6篇Nature/Science子刊、4篇AM、3篇EES、3篇AFM等，黄小青团队2022年成果精选！

导师简介

黄小青，厦门大学教授。2005年于西南师范大学（现西南大学）获理学学士学位。2011年于厦门大学获理学博士学位，导师为郑南峰教授、郑兰荪院士。2011-2014年在美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授、段镶锋教授课题组从事的博士后研究工作。2014年至今先后于苏州大学材料与化学化工学部、厦门大学化学化工学院担任特聘教授，博士生导师。

2020年获国家杰出青年科学基金资助，课题：贵金属纳米材料合成化学。目前兼职：《Science Bulletin》、《Rare Metal》和《Science China Materials》客座编辑或编委。研究兴趣：贵金属纳米材料的精准制备及其电、热、光催化应用研究。

课题组网址：https://xhuanggroup.xmu.edu.cn/

2022年，黄小青教授团队在Nature/Science子刊、EES、AM和AFM等国际顶级期刊连续发表多篇高水平文章，下面小编就部分成果为大家展示分享。

Energy Environ. Sci.：Mo-Ru NSAs实现高效HER/HOR

开发用于析氢/氧化反应（HER/HOR）的高性能双功能电催化剂对高效率利用氢能具有重要意义。基于此，厦门大学黄小青教授、张桥保教授和韩佳甲助理教授等人报道了一类独特的钼（Mo）修饰钌（Ru）纳米片组件（Mo-Ru NSAs），用于碱性电解质中的高性能HER和HOR，其中Mo具有金属Mo原子和MoO₃的独特构型。

实验测试发现，在1 M KOH中，16 mV的低过电位即可为HER提供10 mA cm^-2的电流密度。同时，Mo-Ru NSAs可以在10 mA cm^-2下保持长达250 h的稳定性。此外，Mo-Ru NSAs的HOR催化活性也显著增强，在0.1 M KOH中的质量活性为2.45 A mg_Ru^-1，分别是Ru/C和Pt/C的38.9和6.4倍。同时，Mo-Ru NSAs的HOR稳定性也比Ru/C和Pt/C的更持久。

密度泛函理论（DFT）计算表明，MoO₃附近的H*和OH*在Mo-Ru NSAs上的吸附强度减弱。更重要的是，MoRu位点可以使H₂O自发解离，促进H⁺和OH^–的生成。随着H*和OH*覆盖率的增加，H*和OH*倾向于向MoO₃移动，进一步优化了H*和OH*的吸附强度。MoRu位点和MoO₃的强耦合实现了更有利的反应路径，并促进了HER和HOR在能量上的有利进展。该工作为高性能Mo改性Ru纳米片催化剂的制备提供了基础，有助于制备更先进的Ru-基催化剂用于双功能氢催化和其他催化应用。

Surface and lattice engineered ruthenium superstructures towards high-performance bifunctional hydrogen catalysis. Energy Environ. Sci., 2022, DOI: 10.1039/D2EE02076A.

https://doi.org/10.1039/D2EE02076A.

Energy Environ. Sci.：多孔PtTeRh NRs助力PEMFC

在电催化剂中，设计高效的表面/界面对于燃料电池的商业化至关重要。基于此，厦门大学黄小青教授和香港理工大学黄勃龙教授等人报道了一类新型多孔铂碲铑纳米棒（PtTeRh NRs），其具有1D构件和3D开放表面/界面，作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）在自呼吸和运行燃料电池介质中的高效正极氧还原反应（ORR）电催化剂。优化后的多孔Pt₆₁Te₈Rh₃₁ NRs/C在0.90 V vs. RHE时显示出最高的ORR比活度和质量活度，分别为4.4 mA cm^-2和2.4 A mg^-1_Pt，比最先进的商业Pt/C分别高出17.7和14.1倍。

在腐蚀ORR条件下，多孔Pt₆₁Te₈Rh₃₁ NRs/C经过30000次加速耐久性试验（ADT）循环后，仍可保持92.5%的原始质量活度。同时，选择性引入具有自修复特性的Te和亲氧的Rh，有利于电子结构修饰并优化Pt-O结合强度，使得多孔Pt₆₁Te₈Rh₃₁ NRs/C显著的自呼吸膜电极组件（MEA）性能（功率密度的2.3倍）增强，在单一自呼吸H₂-空气燃料电池介质中以200 mA cm^-2恒定电流放电240 h后，电池电压损失仅为1.3%。更重要的是，具有多孔Pt₆₁Te₈Rh₃₁ NRs/C的MEA可以在H₂/空气和H₂/O₂介质中分别在150 kPa时实现743.4和1976.1 mW cm^-2的最高功率密度，远高于相同测试条件下具有商用Pt/C的MEA（555.4和1338.8 mW cm^-2）。

