清华大学王定胜课题组2020年代表性成果集锦
催化计
催化计编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是清华大学化学系王定胜课题组。
王定胜，清华大学化学系，博士生导师。研究领域为无机纳米材料化学，自2009年博士毕业以来，一直以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。2018年入选国家万人计划青年拔尖人才。发表学术论文90余篇，含Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名期刊。
以下是课题组研究的主要方向：
1. 纳米材料制备与性能
2. 金属纳米催化
以下按照三个部分对王定胜团队2020年期间发表的部分成果进行归纳，供大家学习和交流。
Part 1. 综述
Part 2. 单原子催化
Part 3. 电催化
一、综述
1. Nature Communications：用于多相催化的负载型原子簇的合成策略
具有均匀金属位点和确定的低核度的负载型原子团簇是介于单原子催化剂（SACs）和纳米颗粒大小之间的中间态。得益于金属-金属键的存在，负载型原子团簇可以在每个金属原子之间触发协同效应，这使其独特的催化性能不同于SACs和纳米颗粒。然而，可扩展负载型原子簇的结构-属性关系和精确的合成以及原子级的洞察仍然是一个巨大的挑战。
近日，清华大学王定胜、Shufang Ji和北京理工大学张加涛等人综述了负载型原子团簇合成的最新进展，总结并分类了用于制备支持的原子团簇的六种策略，包括气相合成和尺寸选择策略，前体预选择策略，主客体策略，湿式化学还原方法，基于树枝状聚合物的策略以及原子层沉积。
文章要点
1）作者首先总结了气相合成和尺寸选择策略。尺寸大小选择策略，不仅可以有效制备具有精确核度的单金属原子团簇，而且可以制备双金属和多金属簇。然而，该方法所需的复杂设备和有限的输出是主要缺点。
2）金属种的烧结可以用奥斯特瓦尔德成熟过程来描述，其驱动力是不同尺寸的金属原子表面扩散能的不同。结果表明，当金属种的尺寸分布较窄时，烧结得到了明显的抑制。为了防止负载型原子团簇合成过程中的烧结，预先选择策略可确保其从合成开始到结束具有均匀性。而前体预选策略的关键是选择金属前体以获得相应的负载的原子团簇。
3）基于还原的主客体策略在合成负载型原子团簇（特别是包含杂原子的氮配位双金属位点）方面具有优势。此外，主客体策略在合成具有优异催化性能的异质ACs具有极大的潜力。
4）作者总结了基于湿化学还原法合成的负载型原子团簇，其中金属纳米材料充当该团簇的载体。湿化学还原法可用于工业规模的催化剂的生产。然而，通过这种方法制备的团簇通常具有宽的尺寸范围。因此在纳米结构上加帽的配体在控制形态和防止团聚方面起着至关重要的作用。此外，在某些情况下，配体可能会影响簇的氧化态和试剂分子的进入。因此，通过湿化学还原法精确合成负载型原子团簇存在一定的局限性。
5）作者总结了基于树状聚合物的合成策略。N掺杂碳材料被广泛用于通过N配位基的配体保护来负载和稳定原子团簇。具有树状结构的聚合物含有高比例的N，同时，其具有类似于MOF的精准结构。此外，不同的树枝状聚合物表现出不同的包封和稳定能力，因此影响了催化性能。目前的树枝状聚合物合成策略仅局限于实验室合成，因此限制了该方法可扩展地合成原子团簇。
6）作者指出，原子层沉积（ALD）方法在制备富缺陷碳上负载的M2原子团簇方面具有极大的潜力。尽管ALD方法可以精确制备单金属和双金属原子团簇，然而，所需的高精密设备，原料价格昂贵等缺点，限制了ALD方法在工业上的可扩展性。
7）作者最后概述了负载型原子团簇的合成，表征和催化的应用前景和面临的挑战。
Rong, H.,Ji, S., Zhang, J. et al. Synthetic strategies of supported atomic clusters forheterogeneous catalysis. Nat Commun 11, 5884 (2020).
DOI：10.1038/s41467-020-19571-6
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19571-6
2. 李亚栋院士Chem. Rev.综述：单原子位点催化剂的化学合成
以可控的方式操纵金属原子来合成具有理想结构和性能的材料是化学合成的圣杯。单原子位点催化剂(SASC)的出现表明科研人员正在朝着这个目标迈进。由于其最大的原子利用效率和独特的结构和性能，SASC引起了广泛的研究关注和兴趣。但SASC科学研究和实际应用的前提是在合适的载体上制备高活性、稳定的金属单原子。在此，清华大学李亚栋院士与王定胜副教授等人综述了近年来合成SASC的各种合成策略。
本文要点：
1）首先科研人员着重介绍了近年来国内外在SASC化学合成方面的研究进展，总结了各种SASC的合成策略，并通过具体的合成实例，重点介绍了如何在合成和反应过程中稳定单金属原子的迁移和聚集。
2）此外，还举例说明了SASC的合成过程，如退火温度、配位点设计、载体选择等，是如何影响SASC的原子结构和稳定性以及催化性能的。作者指出，在单原子体系中，即使具有相同的中心金属原子，这些单原子位点催化剂通常也表现出不同的催化性能。因此，在原子尺度上精确设计和可变调节SASC中活性位点的配位数和局部原子结构，以实现其优异的活性，是一个非常重要和具有挑战性的研究领域。
3）最后，提出了SASC合成技术的发展方向，并展望了SASC科学研究和实际应用的前景与挑战。开发高活性、高选择性、高稳定性的催化剂一直是工业催化的关键任务和最终目标。由于SASC优异的催化活性和潜在的成本优势，应更加关注其工业应用的挑战：（1）探索并实现非均相反应，以取代传统的均相反应；2）提高SASC的稳定性，特别是在高金属负载或高反应温度下，以满足工业需求；（3）解决多相催化中催化剂碳沉积和金属活性位点中毒等问题；（4）筛选出适合工业应用的单原子催化系统，开发具有大规模应用前景的生产技术；（5）加快单原子催化的工业化应用，推动SASC在各个研究领域的广泛应用，尽快造福社会。
Shufang Ji,et al. Chemical Synthesis of Single Atomic Site Catalysts. Chem. Rev. 2020.
DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00818
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00818
3. 王定胜/李亚栋Small Methods: 原子级厚度催化剂的合成与应用研究进展
原子级厚度催化剂（ATC）在能量转换应用中显示出广阔的前景，这是因为与大体积的同类材料相比，在大比表面积和高暴露表面原子密度具有显着优势。在与能量转换相关的反应中，已合成的ATC，包括金属（合金），层状双氢氧化物（LDH），过渡金属二硫化碳（TMD），过渡金属氧化物（TMO）和碳基材料，比商业贵金属具有更高的效率和更好的催化稳定性。
有鉴于此，清华大学王定胜教授、李亚栋院士综述了原子级厚度催化剂在合成与应用研究方面的最新进展，并总结了其面临的挑战和未来的发展方向。
本文要点
1）首先介绍了合成不同类型ATCs的各种策略，“自上而下法”包括湿化学合成、水热法、模板辅助法、电化学辅助法和化学气相沉积方法；“自下而上法”包括机械压缩，剥离或液相剥离辅助法。
2）然后详细介绍了ATCs在电化学催化氧还原反应（ORR），甲酸氧化反应（FAOR），甲醇氧化反应（MOR）、乙醇氧化反应（EOR）、析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、二氧化碳还原反应（CRR）等领域中的最新应用进展。
3）ATCs面临的挑战包括：（1）大规模合成ATCs方法仍待进一步探索；（2）ATCs在某些合成方法中会有大量表面活性剂残留，阻碍了催化活性位点的暴露；（3）ATCs对高压电子束非常敏感，对其形貌和结构的表征手段有待进一步探索。ATCs的未来发展方向包括：（1）进一步提高ATCs的催化性质；（2）在燃料电池应用中，利用非贵金属的ATCs取代传统贵金属（如铂碳）催化剂；（3）提高贵金属Pt基或Pd基ATCs对CO等中间体的抗中毒能力，设计制备价格低廉，高活性、高稳定性的ATCs催化剂。
Ali Han etal. Atomic Thickness Catalysts: Synthesis and Applications. Small Methods,2020.
