​被引3W+，H因子96，Science Bulletin副主编！张铁锐团队2022年度成果精选！

张铁锐，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师。中国科学院光化学转换与功能材料重点实验室主任。主要从事能量转换纳米催化材料方面的研究，在Nat. Catal., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., JACS等期刊上发表SCI论文300余篇，被引用30000多次，H指数96，入选2018-2021科睿唯安“全球高被引科学家”榜单；授权国家发明专利39项，在国际会议上做特邀报告40余次。2017年当选英国皇家化学会会士。曾获国家基金委“杰青”、英国皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金等资助、以及Nano Research Young Innovators Award in Nano Energy 2019和中国感光学会青年科技奖等奖项。

兼任Science Bulletin副主编以及Advanced Energy Materials, Advanced Science, Solar RRL, Scientific Reports, Materials Chemistry Frontiers, Chem Phys Chem, Carbon Energy, Innovation, Smart Mat等期刊编委。现任中国材料研究学会青年工作委员会常委，中国化学会能源化学专业委员会秘书长，中国感光学会光催化专业委员会副主任委员等学术职务。（发表文章数据来源于课题组网页）

课题组主页：http://zhanglab.ipc.ac.cn/.

2022年，张铁锐研究员团队在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶级期刊连续发表多篇高水平文章。下面小编为大家逐一解读部分最新成果。

Adv. Mater.：Ni SACs/Ti₃C₂T_x作为肼氧化反应的高性能电催化剂

单原子催化剂（SACs）由于其突出的催化潜力，是目前多相催化领域新兴的高性能材料，其在单个原子与其支持矩阵之间构建强相互作用起着关键作用。基于此，瑞典斯德哥尔摩大学袁家寅教授和中科院理化技术研究所张铁锐研究员（共同通讯作者）等人报道了一种Ti₃C₂T_x MXene负载的Ni SACs，该SACs通过Ti₃C₂T_x MXene表面富Ti空位的辅助使用自还原策略，这些空位充当单个Ni原子的陷阱和锚定位点。

在文中，作者报道了在环境条件下通过“自还原”策略构建Ni单原子催化剂，将富含空位的Ti₃C₂T_x MXene同时作为载体和还原剂，其中Ti空位作为结构缺陷捕获和锚定Ni原子。同步辐射X射线吸收光谱（XAS）分析证实，Ni原子占据了Ti空位，并与三个相邻的C原子形成了强大的Ni-C键，从而在Ti₃C₂T_x MXene纳米片中形成了稳定的锚定结构。

当用于催化HzOR时，最优Ni单原子催化剂负载在Ti₃C₂T_x MXene上（Ni SACs/Ti₃C₂T_x），在24000 s的稳定性测试中表现出-0.03 V的超低起始电位和可忽略不计的活性损失，是HzOR的顶级单原子电催化剂之一。这种性能明显优于由Ti₃C₂T_x MXene支撑的Ni纳米颗粒（Ni NPs/Ti₃C₂T_x）。密度泛函理论（DFT）计算，由于Ni单原子与周围C原子之间的强耦合，改善了肼的吸附，降低了反应能垒，从而重新分布态电子密度，揭示了HzOR活性增强的起源。

Vacancy-Rich MXene-Immobilized Ni Single Atoms as a High-Performance Electrocatalyst for the Hydrazine Oxidation Reaction. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202204388.

https://doi.org/10.1002/adma.202204388.

Adv. Mater.：Fe-N-C催化剂在碱性介质中实现显著的ORR性能

Fe-N-C催化剂在碱性介质中具有优异的氧还原反应（ORR）性能，但为提高Fe-N-C催化剂中Fe单原子位点的固有ORR活性，必须微调Fe位点的局部配位以优化ORR中间体的结合能。基于此，新西兰奥克兰大学Geoffrey I.N. Waterhouse和中科院理化技术研究所张铁锐研究员（共同通讯作者）等人报道了负载在N掺杂碳纳米棒（NCR）上的多孔FeN4-O-NCR电催化剂，其富含可催化接近的FeN₄-O位点（其中Fe单原子与四个面内氮原子和一个次表面轴向氧原子配位）。