此外，在经过30000次加速应力测试（AST）循环后，在H₂/空气和H₂/O₂介质中，在150 kPa背压（BP）下，多孔Pt₆₁Te₈Rh₃₁ NRs/C MEA的峰值功率密度损失分别为13.2%和14.2%，而在相同情况下具有商用Pt/C的MEA的峰值功率密度损失分别为20.1%和25.7%。密度泛函理论（DFT）计算证实，多孔Pt₆₁Te₈Rh₃₁ NRs/C的高电活性源于Pt和Rh位点的补偿电子结构，保证了ORR过程的快速电子转移。

同时，通过有效的p-d耦合效应对Te-5p轨道的稳定保护有助于长期耐久性。XPS、XAS和DFT计算结果证明，即使在复杂的单燃料电池条件下，多孔Pt₆₁Te₈Rh₃₁ NRs/C可实现更高的燃料电池功率密度和优于商用Pt/C的寿命，也证明了一种用于实际燃料电池催化的高效Pt基正极纳米催化剂。

Three-dimensional porous platinum-tellurium-rhodium surface/interface achieve remarkable practical fuel cell catalysis. Energy Environ. Sci., 2022, DOI: 10.1039/D2EE01597H.

https://doi.org/10.1039/D2EE01597H.

Adv. Mater.：Pt₃FeCo NSs助力实际燃料电池

开发用于燃料电池催化的高性能催化剂，是燃料电池技术商业化的最关键和最具挑战性的步骤之一。基于此，厦门大学黄小青教授和卜令正副教授、华中科技大学李箐教授、香港理工大学黄勃龙教授等人报道了一种具有低配位特征的1D三金属铂-铁-钴纳米锯（Pt₃FeCo NSs）作为燃料电池催化的高效双功能电催化剂。

实验测试发现，即使在30000次电压循环后。Pt₃FeCo NSs（10.62 mA cm^-2和4.66 A mg^-1_Pt，0.90 V）的氧还原反应（ORR）活性比商业Pt/C高25倍以上。密度泛函理论（DFT）计算表明，强烈的d-轨道间电子转移使ORR势垒最小化，在稳健价态下具有更高的选择性。作者还发现了具有低配位Pt的本征结构与相应电子活动之间的火山相关性，从而保证了较高的ORR活性。

此外，在膜电极组件（MEA）中的Pt₃FeCo NSs还实现了非常高的峰值功率密度（1800.6 mW cm^-2）和具有竞争性的比/质量活性（在0.90 V_iR-free电池电压下分别为1.79 mA cm^-2和0.79 A mg^-1_Pt），以及在特定的H₂-O₂介质中用于质子交换膜燃料电池（PEMFCs）时具有长时间寿命，是目前已报道的MEA顶级电催化剂。该工作代表了一类多金属Pt基纳米催化剂的实际燃料电池和超越。

Low-Coordination Trimetallic PtFeCo Nanosaws for Practical Fuel Cells. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202208672.

https://doi.org/10.1002/adma.202208672.

Adv. Mater.：a-PdSe₂ NPs高活性、选择性和稳定的电合成H₂O₂

开发高活性、高选择性、高稳定性的高性能催化剂是过氧化氢（H₂O₂）电合成技术实际应用的关键，但是仍具有巨大的挑战性。据报道，非晶态PdSe₂纳米颗粒（a-PdSe₂ NPs）中Pd位点的低配位结构可以显著促进H₂O₂的电催化合成。基于此，厦门大学黄小青教授、华中科技大学杨利明研究员和广东工业大学徐勇教授等人报道了一种非晶态PdSe₂纳米颗粒（a-PdSe₂ NPs）可以作为电化学合成H₂O₂的高选择性和全pH值催化剂。

通过详细的研究和密度泛函理论（DFT）计算表明，a-PdSe₂ NPs中Pd原子的无序排列可以促进活性，而低配位环境下的Pd位点可以优化对含氧中间体的吸附，抑制O-O键的裂解，进而显著提高H₂O₂选择性和产率。其中，a-PdSe₂ NPs/C在不同pH值的电解质中表现出超过90%的H₂O₂选择性。

在H-电池电解槽中，0.1 M KOH、0.1 M HClO₄和0.1 M Na₂SO₄中的H₂O₂产率分别约为3245.7、1725.5和2242.1 mmol g_Pd^-1 h^-1，是一种全pH值的H₂O₂电化学合成催化剂。此外，在0.1 M Na₂SO₄中富集2 h后，在三相流池反应器中生成的H₂O₂可达1081.8 ppm，显示了a-PdSe₂ NPs/C在实际电合成H₂O₂方面的巨大潜力。该工作系统地揭示了H₂O₂电合成中活性位点的分离与非晶态之间的协同作用，可能会进一步促进多相催化及其他领域结构性能关系的基础研究。

Low-Coordinated Pd Site within Amorphous Palladium Selenide for Active, Selective, and Stable H₂O₂ Electrosynthesis. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202208101.

https://doi.org/10.1002/adma.202208101.

