Iridium Oxide by Incorporating Ru for Efficient Acidic Water Oxidation. Adv. Energy Mater., 2021, DOI: 10.1002/aenm.202102883.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102883.

3. ACS Energy Lett.：阳离子驱动增加双极膜电极组件中CO₂利用率

将膜电极组件（MEA）中电化学CO₂还原反应（ECO₂RR）速率的提高，有助于该技术的应用，但同时暴露了新的缺点。其中包括CO₂的最大利用率，由于竞争性均相反应，CO₂的利用率上限为50%（CO为目标产物）。具有双极膜的MEA（BPMEA）可以防止寄生CO₂损失，但其前景因CO₂活性和选择性差而受到影响。基于此，荷兰代尔夫特理工大学Thomas Burdyny（通讯作者）等人报道了一种通过提高催化剂表面的碱性阳离子（K⁺）浓度，使BPMEA系统的CO₂还原选择性提高了3倍，共法拉第效率（FE）达到68%。

在本文中，作者首先利用BPMs中传统上不需要的离子交叉来增加BPMEA配置中阴极处的阳离子浓度。从阳极液到阴极的阳离子的大浓度梯度使K⁺离子扩散到阴极表面，由于阳极液浓度增加，ECO₂RR选择性提高了3倍。然后，作者比较了BPMEA和采用阴离子交换膜（AEM）的MEA系统（AEMEA）中CO₂转化为CO和CO₂损失到电解质中的情况。结果表明，在高碱性环境中，BPMEA电池中的CO₂损失约为AEMEA电池中的5倍。随着法拉第效率的提高，BPMEA系统的CO₂利用效率将提高2倍。

在反向偏压下运行的BPM内，通过膜传输的电流是双向的，而不是单向或者CEM和AEM的情况，因为产生了H⁺和OH^–，以传输相当于系统电流密度的电荷。虽然理想的操作效果是H⁺/OH^–传输，但作者注意到离子交叉是BPM的一个重要特性，并且通常将其描述为一种不必要的效果，尤其是在低电流密度下。该工作提供了一种阳离子和BPM相结合的策略，用于克服CO₂电解槽中的CO₂利用问题。

Cation-Driven Increases of CO₂ Utilization in a Bipolar Membrane Electrode Assembly for CO₂ Electrolysis. ACS Energy Lett., 2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02058.

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02058.

4. Nano Lett.：RuCoO_x纳米泡沫作为高性能三功能电催化剂用于Zn-空气可再充电电池和水分解

为氧还原反应/析氧反应/析氢反应（ORR/OER/HER）设计高性能三功能电催化剂，使其在每种反应中都具有优异的活性和稳定性，对于可再生能源技术来说是非常重要的，但也是面临着挑战。基于此，清华大学张如范副教授（通讯作者）等人报道了一种独特的“一锅式”葡萄糖吹炼方法制备了高效耐用的三功能RuCoO_x电催化剂。

该策略在合理筛选靶向ORR/OER/HER位点、充分的电子结构调制和双相耦合效应诱导的协同功能等方面具有优势，以及长期的材料和结构稳定性。设计合理的RuCoO_x催化剂对ORR、OER和HER均表现出良好的三功能催化活性和稳定性，其在电流密度为10 mA cm²时仅表现出0.65 V的小电位差（ΔE）和37 mV的低HER过电位。

当RuCoO_x催化剂用于ORR/OER/HER，在进行200000/10000/10000次CV循环后，过电位的衰减基本可以忽略不计，所有这些都在先进的三功能电催化剂中显示出绝对的优势。当用于可再充电锌-空气电池和水电解槽时，RuCoO_x催化剂在相当大的电流密度下也表现出高效率和出色的耐久性。这种优异的性能可归因于基于双相耦合策略将目标ORR/OER/HER活性位点合理组合成一种电催化剂，从而诱导足够的电子结构调制和协同效应以增强三功能性质。

RuCoO_x Nanofoam as a High-Performance Trifunctional Electrocatalyst for Rechargeable Zinc-Air Batteries and Water Splitting. Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03407.

