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1. 燕山大學趙玉峰教授Angew. Chem. Int. Ed.: 打開N2-Zn-B2構(gòu)型中Zn 4s電子提高ORR性能
近年來鋅基單原子催化劑因其優(yōu)異的穩(wěn)定性而備受科研人員的關(guān)注，盡管其完全占據(jù)的Zn2+ 3d10 4s2電子構(gòu)型為非Fenton活性，但其催化活性比較差。在本文中，燕山大學趙玉峰教授等課題組通過構(gòu)建B, N共配位Zn-B/N-C催化劑，報道了一種調(diào)控s帶的新方法。作者從實驗和理論上均證實這種獨特的N2‐Zn‐B2構(gòu)型是至關(guān)重要的，其中Zn+ (3d10 4s1)可以容納足夠的離域電子，從而為與關(guān)鍵反應中間體的結(jié)合提供合適的強度，促進催化表面與ORR反應物之間的電荷轉(zhuǎn)移。這種調(diào)控效應在其它過渡金屬中沒有發(fā)現(xiàn)，如M‐B/N‐C(M=Mn, Fe, Co, Ni和Cu)。因此，所得到的催化劑在堿性和酸性介質(zhì)中均表現(xiàn)出良好的ORR活性和顯著的長期穩(wěn)定性。該工作為電催化劑的進一步設計提供了一個新概念。
Jing Wang, Hongguan Li, Shuhu Liu, Yongfeng Hu, Jing Zhang, Meirong Xia, Yanglong Hou, John Tse, Jiujun Zhang, Yufeng Zhao. Turning on Zn4s Electrons in a N2‐Zn‐B2 Configuration to Stimulate Remarkable ORR Performance. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202009991
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2. 新加坡國立大學薛軍民教授Nat. Commun.：氫氧化鎳納米帶中電子離域?qū)崿F(xiàn)高效甲醇氧化
開發(fā)高活性和耐久性的非鉑族金屬基甲醇氧化催化劑，是實現(xiàn)高成本效益直接甲醇燃料電池的關(guān)鍵。盡管Ni(OH)2作為甲醇氧化催化劑已被廣泛研究，但Ni(OH)2初始氧化為NiOOH需要1.35V的高電位。由于陰極氧還原反應的理論電位為1.23V，因此這種1.35V的高電位是不切實際的。在本文中，新加坡國立大學薛軍民教授、Stephen Pennycook教授聯(lián)合新加坡科技研究局Zhi Gen Yu教授、布魯克海文國家實驗室Yonghua Du教授等課題組發(fā)現(xiàn)四配位鎳原子能夠通過費米能級附近的電子離域而形成電荷轉(zhuǎn)移軌道。因此，周期性排列的four-six-coordinated氫氧化鎳納米帶結(jié)構(gòu)(NR-Ni(OH)2)顯示出優(yōu)異的甲醇氧化活性，起始電位為0.55V，表明直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)的可操作性。因此，該策略為開發(fā)高性能、耐久的非鉑催化劑用于直接甲醇燃料電池提供了一條途徑。
Xiaopeng Wang, Shibo Xi, Wee Siang Vincent Lee, Pengru Huang, Peng Cui, Lei Zhao, Weichang Hao, Xinsheng Zhao, Zhenbo Wang, Haijun Wu, Hao Wang, Caozheng Diao, Armando Borgna, Yonghua Du, Zhi Gen Yu, Stephen Pennycook & Junmin Xue. Materializing efficient methanol oxidation viaelectron delocalization in nickel hydroxide nanoribbon. Nat. Commun. 2020. DOI:10.1038/s41467-020-18459-9
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3. 莫納什大學王煥廷教授Energy Environ. Sci.: 金屬氧化物基材料用于析氫電催化劑
