戴宏傑、馬仁志、駱靜利、張鐵銳、翟天佑等最新成果速覽

1.史丹福大學戴宏傑教授J. Am. Chem. Soc.: 銅基電催化劑高效還原CO2制甲酸鹽

近幾十年來，化石燃料的大量使用使得大氣中二氧化碳的濃度水平不斷上升，因此造成了嚴重的環境威脅，而由可再生能源驅動的CO2還原反應(CO2RR)則是一種很有前景的關閉碳循環和從CO2中獲取燃料的途徑。由CO2RR生成的甲酸鹽是一種寶貴的燃料，它可直接用於燃料電池來產生電力。目前，錫基、鉛基和銦基電催化劑通常用於CO2RR製備甲酸鹽。相比之下，銅基電催化劑以可產生碳氫化合物和醇類並伴隨著析氫反應(HER)而廣為人知，但其催化CO2RR製備甲酸鹽具有較低的法拉第效率(FE)，而且液態產物需要額外的分離步驟。在水系CO2RR系統中，HER競爭反應是限制CO2轉化FE的主要原因，而增加CO2在陰極處供給量是一種提高電催化性能的有效途徑。因此，在較高的CO2壓力下進行CO2RR反應，非常有利於增加電解液中的活性碳物種和提高整體效率。

在本文中，史丹福大學戴宏傑教授課題組設計了一種方波(SW)電化學氧化還原循環處理超純銅箔的方法，成功製備出富(111)取向Cu2O納米顆粒固定於Cu上的亞微米厚度膜(SW-Cu2O/Cu)，並將其用於CO2分壓為1–60 atm的高壓電解槽中進行CO2RR。在45 atm以上壓力的KHCO3電解質中，SW-Cu2O/Cu陰極處發生的CO2RR反應佔據主導，為選擇性產生甲酸鹽提供高達98%的FE，而且可以穩定維持這種高選擇性20h以上。當將SW-Cu2O/Cu陰極與NiFe-HC型OER催化劑耦合形成全電解槽時，通過在高CO2壓力下維持鹼性pH環境，可使能量效率超過55.8%。更重要的是，全電解槽可在不需要產品分離的情況下高效生產甲酸鹽( 0.4 g/cm2)。

Jiachen Li, Yun Kuang, Yongtao Meng, Xin Tian, Wei-Hsuan Hung, Xiao Zhang, Aowen Li, Mingquan Xu, Wu Zhou, Ching-Shun Ku, Ching-Yu Chiang, Guanzhou Zhu, Jinyu Guo, Xiaoming Sun, and Hongjie Dai. Electroreduction of CO2to Formate on a Copper-Based Electrocatalyst at High Pressures with High Energy Conversion Efficiency.J. Am. Chem. Soc.2020. DOI: 10.1021/jacs.0c00122.

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https://doi.org/10.1021/jacs.0c00122

2.日本國立材料科學研究所馬仁志教授J. Am. Chem. Soc.: 六方MOF納米板的自下而上合成與拓撲轉化

近年來，二維(2D)納米材料因其獨特的物理化學性質而受到研究人員越來越多的關注，各種新開發的2D納米材料如石墨烯、MoS2和金屬氧化物/氫氧化物，在電子器件、儲能、半導體和催化劑等方面得到了理想的應用。為了使合成出的2D納米材料具有完整的形貌和規則的形狀，通常會選擇「自下而上」的合成方法。此前已有很多報導成功製備出具有明確的幾何形狀的2D納米材料，如水滑石材料、過渡金屬硫族化合物、甚至金屬鈀等。由於這些材料具有較大的高寬比，因此展現出需要吸引人的特性，而製備具有特定取向的創新型納米架構仍然是當前急需的。

在本文中，日本國立材料科學研究所馬仁志教授聯合中南大學劉小鶴教授、鄭州大學曹亦俊教授等課題組通過取代-抑制合成策略，在吡啶的抑制作用和調控下，成功實現了一種新穎的二維鎳基MOF六方納米板(HXP)的拓撲導向合成。作者以含有規則六方/三角形通道的由特定(3,4)-連接的Ni2(BDC)2(DABCO)(BDC = 對苯二甲酸, DABCO = 1,4- 1,4-二疊氮雙環[2.2.2]辛烷)為骨架材料，系統探究了拓撲納米結構和晶體優先生長的關係。隨後的熱解處理可以將HXP轉化為N摻雜的Ni@納米複合材料，可作為一種高效的析氧反應(OER)電催化劑。

Yifan Lin, Hao Wan, Dan Wu, Gen Chen, Ning Zhang, Xiaohe Liu, Junhui Li, Yijun Cao, Guanzhou Qiu, and Renzhi Ma. Metal–Organic Framework Hexagonal Nanoplates: Bottom-up Synthesis, Topotactic Transformation, and Efficient Oxygen Evolution Reaction.J. Am. Chem. Soc.2020. DOI:10.1021/jacs.0c01916.

