非贵金属基氧化物材料对于高效、低成本的电化学水分解系统具有重要意义。
近日，南洋理工大学的楼雄文教授团队在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“Metal Atom-Doped Co3O4 Hierarchical Nanoplates for Electrocatalytic Oxygen Evolution”的论文，博士后研究员Xue Feng Lu为本文的共同通讯作者，Song Lin Zhang为本文的第一作者。
本文报道了一系列由13种不同金属原子掺杂的超薄Co3O4纳米片组成的多级中空纳米板的合成。该材料的合成涉及从新型钴基沸石咪唑框架纳米板(ZIF-67 NPs)开始的协同刻蚀-配位-重组方法。首先，通过路易斯酸刻蚀和金属物种配位过程形成具有独特交叉通道的金属原子修饰的纳米板(M-ZIF-67 NPs)；然后，通过水热反应将M-ZIF-67 NPs转化为由超薄纳米片组成的Co3O4多级中空纳米板(HHNPs)，在此期间，客体金属原子被掺杂到Co3O4的八面体位点中。
密度泛函理论计算表明，在Co3O4表面掺杂的少量Fe原子可以大大提高电催化析氧反应(OER)的活性。得益于结构和组成优势，所获得的Fe掺杂Co3O4多级中空纳米板对OER表现出优异的电催化性能，碱性条件下，仅需要262 mV的过电势即可达到10 mA cm-2的电流密度，具有较好的动力学过程(塔菲尔斜率为43 mV dec-1)，并且表现出优异的催化稳定性(在100 mA cm-2的高电流密度下持续稳定运行50 h)。
2. JACS：用于析氧反应的富氧空缺Co3O4动力学行为的原位识别
OER是一个动态的过程，目前缺陷结构在过渡金属化合物电催化OER反应中的确切作用尚不清楚。研究缺陷电催化剂在原位条件下的构效关系，对于理解缺陷电催化剂的内在反应机理和缺陷位点的动态行为具有重要意义。
基于以上现状，湖南大学的王双印团队在国际知名期刊JACS上发表题为“Operando Identification of the Dynamic Behavior of Oxygen Vacancy-rich Co3O4 for Oxygen Evolution Reaction”的论文。Zhaohui Xiao, Yu-Cheng Huang, Chung-Li Dong为本文共同第一作者。
富氧空位（VO）的Co3O4是一种高效催化OER的催化剂。本文构建了纯尖晶石Co3O4和富VO的Co3O4作为催化剂模型，通过不同的原位表征，研究了电催化OER过程中的缺陷机理和缺陷位点的动态行为。原位EIS和CV表明，在相对较低的电位下，VO可以促进低价Co（部分由VO诱导以平衡电荷）的预氧化。这一观察结果证实，VO可以在OER过程发生之前，启动VO-Co3O4的表面重建。
原位XPS和原位XAFS结果进一步证明，VO-Co3O4的氧空位首先被OH*填充，促进了低价Co的预氧化，以及中间Co-OOH*的重构/脱质子。本文通过观察缺陷电催化剂的表面动态演变过程，识别了电催化过程中的真实活性位点，动态地揭示了Co3O4的缺陷机理。该发现将促使社会更加关注缺陷电催化剂的动态行为。
3.AM：构造自适应异质结作为析氧反应的高活性催化剂
电化学水分解对绿色能源技术至关重要。其中析氧反应（OER）需要一个与O=O键形成相关的高过电势，这决定了整个过程的能量效率。活化金属氧化物中氧的阴离子氧化还原化学，包括形成超氧化物/过氧化物(O2)n-，通常发生大多数高活性催化剂的在OER过程中。
基于此，南洋理工大学的徐梽川课题组在国际知名期刊Advanced Materials 上发表题为“Constructing an Adaptive Heterojunction as a Highly Active Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction”的论文，其中Xiao Ren为本文的第一作者。