作者首先制备了O, N-共掺杂的碳棒（O-NCR），然后使用微波辅助热解方法用表面Fe-N₄位点进行功能化，形成了稳定的FeN₄-O-NCR异质结构。所获得FeN₄-O-NCR的催化剂具有分级多孔结构、高比表面积（1159 m² g⁻¹）和大量FeN₄-O活性位点，以优化氧吸附和活化。所获得的FeN₄-O-NCR催化剂在碱性介质中表现出显著的ORR活性和稳定性（E_onset，1.050 V；E_1/2，0.942 V；J_k 39.56 mA cm^-2，0.9 V），是SAC的最先进性能。

此外，使用FeN₄-O-NCR作为正极催化剂构建的一次Zn-空气电池提供了非常高的密度（214.2 mW cm⁻²），极大超过了使用商用Pt/C催化剂（104.2 mW cm^–2）或其他最近报道的单原子催化剂构建的电池的性能。通过理论密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了FeN₄-O-NC的优点，其中发现Fe阳离子的d-轨道电子结构的精确剪裁可以降低ORR的热力学势垒。结果证实，轴向配体调节是微调金属单原子位点以获得最佳电催化活性的有效策略。

Mesopore-Rich Fe-N-C Catalyst with FeN₄-O-NC Single-Atom Sites Delivers Remarkable Oxygen Reduction Reaction Performance in Alkaline Media. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202202544.

https://doi.org/10.1002/adma.202202544.

Angew. Chem. Int. Ed.：Ag-TiO₂在气-水边界上的三相光催化CO₂还原

光催化CO₂还原反应（CO₂RR）是一种将CO₂转化为有价值化学品的方法，但其往往受到CO₂在液相中传质差的限制。基于此，中科院理化技术研究所张铁锐研究员和司锐研究员（共同通讯作者）等人报道了一种三相光催化CO₂RR体系，将Ag修饰的TiO2纳米颗粒（Ag-TiO₂ NPs）负载在具有疏水-亲水突然界面润湿性的气-水边界。

在文中，作者选择Ag修饰的TiO₂纳米颗粒（Ag-TiO₂ NPs）作为模型光催化剂，在气-水边界处以气体扩散层（GDL）为载体，形成三相光催化CO₂RR体系。实验测试发现，三相CO₂还原率为305.7 μmol g^-1 h^-1，碳产物选择性为97.8%，且HER副反应被很好的抑制。

在气-水边界负载的Ag-TiO₂ NPs的光催化活性比分散在水相的Ag-TiO₂ NPs高8倍，在纯水中循环20次以上（照射40 h）均表现出良好的光稳定性，且无明显下降。进一步的研究表明，CO₂在三相体系中的传质不再是决定速率的步骤。即使以稀释后的CO₂（10%）为气源，该体系的CO₂还原率仍为81.1 μmol g^-1 h^-1，碳产物选择性为90.8%，优于大多数纯CO₂的Ag-TiO₂基CO2RR体系。该研究结果提供了促进CO₂界面传质以提高光活性和选择性的一般策略。

Triphase Photocatalytic CO₂ Reduction over Silver-Decorated Titanium Oxide at a Gas-Water Boundary. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202200802.

https://doi.org/10.1002/anie.202200802.

Angew. Chem. Int. Ed.：fct-PtFeIr/C助力ORR

开发高效稳定的铂（Pt）基氧还原反应（ORR）催化剂是一种促进燃料电池大规模应用的途径。Pt基合金纳米线是一种很有前途的ORR催化剂，但其应用受到长期循环过程中结构破坏导致的活性损失的阻碍。基于此，中科院理化技术研究所张铁锐研究员和尚露副研究员（共同通讯作者）等人报道了他们首次成功制备了直径为2.6 nm的fct-相PtFeIr纳米线，以商业碳为载体（记为fct-PtFeIr/C）。

