他，被引10W+，H因子164，化学/材料双领域高被引科学家，2022年度成果精选！

乔世璋教授，澳大利亚阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电池、电催化、光催化等。作为通讯联系人，在Nat.、Nat. Energy、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶级期刊发表学术论文超过492篇，引用超过103200次，h指数为164（数据统计自谷歌20230107）。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志Journal of Materials Chemistry A副主编，EES Catalysis（RSC）主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）化学及材料科学两个领域的高被引科学家（近十年有126篇高被引论文）。

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2022年，乔世璋教授在JACS、AM和Angew.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乔世璋教授的最新成果。

J. Am. Chem. Soc.：将贵金属SACs整合到过渡金属氧化物晶格中

他，被引10W+，H因子164，化学/材料双领域高被引科学家，2022年度成果精选！

贵金属具有广阔的催化应用前景，但是适用的结构和原子堆叠方式较少且种类有限。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授和郑尧副教授、浙江工业大学朱艺涵教授（共同通讯作者）等人报道了一种通过将贵金属单原子集成到具有特定基础拓扑的金属氧化物主体的亚晶格中来丰富贵金属几何结构的通用策略。

首先，作者实现了Pt单原子拓扑结构的多样化，包括crs（方晶石）、fcu-hex-pcu（面心立方-六方-原始立方）、fcu和bcu-x（体心立方），这些都是由一系列过渡金属氧化物（TMOs、Co₃O₄、Mn₅O₈、NiO和Fe₂O₃）主体结构决定的。这种化学策略还允许形成选定的拓扑结构和柔性金属−钴尖晶石氧化物中各种贵金属单原子（即Pt、Pd和Ru）的金属配位。

其中，Pt_crs-Co₃O₄催化剂对析氢/氧化反应（HER/HOR）表现出优异的电催化活性和稳定性，这是氢经济中的两个关键和基础反应。在不同Pt拓扑结构的催化剂上，其本征催化活性与氢吸附能力之间可以建立火山状图。对比传统贵金属金属相和合金，这种化学策略构建了一个具有人工设计拓扑的贵金属库。

Integrating Interactive Noble Metal Single-Atom Catalysts into Transition Metal Oxide Lattices. J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c11374.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c11374.

Adv. Mater.：NiCu DACs催化剂金属间相互作用的阈值效应

双原子催化剂（DACs）成为一种新兴的平台，为CO₂还原反应（CRR）等多-电子/质子转移电催化反应提供了更灵活的活性位点。然而，引入不对称双原子位点导致结构复杂，导致对金属间相互作用和催化机理的理解不全面。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授（通讯作者）等人报道了以NiCu DACs为例，提出了一种更为合理的结构模型，并通过结合密度泛函理论计算（DFT）、像差校正透射电镜、基于同步加速器的X射线吸收精细结构和蒙特卡罗实验等，研究了金属间距离依赖的相互作用。

首先，作者利用各种SACs和DACs模型进行了理论预测，评估了金属间相互作用对电子结构、CRR活性和DACs选择性的影响，揭示了有效金属间相互作用的距离阈值。进一步的实验合成、原子表征和电催化测定证实了DACs的CRR活性和选择性优于SACs，特别是在起始电位和CO选择性方面。

通过对电子结构的分析，进一步阐明了非键金属间相互作用和协同效应。为使DACs的设计原理更有效、更实用，作者进行了随机计算模拟和数学分析，将金属间距离与材料固有特性（如金属载荷和基底厚度）联系起来。这些发现为通过调控金属间距离和协同效应来合理设计DACs的结构、活性来源和研究提供了一些新的定性见解。

Inter-Metal Interaction with a Threshold Effect in NiCu Dual-Atom Catalysts for CO₂ Electroreduction. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202209386.

https://doi.org/10.1002/adma.202209386.

Angew. Chem. Int. Ed.：探究Li-S电池贫电解质还原硫电催化中催化剂-溶剂相互作用

设计高效的催化剂对于锂电池中的贫电解质硫还原非常重要，但大多数报道的催化剂都集中于催化剂-多硫化物的相互作用，通常只有在过量电解质的情况下才表现出高活性。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授（通讯作者）等人报道了通过控制催化剂-溶剂相互作用促进贫电解质硫还原的一般规律。

在文中，作者选择了Co、Rh、Pt作为比较模型催化剂，因为这些金属是典型的3d、4d和5d催化剂，在SRR过程中化学稳定。研究发现，催化剂-溶剂相互作用的强度对贫电解质SRR活性、电解质消耗和电池稳定性起着决定性的作用。

通过同步加速器的X射线吸附精细结构，确认了催化剂与溶剂分子之间的金属-氧结合。密度泛函理论（DFT）计算表明，吸附溶剂对反键O 2p轨道电子态的占有越低，相互作用越强。对比Rh和Pt催化剂，Co催化剂的SRR活性只有在贫电解质条件下才明显提高，包括更大的动能电流、更小的Tafel斜率和更多的Li₂S沉积。因此，Li-S电池表现出稳定的循环，同时保持高贫电解质容量和低电解质消耗。

Steering Carbon Hybridization State in Carbon-Based Metal-free Catalysts for Selective and Durable CO₂ Electroreduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213863.

https://doi.org/10.1002/anie.202213863.

