8篇催化顶刊：Angew.、AFM、 ACS Catal.、Adv. Sci.等最新成果

1. Angew.: 新型双纳米岛催化剂同时实现HzOR和HER

通过电化学水分解析氢是探索可持续能源转换技术的基础，但在水分解过程中会受到缓慢的阳极析氧反应(OER)的阻碍。肼氧化反应(HzOR)替代OER可以提高析氢反应(HER)的效率，然而，设计可将高效HER和HzOR结合的双功能催化剂是一项巨大挑战。因此，中国科学技术大学谢毅、章根强和肖翀等在Ni/C杂化纳米片阵列上构建了新型双纳米岛：一种代表裸Ni颗粒表面，而另一种代表核壳Ni@C结构(Ni-C HNSA), 其中暴露的Ni原子和Ni修饰的碳壳分别作为HzOR和HER的活性位点。

Ni@C岛中的Ni的电子会转移到C层，引起C层周围电子密度的变化，从而加速HER的动力学。结果显示，当电流密度达到10 mA cm^-2时，Ni-C HNSA上的HER过电位仅为37 mV，Tafel斜率为31.9 mV dec^-1，HzOR的工作电位低至-20 mV。另外，双电极电解槽表现出极好的活性，仅需0.2 V的超小电池电压即可实现50 mA cm^-2的电流密度。

密度泛函理论(DFT)计算表明，Ni-C HNSA的双岛活性中心结构导致该催化剂具有出色的双功能催化活性，其中C位点用于HER实现了0.1 eV的较高的热中和吸氢值，而暴露的Ni表面则导致了有利的N₂H₄脱氢动力学。该项工作为先进双功能电催化剂的设计提供了新的视角，并推动了节能H₂生成技术的实际应用。

Dual Nanoislands on Ni/C Hybrid Nanosheet Activate Superior Hydrazine Oxidation Assisted High-efficient H₂ Production. Angewandte Chemie International Edition, 2021. DOI: 10.1002/anie.202113082

2. AFM: 高选择性，高活性。低配位Co-N-C用于高效电催化H₂O₂生产

电化学双电子氧还原反应(ORR)产生H₂O₂是替代能源密集型蒽醌法生产工艺的有效方案。因此，湖南大学费慧龙、叶龚兰和广西大学赵双良等通过一步微波热冲击同时调节原子分散的Co位点的配位数和附近氧官能团，制备出一种高选择性和活性的Co-N-C电催化剂用于H₂O₂电化学合成。

所制备的催化剂具有低配位的Co-N₂构型和高含量的C-O-C环氧基团(Co-N₂-C/HO)。与典型具有低环氧基团含量的Co-N₄-C/LO SAC相比，新设计的Co-N₂-C/HO表现出显着增强的性能，其具有小的启动电位(0.801 V)、高H₂O₂选择性(91.3%) 、良好的的质量活性(44.4 A g^-1，0.65 V)和大的电流密度(0.65 V，11.3 mA cm^-2)。

实验和理论分析表明，如此高的性能归因于Co-N₂-C/HO的独特电子结构，这是低配位 Co-N₂与周围C-O-C环氧基团之间协同效应的结果。这项工作强调了合成参数和程序对SAC的原子结构和组成方面的重要影响，并可以推动建立合成-结构-性能相关性的研究，以实现 SAC的合理设计。

Low-Coordinated Co-N-C on Oxygenated Graphene for Efficient Electrocatalytic H₂O₂Production. Advanced Functional Materials, 2021. DOI: 10.1002/adfm.202106886

3. AFM: 亚5 nm Pd/C和Fe-NC SA耦合促进微生物燃料电池ORR

单分散的Pd/C(2 nm-5 nm)和Fe-NC单原子(SAs)都是性能优异的氧还原反应(ORR)非Pt催化剂。然而，亚5 nm Pd/C和Fe-NC SA在合成和热稳定性方面的两极分化，将它们复合到一起是一个不小的难题。因此，南京师范大学邱晓雨、江南大学刘冰等设计了一种1-萘胺保护的热解策略，将原子分散的Fe位点与嵌在N掺杂碳纳米带中的亚5 nm Pd纳米晶体耦合(FeN₃-Pd@NC NBs)。

FeN₃-Pd@NC NBs的高效和稳健的ORR性能来源于：1.双活性位点(Fe SAs和亚5 nm Pd都具有ORR活性)；2.结构特性(多孔、超小、耐烧结、带状)；3.协同效应(例如，提高Pd的DOS，调整Fe SAs的配位，并降低限制反应势垒)。FeN₃-Pd@NC NBs表现出出色的ORR活性(E_1/2 =0.926 V)和耐用性(2000次循环后E_1/2衰减2 mV)，并且在微生物燃料电池中以最大功率密度831.2 mW cm^-2运行超过100天。

