

只需10分钟，近一周不能错过的光/电催化顶刊速览！

邃瞳科学云

2021-07-05

导读：喜欢就点击蓝字关注我们吧，订阅更多最新消息

1、张铁锐团队Nature catalysis：高转化率和高选择性的室温电化学乙炔还原制乙烯

乙炔选择性加氢成乙烯是聚乙烯制造中的一个重要过程。传统的热加氢路线需要高于 100 °C 的温度和过量的氢气才能实现令人满意的 C₂H₂ 转化效率。在这里，作者报告了一种基于层状双氢氧化物 (LDH) 衍生铜催化剂的室温电化学乙炔还原系统，该系统可以提供高达 ~80% 的乙烯法拉第效率并抑制烷烃和氢的形成。该系统在模拟气体进料中以 50 ml min^-1 的流速提供超过 99.9% 的乙炔转化率，可以生成高纯度乙烯，乙烯/乙炔体积比超过 105，且残留氢气可忽略不计（0.08 vol.%）。这些乙炔转化指标优于其他大多数的策略。因此，这些发现最终证明了一种电化学策略，是当前乙炔到乙烯转化技术的可行替代方案，且在能源经济方面具有潜在优势。

2、张健团队Nature catalysis：乙炔杂质的选择性电催化半氢化生产聚合物级乙烯

目前的热催化乙炔加氢工艺需要使用过量氢气，贵金属钯催化剂、高温等条件。在这里，作者报告了一种电催化半氢化策略，可在常规条件下选择性地将乙炔杂质还原为乙烯。对于含有 1 × 10⁴ ppm 乙炔的粗乙烯流，电化学沉积的铜枝晶表现出 97% 的高比选择性，高的活性和出色的长期稳定性。理论和电化学拉曼研究表明，Cu 催化剂优异的电催化乙炔半氢化性能源于其放热的乙炔吸附和乙烯解吸。同时，电催化半加氢策略普遍适用于加氢其他炔烃杂质以生产聚合物级烯烃，例如丙烯和 1,3-丁二烯。

3、陈鹏团队Nature communication：双原子镍-铁位点用于双功能电催化 CO₂ 还原和OER

在继承单原子催化剂的特殊优点的同时，双原子位点催化剂 (DASC) 利用两个相邻的原子金属物种来实现互补和协同作用。在此，作者合成了由锚定在氮掺杂石墨烯上的镍-铁异质双原子对组成的 DASC。它对 CO₂ 还原反应 (CO₂RR) 和析氧反应 (OER) 均表现出非凡的电催化活性和稳定性。此外，配备这种双功能催化剂的可充电锌-二氧化碳电池显示出高法拉第效率和出色的可充电性。深入的实验和理论分析揭示了催化铁中心与相邻镍原子之间的轨道耦合，这导致轨道能级改变、独特的电子态、更高的铁氧化态以及与反应中间体更弱的结合强度，从而提高了 CO₂RR 和 OER 性能。这项工作为异质 DASC 的合理设计、工作机制和应用提供了重要见解。

4、 Zetian Mi团队JACS：CuS修饰的 GaN 纳米线用于将 CO₂ 混合气体转化为 HCOOH

由半导体和助催化剂组成的混合材料已广泛用于将 CO₂ 气体光电化学 (PEC) 转化为甲酸 (HCOOH) 等增值化学品。然而，迄今为止，能够将真正的 CO₂ 气体还原为化学物质的催化结构的合理设计仍然是一个巨大的挑战。在这里，作者报告了一种独特的光电阴极，该光电阴极由集成在平面硅 (Si) 上的 CuS 装饰的 GaN 纳米线 (NW) 组成，用于将含 H₂S 的 CO₂ 混合气体转化为 HCOOH。模拟的工业 CO₂ 气体中的 H₂S 杂质可导致 Cu 自发转化为 CuS NPs，从而显着提高 HCOOH 生成的法拉第效率。CuS/GaN/Si 光电阴极表现出高的法拉第效率 HCOOH (70.2%) 和电流密度 (7.07 mA/cm²)。这是首次证明混入 CO₂ 气体中的杂质可以增强而不是降低 PEC CO₂ 还原反应的性能。

