第一作者：马洋博，国梁，常亮，郭伟华
通讯作者：范战西，郭正晓，干林，凌崇益
通讯单位：香港城市大学，香港大学，清华大学，东南大学
论文DOI：10.1038/s41467-025-63013-0
串联催化是一种实现高选择性与高效率多电子/质子转移反应的有效策略，在硝酸盐电还原等众多物理化学和生物过程中具有重要意义。然而，目前的串联催化剂仍面临界面难以调控、晶相类型受限以及合成工艺复杂等挑战。在本研究中，作者提出了一种简便的种子介导合成策略，成功制备出非常规相 4H/fcc Au−Cu 异质结构，并构建了独特的“串珠手链”型纳米结构（BBN）。并且作者可通过调节金纳米线上离散铜域的密度，实现 Au/Cu 界面密度的连续可控。作为概念验证，4H/fcc Au−Cu BBN 在硝酸盐电还原制氨反应中展现出卓越的催化性能，氨产率和部分电流密度分别高达 116.2 mg h-1 cm-2 与 1652.0 mA cm-2。原位表征与理论计算进一步揭示，非常规 4H 晶相与 Au/Cu 域间的串联催化效应共同赋予了体系优异的电催化活性。此外，该策略亦可拓展用于其他非常规相异质纳米结构的合成。
随着低成本可再生电力的日益普及，电催化多电子/质子转移反应在实现闭合氮循环与碳循环的净零可持续发展中展现出巨大潜力。以硝酸盐（NO3-）电还原为氨（NH3）为例，该过程涉及 8 个电子和 9 个质子的转移，不仅可实现废水中 NO3-的无碳去除，同时还能合成 NH3；再如二氧化碳电还原，涉及 2–18 个电子与质子的协同转移，可将过量 CO2转化为高附加值化学品或燃料。然而，这类多电子/质子转移过程往往包含多步反应与多种路径，单一活性组分催化剂难以同时实现高选择性和高效率。例如，尽管铜（Cu）在硝酸盐还原反应（NO3RR）中是一类前景广阔的单组分催化剂，但仍存在关键限制：在较低还原电位下活性氢（*H）供给不足，而在较高还原电位下则表现为 NO3-吸附/活化能力较弱。为克服这些瓶颈，串联催化剂成为理想的解决方案。通过在同一结构中整合两个或多个互补活性的组分，串联催化剂能够在各自最优条件下促进不同反应步骤/路径的进行，从而协同实现整体优异的催化性能。
尽管近年来已取得重要进展，现有金属串联催化剂仍面临三大挑战。首先，不同组分间的界面密度有限，限制了中间体在不同活性组分之间的高效转移，从而抑制整体催化性能。例如在已报道的 Ag–Cu、Pd–Cu 以及Au–Cu Janus 纳米晶中，每个 Ag/Pd/Au 域仅与一个 Cu 域相连，导致绝大多数远离界面的中间体无法高效利用。其次，现有金属串联催化剂的晶相几乎局限于热力学稳定相，而这些常见相通常活性有限。相比之下，非常规晶相往往能在多种反应中表现出优于常规相的催化性能，因此具有潜在优势。第三，现有金属串联催化剂的合成过程复杂、耗时且需多步骤与多设备，不利于实际应用。因此，发展一种通用的合成策略以构建具有高界面密度和非常规晶相的串联催化剂，具有重要意义。
亮点1：本文制备了一种在构型、晶相、界面和合成方法四个方面均具有创新性的串联催化剂——4H/fcc Au−Cu BBNs。
亮点2：制备的 4H/fcc Au−Cu BBNs在电催化多电子/质子转移反应中表现出优异性能，在硝酸盐电还原制氨反应中氨产率和部分电流密度分别为116.2 mg h-1 cm-2与 1652.0 mA cm-2。
亮点3：通过一系列原位/非原位研究和理论计算，揭示了非常规相和高界面密度对串联催化的促进机理。
亮点4：实现了非常规相金属串联催化剂的拓展合成，成功合成了三元非常规相Au@Ag−Cu BBNs。
图1：4H/fcc Au−Cu BBNs 的合成与表征
图2：4H/fcc Au−Cu heteronanostructures 上Cu覆盖度的连续调控
图3：4H/fcc Au−Cu heteronanostructures 的XAS谱学研究
图4：4H/fcc Au−Cu BBNs的电化学硝酸根还原到氨性能
图5：原位机理研究
图6：理论计算
图7：4H/fcc Au@Ag-Cu BBNs的拓展合成
该研究通过一种简便的种子介导方法成功合成了非常规相 4H/fcc Au–Cu 串珠手链纳米结构（BBNs）。在电化学 NO3RR 反应中，所合成的具有最高 Au/Cu 界面密度的 4H/fcc Au–Cu BBNs 表现出最佳催化性能。该合成方法还可进一步拓展至其他非常规相串联催化剂的构建。本工作凸显了设计具有独特纳米结构的非常规相串联催化剂在调控复杂多电子/质子转移反应中的重要意义。
文章题目：Unconventional phase metal heteronanostructures with tunable exposed interface for efficient tandem nitrate electroreduction to ammonia