本文设计了一种高活性的催化剂：电化学脱锂的LiNiO2，它有助于形成超氧化物/过氧化物(O2)n-物种，即NiOO*，以增强OER活性。OER诱导的表面重建构建了一个自适应异质结，其中NiOOH生长在脱锂的LiNiO2（脱锂LiNiO2/NiOOH）上。在这个结合点上，脱锂LiNiO2中的锂空位优化了NiOOH表面的电子结构，形成了稳定的NiOO*物种，从而使OER活性更好。这一发现为设计具有稳定的超氧化物/过氧化物(O2)n-的高活性水氧化催化剂提供了新的思路。
4. Nat Commun：共限域Co/Se“里应外合”协同促进MoS2析氢
高效、廉价催化剂的缺乏严重阻碍了电化学析氢反应（HER）的大规模应用。MoS2作为一种低成本的候选催化剂，存在催化性能低下的问题。
近日，厦门大学、中国科学院大连化学物理研究所邓德会老师等人在国际知名期刊Nature Communications上发表“Boosting hydrogen evolution on MoS2 via co-confining selenium in surface and cobalt in inner layer”的论文，Zhilong Zheng, Liang Yu为本文的共同第一作者。
本文利用MoS2的三原子层结构优势，报道了一种将Co/Se共限域于其内层和表层的MoS2纳米泡沫催化剂，该催化剂在大电流密度下显示了优异的HER活性，超过了以往报道的所有杂原子掺杂MoS2基催化剂。在1000 mA cm-2的大电流密度下的过电位仅为382mV，显著低于商业Pt/C催化剂的671 mV，并能够稳定维持360小时。
第一原理计算表明，内层限域的Co可以激发面内惰性硫的活性，而表层限域的Se则提供了一种稳定化效应，两者协同“里应外合”一方面适度减弱了活性位点的氢吸附强度（吸附能更接近0 eV），降低了过电位；另一方面提高了掺杂结构的稳定性，从而促进了面内和边缘活性位点的大量形成。这一策略为开发可用于工业HER应用的MoS2基催化剂提供了一条可行的途径。
5. Nano Lett.：具有分层孔隙率的双壳多掺杂空心碳纳米笼用于碱性和酸性介质中的高性能ORR
燃料电池是将化学能直接转化为电能的能源转换装置，属于清洁、可持续新能源研究开发的重点和热点。然而，缓慢的阴极氧还原反应(ORR)很大程度上阻碍了燃料电池的商业化应用。Pt基阴极催化剂能有效提升ORR反应速率，但存在稳定性低、资源紧缺、价格昂贵等问题。因此，开发非贵金属ORR催化剂对燃料电池的发展具有主要意义。类沸石咪唑骨架材料（ZIFs）因具有大的比表面积、组分可调、N含量丰富等特点，被认为是制备非贵金属ORR催化剂的理想前驱体材料，但是单纯ZIFs衍生的碳材料催化活性有限。因此，如何有效调控ZIFs衍生碳材料的组成、结构，并显著提升其电催化活性成为广大科研工作者的关注焦点。
近日，湘潭大学化学学院陈红飙教授、刘益江副教授课题组在国际著名期刊Nano Letters上发表题为“Dual-Shelled Multi-Doped Hollow Carbon Nanocages with Hierarchical Porosity for High-Performance Oxygen Reduction Reaction in both Alkaline and Acidic Media”的研究工作。王腾为本文的第一作者。
该工作首先通过三聚硫氰酸(TCA)与ZIF-67的相互作用制备核壳结构的ZIF-67@Co-TCA-x，并改变TCA与ZIF-67的质量比（x）来有效调控核壳结构颗粒的形貌。随后，高温热解ZIF-67@Co-TCA-x制备Co/N/S共掺杂的双壳中空碳纳米材料Co-N/S-DSHCN-x。电催化活性研究表明，双壳中空碳纳米材料Co-N/S-DSHCN-3.5在酸碱电解质中均表现出优异的催化活性和稳定性，这主要归因于Co-N/S-DSHCN-3.5具有多元素掺杂、双壳中空结构、大的比表面积和多级孔结构的特点。
