8篇催化顶刊集锦：朱永法、肖丰收、张正华、汪乐余、刘岗等人最新成果

1. Nat. Nanotechnol.：MFI分子筛纳米片促进费-托合成烯烃

在催化反应中，由于产物分子受到催化剂表面的强烈吸附，严重限制了其进一步发展。其中，促进产物的解吸并阻碍其重新吸附有利于在催化剂表面形成自由位点，实现连续的底物转化，一个有效策略是构建一个稳定的纳米通道，用于产物快速脱离催化剂表面。

基于此，浙江大学肖丰收教授和王亮研究员、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院郑安民研究员（共同通讯作者）等人报道了一种有效的方法来提高活性并优化低温费-托合成烯烃（low-temperature Fischer-Tropsch synthesis to olefins, LT-FTO）在铁（Fe）基催化剂上的产品选择性，通过混合精心设计的分子筛作为催化剂表面烯烃脱附的促进剂来实现。

在概念验证实验中，作者使用钠（Na）掺杂的碳化铁（FeC_x）催化剂（Na-FeC_x，以Fe₅C₂相为主），因为其是最常用的FTO经典催化剂之一。在260 ℃（CO/H₂/Ar 比为45/45/10，流速为2400 ml/h/g_FeCx，压力为2.0 MPa的合成气）下，该Na-FeC_x催化剂在CO条件下表现出低活性转化率为1.9%。通过将温度提高到300 ℃，获得了25.6%的CO转化率，使C₁-C₂₀₊产物的总烯烃选择性为72.4%，与之前报道的结果相似。

此外，当b-轴厚度为90-110 nm的铝硅酸盐MFI分子筛（s-ZSM-5，Si/Al比为26.2）混合时（与Na-FeC_x），Na-FeC_x/s-ZSM-5催化剂在260 ℃下的CO转化率为82.5%，烯烃选择性为72.0%，这使得烯烃生产率为15.3 mmol/g_FeCx/h，显著高于同等条件下的Na-FeC_x。该研究结果支持了LT-FTO，其中显示对CO转化没有任何催化活性的分子筛是促进剂，从而促进了催化作用。

Fischer-Tropsch synthesis to olefins boosted by MFI zeolite nanosheets. Nat. Nanotechnol., 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01154-9.

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01154-9.

2. Adv. Energy Mater.：首次报道！Cu-N-C单原子催化剂将CO₂和NO₃^–电化学还原为尿素

实现碳和氮循环是构建循环、零碳经济的一项重要举措。虽然单原子催化剂（SACs）在电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）和硝酸盐还原反应（NO₃RR）中引起了研究人员的兴趣，但是这些反应中Cu SACs配位的结构-活性关系仍不清楚，应进行探索。基于此，澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal和Rahman Daiyan、澳大利亚斯威本科技大学Rosalie K. Hocking（共同通讯作者）等人报道了Cu配位结构在决定CO₂RR和NO₃RR的活性和选择性中的作用。

X射线吸收光谱（X-ray absorption spectroscopy, XAS）测量结果与合成的Cu SACs一致，随着热解温度从800 ℃升高到1000 ℃，其从Cu-N₄位点向Cu-N_4-x-C_x位点变化。配位球的这种变化导致它们的催化变化活性，其中Cu-N₄位点对CO₂RR表现出更高的活性，而Cu-N_4-x-C_x位点在NO₃RR期间实现更高的NH₄⁺产率，该结果与密度泛函理论（DFT）计算一致。

作者将CO₂RR和N_O3RR耦合，在-0.9 V vs. RHE下，在Cu-N₄位点上实现了尿素的法拉第效率（FE）为28%、电流密度为-27 mA cm^-2，产率为4.3 nmol s^-1 cm^-2，这是首次使用单原子催化剂合成尿素。该结果证明了在高活性单原子催化剂上通过电化学尿素合成将可再生能源转化为净零肥料的潜力。

Tuning the Coordination Structure of Cu-N-C Single Atom Catalysts for Simultaneous Electrochemical Reduction of CO₂ and NO₃^– to Urea. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202201500.

https://doi.org/10.1002/aenm.202201500.

