苏州大学JACS，中南大学Angew，南京大学Science Advances等成果速递 | 顶刊日报20240716
纳米人
2024-07-26
1.苏州大学JACS：CeO2调控亚稳态IrO2的应力控制OER反应机理调节应力对于设计高性能催化剂非常重要，但是如何控制亚稳定态二维材料的应力具有非常大的困难。有鉴于此，苏州大学邵琪等报道通过原位生长方法通过CeO2调控亚稳态1T晶相1T-IrO2。1）发现修饰5 % CeO2能够在1T-IrO2产生8 %压缩应力，从而在三电极体系实现194 mV过电势（10 mA cm-2）。而且在组装的1.8 V电池能够达到900 mA cm-2电流密度进行稳定的工作400 h。2）FTIR表征和DFT理论计算结果说明CeO2导致1T -IrO2产生应力，并且导致*O-*O自由基偶联产生O2，这个过程与传统1T-IrO2的吸附转化机理不同。这些研究说明应力调控对于调节和优化催化反应路径的方式得到优异电催化性能的重要意义。 Hao Yu, Yujin Ji, Chenchen Li, Wenxiang Zhu, Yue Wang, Zhiwei Hu, Jing Zhou, Chih-Wen Pao, Wei-Hsiang Huang, Youyong Li, Xiaoqing Huang, and Qi Shao*, Strain-Triggered Distinct Oxygen Evolution Reaction Pathway in Two-Dimensional Metastable Phase IrO2 via CeO2 Loading, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c05204https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c052042.中南大学Angew：SnS2硫缺陷修饰碳量子点用于锂电池填充物固体聚合物电解质的实用受到Li+离子电荷传输数目较少、离子导电性低、界面稳定性差的局限，这些缺点严重损害聚合物电解质的局部微环境。功能性填充物有助于解决这些问题和挑战。有鉴于此，中南大学侯红帅教授等报道基于DFT理论计算发现填充物的阴离子空穴能够用于结合Li盐阴离子因此显著增加电解质的Li+离子迁移数目。1）通过官能团化修饰的碳量子点制备了具有丰富硫缺陷位点的花状SnS2填充物，这种修饰在SnS2表面的碳量子点具有丰富的有机官能团，从而作为连接试剂增强填充物和聚合物之间的兼容，因此得到优异的力学性能和快速离子传输。2）Li金属和电解质界面原位生成的Li2S/Li3N有助于促进Li+扩散和均匀沉积，缓解Li枝晶问题。组装的锂金属电池具有优异的循环稳定性，并且说明碳量子点修饰的缺陷无机填充物策略对于锂金属电池的优势。 Huaxin Liu, Yu Ye, Fangjun Zhu, Xue Zhong, Dingzhong Luo, Yi Zhang, Wentao Deng, Guoqiang Zou, Hongshuai Hou, Xiaobo Ji, Optimizing the Microenvironment in Solid Polymer Electrolytes by Anion Vacancy Coupled with Carbon Dots, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202409044https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024090443.Angew：机械化学合成得到独特的次表面层单原子 单原子催化剂具有优异的原子利用率和独特的性质，因此受到广泛的关注。但是单原子催化剂面临着烧结导致的稳定性问题和气体吸附导致单原子位点毒化的问题，这阻碍了单原子催化剂走向实际应用。有鉴于此，帝国理工学院王峰（Feng Ryan Wang）教授、武汉大学郭宇铮教授、近畿大学/京都大学Hiroyuki Asakura等通过机械化学方法将Cu单原子修饰到Fe2O3载体的次表面，发现调节单原子的位置在表面或者次表面能够表现不同的吸附性质和反应机理。1）发现Fe2O3载体的次表面Cu原子在氧化环境和还原环境中都保持在独立的状态，但是表面Cu原子在还原环境中发生烧结的现象。2）这种独特的次表面单原子有助于理解和设计新型催化剂。 