在PtFe纳米线中加入高熔点金属Ir和涂层SiO₂保护壳对提高纳米线的热稳定性起着重要作用，从而在高温处理（690 ℃）时实现了PtFeIr纳米线的相变，同时很好保持了纳米线的初始形态。更重要的是，电化学测试表明，fct-PtFeIr/C在0.9 V vs RHE时的质量活度（MA）为2.03 A  mg_Pt⁻¹，分别比具有面心立方结构的无序PtFeIr（fcc-PtFeIr/C）纳米线（1.11 A mg_Pt⁻¹）和商业Pt/C（0.21 A mg_Pt⁻¹）高1.8倍和9.7倍。

此外，在经过10000个电位循环的加速耐久试验（ADTs）后，fct-PtFeIr/C中fct-相PtFeIr的原始纳米线结构仍被保留，但fcc-PtFeIr/C中的fcc相PtFeIr纳米线断裂成更短的纳米线，甚至是更大尺寸的纳米颗粒。该工作中成功地制备fct相PtFeIr纳米线将为fct相Pt基合金纳米线在ORR中的应用开辟道路，同时fct相Pt基合金纳米线在液体燃料电氧化、氢氧化反应等其他重要反应中具有很大的应用前景。

Ordered PtFeIr Intermetallic Nanowires Prepared through a Silica-Protection Strategy for the Oxygen Reduction Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202113278.

https://doi.org/10.1002/anie.202113278.

Adv. Energy Mater.：Pd/H-TiO₂实现光热辅助光催化氮氧化制硝酸

工业硝酸生产涉及在高温高压下操作的多步骤过程，其中光催化提供了一种在环境条件下直接将氮气（N₂）转化为含氮化合物的替代方法，但仍然面临可见光利用和产物选择性的限制。基于此，中科院理化技术研究所张铁锐研究员和司锐研究员（共同通讯作者）等人报道了以钯（Pd）修饰的氢化氧化钛（H-TiO₂）为基础，制备了串联光热辅助光催化氮氧化体系，其中唯一的固氮产物为硝酸（HNO₃）。

在文中，作者制备了一种Pd纳米颗粒修饰的H-TiO₂（Pd/H-TiO₂）串联光热辅助光催化氮氧化体系。由于氮光氧化过程与水源之间的空间分离，得到了HNO₃作为唯一在液相中不产生氨副产物的氮固定产物。该体系在模拟空气作为气源的UV-vis照射下，HNO₃的产率为4.58 μmol g⁻¹ h⁻¹（1.42 ppm）。

此外，Pd/H-TiO₂在350 nm处的量子产率达到0.99%，而在相同的反应温度下，在黑暗中未检测到任何产物。随时间和温度变化的电子顺磁共振（EPR）测试表明，超氧自由基是反应的关键中间体，其含量随着温度的升高而逐渐增加，从而提高了光催化氮氧化反应的效率。该工作为高选择性的光驱动合成HNO₃提供了一种新方法，有望引发更多关于光热辅助光催化系统的研究，该系统可将惰性N₂选择性转化为增值化学品。

Photothermal-Assisted Photocatalytic Nitrogen Oxidation to Nitric Acid on Palladium-Decorated Titanium Oxide. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202103740.

https://doi.org/10.1002/aenm.202103740.

Adv. Energy Mater.：Fe SAC-MOF-5用于PEMFCs高效ORR

在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中，开发具有丰富、可接近的Fe位点的Fe单原子催化剂（Fe SACs）是提高氧还原反应（ORR）效率的关键步骤。基于此，中科院理化技术研究所张铁锐研究员和尚露副研究员（共同通讯作者）等人报道了以具有三维（3D）微孔立方结构的Zn₄O(1, 4-苯二甲酸盐)₃（MOF-5）被用作前体，制备了具有超高比表面积（2751 m² g^-1）和高外表面积（1651 m² g^-1）的高多孔碳（表示为C-MOF-5）。