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5. Nano Lett.：空心多孔碳胶囊中的孤立单原子Ni-N₅催化位点用于高效Li-S电池

锂硫（Li-S）电池面临多种复杂且经常交织的问题，例如硫和Li₂S/Li₂S₂的低电子导电性、穿梭效应以及多硫化锂（LiPSs）的缓慢电化学动力学。基于此，清华大学王定胜教授、深圳大学苏陈良教授和山东大学翟冬（共同通讯作者）等人在理论计算的指导下，构建了一种具有最佳Ni-N₅活性部分的中空氮掺多孔碳（Ni-N₅/HNPC）的孤立单原子Ni的多功能催化剂，并作为硫阴极的理想主体。

研究发现，主体提高了导电性，增强了对LiPSs的物理-化学双重限制能力，更重要的是通过Ni-N₅活性部分促进了氧化还原反应动力学。因此，所制备的Ni-N5/HNPC可作为Li-S电池的理想硫阴极，并且Ni-N₅/HNPC/S阴极具有优异的倍率性能（在4 C倍率下的平均比容量为684 mAh g^-1）、长期循环稳定性（在500次循环后，每循环的容量衰减率为0.053%）。

此外，Li-S电池在高硫负载下的良好面积容量，在硫负载高达5.1 mg cm^-2的情况下，进行80次循环后的面积容量保持在4.0 mAh cm^-2左右，因为对Li-S电池增强的物理-化学双重限制能力，随着单原子Ni-N₅催化位点的引入，氧化还原反应动力学得到改善。该工作强调了活性位点配位数在单原子催化剂中的重要作用，并为设计高性能Li-S电池的单原子活性位点空心纳米结构提供了一种策略。

Isolated Single-Atom Ni-N₅ Catalytic Site in Hollow Porous Carbon Capsules for Efficient Lithium-Sulfur Batteries. Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03499.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03499.

6. Appl. Catal. B: Environ.：V₂O₅纳米点修饰的层状C₃N₄在太阳光下可持续光降解阿莫西林

创新的太阳能驱动异质结构光催化剂有望去除水环境中有害的抗生素残留。基于此，澳大利亚阿德莱德大学段晓光教授和江苏科技大学朱成章讲师（共同通讯作者）等人报道了一种利用简便的方法制备了S-型五氧化二钒/石墨碳氮化物（V₂O₅/C₃N₄）异质结。

S-型V₂O₅/C₃N₄异质结构提供了更大的表面积，促进了载流子的分离和转移，并为光催化氧化还原反应提供了丰富的活性位点。该复合材料在太阳光下降解阿莫西林（AMX），获得了较高的去除效率（91.3%）和稳定性。同时，通过HPLC-MS/MS分析和密度泛函理论（DFT）计算揭示了AMX的光降解途径。

通过电子自旋共振实验和选择性自由基猝灭实验证实，C₃N₄导带产生超氧自由基，V₂O₅价带产生氧化空穴。S-型V₂O₅/C₃N₄ 异质结在界面处提供了一个内部电子通道，并保持了具有高电位的活性位点，用于光降解。该工作为可持续水净化提供了强大的S-型4 S-型纳米复合材料。

V₂O₅ nanodot-decorated laminar C₃N₄ for sustainable photodegradation of amoxicillin under solar light. Appl. Catal. B Environ., 2021, DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120903.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120903.