Chem：C-RuO₂-RuSe助力酸性水氧化

在能量转换技术中，析氧反应（OER）起着关键作用。其中，在碱性条件下已取得了重大进展，但在酸性条件下开发稳定的OER电催化剂仍是一个挑战。基于此，厦门大学黄小青教授和苏州大学邵琪助理研究员等人报道了一种通过引入间质碳（C-RuO₂-RuSe）来同时提高RuO₂稳定性和活性的新策略。通过Se的蒸发和C的燃烧制备了C-RuO₂-RuSe催化剂，其中将C-负载的RuSe₂中空纳米球（RuSe₂ HNSs）在300 ℃空气气氛下加热5和10 h，分别生成C-RuO₂-RuSe-5和C-RuO₂-RuSe-10。

实验测试发现，优化后的C-RuO₂-RuSe-5具有增强的OER活性，显著高于商用RuO₂。更重要的是，C-RuO₂-RuSe-10表现出更高的稳定性，在0.5 M H₂SO₄中，当电流密度分别为10、20、50 mA cm^-2时，其可以耐受长达50 h，是已报道的最稳定的酸性OER电催化剂之一。

X射线吸收光谱（XAS）表明，间隙C可以拉长Ru-O键，从而显著提高了稳定性。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，间隙C活化Ru位点可以提高OER性能。因此，实验和理论结果都证明，通过引入间质C可以稳定RuO₂，从而可作为一种强酸性OER电催化剂。该工作为设计和制备高效的Ru-基电催化水分解催化剂提供了新视角。

Exceptionally active and stable RuO₂ with interstitial carbon for water oxidation in acid. Chem, 2022, DOI: 10.1016/j.chempr.2022.02.003.

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.02.003.

Nat. Synthesis：阳离子交换反应合成贵金属硫族化合物

贵金属硫族化合物（NMCs）是一类具有独特性能和广泛应用的重要材料，但是以良好的控制方式合成这些材料仍然具有挑战性。阳离子交换（CE）反应是一种多功能的拓扑策略，可以合成一系列材料，但其用于制备NMCs的用途尚未得到详细研究，阻碍了这些材料的应用。基于此，厦门大学黄小青教授和广东工业大学徐勇教授等人报道了一种通过CE反应制备各种NMCs的稳定和通用策略，其中CuTe金属硫族化合物被用作具有贵金属阳离子的CE的牺牲模板。

通过Cu阳离子和贵金属阳离子（Pd²⁺、Pt²⁺、Rh³⁺、Ru³⁺、Ag⁺和Au³⁺等）之间的CE反应，合成具有定制的形态、成分和相的NMCs，验证了CE策略的普遍性。作者以二维（2D）CuTe纳米片（NSs）为前驱体，制备了多种2D Pd/Pt/Rh/Ru/Ag/Au-基碲化物。

通过深入的机理研究表明，NMCs的定制化合成是通过动力学控制和溶剂依赖的热力学控制来实现的。此外，这种CE策略也能以类似的方式扩展到以贵金属为基础的硒化物和硫化物的可控制备，因此这是定制设计及合成NMCs的稳定策略。

Synthesis of noble metal chalcogenides via cation exchange reactions. Nat. Synthesis, 2022, DOI: 10.1038/s44160-022-00117-1.

https://doi.org/10.1038/s44160-022-00117-1.

Nat. Commun.：选择性超95%！Pd_L/PdSn-NW助力直接合成H₂O₂

过氧化氢（H₂O₂）在工业和生活中有着广泛的应用，但是由于H₂O₂产率低，开发高效的H₂O₂直接合成（direct hydrogen peroxide synthesis, DHS）多相催化剂仍是一个巨大的挑战。基于此，厦门大学熊海峰教授和黄小青教授、福州大学林森教授等人报道了一种两步制备PdSn纳米线催化剂的策略，该策略包括在PdSn纳米线上负载分层Pd氧化物（Pd_L/PdSn-NW），并且其在直接生成H₂O₂方面表现出高效的反应性。