3. Adv. Funct. Mater.：石墨烯边缘锚定Pt SACs实现高效碱性HER

与基面相比，石墨烯边缘表现出高度局部化的状态密度，这导致反应性增加。然而，利用这种增加的反应性来锚定和调整单原子催化剂（SACs）的电子态仍然难以捉摸。基于此，澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal和韩兆军博士（共同通讯作者）等人报道了一种在边缘丰富的垂直排列的石墨烯上锚定具有超低质量负载的Pt SACs（低至 0.71 µg Pt cm^-2）的方法。

对比在混合环境（边缘和基底）中配位的Pt，主要与石墨烯边缘配位的Pt表现出显著提高的析氢反应（HER）性能。在碱性介质中，当过电位η=150 mV时，其周转频率（TOF）分别为22.6 s^-1和10.9 s^-1。更重要的是，在0.71至0.76 µg Pt cm^-2之间的Pt负载量显著低于商用的Pt负载量（通常为2000 µg Pt cm^-2）和其他文献Pt/C基准催化剂（通常为50 µg Pt cm^-2），而在清洁能源转型中应尽量减少稀有金属的使用量。

通过角度相关X射线吸收光谱和密度泛函理论（DFT）计算表明，边缘锚定的Pt SACs与石墨烯的π-电子具有稳健的耦合。这种相互作用导致Pt 5d轨道的占用率更高，使d带中心向费米能级移动，从而提高了*H对HER的吸附。该工作展示了一种通过使用石墨烯边缘来增强能量转换反应来设计Pt SACs配位环境的有效途径。

Pt Single Atom Electrocatalysts at Graphene Edges for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202203067.

https://doi.org/10.1002/adfm.202203067.

4. Nat. Commun.：埃限制策略助力Co-TiO_x催化水净化

由于全球淡水资源的匮乏和清洁水的难以获取，促使研究人员在开发强大的水净化和净化技术方面付出了巨大的努力，而多相催化是一种很有前途的解决方案。亚纳米限制反应是催化化学的终极前沿，但在内部形成具有分布原子催化中心的埃（Å）通道，并匹配内部传质和活性物种寿命具有挑战性。基于此，清华大学深圳国际研究生院张正华副教授（通讯作者）等人报道了通过应用Å限制催化水污染物降解的概念来解决这些问题，在由单层钴（Co）掺杂二氧化钛（TiO₂）纳米片组装的2D层状压膜的4.6 Å通道内实现创纪录的反应速率。

作者使用密度泛函理论（DFT）计算插入具有可变层间自由间距的Co-TiO_x膜纳米片之间的PMS分子的吸附能（E_ads）。随着层间自由间距的减小，分为三个不同的区域：（1）50 Å到10 Å之间的稳定区域，计算出稳定的E_ads（-0.82到-0.91 eV），表明PMS被弱吸附到具有大层间自由间距的Co-TiO_x纳米片上；（2）10 Å到5.9 Å之间的过渡区，计算出的E_ads（-0.91到-1.27 eV），表明PMS更强烈地吸附在Co-TiO_x纳米片上；（3）5.8 Å的瞬变区，计算出的E_ads（-3.53到-4.06 eV），表明PMS通过其S-O键的断裂解离。

与现有技术相比，目标污染物雷尼替丁的降解速率常数（1.06 ms^-1）提高了5-7个数量级，连续运行100 h实现了100%的降解。这种方法对各种水污染物也有约100%的降解效率，保留时间<30 ms，并且开发的策略也可以扩展到其他2D材料组装膜。该工作为通用Å限制催化铺平了道路，并揭示了利用Å限制策略设计高效水净化催化剂的重要性。

Angstrom-confined catalytic water purification within Co-TiO_x laminar membrane nanochannels. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-31807-1.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31807-1.