5、 Kazunari Domen团队JACS：Mg-Zr 共掺杂调节 Ta₃N₅ 纳米颗粒的缺陷和表面性能用于光催化产氢

同时控制半导体材料的缺陷种类和表面性质是提高光催化性能的关键方面，但仍然具有挑战性。在这里，作者通过NH₃ 氮化过程合成了 Mg-Zr 共掺杂的单晶 Ta₃N₅ (Ta₃N₅:Mg+Zr) 纳米粒子，在可见光下表现出比原始 Ta₃N₅ 高 45 倍的光催化产氢活性。作者还绘制了缺陷物种（包括还原的 Ta、氮空位和氧杂质）、表面性质（与 Pt 助催化剂的分散相关）、电荷载流子动力学和光催化活性之间关系的图片。由共掺杂引起的缺陷调整和表面性质的同时优化显然导致在该材料中产生高浓度的长寿命电子以及这些电子有效迁移到均匀分布的表面 Pt 位点。这些作用大大增强了光催化活性。这项工作强调了通过一步策略改善催化材料多种性能的重要性和可行性。

6、李亚飞团队Nature communication：MBenes上尿素的电化学合成

尿素是化学工业中的重要原料，被广泛用作化肥中的氮源。目前的工业尿素合成不仅需要苛刻的反应条件，而且消耗了大部分的NH₃。在常温常压条件下通过电化学反应将 N₂ 和 CO₂ 转化为尿素是一种新型的绿色尿素合成方法。然而，由于缺乏合适的电催化剂，该方法的大规模推广受到限制。在这里，通过密度泛函理论计算，作者系统地研究了三种实验可用的二维金属硼化物 (MBenes)、Mo₂B₂、Ti₂B₂ 和 Cr₂B₂ 对 N₂ 和 CO₂ 同时电催化偶联生产尿素的催化活性。根据作者的研究结果，这三种 MBenes 不仅具有优异本征基础活性，极限电位范围为 -0.49 至 -0.65 eV，而且可以显着抑制 N₂ 还原为 NH₃的竞争反应。特别是，二维 Mo₂B₂ 和 Cr₂B₂ 在电化学反应条件下具有优异的抑制表面氧化和自腐蚀的能力，使其成为相对有前景的尿素生产电催化剂。该工作为尿素的电化学合成开拓了新的道路。

7、谢微团队Angew：表面增强拉曼光谱证明OER关键过渡态

NiFe基电催化剂，因为其高的析氧反应（OER）活性和低的价格，引发了科学界的关注。然而，NiFe电催化剂催化OER的复杂反应机制尚未得到充分证明。实际上，过渡态物种的检测可以解释 OER 性能和催化剂组分/结构之间的构效关系。在这里，作者在碱性介质中对Ni₃FeO_x 纳米粒子 (NPs) 的界面 OER 过程进行了无标记表面增强拉曼光谱 (SERS) 检测。通过使用双功能 Au@Ni₃FeO_x 核-卫星超结构作为拉曼信号增强剂，作者得到了来自中间 O-O^-物种的直接光谱证据。根据 SERS 结果，Fe 原子是初始 OH- 到 O-O^- 氧化的催化位点。吸附在相邻 Fe 和 Ni 位点上的 O-O^-物种经历了进一步氧化（由电子转移到 Ni(III) 引起的），并最终形成 O₂产物。这项工作揭示了界面过渡态中间体的光谱证据，并证实了 NiFe 氧化物在 OER 中的双金属中心催化，这可能为高性能 OER 电催化剂的合理设计提供指导。

8、王昕团队Nature子刊：OER晶格氧反应性和比例关系的调控

开发高效低成本的OER电催化剂对于实现可再生能源储能的工业能源系统至关重要。然而，大多数催化材料固有的线性比例关系限制了理论过电位，也限制了高效电催化剂的发展。在此，作者使用Na_xMn₃O₇ 材料，报告了一种通过碱金属离子调节晶格氧反应性和比例关系来构建高效析氧电催化剂的有效策略。具体来说，Na⁺的数量与晶格氧反应性有关，因为这会影响氧孤对态中氧空穴的数量（由天然 Mn 空位形成的），同时控制着 O-H 键断裂和 O-O 键形成之间的能垒对称性。另一方面，Na⁺的存在可以与*OOH中的悬垂氧发生特定的非共价相互作用，以克服线性标度关系的限制，降低过电位上限。将基于原位光谱的表征与第一性原理计算相结合，作者证明适度的 Na⁺ 调控 (NaMn₃O₇) 表现出最佳的析氧活性。这项工作提供了一种新的策略，通过调整晶格氧反应性和比例关系来开发用于水氧化或其他氧化反应的高效催化剂。