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https://doi.org/10.1021/jacs.0c01916

3.深圳大學駱靜利院士Appl. Catal. B Environ.: 富缺陷多級介孔Bi/Bi2O3納米片高效催化CO2還原制甲酸鹽

電化學還原CO2反應(CO2RR)作為一種可實現環境和能源可持續性發展的潛在解決方案，已引起學術界和工業界的廣泛關注。在各種CO2還原的產物中，高價值液態甲酸(或甲酸鹽)作為化工生產中的重要原料和燃料電池應用中的能源載體，因此具有特殊的吸引力。此外，考慮到其商業可行性，CO2RR中的雙電子觸發CO2制甲酸或CO工藝上是最有利的途徑。在這方面，已有許多關於利用各種金屬基陰極電催化劑(如Ag、Hg、Pd、Sn、Pb和In)用於CO2RR制甲酸的報導。然而，具有高毒性和/或價格昂貴的催化劑在大規模應用上是不太可行的。近年來，具有環境友好優勢的金屬鉍基電催化劑因其對甲酸的高選擇性而受到廣泛關注。儘管鉍基電催化劑已有了大量的開發，但對於甲酸產率在較低電流密度下的研究仍舊較少。

在本文中，深圳大學駱靜利院士、符顯珠教授課題組在導電碳纖維紙上直接組裝出超薄Bi/Bi2O3金屬/氧化物異質結構納米片，該層狀納米結構中的單個納米片由均勻分布、相互連接的Bi和Bi2O3相所組成，具有豐富的介孔結構和缺陷。因此，Bi/Bi2O3-CP陰極電催化劑可在較寬的電位範圍內表現出較高的電流密度和較高的甲酸鹽法拉第效率。特別地，在 0.87V電壓下生成甲酸鹽的FE為90.3 %時，質量歸一化電流密度為32.4 mA mg 1cm 2；而在 1.17V電壓下生成甲酸鹽的FE為77.4 %時，質量歸一化電流密度為60 mA mg 1cm 2。更令人難以置信的是，甲酸鹽的生成速率隨著負電位的增加而不斷增加，在-1.17V時接近最大值1.12 mmol mg 1cm 2h-1。作者深入研究了Bi/Bi2O3金屬/氧化物結構活性提高的機理，這些發現將對電催化劑的結構設計以及CO2RR商業化中生產高價值化學品或燃料提供啟發。

Dan Wu, Ge Huo, WenYue Chen, Xian-Zhu Fu, Jing-Li Luo. Boosting formate production at high current density from CO2electroreduction on defect-rich hierarchical mesoporous Bi/Bi2O3junction nanosheets.Appl. Catal. B Environ.2020. DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.118957.

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4.中科院理化所張鐵銳研究員Adv. Energy Mater.: 低溫低壓催化固氮之旅

氨及其衍生產品對現代社會的發展至關重要，其中利用Haber–Bosch工藝進行人工固氮制氨已工業化應用100多年。然而，能源密集型的Haber–Bosch工藝並不是可持續的，其使用大量來自蒸汽甲烷重整的氫來還原氮氣。要實現NH3的可持續生產，就需要找到在接近環境的條件下，最好使用水作為還原劑的固氮新方法。在過去的十年裡，人們一直致力於開發在溫和反應條件下能夠固氮的催化劑，利用低溫熱催化、非熱等離子體催化、酶催化、光催化和電催化等策略來產生氨和其它有價值的含氮化學品。在研究催化性能的同時，研究人員也深入探究了天然和人工固氮催化劑的機理。在本文中，中科院理化所張鐵銳研究員課題組綜述了目前正在探索中的各種固氮途徑，通過描述了不同的二氮活化和加氫途徑，作者系統歸納了在接近環境氣氛中氨合成所取得的關鍵進展。此外，作者還討論了為了吸引工業界興趣還所需要克服的一些障礙。

Run Shi, Xuerui Zhang, Geoffrey I. N. Waterhouse, Yunxuan Zhao, and Tierui Zhang. The Journey toward Low Temperature, Low Pressure Catalytic Nitrogen Fixation.Adv. Energy Mater.2020. DOI: 10.1002/aenm.202000659.

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5.華中科技大學翟天佑教授Chem. Soc. Rev.: 電催化微器件超全綜述

電化學轉化是可再生能源轉化過程中的一個重要環節，而電催化劑由於能夠提高化學轉化的速率和效率，因而發揮著至關重要的作用。因此，科研人員對電催化領域的關注主要從機理探索和性能優化兩個方面進行，並不斷使該領域推陳出新。然而，傳統的電化學方法，如原位動態監測、外電場調節、single-entity電催化檢測等，仍有很大的發展空間。值得注意的是，受納米電子半導體器件的啟發，以單個納米線/納米片為工作電極，組成電催化微器件來研究其電化學行為，已成為傳統技術的有力替代平臺。這種獨特的裝置結構具有原位電子/電化學測量和控制單個催化劑的可調微觀結構，因此可以獲得傳統技術無法獲得的信息。在本文中，華中科技大學翟天佑教授、劉友文教授聯合香港城市大學張華教授等課題組首先介紹了該新興平臺的器件配置及其優點，隨後詳細分析和總結了通過這種微器件擴展對電化學過程認識的嘗試，包括動態監測、外電場調節、活性位點識別和單結構因子調節等。最後，作者對該領域面臨的挑戰和未來的研究方向提出了自己的觀點。作者相信這篇綜述將為從動態探索到性能優化的電化學反應過程提供新的視角。

Huan Yang, Qiyuan He, Youwen Liu, Huiqiao Li, Hua Zhang and Tianyou Zhai. On-chip electrocatalytic microdevice: an emerging platform for expanding the insight into electrochemical processes.Chem. Soc. Rev.2020.DOI: 10.1039/C9CS00601J.

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https://doi.org/10.1039/C9CS00601J