催化前沿每周精选丨0715-0721

纳米人

2019-07-22

1. Nature Catal.综述：为将来的汽车应用开发高效的单原子催化剂

CO氧化是汽车催化中的一个重要初级反应，自20世纪70年代以来被广泛研究。近日，丰田中央研发实验室Shougo Higashi总结了最先进的CO氧化催化剂的发展以及通过单原子和原子簇催化剂催化CO氧化途径的详细研究对发展高质量催化剂的重要性。作者发现化学家们在通过调整化学势实现高性能催化效果上做了许多工作，包括控制合金的尺寸、结构、形状和程度来改变电子结构，调整催化剂-氧化物支持相互作用，以及吸附剂和催化剂之间的相互作用等。作者还提出了现代催化研究中一个缺失的环节，即汽车催化剂的未来发展和必须解决的相关问题，以实现可持续和绿色发展。

Atsushi Beniya and Shougo Higashi*. Towards dense single-atom catalysts for future automotive applications. Nat. Catal., 2019

DOI: 10.1038/s41929-019-0282-y

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0282-y

2. 乔世璋Chem：贵金属与二维金属有机框架的杂化中间体修饰用于加速水的电催化

电化学反应中间体的合理修饰对于实现高性能的异质催化十分重要。然而，在实际应用过程中反应中间体的修饰仍然面临着诸多挑战。在本文中，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋课题组通过将汉镍的2D 金属有机框架与Pt纳米晶杂化至同一个异质结构中实现了界面键合诱导的中间体修饰，这一杂化修饰策略能够加速电催化水分解过程中的氢析出和氧析出反应。理论计算证实电荷会在新生成的Ni-O-Pt界面键上重新分布，在提高OH*吸附能的同时降低H*的吸附能。同时，实验结果证实了Pt-O-Ni键的形成，这种新的化学键从电子结构上对异质化合物进行了修饰改性，使得Pt的电子密度和MOF中Ni的电子密度上升。因此，这种杂化催化剂的氢析出反应的催化活性高达7.92mA/ug Pt，这是文献报道的碱金属电催化中的最高值。

Chunxian Guo, Shizhang Qiao et al, Intermediate Modulation on Noble Metal Hybridized to 2D Metal-Organic Framework for Accelerated Water Electrocatalysis, Chem.2019

Doi:10.1016/j.chempr.2019.06.016

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30278-5?rss=yes

3. 天津理工大学Nature Commun.：宽频带和强可见光吸收光敏剂促进析氢反应

发展宽频带和强可见光吸收的光敏剂，对提高太阳能利用效果和促进人工光合作用具有重要意义。近日，天津理工大学Tong-Bu Lu，Zhi-Ming Zhang，Song Guo等多团队合作，开发了一种简便的策略，将Ir-复合物与香豆素和硼-二吡咯亚甲基共敏，得到了吸光区覆盖约50%可见光区的光敏剂(Ir-4)。作者将该类光敏剂引入水分解体系，发现其具有高的性能，比经典的Ir(ppy)₂(bpy)⁺催化剂高21倍以上，且TON可达115840，是目前报道的活性最高的分子光催化光敏剂。实验和理论研究表明，Ir-中介不仅实现了长寿命的硼-二吡咯亚甲基局域三重态，同时也使激发能从香豆素转移到硼-二吡咯亚甲基上，从而引发电子转移。。

Ping Wang, Song Guo*, Zhi-Ming Zhang*, Tong-Bu Lu*, et al. A broadband and strong visible-light-absorbing photosensitizer boosts hydrogen evolution. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-11099-8

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11099-8

4. Nature Commun.综述：光催化CO₂甲烷化的基本原理及应用

化石天然气（主要由甲烷组成）开采和燃烧会产生大量的温室气体，导致气候变化。然而，最近的研究成果表明，可以通过光催化将CO₂和水转化为甲烷和氧气来生产“太阳能甲烷”。这一方法可通过关闭碳循环，并以甲烷分子化学键的形式有效地储存和运输的太阳能，在实现可持续能源经济方面发挥不可或缺的作用。近日，多伦多大学Ulrich Ulmer，Geoffrey A. Ozin团队对光辅助CO₂转化为甲烷最新的研究进展进行了总结。