DOI:10.1002/smtd.202000248
https://doi.org/10.1002/smtd.202000248
4. 王定胜AM综述：单原子催化剂中的金属-载体电子相互作用及其在电催化中的应用
金属-载体电子相互作用（EMSI）作为理论电子研究和多相催化剂设计之间的桥梁，引起了人们的广泛关注。而利用金属与载体之间的相互作用，通过结构和协同促进，是提高电催化效率的最基本的策略之一。迄今为止，作为实现EMSI的理想模型，人们已经开发出多种类型的单原子催化剂（SACs）。因此对SACs上的电子相互作用的认识也被推向了一个更高的水平。
近日，清华大学王定胜教授对EMSI的类型、表征、机理及其电催化应用进行了较为全面的综述。
文章要点
1）作者首先从形成，种类（碳掺杂金属（M–dN）、过渡金属化合物（M–TMCs）以及金属-金属（M–M））对EMSI进行了概述。
2）为了深入研究SACs的电子态和EMSI，人们发展了许多表征方法，迄今为止，EMSI的表征主要包括扫描透射电镜（STEM）表征某些情况下的形貌和电子密度，X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）表征电子态，以及用于研究EMSI对反应活性的影响的化学探针等。这些技术从不同的角度对EMSI进行了研究，因此加深了对SACs的理解。
3）作者总结了EMSI在析氢反应（HER），析氧反应（OER），氧还原反应（ORR），CO2还原反应（CO2RR）以及氮还原反应（NRR）中的应用。除了上述电催化反应外，有机电催化反应也是EMSI应用的一个潜在领域。由于EMSI和电化学产生的灵活的电子结构，SACs可以为不同的有机分子提供特定的反应状态，这可能有助于有机化合物的选择性生产。
4）目前制备SACs的挑战主要在于抑制聚集趋势。为此，人们已经付出了大量精力，其中金属与载体之间的相互作用是使用最广泛的策略之一。通常认为EMSI的影响是活动位点电子结构的变化，但稳定作用是EMSI的最基本影响。同时作为EMSI的另一作用，电子结构的调节对于催化效率至关重要。其在电催化领域，可以分为加速电子转移，共催化以及活化效应，并均与d带理论有关。
5）作者最后提出了SACs上EMSI面临的挑战、机遇和未来的发展方向，为以后的研究提供了一个总体的观点和参考。
JiaruiYang, et al, Electronic Metal–Support Interaction of Single-Atom Catalysts andApplications in Electrocatalysis, Adv. Mater. 2020
DOI:10.1002/adma.202003300
https://doi.org/10.1002/adma.202003300
5. EES综述：CVD生长2D过渡金属二硫化物高效电催化的原子尺度工程
化学气相沉积（CVD）是一种合成原子薄的二维（2D）纳米材料的有效方法，其合成的纳米材料具有高质量，厚度均匀，效率高，可控制性和可扩展性的优点。得益于引人入胜的电子和化学特性，二维过渡金属二硫化物（TMDs）在与能源有关的电催化应用中受到越来越多的关注，包括析氢，二氧化碳的还原，析氧和I3-的还原等。定制CVD生长的TMDs的表面和界面不仅对于改善电子结构和导电性，而且对了解活性位点的内在本质至关重要。因此，迫切需要对CVD生长的2D TMDs进行电催化的全面而深入的认识。近日，中南大学雷永鹏教授，清华大学王定胜教授，李亚栋院士和湖南大学段曦东等人重点介绍了2DTMDs的表面和界面工程策略的最新进展，例如几何尺寸控制，缺陷工程，掺杂改性，相变，应变调整和异质结构的构建。最后，还讨论了当前的挑战和前景。综述旨在为能量电催化的2DTMD中的原子级活性位点提供深刻的理解和设计。
综述要点：
1）通过CVD合成的2D MX2具有较高的晶体质量，晶体取向，较大的畴尺寸，厚度均匀性和连续性等特点，可以选择性地进行工程设计使其用以能量电催化。研究人员已经成功地合成了各种2DTMDs纳米片。
（1）单晶2D TMDs的合成途径分为两类：（i）第一类是预先沉积的基于金属的前体（例如金属薄膜或金属氧化物）的硫化，硒化或碲化。作为两步增长路线（路线1）；（ii）第二种是将具有金属元素和硫族元素的气态原料同时引入多温区炉中，并在生长底物上相互反应形成MX2（路线2）。
（2）CVD合成的2D TMDs的异质结构已经引起了越来越多的关注，一般说来，其异质结构包括横向和垂直异质结构，它们的差异源于明显的成核和生长动力学条件。
（3）合适的基材对于高质量MX2纳米片和相应的电化学材料的生长至关重要。随着CVD生长的TMDs的大量研究，绝缘单晶（例如，石英，云母，SrTiO3和蓝宝石等）都是优良的衬底。同时，将已生长的TMDs转移到任意基材上对于研究材料性能至关重要。石墨，GC和CC的弱界面相互作用可能会限制电子从电极转移到活性位。相比之下，金箔一种理想的基材。
2）为了设计具有各种物理和化学性质（例如电导率，电子结构和催化性质）的2D TMDs，综述讨论了六种原子级工程策略包括：（1）几何尺寸控制（确保2D超薄特性，从而增加费米能级附近的状态密度并暴露出更多低配位的位点。通过尺寸限制可以明显改善界面电荷转移和催化反应性。）；（2）缺陷工程（调节电催化剂表面电子结构，优化吸附能的重要策略。在2D TMDs上具有高精度的工程缺陷，其有利于获得必要的缺陷催化机制，这些缺陷还充当“陷阱”，以捕获金属前体并稳定金属原子以形成单中心催化剂。）；（3）掺杂改性（由于掺杂剂和掺杂位置的多样性，杂原子掺杂主要修饰局部表面结构）；（4）结构相变（提供了与原始材料不同的独特物理/化学特性（例如金属特性），引起了广泛关注。它使惰性基础平面具有电催化活性）；（5）应变调整（晶格应变可能会破坏相应电化学反应的线性比例关系，从而优化活性，选择性和稳定性）；（6）异质结构构造（横向/垂直异质结构）（形成的异质界面引起增强的电子转移能力和许多低配位位点。因此，可以通过精心设计异质结构来优化反应能垒）。
3）总结了CVD合成2D TMDs面临的一些挑战及解决方案：（1）合成路线相对难以实现高通量生产。同时，在转移过程中，容易发生TMDs的污染。因此，有必要努力探索在合适的底物上直接合成TMD的实用而直接的策略；（2）原子级缺陷的可控制合成2D TMDs是一个有吸引力的但具有挑战性的任务；（3）由于长期运行，CVD合成的TMDs电催化剂无法避免结构重建。重建的TMDs与原始的TMDs不同，这使得对真实活性位点的鉴定更加困难。因此，跟踪反应过程中的结构演化和重构至关重要。并且确实需要原位或操作光谱表征工具（例如EXAFS），这有助于获得真正的反应机理；（4）目前，CVD生长的TMD作为电催化剂的研究主要集中在HER上。可以尝试探索其在CO2RR和N2还原反应中的潜在应用，这将有助于准确地获得原子级的催化机制；（5）当前CVD合成的TMDs纳米催化剂的活性评估主要在于简化的设备，而集成电极的研究很少，这需要研究人员特别关注其在集成电极上的应用。
Wang,Qichen, et al, Atomic-scale engineering of chemical vapor deposition-grown 2Dtransition metal dichalcogenides for electrocatalysis, Energy Environ. Sci.,2020
