【Wiley】催化领域最新进展集锦：CO2电还原、电催化分解水、电催化制备双氧水、甲烷无氧氧化

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将二氧化碳电催化还原(CO₂RR)为高价值产品可用于减轻二氧化碳排放产生的环境问题。虽然已经有大量工作表明，通过构建晶界可以调整反应中间体的结合能从而加速CO₂RR的反应速率，但在纳米尺度下，晶界和催化活性的相关性仍然缺少明确的认知。南洋理工大学楼雄文团队合成了由量子点组成的、表面富含晶界的SnO₂量子线。这种直径小于2nm的量子线具有较大的电化学活性面积，在CO₂RR催化反应中，生成甲酸的法拉第效率可超过80%，C1产物的总法拉第效率可超过90%。表面丰富的晶界、较低的功函数和较强的CO₂吸附能力被认为是这种量子线具有较高CO₂RR催化性能的原因。这项工作为在纳米尺度下研究晶界与催化性能的关系提供了良好的平台。

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https://doi.org/10.1002/anie.201903613

使用廉价的催化剂实现低电压驱动水分解制氢具有较高的实用价值，但仍然面临严峻的挑战。近日，黑龙江大学田春贵和付宏刚团队报道了泡沫镍负载的三维镍钒间隙化合物异质结可用于催化析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。研究发现，Ni₃N-VN的异质界面具有适中的H*吸附能，有利于HER的发生，在1M KOH溶液中的Tafel斜率为37 mV dec^-1。而对于OER，Ni₂P-VP2与氧化物种的协同作用可用于增强活性，Tafel斜率为49mV dec^-1。异质界面对反应中间物种的活化作用、间隙化合物良好的导电性和有利于传质的多孔结构也被认为是良好活性的促进因素。使用这两种催化剂构成的水分解电解池仅需1.51V的驱动电压就能实现10 mA cm^-2的催化电流，并且在100小时内都相对稳定。这使得这种电解池具有用太阳能电池(1.5V)驱动储能的潜能。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201901174

H₂O₂是一种使用广泛的绿色氧化剂，电催化还原O₂(ORR)生成H₂O₂被认为是一种较为环保的制备手段。然而，ORR的动力学较为缓慢，且多数催化剂生成的产物为水。清华大学张强团队发现协同策略可用于调节ORR催化过程中的选择性，从而高效生成H₂O₂。研究人员合成了具有Co-N_x-C构型活性位点的、含氧官能团修饰的碳基电催化剂。这种电催化剂在氧气饱和的0.10M KOH电解液中能以超过80%的选择性催化H₂O₂的生成。在0.79 vs. RHE的电位下可达到1mA cm^-2的催化电流。进一步的机理探究表明，Co-N_x-C位点和氧官能团修饰分别有助于提升电催化生成H₂O₂的反应性和选择性。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201808173

金属-席夫碱配合物是一种广泛应用的有机反应催化剂。大连理工大学李斐团队在近日报道了铁席夫碱配合物和Co²⁺离子在160^oC的温度下生成的CoFe氢氧化物/碳纳米复合材料可用于高效的电催化析氧反应(OER)。研究人员发现，铁席夫碱配合物作为前驱体分子可促进金属氢氧化物的限制生长(confined-growth)，而Co²⁺离子促进了有机配体向纳米碳的转化。该复合材料仅需260mV的过电位就能实现10mA cm^-2的催化电流密度，同时具有较高的稳定性。CoFe氢氧化物的均匀分布以及金属与纳米碳之间优异的电子传导性也被认为是催化活性较高的原因。考虑到前驱体的分子的多样性，这种合成策略可能有助于寻求更高性能的碳基水分解催化剂。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201900117

直接甲烷无氧氧化转化(Direct non-oxidative methane conversion, DNMC)已经被广泛认为是天然气在化学和能源工业中应用的关键技术。由于该反应是吸热反应且容易造成积碳，使得DNMC仍然存在较高的催化温度和较差的催化剂耐久性两个有待解决的问题。近日，马里兰大学刘东霞团队发现毫秒级壁式催化反应器(millisecond catalytic wall reactor)能够促进实现较稳定的DNMC，且具有较高的多碳产物选择性和甲烷转化率。反应温度和气体流速的调节可用于优化催化选择性，生成较轻的C2产物或较重的芳烃产物。研究人员还使用了Aspen Plus模拟系统探究了这种壁式催化反应器的实际应用价值。这项工作通过较低的成本和简单的反应器设计实现了较高的碳、热利用率，为DNMC技术提供了经济可行的实用方案。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201903000