Angew. Chem. Int. Ed.：Bi_xMOy(M=Mo, V, W)纳米片高效光催化CO₂还原

通过引入反应位点可以优化光催化性能，但实际上很难在特定的光催化剂表面上设计，因为对原子级结构活性的理解有限。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授和冉景润研究员（共同通讯作者）等人报道了一种简单的超声辅助化学还原，通过氧剥夺对双基光催化剂的特定方面进行调控。

在文中，作者对一系列纳米结构光催化剂（包括Bi₂MoO₆、BiVO₄和BiWO₄）上（010）面氧空位的活性表面进行了调控。改性后的Bi₂MoO₆纳米片对CO和CH₄的产率分别为61.5 μmol g⁻¹和12.4 μmol g⁻¹，是原始催化剂的约3倍，且稳定性/再现性约为20 h。

通过X射线光电子能谱（XPS）、同步加速器的X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱等先进表征来确定调节表面。其中，性能的提升源于改性表面，促进CO₂分子的化学吸附/激活，降低途径中的能量势垒和电荷分离。此外，作者研究了CO₂还原的途径和限速步骤，光催化剂的最上层表面受到冲击，而主体的晶体结构不受影响。研究表明，这增加了表面上的电子-空穴解离/转移和CO₂吸附/活化，减少了本体中电子-空穴复合。

Facet-specific Active Surface Regulation of Bi_xMO_y (M=Mo, V, W) Nanosheets for Boosted Photocatalytic CO₂ reduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202212355.

https://doi.org/10.1002/anie.202212355.

Angew. Chem. Int. Ed.：具有金属-金属相互作用的高密度Pt SACs的MOFs动态形成

单原子催化剂（SACs）在高效多相催化方面有着广阔的应用前景，但其实际应用需要开发具有灵活几何结构的高密度活性位点。然而，对宿主骨架中单原子动态形成过程的认识不足一直困扰着下一代SACs的可控合成。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授和郑尧副教授、中科院高能物理研究所董俊才副研究员（共同通讯作者）等人报道了利用钴（Co）-基金属有机-骨架（MOFs）作为起始底物，充分阐明了在衍生的Co₃O₄宿主中具有位点间相互作用的高密度Pt单原子的形成。

首先，作者揭示了高密度的Pt阳离子可以通过阳离子交换过程很容易地取代ZIF-67中的Co阳离子。该过程符合软硬酸碱（Hard-Soft Acid-Base, HSAB）原理，要求客体金属与MOF配体之间的键比宿主金属与MOF配体之间的键更强。此外，作者还证明了Pt-Pt第二层配位是在热解过程中第一层配位演化的结果。

在氧的作用下，Pt-N键被破坏，咪唑配体被清除，同时形成新的Pt-O键。对比宿主Co-配体，Pt-配体优先实现跃迁，这是Pt-O-Pt部分的形成和Pt-Pt单原子间相互作用的驱动力。这两种过程均可在钴氧化物晶格内形成高密度的Pt单原子（≈6 weight %，≈1.1 atom %）与Pt-Pt相互作用，催化活性显著增强。相比之下，两种标准的混合系统产生孤立的单个原子或分离的纳米颗粒。该工作为构建具有金属-金属相互作用的高密度SACs提供了基本的见解。

The Dynamic Formation from Metal-Organic Frameworks of High-Density Platinum Single-Atom Catalysts with Metal-Metal Interactions. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202201449.

https://doi.org/10.1002/aenm.202201449.

Adv. Energy Mater.：TiO₂/FePS₃ S-型异质结高效光催化HER

太阳能制氢（Solar-to-hydrogen, STH）被认为是将可再生太阳能转化为氢能的有吸引力的途径，其中由于贵金属助催化剂存在效率低、成本高的文体，导致实现STH需要高性能、高性价比的光催化剂。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授和冉景润研究员（共同通讯作者）等人报道了一种将TiO₂纳米颗粒（TiO₂ NPs）锚定的2D FePS₃纳米片（FPS NSs）上的光催化剂（TiO₂/FePS₃），形成具有强内电场的TiO₂/FePS₃ S-型异质结，并测试了其光催化HER性能。