DOI:10.1039/D0EE00450B
http://dx.doi.org/10.1039/D0EE00450B
二、单原子催化
6. 段学志/王定胜Angew.:吸附位点调控指导乙炔半加氢Ni-Ga催化剂的原子设计
通过抑制乙炔的全加氢和低聚化，催化乙炔半加氢制得乙烯，一直以来都是聚乙烯工业中经济高效和环境友好性的去除痕量乙炔杂质的关键而又具有挑战性的一步。工业上最常用的催化剂是以Ag改性Pd为基础的。非贵金属Ni-Zn合金组合可替代贵金属Pd基催化剂。镍基催化剂作为一种潜在的替代催化剂，其合理的设计和原子调控对准确控制催化剂的吸附/脱附性能至关重要。金属催化剂的原子调控已成为提高产品选择性的一种有效而又具有挑战性的策略。为了合理设计和调节Ni-M催化剂，需要通过DFT计算来实现本质上依赖于Ni位点的吸附-脱附行为，以确定催化乙炔半加氢的Ni位点的独特构型。此外，考虑到金属催化乙炔加氢反应具有显著的结构敏感性，需要开发可控合成策略，以保证在添加其他金属组分(如Ga和in)时，Ni-M颗粒尺寸和Ni、M元素的原子有序排列不会发生明显变化。
有鉴于此，华东理工大学的段学志和清华大学的王定胜教授等人，提出了一种密度泛函理论(DFT)指导下的原子设计策略，以合成具有完全隔离的Ni位点的NiGa金属间催化剂，对乙炔半加氢反应表现出优异的催化性能。
本文要点
1）相对于Ni5Ga3金属间化合物和具有整体Ni位点的Ni催化剂，合成的具有完全隔离的Ni位点的NiGa金属间催化剂对乙炔半氢化反应表现出更加优异的催化性能。完全隔离的Ni位点不仅显示出优先的乙炔π-吸附，而且还增强了乙烯的解吸。
2）通过像差校正高分辨扫描电子显微镜和X射线吸收光谱测量，进一步确定了不同Ni位点的可控合成。实验结果也验证了这一预测，即NiGa金属间催化剂对乙烯的选择性显着提高，并抑制了积碳的形成。
总之，该工作证明了DFT指导的Ni-Ga催化剂的原子设计，并将Ni位点调节到完全分离的位置，是实现乙炔半加氢的有效策略，对于通过原子调节金属位点来合理设计高选择性且稳定的催化剂具有重要的借鉴意义。
YueqiangCao et al. Adsorption Site Regulation to Guide Atomic Design of Ni‐GaCatalysts for Acetylene Semi‐hydrogenation. Angew., 2020.
DOI:10.1002/anie.202004966
https://doi.org/10.1002/anie.202004966
7. JACS：通过金属有机框架内三苯基膦的原位磷酸化设计Co1-P1N3原子界面结构以促进催化性能
碳负载的孤立的单原子金属-Nx（MNx）材料表现出理想的电催化性能。研究表明，MNx的最佳活动位点结构为MN4的平面四配位结构。然而活性金属中心周围四个配位N原子的强电负性将直接导致大量反应吉布斯自由能在金属活性物质表面进行中间吸附，这会减慢催化反应的动力学过程。作为相同的V族元素，P具有比N原子弱的电负性，因此可以通过控制催化反应过程中活性位点上中间体的吸附过程，对P进行改性以优化催化剂。传统方法总是使P原子与金属位点或与某些金属位点配合使用，从而只能间接且有限的优化过程。金属有机骨架（MOF）材料具有严格的金属离子和有机配体周期性分散状态，这使它们有希望成为制备各种单原子催化剂的模板和前体。由于MOF能够提供周期性分散的空心笼，以封装尺寸合适的磷前体分子。通过原位磷化，它可以提供统一设计金属原子与P原子的配位环境。
有鉴于此，清华大学王定胜教授，李亚栋院士，北京理工大学陈文星副研究员报道了通过对封装在MOF中的三苯基膦进行原位磷酸化，合理设计了可控的Co1P1N3原子界面结构的碳载离析单钴原子放氢反应（HER）催化剂，其中Co直接与一个P原子和三个N原子配位（表示为Co-SA/P-原位）。
文章要点
1）通过通过原位磷化工艺，湿化学和热解制备出Co-SA/P-原位。首先，采用Zn/Co双金属MOF作为模板和前体，利用分子内的笼状结构封装磷源（三苯基膦，PPh3）。通常，PPh3与双金属MOF的前体（Zn2+，Co2+和2-甲基咪唑）混合。自组装过程后，PPh3分子被捕获在MOF笼子中（表示为P@Zn/Co-MOF）。然后在Ar条件下，在950 °C下热解P@Zn/Co-MOF，得到Co-SA/P-原位。
2）TEM表征显示原位Co-SA/P在950 °C热处理后保留十二面体形状。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）显示碳载体内没有纳米颗粒结构。元素映射显示C，N，P和Co在整个体系结构中均匀分布。此外，原子分辨率高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）在载体上仅表现出小的均匀分散的亮点，可以认为是单个Co原子。
3）在酸性介质中，原位CoSA/P显示出增强的HER性能，在10mA cm-2下的过电势为98 mV，Tafel斜率为47 mV dec-1，优于具有CoN4界面结构和其他对比催化剂
4）X射线吸收近边结构（XANES）和扩展的X射线吸收精细结构（EXAFS）分析以及密度泛函理论（DFT）计算表明，增强的HER活性是由氢吸附在Co1P1N3内金属部位表面的最佳反应吉布斯自由能引起的。
5）用于原子界面设计的合成策略还可以应用于其他3d金属（Mn，Fe，Ni，Cu等），这可能有助于促进高性能金属单原子催化剂的开发。
Jiawei Wan,et al, In-Situ Phosphatizing of Triphenylphosphine Encapsulated withinMetal-Organic-Frameworks to Design Atomic Co1-P1N3Interfacial Structure for Promoting Catalytic Performance, J. Am. Chem. Soc.,2020
DOI:10.1021/jacs.0c02229
https://doi.org/10.1021/jacs.0c02229
8. Angew: 单原子In合成及高性能CO2还原制备甲酸
主族元素In在CO2还原制备甲酸的反应中是个有吸引力的电催化剂，但是该材料具有较高的过电势和较低的法拉第效率，抑制了其进一步应用。有鉴于此，北京理工大学张加涛、陈文星，清华大学王定胜等报道了一种结构为Inδ+-N4的单原子催化剂，在CO2还原为甲酸的反应中展现了较高的转化率。
本文要点：
（1）合成方法。在通过Zn2+、2-甲基咪唑为原料合成ZIF-8的过程中加入In(acac)3，从而In(acac)3限域在ZIF-8的笼中，并且ZIF-8在室温和高温热解过程中都很好的抑制了In物种的聚集。将合成的In(acac)3@ZIF-8在Ar气氛中加热到950 ℃，得到In负载量为1.25 wt %的含In纳米材料。
（2）该催化剂的TOF达到12500h-1（-0.95 V vs. RHE），在8.87 mA cm-2电流密度中生成甲酸的FE效率达到96 %，过电势为-0.65 V vs. RHE。