5. Nat. Commun.：近100%选择性！Au NPs上H₂O光催化CO₂还原

在金属光催化剂上，利用用水（H₂O）实现CO₂还原，并在分子水平上理解相应的机制还具有挑战性。基于此，陕西科技大学李英宣教授和中科院长春应用化学研究所王颖副研究员（共同通讯作者）等人报道了具有量子尺寸的金纳米颗粒（Au NPs）可通过主要源自带间跃迁的电子-空穴对在H₂O辅助下将CO₂光催化还原为CO。

在文中，作者通过一锅还原法合成了直径约为4 nm的量子尺寸Au NPs，并用作有效的光催化剂，通过带间跃迁在H₂O辅助下将CO₂还原为CO。需注意，在相同的实验条件下，在420 nm的低强度辐照下，Au NPs光催化剂的CO生成速率为4.73 mmol g^-1 h^-1，选择性约为100%，是H₂还原CO₂的速率的2.5倍。

密度泛函理论（DFT）计算和实验研究表明，活性增加是由H₂O分解形成的表面Au-O物种引起的，这同步优化了CO₂还原和H₂O氧化反应中的速率决定步骤，降低了*CO解吸和*OOH的能垒形成，并促进CO和O₂的产生。此外，Au上的CO₂还原和H₂O氧化反应分别遵循CO₂→*COOH→*CO→CO(g)和H₂O→*OH→*O^–→*O→*OOH→O₂路线。该研究结果为设计活性金属光催化剂以利用H₂O有效还原CO₂提供了深入的机理理解。

Molecular-level insight into photocatalytic CO₂ reduction with H₂O over Au nanoparticles by interband transitions. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-31474-2.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31474-2.

6. Adv. Sci.综述：负载单原子活性位点的均匀性对选择性催化转化的促进作用

在工业催化过程中，特定官能团的选择性转化非常重要，但是仍然具有挑战性。表面物种的吸附状态是调控官能团转化的关键因素，活性位点的均匀性决定了表面物种的吸附状态。然而，传统的纳米金属颗粒/团簇由于金属原子数量、几何形状和形态的不一致，通常会导致不同几何构型和局部配位环境的活性位点不均匀，进而导致表面物种的吸附状态不同。因此，迫切希望调节活性位点的均匀性，以便催化转变能更好地限制在期望的方向上。基于此，清华大学朱永法教授和江南大学娄阳教授（共同通讯作者）等人报道了原子分散在各种载体上的均匀活性位点的构建策略和表征技术的最新进展。

在文中，作者详细研究了原子分散在各种载体上的均匀活性位点的构建策略和表征技术。特别是，仔细讨论了它们在各种化学反应中促进催化性能的独特行为，包括选择性氢化、选择性氧化、Suzuki偶联和其他催化反应。此外，作者还着重介绍了单原子催化剂（SACs）在反应条件下活性位点的动态演化和工业应用。最后，作者指出了当前的挑战和前沿，并提供了这一蓬勃发展的领域的前景。

在各种催化转化过程中，单原子活性位的均匀性对催化转化的活性和选择性具有重要的调节作用。其中，SACs的稳定性是维持单原子位点均匀性的前提，应通过缺陷工程、空间约束和掺杂策略来稳定SACs，以维持原始的均匀性，同时需要进一步探索促进催化的机理。还应该发展更多的原位表征技术来获得反应过程中活性位点均匀性的原位信息。在SACs应用于工业前，还要解决以下问题：（1）单原子位点的低密度阻碍了效率的提高；（2）如何大规模制造SACs仍然具有挑战性；（3）通过更深入的了解来指导合理设计适用的SACs。

Thickness-dependent piezo-photo-responsive behavior of ZnAl-layered double hydroxide for wastewater remediation. Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107583.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107583.