对比单独使用TiO₂ NPs，TiO₂/FePS₃显著提高了光催化析出H₂的速率。其中，H₂析出速率为99.5 μmol h^-1 g^-1，比单独合成TiO₂ NPs的析出速率高出约1686%。通过瞬态光致发光/表面光电压谱、原位AFM-KPFM、原位X射线光电子能谱（XPS）和基于同步加速器的X射线吸收近边结构（XANES）等一系列前沿表征，研究了这种急剧增加速率的起源。

值得注意的是，作者进行了原位AFM-KPFM，以可视化光激发下制备的TiO₂/FePS₃的光生电荷迁移路径和表面电位变化。此外，原位XPS和密度泛函理论（DFT）计算揭示了TiO₂和FePS₃之间密切的电子相互作用。结果表明，TiO₂ NPs与新型2D FePS₃ NSs耦合可以形成基于n-p半导体体系的S-型异质结，不仅大大促进了电子-空穴分离/传输，而且将具有较高氧化还原能力的电子和空穴分别保留在FePS₃导带和TiO₂价带上，因此TiO₂/FePS₃ S-型异质结的光催化HER速率显著提高。

TiO₂/FePS₃ S-Scheme Heterojunction for Greatly Raised Photocatalytic Hydrogen Evolution. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202201449.

https://doi.org/10.1002/aenm.202201449.

Adv. Mater.：三功能电解质助力先进水系锌离子电池

锌（Zn）的可逆性差一直被认为限制了水系锌离子电池（ZIBs）的应用，但其在水系介质中的行为尚未完全揭示。不同于水系锂/钠电池，去除O₂不能提高ZIBs的性能，因为加剧了竞争性H₂的析出。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授（通讯作者）等人报道了一种一次性电解质策略，通过引入三功能电解质添加剂甘油磷酸钠（C₃H₇Na₂O₆P, SG），可以在电池的运行期间起作用。

不同于传统的策略，该添加剂可以在电池运行前通过调节pH值和降低游离水活度来发挥作用，有助于抑制HER和寄生副产物的积累。同时，金属Zn可以触发内Helmholtz平面内C₃H₇O₆P²⁻的分解，在其表面原位形成SEI层。当SEI层完全覆盖Zn表面时，C₃H₇O₆P²⁻的分解将停止，直到新制Zn暴露，使SEI具有自修复能力。

在85%的高放电深度（DOD）下，可逆性Zn负极的库伦效率（Coulombic efficiency, CE）达到了约99.6%，实现了无副反应和无枝晶的Zn负极。具有低电解质的袋式全电池在500次循环后显示出创纪录的寿命，容量保持率为95.5%。该研究不仅深入研究了Zn在水系介质中的行为，而且强调了活性金属负极（包括Zn和Li金属）在运行期间的设计规则，以满足实际应用。

Triple-Function Electrolyte Regulation toward Advanced Aqueous Zn-Ion Batteries. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202206963.

https://doi.org/10.1002/adma.202206963.

Nat. Commun.：NiPS₃超薄纳米片助力高效光催化制氢

开发出高性能、低成本的光催化剂是实现大规模太阳能制取氢气的关键。基于此，阿德莱德大学乔世璋教授（通讯作者）等人首次报道了一种液体剥离方法来制备NiPS₃超薄纳米片（NiPS₃ UNSs），并将其作为一种多功能平台，极大地提高了金属氧化物（TiO₂）、金属硫化物（CdS和In₂ZnS₄）和无金属氮化物（C₃N₄）的光催化析出H₂的速率。

其中，NiPS₃/CdS异质结表现出最大的光催化析出H₂的速率达到了13600 μmol h⁻¹ g⁻¹，与CdS相比增强系数最高，达到1667%。密切的电子耦合促进了界面电荷的分离/迁移，NiPS₃丰富的原子级P/S边缘位点以及激活的S碱基促进了H₂的生成反应，从而增加了光催化H₂产率。

这些发现得到了理论计算和最新的表征，包括原子分辨率AC-STEM，电子能量损失（EELS）光谱，基于同步加速器的X射线吸收近边缘光谱（XANES）、原位XPS、瞬态SPV光谱、超快TAS、瞬态PL光谱和光照射接触电位差（CPD）测试。该研究进一步证实了NiPS₃ UNSs与其他半导体光催化剂（TiO₂、CdS、In₂ZnS₄和C₃N₄）联合使用对提高光催化H₂产率的通用性。更重要的是，通过结合先进的表征和理论计算，为合理设计和制备高性能光催化剂铺平了道路。

NiPS₃ ultrathin nanosheets as versatile platform advancing highly active photocatalytic H₂ production. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32256-6.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32256-6.

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他，被引10W+，H因子164，化学/材料双领域高被引科学家，2022年度成果精选！

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