Ulrich Ulmer*, Geoffrey A. Ozin*, et al. Fundamentals and applications of photocatalytic CO₂ methanation. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-10996-2

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10996-2

5. Angew：氟石墨烯：一种用于H₂O还原和氧化的无金属催化剂

近日，青岛科技大学Yingjie Zhao，中科院化学所李玉良，Yurui Xue等团队合作，通过在碳布上生长三维多孔氟石墨炔网络(p‐FGDY/CC)，制备了一种高效的双功能无金属催化剂。实验和DFT计算表明，三维p‐FGDY/CC网络具有高活性，是一种高电位的无金属催化剂，可用于在酸性和碱性条件下的析氢反应(HER)、析氧反应(OER)以及全解水 (OWS)。实验和理论结果显示了很好的一致性，例如，在HER过程中，p‐FGDY/CC在酸性和碱性条件下达到10 mA cm^-2的电流密度，过电位分别只需82 mV和92 mV，这确保了对各种O/H中间体的吸附/解吸具有更高的选择性。该关键技术的提升实现了四功能H₂O氧化还原在全pH电化学条件下的应用。

Chengyu Xing, Yurui Xue,* Yingjie Zhao*, Yuliang Li*, et al. Fluorographdiyne: A Metal‐free Catalyst for Applications in Water Reduction and Oxidation. Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/anie.201905729

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201905729

6. Angew：双吡啶辅助金纳米粒子在铜纳米线上组装增强CO₂的电化学还原性能

近日，布朗大学Shouheng Sun，南京大学Jun-Jie Zhu等团队合作，报道了一种制备高效催化电化学CO₂还原 (CO₂RR)复合催化剂的新方法。该复合催化剂是通过4,4 '‐双吡啶(bipy)将金纳米颗粒固定在铜纳米线上制成的。Au‐bipy‐Cu在0.1 M KHCO₃中催化CO₂RR生成C‐产物，总法拉第效率(FE)在- 0.9 V时达到90.6%，其中CH₃CHO (25% FE)是主要液体产物(HCOO⁻、CH₃CHO和CH₃COO⁻)(75%)。Au‐bipy‐Cu催化剂CO₂RR催化性能增强是因为Au (CO₂ to CO)和Cu (CO 至 C‐产物)的 协同作用，且bipy促进了协同作用。Au‐bipy‐Cu是一种新型催化剂体系，可有效地将CO₂RR转化为C‐产品。

Jiaju Fu, Wenlei Zhu, Jun-Jie Zhu*, Shouheng Sun*, et al. Bipyridine‐assisted assembly of Au nanoparticles on Cu nanowires to enhance electrochemical reduction of CO₂. Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/anie.201905318

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201905318

7. Angew：低配位氧化铱限域在石墨化碳氮化物上用于高效OER

开发高效、耐用的析氧反应电催化剂是高效水电解槽的迫切需要。近日，卧龙岗大学Wenping Sun，中科大Xusheng Zheng等多团队合作，设计了一种新的氧化铱/石墨化碳氮化物(IrO₂/GCN)异质结构，该异质结构由低配位的IrO₂纳米颗粒(NPs)限制在超亲水性和高度稳定的GCN纳米薄片上。多功能GCN纳米片不仅保证了IrO₂ NPs的均匀分布，而且使得该异质结构催化剂具有超亲水性的表面，可以显著提高活性位点的暴露量，促进质子扩散。IrO₂与GCN的强相互作用降低了Ir原子的配位数，使得Ir位点周围产生晶格应变且电子密度增加，从而调节了催化剂与反应中间体之间的吸附行为。优化后的IrO₂/GCN异质结构不仅是目前报道的IrO₂‐基OER催化剂中质量活性最高的，而且具有良好的耐久性。

Jiayi Chen, Peixin Cui, Guoqiang Zhao, Xusheng Zheng,* Wenping Sun,* et al. Low‐Coordinated Iridium Oxide Confined on Graphitic Carbon Nitride for Highly Efficient Oxygen Evolution. Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/anie.201907017

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201907017