7. Small：利用多位点工程促进WS₂基异质结构的碱性HER/OER动力学

碱性水电解是一种利用间歇性能源产生的剩余电力可规模化生产氢气的先进技术，但是对于非贵金属电催化剂来说，如何有效地将水分解成氢气和氧气仍然面临挑战，特别是对于基于二硫化钨（WS₂）的催化剂。基于此，湖南师范大学余芳教授（通讯作者）等人报道了一种构建在介孔双金属氮化物（Ni₃FeN）纳米阵列上开发用于双功能水分解的基于WS₂的混合电催化剂的多位点工程策略。

通过密度泛函理论（DFT）计算计算表明，N掺杂的WS₂颗粒和Ni₃FeN载体之间的强界面相互作用导致了最佳的氢吸附自由能和界面处水离解的较低动力学势垒。作者受到理论预测的启发，通过在Ni₃FeN花状阵列上原位锚定小的N掺杂WS₂颗粒，开发了一系列用于碱性电解质中双功能水分解的多相电催化剂。

通过实验研究发现，N-WS₂/Ni₃FeN杂化材料在析氢反应（HER）方面表现出色，仅需要84和210 mV的极低过电位，就分别提供10和500 mA cm^-2的电流密度，并具有优异的耐久性，超过了大多数基于WS₂的电催化剂。同时，它还具有出色的析氧反应（OER）性能，在100和500 mA cm^-2下具有240和285 mV的小过电位，及优异的耐久性，大大超过基准IrO₂（281 mV）和许多其他报道的非贵金属OER催化剂。特别是，使用这种双功能催化剂作为阳极和阴极电极，可以实现在100 mA cm^-2下仅1.65 V的碱性电池进行整体水分解，这甚至优于最先进的IrO₂(⁺)//Pt(⁻)对和许多非贵金属双功能电催化剂。该工作为水电解用WS₂基非均相电催化剂的设计提供了一条有希望的途径。

Boosting Alkaline Hydrogen and Oxygen Evolution Kinetic Process of Tungsten Disulfide-Based Heterostructures by Multi-Site Engineering. Small, 2021, DOI: 10.1002/smll.202104624.

https://doi.org/10.1002/smll.202104624.

8. ACS Catal.：1, 2-二氯乙烷电化学脱氯制乙烯碳材料本征缺陷性质

碳材料被认为是电催化1, 2-二氯乙烷（DCE）脱氯反应（DCEDR）的潜在催化剂，该反应是控制DCE污染和生产高价值乙烯的经济和环境友好策略。然而，目前电化学DCEDR使用得碳基催化剂中本征缺陷（五边形、七边形、八角形、扶手椅形边缘和锯齿形边缘）的精确性质尚未报道。基于此，大连理工大学李新勇教授（通讯作者）等人报道了他们通过理论计算发现，五边形位点显示的最低势垒为0.12 eV，表明五边形缺陷的电化学反应活性和乙烯选择性比其他缺陷高出很多。

首次，作者通过理论计算以从根本上理解本征缺陷在DCEDR电催化性能中的作用。计算的能量分布和电荷密度差映射表明，不同的本征缺陷对电化学性能有很大的影响。其中，五边形缺陷对DCEDR合成乙烯的势垒最低，为0.12eV。

为了在实验上进一步证明本征缺陷对电化学DCEDR的影响，作者通过腐蚀和脱氮方法从富勒烯骨架（C₆₀）和石墨烯（G）制备了缺陷碳材料，如五边形-七边形-富碳（PHC）、边缘-富碳（EC）、五边形-八边形富碳（POC）和五边形-富碳（PC），分别地随后的DCEDR测量表明，固有的五边形缺陷可以显著改善电催化性能，与理论计算的预测结果一致。因此，缺陷碳材料中固有的五边形缺陷是电化学DCEDR合成乙烯的主要活性位点。该工作不仅澄清了电化学DCEDR用碳材料中固有缺陷的性质，而且为合理制备先进的碳电催化剂提供了设计原则。

Nature of Intrinsic Defects in Carbon Materials for Electrochemical Dechlorination of 1, 2-Dichloroethane to Ethylene. ACS Catal., 2021, DOI: 10.1021/acscatal.1c03701.

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03701.