由于其优异的分层孔隙率，C-MOF-5具有超高比表面积，以容纳大量FeN_x位点，导致2.35 wt%的高Fe含量，均匀地分散在碳载体中。丰富的介孔（>2 nm）有助于C-MOF-5的高外表面积，并有利于有效的传质，使FeN_x活性位点完全暴露于ORR相关物种。测试结果表明，Fe SAC-MOF-5在0.5 M H₂SO₄电解质中提供了0.83 V vs. RHE的半波电位（E_1/2）。

在0.2 MPa H₂-O₂ PEMFC中，Fe SAC-MOF-5实现0.84 W cm^-2的峰值功率密度。这种优异的性能源于C-MOF-5的超高比表面积，用于形成高密度的单Fe原子，以及用于增加活性位点暴露的高外表面积。该工作可能会启发从更大范围的具有超高比面积的MOF前体衍生的金属单原子催化剂的合理设计，以提高PEMFCs中ORR的性能。

Fe Single-Atom Catalysts on MOF-5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202102688.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102688.

Adv. Funct. Mater.：高约1100倍！NiFeAl-LDH纳米片助力光热协同DRM

甲烷与CO₂的干重整（DRM）生产合成气，目前正因将温室气体转化为有价值的化学品而引起人们的关注。然而，在热催化中苛刻的反应条件阻碍了实际应用。基于此，中科院理化技术研究所张铁锐研究员和司锐研究员（共同通讯作者）等人报道了由NiFeAl层状双氢氧化物（NiFeAl-LDH）前体合成了一系列氧化铝（Al₂O₃）负载的Ni_xFe_y纳米合金，所获得的催化剂用于光热协同DRM。

在文中，作者通过NiFeAl-LDH纳米片的H₂还原制备了一系列由具有不同Ni: Fe摩尔比的非晶态Al₂O₃负载的新型NiFe纳米合金催化剂（Ni_xFe_y，其中x和y是Ni和Fe的摩尔量）。在氙灯照射下，Al₂O₃负载的Ni₃Fe₁纳米合金催化剂在350 °C光热条件下光驱动DRM合成气产率高达0.96 mol g^-1 h^-1，比相同催化剂在黑暗中相同温度下的合成气产率高约1100倍。

此外，使用集中的太阳光作为光源可以获得类似的催化性能。通过电磁场模拟和原位红外光谱，Ni₃Fe₁纳米合金催化剂的优异活性是由光热加热和可见光和紫外区域LSPR增强的协同效应产生的。协同效应降低了甲烷的表观活化能，并促进了甲烷与CO₂的转化，从而允许在低温（低至100 °C）下生产合成气，并在20 h试验中具有优异的操作稳定性。

NiFe Nanoalloys Derived from Layered Double Hydroxides for Photothermal Synergistic Reforming of CH₄ with CO₂. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202204056.

https://doi.org/10.1002/adfm.202204056.

Nano Energy：Co-BCN催化剂用于增强光热CO加氢

太阳能驱动费-托合成（FTS）是一种很有前途的生产增值碳氢化合物太阳能燃料的途径。基于此，中科院理化技术研究所张铁锐研究员和李振华博士、华中师范大学欧阳述昕教授（共同通讯作者）等人报道了一种在CN载体中B掺杂以调节Co-BCN催化剂界面电子结构的方法，以提高光热FTS中烃产物的产率。

在文中，作者利用浸渍法制备了B掺杂CN负载金属Co催化剂，通过不同掺杂水平进行调节Co与碳载体之间的电子转移。Co-BCN在光照下的CO转化率为44.0%（分别是Co-CN和Co-C催化剂的4.3倍和10.2倍），碳氢化合物选择性为96.9%。

详细的表征表明，随着掺杂量的增加，金属Co与碳载体之间的电子转移增强。进一步的化学吸附实验和原位漫反射红外光谱证实，Co-BCN中富电子界面的形成可在H*的帮助下促进Co活化，从而提高CO的转化率。该研究表明通过调节碳载体中的掺杂水平，可以调节金属Co与碳载体之间的电子转移，并为高效催化剂的合理设计和制备提供了一种有前途的策略。

Boron-doped CN supported metallic Co catalysts with interfacial electron transfer for enhanced photothermal CO hydrogenation. Nano Energy, 2022, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107723.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107723.