HuishanShang, Tao Wang, Jiajing Pei, Zhuoli Jiang, Danni Zhou, Yu Wang, Haijing Li,Juncai Dong, Zhongbin Zhuang, Wenxing Chen, Dingsheng Wang, Jiatao Zhang,Yadong Li. Design of a Single‐AtomIndiumδ+‐N4Interface for Efficient Electroreduction of CO2 to Formate, Angew. Chem. Int.Ed. 2020
DOI:10.1002/anie.202010903
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202010903
9. 王定胜等Nano Res.综述：调节单原子催化剂的局部配位环境，提高催化性能
为了提高催化剂的催化性能，研究人员对催化剂的局部配位环境进行了长时间的研究。特别是随着单原子催化剂(SACs)的发展，配位环境的研究已经深入到原子水平。中心金属原子周围的配位原子对其催化活性、选择性和稳定性起着重要的作用。近年来，通过对配位原子、配位数和二配位或高配位壳层的精确调节，使SACs的催化性能得到了显著提高，这为SAC的进一步发展提供了新的机遇。
有鉴于此，清华大学王定胜教授、北京理工大学HongpanRong等人，讨论了配位环境的表征、局部配位环境的调节以及它们相关的可调催化性能。
本文要点
1）首先讨论了配位环境的表征，主要涉及X射线衍射技术，原位技术和理论预测，然后按载体材料和配位原子分类，系统地讨论了最近报道的SAC的局部配位环境，特别是关于中心金属原子配位环境的调节及其对催化性能的影响。
2）调整配位环境并优化SAC的催化性能仍然面临一些挑战。（1）SACs配位环境的详细表征对于双金属位点SACs和多壳配位SACs等复杂情况仍然不令人满意。迄今为止，可以通过环形暗场STEM或像差校正STEM直接观察到特定载体（主要是2D过渡金属二卤化金属）的某些特定配位，但由于技术限制，常规载体材料的表征仍然受到限制。（2）迄今为止，催化过程中配位环境和相关电荷转移的表征主要取决于理论模型，如何直接观察催化过程中的动态变化是一个有吸引力的挑战。新的原位技术，例如原位扫描隧道显微镜和原位像差校正的STEM，可能有助于理解催化机理和进一步的理论研究。
3）（3）具有精确设计的配位环境的新型SAC可能表现出新颖的催化性能。如前所述，配位原子会显着影响中心金属原子的电子和几何结构。（4）调整SAC配位环境的策略可以为大规模合成SAC提供新的机会。例如，锚定在各种载体上的金属纳米颗粒由于配位环境的原因，可以通过轻松进行的机械处理而转变为SAC。同时，大多数非均相催化剂由块状或纳米级金属材料组成。因此，现有的多相催化剂的后处理可能是大规模合成工业应用SAC的普适策略。
总之，SACs配位环境的研究可以帮助研究人员深入研究催化过程中的结构演变和作用机理，有助于为今后的SACs研究提供新的思路。
Li, X.,Rong, H., Zhang, J. et al. Modulating the local coordination environment ofsingle-atom catalysts for enhanced catalytic performance. Nano Res. (2020).
DOI:10.1007/s12274-020-2755-3
https://doi.org/10.1007/s12274-020-2755-3
10. 李亚栋院士&王定胜Nano Research综述：单原子催化助力长寿命，高能量的锂硫电池
凭借高能量密度和低材料成本，锂硫电池（LSB）在过去十年中迅速成为令人着迷的储能系统。但是，由于尚未完全理解和控制电池运行期间的电极-电解质界面化学，例如多硫化物穿梭效应和活性硫利用率低。因此，仍然存在许多亟待解决的问题。单原子催化剂（SACs）由于在结构-活性关系和反应机理的原子级鉴定中具有良好的适用性，以及它们在原子精度上的结构可调性，为解决上述LSBs的问题提供了新的可能性策略。
有鉴于此，清华大学李亚栋院士，王定胜教授全面总结了高活性SACs在长寿命，高能量LSB中的最新研究进展。
文章要点
1）作者阐述了关于LSBs的基础知识，面临的主要挑战和潜在解决策略，以便更好地了解SACs对于LSB的机制和效果。
2）作者阐述了利用SACs不仅可以增强正极表面与LiPSs之间的化学作用，而且还能改善LiPSs氧化还原动力学的策略包括：（1）用于在正极上进行有效的多硫化物转化的SACs；（2）修改隔板；（3）保护锂金属负极。
3）作者展望了用于LSBs的SACs的未来发展方向和前景包括：（1）合理选择金属中心并优化配体；（2）设计更有效的SACs载体；（3）开发简单可控的SACs合成策略；（4）通过先进的原位表征揭示催化机理；（5）用于锂金属负极的SACs的研究；（6）商业化。
Zhuang, Z.,Kang, Q., Wang, D. et al. Single-atom catalysis enables long-life, high-energylithium-sulfur batteries. Nano Res. (2020).
DOI：10.1007/s12274-020-2827-4
https://doi.org/10.1007/s12274-020-2827-4
11. 李亚栋院士Nat. Nanotech.: Rh单原子电催化剂助力甲酸燃料电池
甲酸燃料电池是最有希望在未来应用于便携式电子设备的电池之一，虽然贵金属如铂（Pt）和钯（Pd）通常被认为是是现今对于甲酸氧化反应（FOR）最有效的催化剂，然而，它们较差的单位质量活性与抗中毒性却阻碍了甲酸燃料电池的应用，因此，为了满足甲酸燃料电池的应用需求，必须开发新型的FOR电催化剂。
有鉴于此，清华大学李亚栋院士和王定胜副教授等在Nature Nanotechnology发表了他们关于铑（Rh）单原子负载的氮掺杂碳（SA-Rh/CN）电催化剂催化氧化FOR成果，SA-Rh/CN材料有效地解决了FOR催化剂单位质量活性低与抗中毒性差的问题。
本文要点
要点1. 通过原位合成法合成Rh/ZIF-8前驱体，并通过900 oC煅烧，成功合成了SA-Rh/CN电催化剂，表征发现，合成的SA-Rh/CN与ZIF-8展现出相似的六方形貌，并且其中Rh单原子分布均匀。
要点2.尽管Rh/C电催化剂的FOR活性较低，SA-Rh/CN的单位质量活性与最新的Pd/C和Pt/C电催化剂相比却分别提高了28倍和67倍，同时，SA-Rh/CN的抗CO中毒性能也显著增强。经过长时间测试后，Rh单原子的团聚现象并不明显，具有出色的催化稳定性。
要点3. DFT计算表明，在SA-Rh/CN表面，甲酸（HCOOH）先分解为HCOO*，然后再被氧化为CO2。同时根据计算结果，在SA-Rh/CN表面要生成CO的反应能垒较高，同时SA-Rh/CN表面与CO的亲和性较弱，导致了SA-Rh/CN有很好的抗CO中毒性能。
基于以上讨论，该论文报道了一种极为高效的FOR电催化剂，同时也为今后FOR电催化剂的开发提供了崭新的思路。
Xiong et al., Single-atom Rh/N-doped carbonelectrocatalyst for formic acid oxidation, Nat. Nanotech., 2020.
