3篇Nature子刊齐发，纳米催化永远是这么火！

晴天

2018-05-08

催化是化学的核心领域之一，对国民经济社会发展起到不可或缺的推动作用。所谓纳米催化，并非仅仅是因为使用了纳米级的材料，而是从原子和分子的角度来研究催化机理和反应过程，这也是纳米催化之所以区别于传统催化的根本特征。

今天，我们简要汇总一下Nature系列子刊上新鲜出炉的3篇催化相关文献，以供交流学习。

第一篇：液相剥离赤铁矿，增强可见光催化！

第一作者：Aravind Puthirath Balan

通讯作者：Pulickel M. Ajayan, Madom Ramaswamy Iye, Chandra Sekhar Tiwary

第一单位：莱斯大学（美国）

研究亮点：

1. 首次从天然赤铁矿剥离出非范德华二维赤铁矿烯纳米材料

2. 赤铁矿烯具有和天然赤铁矿截然相反的铁磁性

3. 赤铁矿烯有助于增强可见光催化活性

自打石墨烯获诺奖以来，二维材料的蓬勃发展和应用前景无须赘言。开发新型的、功能化的、实用的二维材料，是科研工作者孜孜以求的研究方向。

有鉴于此，来自美国莱斯大学的Pulickel M. Ajayan、Madom Ramaswamy Iyer和Chandra Sekhar Tiwary团队合作报道了一种液相剥离天然赤铁矿获取非范德华结构二维赤铁矿烯的方法。

研究人员首先在丙酮湿润条件下将赤铁矿精细研磨成粉末，通过以DMF作为溶剂，通过常规超声实现液相剥离。TEM证实存在单层和双层赤铁矿烯二维纳米材料。

图1. 液相剥离赤铁矿烯二维纳米材料

图2.赤铁矿烯形貌

这种赤铁矿烯的特别之处在于：

1）体相赤铁矿表现出反铁磁性，而DFT和磁性能测试表明二维赤铁矿烯表现出弱铁磁性。

2）将这种二维赤铁矿烯负载于TiO₂纳米管上之后，有效增强了TiO₂可见光催化性能。研究人员认为，虽然从能带结构上来看并不利于电荷传递，但是光生电子仍然可以从赤铁矿烯转移到TiO₂。

图3. 赤铁矿烯磁学测试

图4. 赤铁矿烯增强TiO₂可见光催化活性

Aravind Puthirath Balan, Pulickel M. Ajayan, Madom Ramaswamy Iye, Chandra Sekhar Tiwaryet al. Exfoliation of a non-van der Waals material from iron ore hematite. Nature Nanotechnology 2018.

第二篇：捕获等离激元产生的多电子空穴对，增强可见光催化！

第一作者：Youngsoo Kim

通讯作者：Prashant K. Jain

第一单位：伊利诺伊大学香槟分校（美国）

研究亮点：

系统研究了等离激元增强可见光催化活性过程中的电子捕获机理，为可见光催化CO₂还原和固氮提供了有效指导。

人工光合作用能模仿植物将CO₂和H₂O转化成有用化学品和燃料，而其中的多电子氧化还原步骤太过缓慢，导致转化效率较低。近年来，以Au、Ag为代表的等离激元纳米颗粒表现出增强的可见光还原CO₂催化性能。如何理解等离激元增强机理，是指导开发更优异人工光合作用催化剂的关键一步。

有鉴于此，伊利诺伊大学香槟分校的Prashant K. Jain课题组通过定量捕获金纳米光催化剂等离激元激发产生的多电子-空穴对，系统研究了等离激元增强可见光催化的机理。

图5. 等离激元金纳米颗粒上的电子传递

实验和理论模型综合表明：

1）从金纳米颗粒捕获的电子传递动力学与光通量成函数关系。

2）在空穴清除剂存在的条件下，由于金纳米颗粒能带间d→sp过渡，电子-空穴成功分离，可以在连续的、温和的可见光照下（0.5-1.0 W cm^-2）实现多电子捕获，从而提高反应速率。

图6. 电子传递速率和光通量关系

图7. 空穴清除剂助力多电子传递

Youngsoo Kim, Jeremy G. Smith and Prashant K. Jain. Harvesting multiple electron–hole pairs generated through plasmonic excitation of Au nanoparticles. Nature Chemistry 2018.

第三篇：纳米Pt与二维载体之间的反应性金属-载体相互作用！

第一作者：Zhe Li

通讯作者：Yue Wu

第一单位：爱荷华州立大学（美国）

研究亮点：

使反应性金属-载体相互作用不载再限于氧化物载体，为开发更多种类的反应性金属-载体相互作用开辟了道路。

对负载型多相催化剂而言，载体和金属之间的反应可以产生形貌效应、电子效应以及多组分协同效应，从而调控催化活性。目前大多数载体都局限于氧化物这片小树林，阻碍了反应性金属-载体相互作用的发展道路。那么，是不是真的只有氧化物能够实现反应性金属-载体相互作用呢？

有鉴于此，爱荷华州立大学Yue Wu团队报道了一种利用非氧化物载体Nb₂CT_x MXene构建反应性金属-载体相互作用的方法。

研究人员在350℃条件下对Pt/Nb₂CT_x纳米催化剂进行H₂还原处理，在保持Pt纳米颗粒尺寸的情况下，减少了Nb₂CT_x表面的官能团，并形成Pt-Nb合金。表征结果表明，Pt-Nb合金相比于纯Pt具有更弱的CO吸附作用。而且，相比于没有被还原的Nb₂CT_x或体相Nb₂CT_x，Pt-Nb/Nb₂CT_x纳米催化剂表现出更高的H₂O解离活性，从而实现更优异的水煤气变换性能。

图8. 1% Pt/Nb₂CT_x MXene的水煤气变换反应动力学

图9. 1% Pt/Nb₂CT_x MXene催化剂表征

Zhe Li, Yue Wu et al. Reactive metal–support interactions at moderate temperature in two-dimensional niobium-carbide-supported platinum catalysts. NatureCatalysis 2018.