7. Adv. Sci.：制备亲水SACs一般策略！助力高效选择性加氢

具有良好分散性和稳定性的亲水单原子催化剂（SACs）是在亲水溶剂中对重要的化学和医药中间体进行选择性加氢反应的一种理想催化剂。基于此，北京化工大学汪乐余教授和殷雄教授（共同通讯作者）等人报道了利用阳离子交换法制备亲水性SACs的一般策略。

在温和条件下，作者利用阳离子交换法制备了M₁/TiO₂和M₁/ZrO₂ SACs（M=Ni、Fe、Cu）。首先，SiO₂纳米球上的薄层无定形TiO₂（或ZrO₂）被NaOH水溶液部分蚀刻，为单个金属原子构建了丰富的锚定位点。然后，取代源自NaOH蚀刻的钠离子，通过阳离子交换引入活性中心金属（M=Ni、Fe、Co、Cu）。最后，通过外层SiO₂涂层、煅烧和最终通过蚀刻去除SiO₂，获得中空纳米球SACs。

其中，阳离子交换和SiO₂涂层有效地防止了原子分散的金属在煅烧过程中聚集。因此，SACs在亲水性溶剂（即异丙醇）中具有高度分散性，所获得的Ni₁/TiO₂ SACs在肉桂醛的选择性C=C加氢制备苯丙醛方面表现出优异的性能，转化率为98%，选择性超过90%，并且周转频率（TOF）为102 h^-1，超过了贵金属催化剂等大多数催化剂。同时，Ni₁/TiO₂ SACs在多次催化运行后表现出优异的稳定性，表明催化剂具有良好的可回收性。

General Strategy toward Hydrophilic Single Atom Catalysts for Efficient Selective Hydrogenation. Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202202144.

https://doi.org/10.1002/advs.202202144.

8. Nano Research：Ir SACs/Ni(OH)₂@HP-NF助力高效OER

当前，迫切需要开发用于电解水分解的析氧反应（OER）的高效电催化剂，由于水氧化的动力学过程缓慢，仍然是一个挑战。基于此，中科院金属研究所刘岗研究员和甄超副研究员（共同通讯作者）等人报道了一种一步电沉积策略，在三维（3D）分层多孔导电基底泡沫镍（HP-NF）上制备了利用Ir单原子催化剂（Ir SACs）改性的Ni(OH)₂（Ir SACs/Ni(OH)₂），并作为高效的OER电催化剂（Ir SACs/Ni(OH)₂@HP-NF）。

通过氧化-氮化-脱氮过程获得的HP-NF 3D互连孔隙可以加速OER的传质过程，并提高分布在Ni(OH)₂ NSs上的Ir SACs的含量。所制备的Ir SACs/Ni(OH)₂@HP-NF在1.0 M KOH中，当电流密度为10 mA·cm^-2时具有约223 mV的低过电位，Tafel斜率约为58 mV·dec^-1，超过了Ni( OH)₂@HP-NF、商用Ir/C和大多数低成本的OER催化剂。

由于Ni(OH)₂基体对HPNF的强粘附性，Ir SACs/Ni(OH)₂@HP-NF表现出强大的耐久性。Ir SACs/Ni(OH)₂@HP-NF的催化活性增强主要归因于高度分散的Ir SACs改性超薄Ni(OH)₂基体与3D HP-NF的适当耦合，同时加速了动力学和传质用于OER的Ir SACs/Ni(OH)₂@HP-NF技术。该工作为制备用于碱性水电催化的高效3D自支撑式电催化剂提供了一种可行的策略。

Ir single atoms modified Ni(OH)₂ nanosheets on hierarchical porous nickel foam for efficient oxygen evolution. Nano Research, 2022, DOI: 10.1007/s12274-022-4501-5.

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4501-5.

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8篇催化顶刊集锦：朱永法、肖丰收、张正华、汪乐余、刘岗等人最新成果

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