DOI: s41565-020-0665-x
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0665-x
12. AM：用于苯乙烯环氧化的高负载单原子铁催化剂的克级合成
单原子位点（SAS）催化剂因其极高的原子效率和出乎意料的催化性能而受到越来越多的关注。迄今为止，有关开发SAS催化剂的合成策略已经进行了大量研究，并报道了一些新颖的方法。然而，SAS催化剂的研究仍然存在一些挑战。首先，单个原子位点易于移动和聚集，因此通常需要复杂而细致的策略来稳定金属原子。其次，由于不同的金属原子表现出不同的配位性质，因此大多数合成方法不具备通用性。最后，目前所报道的SAS催化剂均具有相对较低的金属负载量，因此无法满足实际应用需求。因此，探索简便，通用的合成策略以获得高金属负载量的SAS催化剂具有重要意义。
近日，清华大学王定胜副教授，李亚栋院士报道了一种热解配位聚合物（PCP）策略，该策略简便易行，可广泛应用于一系列SAS催化剂的合成，包括SAS-Fe，SAS-Ni，SAS-Cu，SAS-Zn，SAS-Ru，SAS -Rh，SAS-Pd，SAS-Pt和SAS-Ir等。
文章要点
1）该SAS催化剂可以以克为单位轻松合成，并且SAS-Fe催化剂的金属负载量达到创纪录的30 wt％，满足了实际应用的要求。
2）研究发现SAS-Fe催化剂使用O2作为唯一氧化剂对苯乙烯的环氧化反应显示出空前的催化性能（产率：64％；选择性：89％），而Fe纳米颗粒和铁卟啉则无活性。
该研究为开发具有高性能的SAS催化剂并促进其工业应用铺平了道路。
Yu Xiong,et al, Gram-Scale Synthesis of High-Loading Single-Atomic-Site Fe Catalysts forEffective Epoxidation of Styrene, Adv. Mater. 2020
DOI:10.1002/adma.202000896
https://doi.org/10.1002/adma.202000896
13. Nature Communications：提高氧还原活性的非对称配位Cu-S1N3单原子催化剂
原子界面调节被认为是调节单原子催化剂性能的有效方法。
有鉴于此，北京理工大学张加涛教授，陈文星副研究员，清华大学深圳国际研究生院李佳副教授，清华大学王定胜副教授报道了一种合理设计的金属-有机骨架层状多孔碳（S-Cu-ISA/SNC）中硫和氮原子配位的铜原子催化剂的实用策略。
文章要点
1）研究人员采用三步法制备出S-Cu-ISA/SNC。首先，用分子筛咪唑骨架(ZIF-8)作为分子笼来吸附和包裹铜前驱体，Cu(acac)2与ZIF-8的前体（Zn2+和2-甲基咪唑）混合，并通过自组装过程将Cu(acac)2连接到ZIF-8笼子（Cu-ZIF-8）上。其次，将Cu-ZIF-8和硫粉共同分散在四氯化碳(CCl4)中（S-Cu-ZIF-8），搅拌干燥，保证了硫在Cu-ZIF-8粉末表面的吸附。最后，S-Cu-ZIF-8在Ar气氛下于950 °C经过热解得到S-Cu-ISA/SNC。此外，作为对比，还制备了Cu-ISA/SNC（S与Cu分离）、Cu-ISA/NC（无S）、SNC（S，N改性碳）和NC（N-改性碳）。
2）研究发现，S-Cu-ISA/SNC中铜位的原子界面构型为不对称排列的Cu-S1N3。该催化剂表现出优异的氧还原反应活性，相对于RHE的半波电势为0.918 V。此外，通过原位X射线吸收精细结构测试，研究人员发现低价亚Cu-S1N3在氧还原过程中充当了活性中心。
该研究为金属单原子催化剂的可控合成和性能调节提供了通用策略。
Shang, H.,Zhou, X., Dong, J. et al. Engineering unsymmetrically coordinated Cu-S1N3single atom sites with enhanced oxygen reduction activity. Nat Commun 11, 3049(2020)
DOI：10.1038/s41467-020-16848-8
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16848-8
14. 王定胜Angew：通过热转化和表面重建合成的Ag单原子催化剂用于高效CO2电化学还原
众所周知，CO2电化学还原（CO2RR）产物从C1（一氧化碳，甲酸和甲烷）广泛分布到C2+（乙烯，乙醇，丙酮等）中。将CO2选择性还原为CO被认为是最重要的CO2RR商业化应用，CO加氢是生产碳氢化合物和醇类的重要途径。Pd，Au以及Ag基电催化剂已经显示出高的催化活性和对CO2RR转化为CO的选择性。特别地，与Pd和Au相比，由于其低成本和丰度，Ag基催化剂已在CO2RR中得到了广泛的研究。迄今为止，人们已经开发出各种策略来提高Ag基电催化剂的CO选择性，包括改变晶面、大小和形状、与其他金属合金化、构建表面缺陷以及修饰暴露表面。然而目前银的利用率仍然很低，不适合可持续发展。此外，传统多相催化剂的不均一性导致CO2RR中活性中心和反应路径容易发生变化。因此，开发一种简单的方法来制备具有高CO选择性和高Ag利用率的Ag基CO2RR电催化剂至关重要。
近日，清华大学王定胜副教授报道了通过纳米银（AgNPs）的热转化和MnO2的表面重构，成功合成了一种Ag1单原子催化剂（Ag1/MnO2）。
文章要点
1）研究人员通过原位ETEM）、原位XRD等表征技术和密度泛函理论（DFT）计算首次揭示了Ag NPs向单原子的演化过程。从MnO2（211）晶面到（310）晶格面的温度诱导表面重构过程是对Ag单原子存在表面进行牢固约束的关键过程，即MnO2的热处理和表面重构是形成Ag单原子的驱动力。
2）实验结果显示，与可逆氢电极相比， Ag1/MnO2在-0.85 V下的法拉第效率达到95.7%，并且对CO2RR具有长期稳定性。
3）密度泛函理论（DFT）计算结果表明，单个Ag位点在费米能级附近具有较高的电子密度，可以作为CO2RR中唯一的活性中心。结果表明，Ag1/MnO2催化剂具有优异的CO2RR催化性能，远远超过传统的Ag纳米催化剂（AgNP/MnO2）和其他已报道的Ag基催化剂。
NingqiangZhang, et al, Silver single-atom catalyst for efficient electrochemical CO2 reduction synthesized from thermal transformation and surface reconstruction,Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI:10.1002/anie.202014718
https://doi.org/10.1002/anie.202014718
15. Angew：金属有机框架衍生的Co单原子位点电子密度的原子级调制用于提高氧还原性能
通过工程原子构型调整单原子活性位的电子结构是提高氧还原反应（ORR）的有效策略，但由于缺乏合理的指导和有效的方法，目前仍然具有挑战性。
近日，清华大学王定胜教授报道了单原子Co活性位点的电子密度可以通过调节配位原子的类型来调节原子构型而定制。并通过结合密度泛函理论（DFT）计算和电化学分析来阐明单原子Co活性位点的原子构型诱导的电子密度与ORR性能之间的相关性。
文章要点
1）在DFT计算的指导下，研究人员设计并合成了MOFs衍生的Co单原子催化剂，该催化剂具有掺入空心碳多面体中的最佳Co1-N3PS活性部分（Co1-N3PS/HC）。
2）结果显示，Co1-N3PS/ HC具有出色的碱性ORR活性，半波电势为0.920 V，具有优越的ORR动力学，创纪录水平的动电流密度以及31 mV dec-1的超低Tafel斜率，其性能超过了Pt/C以及几乎所有非贵金属ORR电催化剂。即使在更具挑战性的酸性介质中，Co1-N3PS/HC的ORR动力学仍然超过Pt/C催化剂。
