【顶刊速递】CO2电还原、非晶OER催化剂、光催化氢析出和固氮反应、CO选择性甲烷化、单原子催化剂

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【综述】CO₂RR技术与经济效益综述

用电力驱动二氧化碳的还原可用于将间歇性的可再生能源转化为易存储的燃料和高价值的化学原料。对二氧化碳电催化还原(CO₂RR)机理的深入理解有助于寻找最优的实验参数和方案，从而加速该技术在工业中的推广。

为了确定最有利可图的产品和必须满足的性能目标，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent课题组总结并以综述的形式发表了一项详细的CO₂RR技术与经济效益分析。

这篇综述首先从技术和经济的角度分析了哪些CO₂RR产品最具有吸引力、哪些途径可以获得这些理想的产物以及哪些运行参数的调整对可行性的影响最大。本文接着介绍了改进的电催化反应模型可以促进人们对于CO₂RR机理的深入理解，并能为理性设计催化剂提供便利。文章还讨论了目前最先进的电催化剂和可用于提高其性能的材料工程技术，探讨了电解槽的设计及其参数的调节(例如电解液、压力和温度等)。在最后，作者还提出了将CO₂RR电解槽推广向工业应用的途径。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201807166

  【进展】非晶OER催化剂

理性设计高效稳定的析氧反应(OER)电催化剂是电解水中重要的一环。具有丰富结构的钙钛矿氧化物(ABO₃)在OER催化中已经表现出一定的潜能。其中A位阳离子的浸出可以在钙钛矿基质上产生无定型的纳米结构从而促进OER的催化活性提升。然而，选择性地溶解A位阳离子并同时形成高活性的无定型催化剂仍然是一个巨大的挑战。

基于此，南京工业大学邵宗平课题组和周嵬课题组合作，提出了一种自上而下的合成策略，通过用FeCl₃处理将块状结晶的钙钛矿(LaNiO₃)转变为纳米结构的无定型氢氧化物。

这种结构具有较大的比表面积和NiFe活性位点，最终表现出良好的碱性OER催化活性，在仅为189 mV的过电位下就能得到10 mA cm^-2的催化电流密度。这一合成策略为制备新型钙钛矿衍生的催化剂提供了新思路。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900883

  【进展】CO选择性甲烷化反应

将富含H₂的重整产物中的CO选择性甲烷化可用于为质子交换膜燃料电池提供更高纯度的氢燃料。Ru/TiO₂在催化这一反应中已经展现出了较高的活性，但却常常在催化过程中失活。

近日，德国乌尔姆大学R. Jürgen Behm课题组通过TiO₂载体的形态学工程(morphology-engineering)制备了高活性且不易失活的Ru/TiO₂催化剂。

研究人员分别测试了以主要暴露{001}、{100}和{101}面的锐钛矿TiO₂纳米晶体作为载体的催化剂的性能，发现相比于Ru/TiO₂-{001}，Ru/TiO₂-{100}和Ru/TiO₂-{101}较为稳定。

通过多种原位和非原位的表征，研究人员发现这种稳定性的差异主要与金属-载体的相互作用有关。富含缺陷的TiO₂{100}和TiO₂{101}上较强的金属-载体相互作用不仅可以稳定Ru纳米颗粒，而且可以对Ru表面原子的电子结构进行修饰。这一发现表明了形态学工程在制备高效且稳定催化剂中的巨大潜力。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201903882

【进展】光催化氢析出和固氮反应

利用太阳能驱动催化反应可用于缓解能源需求和减少环境污染。然而，半导体中较低的电子-空穴分离效率阻碍了这一技术的发展。人们目前尚不清楚缺陷对于电子-空穴分离的影响。

近日，南洋理工大学刘政课题组、美国橡树岭国家实验室Shi-Ze Yang课题组和江苏大学夏杰祥课题组报道了具有原子级厚度和表面缺陷的单晶胞(single-unit-cell)Bi₃O₄Br纳米片拥有更为优异的电荷分离效率。

富含缺陷的单晶胞Bi₃O₄Br纳米片要比块体的Bi₃O₄Br表现出更高的光催化析氢反应和固氮反应的活性。研究人员认为单晶胞结构和丰富的缺陷调节了局部的原子排列和电子结构，提高了电荷分离效率从而提升了光催化活性。这一策略为制备更高效的光催化剂提供了新途径。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201807576

【综述】非贵金属单原子催化剂用于CO2RR和HER

单原子催化剂被广泛认为是可用于促进电驱动的CO₂还原反应(CO₂RR)和析氢反应(HER)的新兴催化剂。为了替代稀有且昂贵的贵金属电催化剂，开发具有高活性和稳定性的非贵金属单原子催化剂对实现CO₂RR和HER的工业化至关重要。

近日，浙江大学侯阳课题组、杨彬课题组和纽约州立大学布法罗分校武刚课题组联合发表综述，简要概述了近期CO₂RR和HER催化体系中碳基非贵金属单原子催化剂的最新成果，介绍了碳基非贵金属单原子催化剂的设计合成策略与电化学性质的最新进展。

作者按照金属种类的不同，将近期报道的碳基非贵金属单原子催化剂进行归类，并探讨了它们在CO₂RR和HER反应中的催化性能，突出强调了对于“构效关系”的深入理解。作者最后还谈论了现阶段碳基非贵金属单原子催化剂发展所面临的挑战和未来的前景。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.201900210