论文作者：Yangbo Ma, Liang Guo, Liang Chang, Weihua Guo, Tao Zhou, Fengkun Hao, Wenda Su, Jingwen Zhou, Guozhi Wang, Mingzheng Shao, Jihan Yu, Jinwen Yin, Yunhao Wang, Fu Liu, An Zhang, Kun Qian, Jie Wang, Xiuyun Zhang, Weijia Zhou, Shengqi Chu, Chongyi Ling, Lin Gan, Zhengxiao Guo & Zhanxi Fan
文章信息： Nat. Commun. 16, 7632 (2025)
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63013-0
范战西：香港城市大学化学系副教授，国家贵金属材料工程研究中心香港分中心核心成员，国际先进材料协会会士。目前主要从事低维金属基纳米材料的可控合成及其在催化、能源、环境应用方面的研究。迄今，已在国际核心SCI期刊上发表论文 137篇，论文总引 21500余次，H指数为 67 。其中第一/通讯作者论文66篇，包括PNAS (3), Nat. Rev. Chem., Nat. Protoc., Nat. Commun. (5), Chem. Soc. Rev. (2), Acc. Chem. Res. (2), J. Am. Chem. Soc. (5), Angew. Chem. Int. Ed. (5), Adv. Mater. (6), CCS Chem., Matter (2)等。曾入选/获得科睿唯安“全球高被引学者”（连续6年）、纳米科学与纳米科技领域“世界前2%科学家”(连续5年）、国际科学组织“Vebleo协会会士”、Advanced Materials 和 Small 期刊“Rising Star”、欧洲材料研究学会“青年科学家奖”、J. Mater. Chem. A期刊“新锐科学家”等。担任 Carbon Energy（IF: 19.5）副主编，Science Bulletin（IF: 18.8）期刊编委，和SmartMat（IF: 15.3）等期刊青年编委；并担任60余个国际顶级/知名SCI期刊的审稿人，包括PNAS, Nat. Catal., Nat. Energy, Nat. Sustain., Nat. Commun., Sci. Adv., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Matter等。
郭正晓：香港大学理学院化学系与工学院机械工程系双聘讲座教授，伦敦大学学院（University College London）荣誉教授，欧洲科学院院士（Academia Europaea），英国皇家化学学会会士。课题组致力于“理论计算，机器学习和实验开拓”生成式结合的创新科研机制，开发能源与环境应用方向的功能纳米材料（MOFs、COFs、二维材料、多级孔材料等）、应用于“热-电-光”联动催化，以及光-电化学装置的设计与制备。已主持/参与英-中，欧-中，欧盟，英-美等联合创新项目30多项。曾荣获（国际）化学工业协会（SCI）、皇家化学学会（RSC）和英国材料学会（IoM3）联合颁发的贝尔比奖，多次入选科睿唯安全球“高被引科学家”。以通讯作者身份在Nature, Nature Energy, Nature Communications, JACS, Angew, EES, Advanced Materials, Nano Letters, PRL等发表SCI论文300余篇（被引用超34,000次）。详情请见：https://zxguo.hku.hk/。
干林：清华大学深圳国际研究生院材料研究院副教授，博士生导师。2004年与2009年分别获清华大学材料科学与工程学士和博士学位，先后在清华大学材料学院北京电子显微镜中心和德国柏林工业大学化学系做博士后研究。主要从事氢能与燃料电池材料、材料结构的电子显微学研究。近年来在燃料电池低铂和非贵金属催化剂的设计与制备、催化剂的表面原子结构和催化剂/电解质界面结构等领域取得了系列成果，相关结果在Science, Nature Materials, Nat Commun, Angew Chem Int Ed, Adv Mater, Nano Lett, Adv Funct Mater, ACS Catal等期刊上发表论文100余篇，他引9000余次。获国际电子显微学会联合会第18届国际显微大会青年科学家奖，并先后获得广东省杰出青年科学基金(2015)、国家自然科学基金委面上基金和优秀青年科学基金（2016）等项目资助。
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