这项工作提供了原子级的见解，以揭示活性位点的电子密度与催化性能之间的关系，从而促进了高效催化剂的合理设计。
YuanjunChen, et al, Atomic-level modulation of electronic density of metal-organicframeworks-derived Co single-atom sites to enhance oxygen reductionperformance, Angew. Chem. Int. Ed., 2020
DOI:10.1002/anie.202012798
https://doi.org/10.1002/anie.202012798
16. Angew：稀土铒单原子催化剂可用于增强光催化CO2还原反应
由太阳能驱动将CO2（CO2RR）光催化还原为化学燃料是减少CO2排放并生产增值产品的可行途径。然而，由于缺乏有效的催化剂，尤其是在纯水系统中，低的催化效率和低的选择性阻碍了光催化CO2RR的发展。为了应对这一场挑战，清华大学王定胜，李亚栋院士和黑龙江大学王国凤等人报告了一种新颖的原子限制和配位（ACC）策略，以制备在氮化碳纳米管上负载具有可控分散密度的稀土铒（Er）单原子（Er1/CN-NT）催化剂。
本文要点：
1）提出了一种原子限制和配位策略，并成功合成具有可调铒原子分散度的稀土单原子催化剂。该合成策略简便易行，用途广泛，可扩展到其他稀土单原子催化剂的合成，丰富了单原子催化剂的元素类型。
2） 实验结果和原位XAFS以及DFT计算共同表明，铒在原子级别上的均匀分散对光催化CO2RR优异性能有主要贡献。
3）首次发现稀土单原子光催化CO2RR特性，并提出稀土单原子催化剂的合成策略，拓宽了光催化剂的选择，并促进了对稀土单原子催化的机理的理解和实际应用。
DingshengWang, et al. Rare‐earth single erbium atoms for enhancedphotocatalytic CO2 reduction reaction, Angew. Chem. 2020
DOI:10.1002/ange.202003623
https://doi.org/10.1002/ange.202003623
17. 王定胜JACS：修饰在UIO-66-NH2上的铜单原子的光诱导用于强化光催化CO2还原制液体燃料
光催化CO2还原制增值燃料是减缓全球变暖、提高能源供应的一条很有前途的途径。然而，光催化剂选择性差、效率低往往是其实用化的限制因素。
近日，清华大学王定胜教授，安徽师范大学毛俊杰教授报道了一种在UIO-66-NH2载体上锚定铜单原子（Cu-SAs/UIO-66-NH2）形成的光诱导方法以显著促进CO2光还原制液体燃料。
文章要点
1）将制备的UIO-66-NH2浸泡在乙醇和三水合硝酸铜的混合溶液中，恒定搅拌。Cu物种首先被抽真空的UIO-66-NH2吸附，然后通过光诱导过程形成相应的配合物。
2）所开发的Cu SAs/UIO66-NH2可用于催化CO2在太阳能驱动下转化为甲醇和乙醇，其产率分别为5.33和4.22 μmol h−1 g−1。这些产率远远高于原始的UIO-66-NH2和Cu纳米粒子/UIO-66-NH2复合材料。
3）理论计算表明，在UIO-66-NH2催化剂上引入Cu-SAs极大地促进了CO2向CHO*和CO*中间体的转化，对甲醇和乙醇具有良好的选择性。
本研究为在原子尺度上设计高性能的光催化CO2还原催化剂提供了新思路。
Gang Wang,et al, Photoinduction of Cu Single Atoms Decorated on UiO-66-NH2 forEnhanced Photocatalytic Reduction of CO2 to Liquid Fuels, J. Am.Chem. Soc, 2020
DOI:10.1021/jacs.0c09599
https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c09599
18. 李亚栋/王定胜Chem: 调控多相Cu催化剂中Cu-O键的极性优化其炔烃硼氢化催化性能
对于多相催化剂，活性金属中心与配位原子间形成键合力，这一配位化学键的性质对催化剂的性能有着重要的影响。然而，多相催化剂的配位环境往往难以调控的，因而很难通过对配位环境与其活性之间的关系。化学键的性质受其极性调控，因可以通过调节多相催化剂中配位键的极性来调控其催化活性。
近日，清华大学的李亚栋院士和王定胜副教授等人合作，提出了一种二元有效控制多相Cu催化剂中Cu-O键极性的方法，可以提高其在硼氢化反应中的催化活性。
文章要点
1）他们首先通过湿法浸渍的方法在氧化铈纳米棒(CeO2)载体上构建了具有弱极性Cu-O键的单原子位点Cu催化剂。随后，他们利用密胺树脂高温热解还原氧化铈的策略，成功得到具有强极性Cu-O键的氧化铈纳米棒负载的单原子位点Cu催化剂。
2）研究发现，经过密胺树脂热解还原处理后的催化剂中的单原子位点Cu中心的电子密度降低，氧化铈表面的配位O原子的电子密度升高。这一电子密度的改变显著增加了Cu-O键的偶极矩，即Cu-O键的极性得到了增强。而且，具有强极性Cu-O键的催化剂表现出明显高于具有弱极性Cu-O键的催化剂的催化活性。
该工作提高了对化学键性质与催化性能之间的相关性的理解，为设计制备更高性能的多相催化剂提供了一种新的思路。
Jian Zhang,Ziyun Wang, Wenxing Chen, Yu Xiong, Weng-Chon Cheong, Lirong Zheng, WenshengYan, Lin Gu, Chen Chen,, Qing Peng, P. Hu, Dingsheng Wang, Yadong Li. TuningPolarity of Cu-O Bond in Heterogeneous Cu Catalyst to Promote Additive-freeHydroboration of Alkynes. Chem, 2020.
DOI:10.1016/j.chempr.2019.12.021
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.12.021
三、电催化
19. 雷永鹏/李亚栋/王定胜等Small: 阳离子取代和阴离子空位调节Co3O4超薄纳米片的电子态
过渡金属氧化物(TMOs)由于其高地球丰度和可调的电子性质等特点，在析氧反应中受到了广泛的关注。O空位（Vo）在调整局部表面和电子环境以降低活化能垒方面起着重要作用。
有鉴于此，湖南大学的YexinFeng、中南大学的雷永鹏等人，提出了一种有效的策略，通过结合阳离子取代和阴离子空位来改善Co3O4超薄纳米片催化剂的OER性能。
本文要点
1）独特的电子态和超薄结构保证了电子的快速传输和可达的活性位点。缺氧Fe-Co-O纳米片（3-4 nm厚度）催化剂达到10 mA cm-2的电流密度仅需要260 mV的过电势，并且Tafel斜率为53 mV dec−1，在1.0 M KOH中的催化性能优于基准RuO2催化剂。
2）计算表明，在适当的位置和含量下，铁阳离子和Vo的结合引入，可以很好地调节中间体的吸收，从而将限速步骤的活化能从0.82降低至0.15 eV。缺氧Ni-Co-O纳米片也证明了这种方法的可行性。
总之，该工作不仅在阳离子取代，阴离子空位和OER性能之间建立了清晰的原子级相关性，而且为合理设计OER高效催化剂提供了借鉴。
Qichen Wanget al. Engineering of Electronic States on Co3O4Ultrathin Nanosheets by Cation Substitution and Anion Vacancies for OxygenEvolution Reaction. Small, 2020.