密度泛函理论(DFT)和实验分析表明，这种组合具有亚5 nm Pd和FeN₃ SAs提供双活性位点、互连的多孔框架以加速扩散/转移动力学，以及强大的金属载体结合以阻止FeN₃-Pd从碳纳米带上剥离。更重要的是，单原子FeN₃物种可以将亚5 nm Pd的态密度向费米能级移动并调节与反应中间体的结合强度，从而同步优化SA和MA为ORR提供高活性，并具有出色的长程耐久性。

Coupling the Atomically Dispersed Fe-N₃ Sites with Sub-5 nm Pd Nanocrystals Confined in N-Doped Carbon Nanobelts to Boost the Oxygen Reduction for Microbial Fuel Cells. Advanced Functional Materials, 2021. DOI: 10.1002/adfm.202107683

4. AFM: “平衡效应”助力过渡金属碳化物高效电催化HER

当高性能电催化剂准备好进行缓慢的析氢反应(HER)时，通过水分解制氢是实现碳中和的最有前途的方法之一。尽管过渡金属碳化物(TMC)是潜在的HER电催化剂，但它们与氢中间体(H*)的强结合严重破坏了它们的类铂电子结构。因此，德国锡根大学杨年俊、武汉科技大学李轩科和张琴等提出了一种通用的“平衡效应”策略，其中引入氮掺杂石墨烯(NG)以削弱TMC(M = Mo、W、Ti 和 V)与H*的相互作用。

密度泛函理论(DFT)计算的氢结合能表明，由于TMC和NG的不同功函数，部分电子从TMC转移到NG表面，导致这些电催化剂的电子结构得到优化，从而平衡了氢的吸附和解吸，协同增强HER动力学。因此，在酸性和碱性溶液中，这些TMC@NG电催化剂上HER的过电位和Tafel斜率均显着降低。

同时，TMC@NG/CNT电催化剂的比表面积显着增加，从而暴露出更多的活性位点。该工作所提到的通用策略为设计有效且稳定的TMC作为优异的HER电催化剂提供了一种新方法。它也可以扩展到其他电催化剂，以在不同介质中可持续制氢。

Balance Effect: A Universal Strategy for Transition Metal Carbides to Enhance Hydrogen Evolution. Advanced Functional Materials, 2021. DOI: 10.1002/adfm.202108167

5. ACS Catal.: 范德华同质结促进掺Zn PHI光催化水氧化

聚合氮化碳(PCN)是一种有前景的光催化剂，用于可见光催化全水分解。为了实现PCN中载流子分离和转移的最大化，福州大学王心晨、张贵刚等通过应用一种简单的大规模合成方法，成功地在聚合物(聚庚嗪酰亚胺，PHI)半导体Zn_0.2-PHI/PHI催化剂中设计了梯度VDW同质结，用于光催化水氧化。

PL光谱表明，Zn-PHI/PHI VDW同质结可以显着降低E_b，实现激子快速分解为自由电子和空穴。因此，Zn_0.2-PHI/PHI催化剂产生大量的自由电子和空穴，并且不易复合。更重要的是，由于梯度VDW同质结而形成的梯度能带分布产生了空穴转移通道，从而增强了空穴从本体内部到催化剂表面的迁移，促进了自由电子到达表面的活性位点。

具有VDW同质结的Zn_0.2-PHI/PHI催化剂的独特能带结构对光催化水氧化具有高的活性，在420 nm处的AQY为3.6%。这项工作不仅开发了一种通用策略，通过在聚合物Zn_0.2-PHI/PHI催化剂中构建梯度VDW同质结来提高光催化水氧化活性，也提供了对光催化水氧化的全面机制理解，包括VDW同质结的构建和光生激子解离为自由电子和空穴以及它们迁移到表面活性位点。该研究为合理设计具有高产率的水氧化反应光催化剂提供了策略。

Gradient Zn-Doped Poly Heptazine Imides Integrated with a van der Waals Homojunction Boosting Visible Light-Driven Water Oxidation Activities. ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c03687

6. Adv. Sci.: 单原子Ru引入Co₃O₄纳米片作为 Li-CO₂电池的高效双催化剂

Li-CO₂电池因其超高的理论能量密度和固定CO₂的能力而受到广泛关注和研究。然而，放电/充电过程中缓慢的反应动力学严重限制了其发展。因此，郑州大学刘清朝、李中军等提出了一种简便且环保的方法，即通过结合模板复制和阳离子交换策略，将Ru原子负载到碳布上生长的Co₃O₄纳米片表面(SA Ru-Co₃O₄/CC)，并将其成功用于Li-CO₂电池。

该合成方法仅以水为溶剂，煅烧条件容易达到(350℃，空气气氛)，大大降低了SASCs的合成成本和难度。实验结果表明，3D结构的Co₃O₄纳米片阵列具有较大的比表面积和合适的孔隙，以促进电解质和反应物的传质，并提供足够的空间来存储放电产物(Li₂CO₃和C)。而原子分散的Ru物种作为活性位点调整了放电产物的成核行为，从而优化了它们的最终分布，这有利于充电过程中其后续分解。