6. Nano Lett.：“有序原子杂化Re2MnS6纳米片实现双金属位点驱动选择性氮还原”
利用传统工业化的Haber-Bosch方法进行固氮，不仅需要高温、高压的极端合成条件而且会消耗大量能源，造成环境污染和温室效应,因此利用电催化技术在室温环境中实现N2到NH3的转换用于替代高能耗的Haber-Bosch方法成为当前固氮领域的研究热点。然而由于N2是一种高度稳定，无极化的分子，同时与析氢形成竞争反应使得N2到NH3转换的法第效率难以提高。因此对于电催化固氮领域，寻找能实现高效固氮的新型材料是目前研究人员的主要目标。
近日，南京大学刘力哲、吴兴龙研究团队与河海大学周钢副教授合作在国际著名期刊Nano Letters上发表题为“Dual-metal-driven Selective Pathway of Nitrogen Reduction in Orderly Atomic-hybridized Re2MnS6 Ultrathin Nanosheets”的研究工作。南京大学物理学院博士生扶瑶、广西师范大学李庭会教授为该论文共同第一作者，南京大学吴兴龙教授、刘力哲副教授和河海大学周钢副教授为该论文共同通讯作者。
本文提出的利用双金属有序原子杂化策略在Re2MnS6超薄纳米片中调控N2的反应路径提高了固氮效率，最终实现~17% 的法拉第效率，是单纯ReS2催化剂的6倍。通过对Re2MnS6电子结构进行理论计算发现，当Mn原子引入ReS2形成有序的Re2MnS6结构时，Mn-S配位与Re-S配位的Paul电负性的差异将导致Re-5d和Mn-3d轨道上的电子转移，呈现半金属特性，为载流子的快速传输和反应路径调控提供了可能。
为了更加深入的了解Re2MnS6样品有增强电化学固氮性能的机制，研究团队通过原位拉曼技术探究Re2MnS6与ReS2纳米结构中反应路径差异。反应中间体的差异清楚地表明，双金属原子杂化引起了对固氮反应路径的调控，能有效地实现高的固氮效率，这为新型催化剂的设计和固氮动力学研究提供了新思路。
探索高性能双功能氧电催化剂在可再生能源转化技术中具有重要意义。理论和实验研究表明，孤立的非贵金属单原子氮碳材料（M-Nx）是一种性能优良的氧电催化剂。Mn-Nx材料由于其具有诸多优势，在氧化还原电化学中被广泛研究，为开发新的非贵金属电催化剂提供了机会。利用原为操作技术了解在实际操作条件下活性位点的化学态和原子结构演变对实现双功能Mn-Nx电催化剂的合理设计具有重大意义。
近日，北京理工大学的张加涛教授，陈文星副研究员和清华大学的王定胜教授，李亚栋教授合作在国际知名期刊Nano Letters 上发表了“Engineering Isolated Mn-N2C2 Atomic Interface Sites for Efficient Bifunctional Oxygen Reduction and Evolution Reaction”的研究工作。Huishan Shang为本文的第一作者。
研究者通过原子界面工程，报道了一种孤立的碳基Mn-Nx双功能电催化剂（MnSAC），该催化剂可高效催化OER和ORR。研究者还用同步辐射XAS研究了催化剂的Mn-N2C2局部原子构型。MnSAC在碱性介质中表现出良好的活性，其ORR半波电位（E1/2）为0.915 V (vs. RHE)在10 mA cm-2下，具有350 mvV的低OER过电位。
此外，还对MnSAC进行了原位XAS测量，发现了ORR到OER原子界面的电子结构和局域结构的变化。在ORR过程中，孤立的键长延长的低价Mn2+-N2C2部分是活性中心，而键长缩短的高价Mn4+-N2C2部分是OER过程中的活性位点。通过优化中间吸附，MnSAC中孤立的Mn位和氮掺杂碳载体的电子和原子协同效应提高了其催化性能。
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