DOI:10.1002/smll.202001571
https://doi.org/10.1002/smll.202001571
20. EES：主族单Sb-N4活性中心高效催化CO2RR制甲酸盐
主族金属元素锑（Sb）是促进CO2还原反应（CO2RR）生成甲酸盐的重要电催化剂，是一种重要的储氢材料，也是许多工业反应中的关键化学中间体。
近日，北京理工大学陈文星副研究员，张加涛教授，清华大学王定胜副教授，李亚栋院士报道了以氮掺杂碳（NC）纳米片为载体的Sb-N4单元组成的Sb单原子（SA）材料（Sb SAs/NC）可用于高效催化CO2RR合成甲酸盐。
文章要点
1）研究人员采用湿化学和热解方法合成了Sb SAs/NC。首先，氯化锑（SbCl3）、双氰胺（DCDA）和三甲酸在乙醇中充分混合，干燥。然后，将混合粉末在800 ℃、N2气氛下热解，然后进行酸蚀处理，制得Sb SAs/NC。
2）AFM图像的高度剖面显示，厚度仅为0.5 nm。此外， TEM图像中没有观察到可见的Sb颗粒。STEM和EDS元素图谱结果表明，Sb和N在整个结构上分布均匀。HAADF-STEM图像表明，Sb原子高度分散，并锚定在载体上。沿X-Y方向的强度分布表明，Sb原子的间距至少为0.34 nm，明显大于Sb原子的有效直径，这进一步证明了Sb物种在Sb SAs/NC中的孤立分散特征。此外，采用XPS研究了Sb SAs/NC的组成和化学状态。
3）相对于RHE，Sb SAs / NC在-0.8 V时，具有94.0％的甲酸法拉第效率。原位X射线吸收精细结构（XAFS）研究和密度泛函理论（DFT）计算表明，出色的CO2RR活性源自带正电的Sbδ+-N4（0<δ<3）活性位。
该研究结果为合理设计和精准调控主族金属（Sb，In，Sn，Bi等）的CO2RR原子尺度电催化剂提供了重要指导。
ZhuoliJiang, et al, Discovery of Main Group Single Sb-N4 Active Sites for CO2 Electroreduction to Formate with High Efficiency, EnergyEnviron. Sci., 2020
DOI:10.1039/D0EE01486A
https://doi.org/10.1039/D0EE01486A
21. Nano Letters：单原子铜催化剂的配位环境和多尺度结构工程助力高效电催化氧还原
电化学氧还原反应（ORR）动力学迟缓是阻碍燃料电池和可充电金属-空气电池广泛商业化的关键因素之一。然而传统用于催化ORR的铂基催化剂的高成本、稀缺性和较差的稳定性极大地阻碍了铂基催化剂的广泛应用。因此，开发具有高性能、低成本的无贵金属电催化剂具有重要意义。研究表明，在非铂基催化剂中，固定在碳(M-N-C)催化剂上的过渡金属配位氮原子由于其独特的电子性质和在酸性和碱性电解液中良好的电化学稳定性而成为近年来最具吸引力的催化剂。M-N-C催化剂中的M-NX原子部分被认为是ORR的催化活性中心。为了进一步提高M-N-C单原子催化剂的催化性能，通常采用两种策略，包括：调整金属中心的电子结构和优化M-N-C原子的几何结构以提高活性位点利用率。
有鉴于此，清华大学王定胜副教授，李亚栋院士报道了首次成功合成了一类具有密集分散的孤立单原子铜活性位和强化传质的单原子铜催化剂（Cu-SA/NC(meso)），并用于电催化ORR。
文章要点
1）研究人员首先在氩气气氛下碳化ZIF-8沸石表面的介孔SiO2层，然后在HF溶液中酸浸去除SiO2层，得到具有增强介孔的三维多面体碳颗粒材料（NC(meso)）。然后以富介孔的高缺陷碳多面体为载体，包裹Cu(NO3)2分子（铜源）和尿素。最后在氩气氛下将混合物热解后，得到Cu-SA/ NC（meso）催化剂。其中，尿素的热分解会产生氨，氨将充当还原剂，以便在热解过程中将Cu位点从+2转换为+1氧化态，从而生成更多的Cu1+–N活性位点。而ORR活性会随着Cu1+位点的增加而增加。
2）实验结果显示，经过优化的Cu1+-SA/NC(meso)-7催化剂在碱性电解液中表现出优异的电催化活性、较长的耐久性和较高的耐甲醇能力，在0.90V时的半波电位（E1/2）为0.898 V，大的动能电流密度（JK）为5.36 mA cm-2，效果优于目前报道的大多数具有优异性能的ORR电催化剂。令人印象深刻的是，基于Cu1+-SA/NC(meso)-7电极的可充电锌空气电池表现出优异的性能和高功率密度，显示了Cu1+-SA/NC(meso)-7巨大的实际应用前景。
3）机理分析结果表明，Cu1+原子中心的密集分布是提高Cu1+-SA/NC(meso)-7催化剂ORR催化活性的关键因素，而增强的介孔结构通过改善对内部活性中心的可及性，促进了Cu1+活性中心的质量/电荷传递，有效提高了Cu1+活性中心的利用效率。
TingtingSun, et al, Engineering of coordination environment and multiscale structure insingle-site copper catalyst for superior electrocatalytic oxygen reduction,Nano Lett., 2020
DOI:10.1021/acs.nanolett.0c02677
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02677
22. 李亚栋院士Nano Energy：铈修饰促进铂纳米颗粒的电催化甲醇氧化
直接甲醇燃料电池（DMFC）作为将化学能直接转化为电能的装置，由于其具有以下优点而被广泛研究：能量转换效率高，运输方便，易于存储且环境污染小。铂基电催化剂因其高电催化活性而受到广泛关注。迄今为止，尽管已经开发出各种策略来制备高效的基于Pt的电催化剂。但是，有效制备高效电催化剂的策略仍然需要进一步发展。金属物质的锚固是制备高活性催化剂的有效策略。此策略的基本原理是将金属物种固定在金属纳米颗粒上，从而改变金属纳米颗粒的结构性质并影响其催化性能。研究表明，金属的锚固在金属催化剂的改性中显示巨大功效。但是，该策略尚未应用于MOR的Pt基电催化剂的合成。
有鉴于此，北京化工大学XinLiang，清华大学李亚栋院士，王定胜教授报道了铈修饰的铈修饰的Pt纳米颗粒（NP），其中的铈（III）氧化了（铈含量为1wt％）固定在铂纳米颗粒上，用于甲醇氧化反应（MOR）。
文章要点
1）研究人员通过在高温高压反应器中使用乙二醇（EG）作为还原剂，通过在CeO2 NPs/C上还原H2PtCl6来制备Ce修饰的Pt NPs/C。首先将Pt前体沉积在CeO2NP上，然后溶解CeO2并在高温和高压条件下形成铈氧化物种，最后，铈氧化物种被固定在铂纳米粒上。
2）研究人员结合使用大角度环形暗场扫描透射电子显微镜，X射线光电子能谱和X射线吸收精细结构能谱分析这种特殊结构。
3）在酸性和碱性介质中，Ce修饰的Pt NPs对MOR的电催化活性分别达到了1470 mA/mg-Pt和8670 mA/mg-Pt，优于Pt NPs/C和市售Pt/C。
4）密度泛函计算表明，铈的改性使Pt表面的结构变形，从而使CO* + OH*的结合更牢固，而OH*的更强的锚固作用使得在电势确定步骤中更容易去除CO*。
LigangChen, Promoting electrocatalytic methanol oxidation of platinum nanoparticlesby cerium modification, Nano Energy, 2020,
DOI：10.1016/j.nanoen.2020.104784.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520303414
23. 李亚栋院士Nano Letters：工程隔离的Mn-N2C2原子界面位点用于有效的双功能氧还原和析出反应
在可再生能源转换技术中，探索高性能的涉及氧气的双功能电催化剂至关重要。目前，贵金属已被普遍用作氧还原反应（ORR）和氧释放反应（OER）的最优电催化剂。然而，高昂的价格和不令人满意的稳定性严重阻碍了其实际应用。因此，探索非贵金属催化剂具有重要意义。由于高原子利用率，稳定的配位环境和电子结构，孤立的金属催化剂在多相催化反应中引起了极大的关注。理论和实验研究表明，分离出的非贵金属单原子金属氮（M-Nx）碳基材料可以用作具有优异性能的理想氧电催化剂。特别是，Mn-Nx材料由于储量丰富，价格低廉，环境友好和高反应性而备受关注。此外，Mn中心的各种化学状态（如+2，+3和+4）和可控的配位结构可导致卓有成效的氧化还原电化学反应，这为探索新的非贵金属电催化剂提供了机会。