作者首先采用溶剂热法合成了表面粗糙的Pd₄Sn纳米线（PdSn-NW，Sn: Pd摩尔比为4），然后将金属Pd前驱体沉积在Pd₄Sn纳米线上，并分散在TiO₂载体上。在空气中快速退火后，得到了直接合成H₂O₂的高效Pd_L/PdSn-NW催化剂。未负载的Pd_L/PdSn-NW呈现蠕虫状纳米线形态，部分纳米线相互连接形成相互连接的结构。结构的外表面含有Pd和Sn的氧化物，因为这两种金属在空气中退火后都被氧化。

实验测试发现，Pd_L/PdSn-NW在零摄氏度的DHS中表现出优异的反应活性，H₂O₂产率为528 mol kg_cat^-1·h^-1，H₂O₂选择性超过95%。PdSn纳米线上的一层Pd氧化物产生双配位Pd，导致Pd_L/PdSn-NW对O₂、H₂和H₂O₂的吸附行为不同。此外，由于Pd_L/PdSn-NW对H₂O₂的吸附能力较弱，使得H₂O₂的活化能较低，产率较高。这种在金属纳米线上沉积金属层的表面工程方法，为合理设计高效的DHS催化剂提供了新思路。

Layered Pd oxide on PdSn nanowires for boosting direct H₂O₂ synthesis. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-33757-0.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33757-0.

Adv. Funct. Mater.：Zn-PtNi/C助力PEMFC

铂（Pt）基膜电极组件（MEA）催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）条件下的高性能是实际应用的前提。理论计算表明，Zn插层Pt合金的晶格膨胀可以减弱氧中间体的吸附，产生强电子相互作用促进MEA催化。基于此，厦门大学黄小青教授和卜令正副教授等人报道了一种在Zn的辅助下合成的新型碳（C）负载超细Pt合金。密度泛函理论（DFT）计算表明，引入Zn可以减小Pt合金的粒径，同时嵌入到Pt合金中，导致Pt的晶格膨胀，增强了Pt的金属态，降低了d能带中心。

作者以晶格膨胀结构所具有的内在高电活性理论研究为指导，通过大规模湿化学方法成功合成了一类具有最佳氧中间体吸附能的Zn插层亚2.4 nm Pt基催化剂（即Zn-Pt/C、Zn-PtNi/C、Zn-PtCo/C）。更重要的是，对比相应的Pt基催化剂和商业Pt/C（C-Pt/C），所有Zn诱导Pt基催化剂都表现出了更好的MEA性能。

实验测试发现，Zn-PtNi/C在H₂/空气燃料电池条件下表现出最高的活性，峰值功率密度为937.6 mW cm^-2。经过10000次加速应力测试（AST）后，在H₂/空气介质中，Zn-PtNi/C的MEA的峰值功率密度损失为17.3%，对比其他同类产品仍然保持最高的峰值功率密度（774.7 mW cm^-2）。该工作旨在通过Zn插层诱导的晶格膨胀策略实现亚纳米级Pt-基ORR催化剂的显著MEA性能。

Zinc Intercalated Lattice Expansion of Ultrafine Platinum-Nickel Oxygen Reduction Catalyst for PEMFC. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202212442.

https://doi.org/10.1002/adfm.202212442.

Adv. Funct. Mater.：di-RuNi MLNS实现高效HOR

由于钌（Ru）的价格较低，且与Pt的氢结合能（HBE）相近，因此Ru被认为是Pt催化氢氧化反应（HOR）的一种有前景的替代品。然而，Ru催化HOR的性能远不能满足实际应用的需求。基于此，厦门大学黄小青教授和广东工业大学徐勇教授等人报道了在Ru基多层纳米片（MLNS）S中加入Ni（di-RuNi MLNS）可以显著提高HOR性能。特别是，HOR性能与Ni在Ru MLNS表面的位置（即表面工程）或晶格中的位置（即晶格工程）密切相关。

进一步的研究表明，Ru MLNS晶格中的Ni优化了HBE，而表面的Ni降低了水形成的自由能，从而提高了HOR性能。因此，最优的催化剂，即Ni同时位于表面和晶格中（di-RuNi MLNS），显示出优于商业Pt/C和Ru/C的碱性HOR性能。di-RuNi MLNS的质量活性和比活性分别是商用Pt/C的9.7倍和14.6倍。

此外，这种表面和晶格工程可以显著促进对CO中毒的耐受性，这是由于HOR的稳定性增强。本工作不仅系统地揭示了Ni改性Ru对碱性HOR的意义，而且促进了燃料电池反应催化剂设计等方面的基础研究。

Lattice and Surface Engineering of Ruthenium Nanostructures for Enhanced Hydrogen Oxidation Catalysis. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202210328.

https://doi.org/10.1002/adfm.202210328.

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6篇Nature/Science子刊、4篇AM、3篇EES、3篇AFM等，黄小青团队2022年成果精选！

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