密度泛函理论(DFT)计算表明，单原子Ru作为驱动力中心可以显着增强对关键反应中间体的内在亲和力，从而增强Li-CO₂电池中CO₂还原反应的反应动力学，最终优化放电产物的生长路径。此外，Bader电荷分析表明，作为缺电子中心的Ru原子可以提高SA Ru-Co₃O₄/CC阴极对CO₂RR的催化活性。这项工作对新型SASCs的开发和Li-CO₂电池高效催化剂的设计具有重要意义。

Single-Atom Ru Implanted on Co₃O₄ Nanosheets as Efficient Dual-Catalyst for Li-CO₂ Batteries. Advanced Science, 2021. DOI: 10.1002/advs.202102550

7. Chem. Eng. J.: 形貌调一调，PEC分解水性能大提升

钒酸铋(BiVO₄)是最有发展前景的用于光电化学(PEC)水分解的半导体材料之一。然而，由于BiVO₄载流子迁移率低和少数载流子扩散长度短而导致电荷分离效率差。纳米结构的BiVO₄ 光阳极具有提高的电荷分离效率。因此，延世大学Jooho Moon团队提出了一种简便的纳米结构策略，通过改变作为成孔剂的聚乙二醇(PEG)的分子量来调控掺钼BiVO₄ (Mo:BiVO₄)光阳极的纳米结构。

通过改变前体溶液中PEG的分子量，获得了具有受控晶粒和孔径的颗粒状Mo:BiVO₄。微观结构分析表明，PEG可以影响晶粒生长速率，从而决定晶粒尺寸和孔结构。此外，纳米结构Mo:BiVO₄的体电荷分离效率能够根据晶粒尺寸而变化，进而影响PEC性能。纳米结构的Mo:BiVO₄大晶粒尺寸不仅会导致大的表面带弯曲，而且还保持低的体传输阻力，因此电荷载流子很容易分离并注入电解质而不会发生体复合。

另外，经过氢处理后，由于纳米结构Mo:BiVO₄的光电性能得到改善，其在1.23 V vs. RHE下的体电荷分离效率提高了89%。在1-sun光照下，镍铁氢氧化物(NiFeOOH)修饰的Mo:BiVO₄光阳极在1.23 V vs. RHE下能够产生4.5 mA cm^-2的光电流密度，并能够稳定运行10小时。该项研究结果清楚地表明了对纳米结构Mo:BiVO₄光阳极进行调控能够提高PEC性能，这为提高PEC性能提供了简单策略。

Facile Morphology Control Strategy to Enhance Charge Separation Efficiency of Mo:BiVO₄ Photoanodes for Efficient Photoelectrochemical Water Splitting. Chemical Engineering Journal, 2021. DOI: 10.1016/j.cej.2021.133061

8. Chem. Eng. J.: 非外围八甲基取代助力金属酞菁高效电催化CO₂RR

电化学CO₂还原反应(CO₂RR)是最有前景的CO₂转化方法之一，它能够将CO₂转化为有价值的化学品(如，CO、CH₄、HCOOH和CH₃OH等)以缓解全球变暖。因此，开发具有高效CO₂RR的电催化剂至关重要。南方科技大学许宗祥、汪飞和Rajendran Ramachandran等使用简便的沉淀法合成了一种非外围八甲基取代的钴(II)酞菁配合物(N-CoMe₂Pc)纳米棒。

与CoPc相比，N-CoMe₂Pc纳米棒表现出更高的CO₂RR活性，因为纳米结构和八个甲基显着增加了电子密度、暴露的活性位点数量和电导率。通过固定在掺氮还原氧化石墨烯(NRGO)上，N-CoMe₂Pc的电荷转移动力学得到进一步改善，通过增加催化剂的化学可及性和导电性来增强电催化CO₂RR。在碱性溶液中，该催化剂在56.4 mA cm^-2的CO电流密度下实现了更高的FE_CO(94.1%)，并且在较低电位(-0.6 V vs. RHE)下具有良好的的周转频率(TOF_CO= 6.2 s^-1)。

DFT计算表明，相对于原始钴(II)酞菁(CoPc)，非外围八甲基取代的钴(II)酞菁(N-CoMe₂Pc)催化剂在低过电位下，在Co表面上表现出增强的CO₂吸附和活化。另外，流通池和碱性电解质装置促进了N-CoMe₂Pc/NRGO纳米复合材料的CO₂RR活性和选择性，同时也促进了其传质并显着抑制了HER反应，以及更好的碱性电解质导电性。

Non-Peripheral Octamethyl-Substituted Cobalt Phthalocyanine Nanorods Supported on N-Doped Reduced Graphene Oxide Achieve Efficient Electrocatalytic CO₂ Reduction to CO. Chemical Engineering Journal, 2021. DOI: 10.1016/j.cej.2021.133050

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8篇催化顶刊：Angew.、AFM、 ACS Catal.、Adv. Sci.等最新成果

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