有鉴于此，北京工业大学WenxingChen，清华大学王定胜副教授，李亚栋院士报道了合理设计的碳基Mn-N2C2双功能电催化剂。研究人员通过原子界面工程制备出碳基分离的Mn-Nx双功能ORR和OER电催化剂（MnSAC）。通过基于同步辐射的XAS，研究人员提出了催化剂的局部原子构型为Mn-N2C2。
文章要点
1）研究人员MnSAC样品是通过热解策略合成，以硝酸锰作为Mn前体，而壳聚糖则具有很好的亲水性，并富含未配位的胺基，可以作为N和C的前体。
2）相对于RHE，它在氧气还原反应（ORR）中的半波电势为0.915 V，在碱性条件下的析氧反应（OER）时，在10 mA cm-2下的超电势为350 mV。
3）通过操作X射线吸收精细结构测量，研究人员揭示了键长延伸的Mn2+-N2C2原子界面位点在ORR过程中充当活性中心，而键长缩短的高价Mn4+-N2C2部分作为OER的催化位点，这与密度泛函理论的研究结果一致。
4）通过调节中间吸附的反应自由能，离析的Mn位点和碳载体的原子和电子协同效应起着至关重要的作用，以促进涉及氧气的催化性能。
该研究工作提供了非贵金属双功能单原子电催化剂的原子界面策略。
HuishanShang, et al, Engineering Isolated Mn-N2C2 AtomicInterfaceSites for Efficient Bifunctional Oxygen Reduction and EvolutionReaction, Nano Lett., 2020
DOI:10.1021/acs.nanolett.0c01925
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01925
24. Nature Chem：单原子Ir/氮掺杂碳高活性电催化剂性能
单原子催化剂不仅能够最大化的应用每个原子，并且和纳米结构的材料相比，展现出不一样的催化反应活性，因此被认为是一类有希望的材料。清华大学李亚栋、王定胜等开发了一种主客体方法用于将多种金属组装到氮掺杂碳材料中，实现了将Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn等金属组装到氮掺杂的碳上。作者发现Ir单原子对应的材料在甲酸氧化电催化反应中展现了质量活性达到12.9A mgIr-1，与之相比Ir1/C纳米粒子的催化活性基本上是惰性的（~4.8×10-3A mgIr-1）。Ir1/C催化剂的活性分别是Pd/C和Pt/C的16倍和19倍。此外，Ir1/CN催化剂展现了较高的CO防中毒作用。作者通过第一性原理对Ir1/CN催化剂的催化活性进行理解。
本文要点：
（1）合成方法。通过ZIF-8（笼大小1.16 nm，孔道大小0.34 nm）作为负载金属的基底材料，通过Ir(acac)3（0.98 nm）作为金属源，通过将2-甲基咪唑和Ir(acac)3、Zn(NO3)2混合在甲醇溶液中，实现在原位生长过程中将Ir(acac)3组装到ZIF-8中（通过UVVIS发现了290~325 nm和415~450 nm处的吸收峰，验证了组装Ir(acac)3），通过XRD方法发现在Ir(acac)3组装过程中ZIF的晶化过程没有受到影响。随后在900 ℃中热解，合成得到Ir1/CN。
Zhi Li,Yuanjun Chen, Shufang Ji, Yan Tang, Wenxing Chen, Ang Li, Jie Zhao, Yu Xiong,Yuen Wu, Yue Gong, Tao Yao, Wei Liu, Lirong Zheng, Juncai Dong, Yu Wang,Zhongbin Zhuang, Wei Xing, Chun-Ting He, Chao Peng, Weng-Chon Cheong, QihengLi, Maolin Zhang, Zheng Chen, Ninghua Fu, Xin Gao, Wei Zhu, Jiawei Wan, JianZhang, Lin Gu, Shiqiang Wei, Peijun Hu, Jun Luo, Jun Li, Chen Chen, Qing Peng,Xiangfeng Duan, Yu Huang, Xiao-Ming Chen, Dingsheng Wang* & YadongLi*.Iridium single-atom catalyst on nitrogen-doped carbon for formic acidoxidation synthesized using a general host–guest strategy, Nature Chem 2020
DOI：10.1038/s41557-020-0473-9
https://www.nature.com/articles/s41557-020-0473-9
25. 王定胜&李亚栋院士Nano Letters：Ni单原子分散在Ru纳米片上：用于氢氧化反应的高性能电催化剂
设计低成本，高效，不含铂的碱性电解质中氢氧化反应（HOR）的电催化剂，对阴离子交换膜燃料电池的开发具有重要意义。
有鉴于此，清华大学王定胜教授，李亚栋院士报道了新型HOR催化剂RuNi1，其中Ni原子分散在Ru纳米晶体上。所制备的RuNi1催化剂在碱性介质中对HOR表现出优异的催化活性和稳定性，优于Ru-Ni双金属纳米晶体，原始Ru和市售Pt / C催化剂。
文章要点
1）研究人员通过湿化学策略合成RuNi1 NCs，在NCs的生长过程中，首先形成了超薄的分支纳米结构，然后迅速演变为具有锯齿状边缘表面的超薄纳米片。TEM和HAADF-STEM可以清楚地观察到所获得的NCs。进一步像差校正的HAADF-STEM（AC HAADF-STEM）可以观察到原子级的Ni和Ru的分散。XRD显示，NCs具有Ru的hcp结构的（100），（0002）和（101）平面。能量色散X射线（EDX）光谱分析表明，纳米片中的Ni：Ru原子比为8:92。
2）合成的RuNi1 NCs表现出出色的HOR活性。 RuNi1 NCs的高质量活性为2.70 A/mg，几乎是Pt/C和Ru-Ni NCs的6.3倍，是Ru催化剂的16.6倍。
3）密度泛函理论（DFT）计算表明，Ru纳米晶体上Ni原子的分离不仅优化了氢结合能，而且降低了水形成的自由能，从而导致RuNi1催化剂具有出色的电催化活性。
该研究工作表明，在原子水平上设计催化剂对于合理设计高性能的电催化剂非常有效。
Junjie Mao,et al, Isolated Ni atoms dispersed on Ru nanosheets: high performanceelectrocatalysts toward hydrogen oxidation reaction, Nano Lett., 2020
DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00364
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00364
个人简介：
王定胜，1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位，导师李亚栋院士。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究，合作导师范守善院士。2012年7月加入清华大学化学系，被聘为讲师，2012年12月，晋升为副教授。2015年获博士生导师资格。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。
研究领域为无机纳米材料化学，自2009年博士毕业以来，一直以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属、合金、金属间化合物为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。旨在发展新的反应与合成方法，研究金属、合金、金属间化合物纳米晶的合成与结构调控手段，制备同时具有高活性、高选择性和高稳定性的新型低成本纳米晶催化剂，探索金属纳米晶结构与催化性能的相关性，面向燃料电池、电解水制氢、工业加氢反应等能源相关领域的应用发展新型无机功能纳米材料。
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