Xuze Guan, Rong Han, Hiroyuki Asakura, Bolun Wang, Lu Chen, Jay Hon Cheung Yan, Shaoliang Guan, Luke Keenan, Shusaku Hayama, Matthijs A. van Spronsen, Georg Held, Jie Zhang, Hao Gu, Yifei Ren, Lun Zhang, Zhangyi Yao, Yujiang Zhu, Anna Regoutz, Tsunehiro Tanaka, Yuzheng Guo, Feng Ryan Wang, Subsurface Single-atom Catalyst Enabled by Mechanochemical Synthesis for Oxidation Chemistry, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202410457https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024104574.Angew：电解质设计使 LiFePO4/石墨电池可在 −80°C 至 80°C 的温度下充电 磷酸铁锂(LFP)/石墨电池长期主导着储能电池市场，并有望成为全球动力电池市场的主导技术。然而，LFP/石墨电池较差的快速充电能力和低温性能严重阻碍了它们的进一步推广。这些限制与界面锂(Li)离子传输密切相关。在这里，清华大学张强教授，北京理工大学闫崇等人报道了一种宽温度范围的酯基电解质，它通过调节锂盐的阴离子化学性质表现出高离子电导率、快速界面动力学和优异的成膜能力。1）研究人员通过采用三电极系统和弛豫时间分布技术定量地揭示了电池的界面屏障。还系统地研究了所提出的电解质在防止Li0电镀和维持均匀稳定的界面方面的优越作用。2）LFP/石墨电池在−80至80 °C的超宽温度范围内表现出可充电性和出色的快速充电能力，而不会影响使用寿命。具体来说，实用的LFP/石墨软包电池在25 °C下经过1200次循环（2 C）和10分钟充电至89%（5 C）后容量保持率为80.2%，即使在-80 °C下也能提供可靠的电力。 Zeheng Li, et al, Electrolyte Design Enables Rechargeable LiFePO4/Graphite Batteries from −80°C to 80°C, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202409409DOI: 10.1002/anie.202409409https://doi.org/10.1002/anie.2024094095.Angew：通过缺陷修饰Ru1单原子构筑红磷光催化剂人们发现红磷晶体可能具有光催化性质，但是红磷的缺陷位点具有本征的深电荷阱以及电荷复合效应，导致红磷在光催化反应中面临挑战。有鉴于此，香港城市大学Yun Hau Ng、北京工业大学敬林教授等报道将Ru1单原子位点组装到红磷晶体，能够修复本征缺陷位点，而且能够作为均匀分布的螯合位点可控的生长Ru纳米粒子。 1）修饰Ru1和RuNP位点的红磷晶体光催化剂具有调控的电子结构，改善的界面电荷转移。作者通过先进的表征技术说明Ru1位点起到非常重要的作用，通过调节缺陷位点能够减小较深的电荷捕获阱，因此增加电荷的寿命。由于RuNP位点能够在Ru1位点生长，从而构筑了Ru1位点能够作为连接红磷晶体和RuNP的桥梁，促进界面电荷转移。2）通过Ru1位点构筑的Ru1-NP/CRP光催化剂实现了优异的光催化制氢性能（3175 μmol h-1 g-1），从而成为目前最具前景的单质光催化剂。这项研究揭示了预先在缺陷位点修饰单原子位点能够增强催化剂的制氢性质。Junwei Bian, Wei Zhang, Yun Hau Ng, Zhuofeng Hu, Zhen Wei, Yuxi Liu, Jiguang Deng, Hongxing Dai, Lin Jing, Transforming Red Phosphorus Photocatalysis: Dual Roles of Pre-Anchored Ru Single Atoms in Defect and Interface Engineering, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202409179https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024091796.Angew综述：原位3电子生成OH自由基反应在水处理领域的前景电化学芬顿反应是先进的氧化反应，但是电化学芬顿反应的发展存在一定的局限（生成H2O2、活化H2O2）。通过电化学3电子生成·OH的反应（而不是电化学两电子氧还原反应ORR）能够直接将O2分子活化生成·OH自由基，因此能够打破传统电化学芬顿反应的限制，并且实现了发展绿色水处理的新方法。