【最新进展】催化领域集锦 | 光催化CO2还原、电催化氧析出、电催化氢析出

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表面卤化助力高效光催化CO₂还原

利用太阳能将二氧化碳转化为有价值的化学燃料在可再生能源中具有巨大的潜力。然而，电子与空穴的快速重组和较少的催化活性位点严重阻碍了光催化二氧化碳还原的活性。

近日，澳大利亚纽卡斯尔大学马天翼课题组与中国地质大学黄洪伟课题组合作，通过实验和理论计算，发现表面卤化的Bi₂O₂(OH)(NO₃) (BON)光催化剂可在一定程度上克服上述两大困难。

通过置换表面氢氧根而锚定在Bi原子上的表面卤离子一方面可以促进局部的电荷分离，另一方面又能激活氢氧根，从而极大地促进CO₂分子和质子的吸附，加速CO₂转化的过程。其中，表面溴化的BON变现出最显著的活性提升。在没有牺牲剂和助催化剂的条件下，生成CO的速率可高达8.12 μmol g^-1 h^-1，这是原始BON活性的七十多倍。这项工作所提出的表面修饰方案为未来设计高效光催化剂提供了新思路。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900546

有序多孔锰化合物用于电催化氧析出

锰基化合物是重要的能量转化和存储材料。现阶段，开发具有丰富活性位点的高度有序微孔/中孔的锰基化合物仍然是一项挑战。为了使用软模板法实现这一目标，必须满足三个条件：无机前驱体和有机模板之间有较强的相互作用；没有块体的磷酸锰的形成；去除模板时磷酸锰框架不会坍塌。

基于此，新加坡国立大学John Wang课题组报道了一种使用有机磷酸同时作为刻蚀剂和模板的软模板法。这种方法能同时满足上述条件，可获得具有均匀孔径和明确孔结构的微孔和中孔锰磷酸盐。这种多孔锰磷酸盐具有高达301.1 m² g^-1的比表面积，这是Mn基化合物中所报道的最高值。

这种材料在电催化氧析出反应中表现出了较高的活性。这一合成策略为制备多孔过渡金属电催化剂提供了新思路。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901124

设计和制备可用于电催化氢析出反应(HER)的廉价且高活性的催化剂在可再生能源的发展中起到至关重要的作用。成本低且活性较高的Mo₃P被认为是一种具有潜力的材料。

近日，美国伊利诺理工大学Mohammad Asadi课题组发现，使用Mo₃P催化HER可在酸性环境下获得较高的活性。起始电位所需的过电位可低至21 mV，同时交换电流密度可达0.279 mA cm^-2，这与一些含铂材料的性能接近。

研究人员通过深入表征和理论计算发现，该材料表面高密度的具有良好电子特性的钼位点，以及Mo₃P(110)表面上较为适中的氢吸附能是该催化剂性能优异的主要原因。这项工作提出了一类新的高活性HER催化剂，有助于人们早日实现高效廉价的电解水制氢。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201900516

加速水解离助力高效碱性电催化氢析出

碱性环境下氢析出反应(HER)缓慢的动力学仍然是碱性电解水中的一项重要挑战，这主要是由于碱性HER需要进行一步水分子的解离。

近日，韩国蔚山国家科学技术研究院的Kyu Kwak课题组和Sang Hoon Joo课题组合作，通过理论计算和实验证明，相比于六方密堆的MoC₂，亚稳态的、面心立方α-MoC_1-x相具有更强的解离水的能力。

接着，研究人员设计和制备了具有高比表面积的有序介孔α-MoC_1-x(MMC)。在MMC中，α-MoC_1-x促进水的解离，而高表面积和孔结构可以使被负载的金属纳米颗粒有较高的分散度以及更高的传质速率。在碱性HER测试中，相比于商业Pt/C催化剂，负载Pt颗粒的MMC在Tafel斜率、质量活性和交换电流密度方面都有显著的优势。较低的Tafel斜率也证明了MMC在增强HER动力学中的作用。

研究人员认为，MMC较高的比表面积和优异的水解离能力使得它也可应用在其他催化体系。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201901217

 3D打印光化学微反应器

近期，光化学微反应器的理性构建用于促进光催化反应成为了一个新兴研究领域。光转换介质(light-converting media)和微流化学(microflow chemistry)的整合为光的高效利用提供了新的契机。不过，发光波长调节的灵活性和微反应器的普遍性仍有待改善与提高。

大连理工大学陶胜洋课题组通过3D打印技术制造了填充有荧光流体(fluorescent fluid)的光化学微反应器。荧光流体中的光转化介质用于收集和转换光，而后将光能传递给嵌入的连续流动反应通道，从而促进化学反应过程。考虑到光转换介质的流动性和可替换性，研究人员认为这种反应器可以成为一种通用工具用于光催化体系的快速筛选、参数优化和动力学与机理研究。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900583