有鉴于此，同济大学赵国华教授等综述报道3e- ORR还原反应的发展现状，尤其是总结了3e- ORR反应的特点和机理，对3e- ORR反应的基本原理以及原位表征、通过调节反应路径的方式发展高效率利用·OH的最新发展。1)对3e- ORR反应的催化剂设计、机理研究、水处理的实际应用情况进行总结。对未来如何发展高效率稳定大规模制备利用·OH的发展前景以及面临的挑战进行总结。2)作者讨论了如何通过3e- ORR反应高效率产生·OH，并且总结并提出如何优化反应环境、如何改善效率和选择性。探讨了3e- ORR活性位点的构筑以及催化剂的稳定性。深入讨论3e- ORR反应如何在实际情况进行环境修复领域。此外，对于3e- ORR反应的进一步发展进行展望，总结了如何将3e- ORR反应与其他技术结合。 Zhiming Wang, Nan Hu, Lan Wang, Hongying Zhao, Guohua Zhao, In situ Production of Hydroxyl Radicals via Three-Electron Oxygen Reduction: Opportunities for Water Treatment, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202407628https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024076287.南京大学Science Advances：封装的 Cu 催化剂自增强局部碱度实现在中性电解质中高性能电催化还原硝酸盐/亚硝酸盐为 NH3从热力学角度来看，硝酸盐/亚硝酸盐还原反应（eNOx−RR）生成氨（NH3）比引人注目的氮（N2）电还原更有利。迄今为止，高eNOx−RR到NH3活性仅限于强碱性电解质，而无法在经济且可持续的中性/近中性电解质中实现。在这里，南京大学胡征教授，吴强，杨立军等人构建了一个封装在亲水性分级氮掺杂碳纳米笼（Cu@hNCNC）内的铜（Cu）催化剂。1）在eNOx−RR过程中，hNCNC壳阻碍了产生的OH−离子向外扩散，从而在内部Cu纳米颗粒周围形成了自增强的局部高pH环境。2）实验结果显示，Cu@hNCNC催化剂在中性电解质中表现出优异的eNOx−RR到NH3活性，相当于强碱性电解质中固定在hNCNC外表面（Cu/hNCNC）的Cu催化剂，但前者的稳定性要好得多。最佳NH3产率达到4.0摩尔/小时/克，法拉第效率高达99.7%。强碱性优势促进了Cu@hNCNC催化剂的实用性，如在等离子体驱动的N2氧化与eNOx−RR-to-NH3的耦合中得到证实。Zhen Shen, et al, Self-enhanced localized alkalinity at the encapsulated Cu catalyst for superb electrocatalytic nitrate/nitrite reduction to NH3 in neutral electrolyte, Sci. Adv. 10, eadm9325 (2024)DOI: 10.1126/sciadv.adm9325https://www.science.org on July 13, 20248.Science Advances：调节混合基质膜中 MOF/聚合物界面孔隙几何形状以提升 CO2 分离性能目前，人们主要考虑控制 MOF/聚合物界面以实现两种组分之间的良好兼容性，从而确保制造连续混合基质金属有机骨架 (MMMOF) 膜。在这里，蒙彼利埃大学Guillaume Maurin，阿卜杜拉国王科技大学Mohamed Eddaoudi等人揭示了界面孔形状纳米结构对最佳分子传输的关键作用。1）研究人员原型超小孔 AlFFIVE-1-Ni MOF 与聚合物 PIM-1 组装在一起，设计出一种复合材料，其孔从 MOF 入口到 MOF/聚合物界面区域逐渐扩大。2）浓度梯度驱动的分子动力学模拟表明，这种孔纳米结构为 MOF/聚合物界面处的气体分子提供了最佳引导路径，从而决定性地导致整个 MMMOF 膜上的分子传输加速。3）该数值预测成功制造了[001]取向纳米片AlFFIVE-1-Ni/PIM-1 MMMOF膜，该膜表现出优异的CO2渗透性，优于许多MMM，并且理想情况下与足够高的CO2 / CH4选择性相关，这使得该膜非常有希望用于天然气/沼气净化。Aydin Ozcan, et al, Tuning MOF/polymer interfacial pore geometry in mixed matrix membrane for upgrading CO2 separation performance, Sci. Adv. 10, eadk5846 (2024)DOI: 10.1126/sciadv.adk5846https://www.science.org on July 13, 2024