電化學水裂解制氫是一種極具發(fā)展前景的可持續(xù)儲能技術(shù)，但其廣泛應用很大程度上依賴于開發(fā)高性能、高性價比的析氫反應(HER)電催化劑。金屬氧化物是一類重要的功能材料，其具有不同的組成和結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)觀點認為其對HER沒有活性。但令人鼓舞的是，近年來(主要是從2015年起)金屬氧化物的不斷突破和重大進展使其成為HER電催化的有前景候選材料。在本文中，莫納什大學王煥廷教授、Yinlong Zhu教授等課題組綜述了金屬氧化物材料作為高效催化劑用于HER反應的最新進展。作者首先簡要介紹了一些關(guān)鍵的基本概念，如機理、計算活性描述符和用于評估催化性能的實驗參數(shù)。隨后概述了迄今為止報道的基于金屬氧化物的電催化劑，包括單一過渡金屬氧化物、尖晶石氧化物、鈣鈦礦氧化物、金屬(氧)氫氧化物、特殊結(jié)構(gòu)的金屬氧化物和含氧化物的雜化材料，重點介紹了提高性能和性能-活性相關(guān)性的設計策略。最后，作者對這一熱門領(lǐng)域的未來機遇作了一些總結(jié)和展望。
Yinlong Zhu, Qian Lin, Yijun Zhong, Hassan A. Tahini, Zongping Shao, Huanting Wang. Metal Oxide-Based Materials as an Emerging Family of Hydrogen Evolution Electrocatalysts. Energy Environ. Sci. 2020. DOI:10.1039/D0EE02485F
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4. 中國科學技術(shù)大學吳長征教授ACS Mater. Lett.：過渡金屬氮化物電催化劑用于鋅空氣電池最新進展
鋅空氣電池因其高能量密度、經(jīng)濟性和安全性等優(yōu)點而被公認為是最有前景的可持續(xù)能源裝置之一。過渡金屬氮化物(TMNs)具有成本低、高電導率、耐腐蝕、雙功能ORR(氧還原反應)/OER(析氧反應)催化活性等優(yōu)點，是可充電鋅空氣電池的理想催化劑。在本文中，中國科學技術(shù)大學吳長征教授等課題組綜述了TMNs作為鋅-空氣二次電池電催化劑的應用，特別強調(diào)了對TMNs在原子、微結(jié)構(gòu)和電子層面的調(diào)控。作者著重探討了鋅-空氣可充電電池的調(diào)節(jié)與性能提升之間的關(guān)系，綜述了近年來過渡金屬氮化物納米結(jié)構(gòu)用于鋅-空氣二次電池的研究進展。基于TMNs電催化機理的探討，本文將促進先進電催化劑的發(fā)展，并對設計高穩(wěn)定性、高效率的鋅空氣電池有一定的啟發(fā)作用。
Xinxin Yu, Tianpei Zhou, Jiankai Ge, and Changzheng Wu. Recent advances on the modulation of electrocatalysts based on transition metal nitrides for the rechargeable Zn-air battery. ACS Mater. Lett. 2020. DOI:10.1021/acsmaterialslett.0c00339
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5. 電子科技大學董帆教授ACS Nano: 識別鉍基鈣鈦礦量子點上鹵素活性中心用于高效CO2光還原制CO
全無機無鉛鉍(Bi)鹵素鈣鈦礦量子點(PQDs)具有獨特的結(jié)構(gòu)和光電性能，為CO2的選擇性光還原提供了廣闊的空間。然而，在太陽光驅(qū)動的Bi基PQDs上，將CO2高效轉(zhuǎn)化為CO的高選擇性仍沒有實現(xiàn)，這表明鹵素相關(guān)活性中心所促進的精確反應路徑和機理仍不清楚。在本文中，電子科技大學董帆教授等課題組篩選出一系列無毒、穩(wěn)定的Cs3Bi2X9 (X=Cl, Br, I) PQDs，其在氣固界面上可選擇性通過光催化將CO2還原制備CO。在所有已報道的純相PQD中，在AM 1.5G模擬太陽光照下，所合成出的Cs3Bi2Br9 PQD表現(xiàn)出最高的CO2轉(zhuǎn)化效率，CO產(chǎn)率為134.76 μmol g?1，選擇性高達98.7%。在原位DRIFTS研究的基礎上，作者對表面鹵素相關(guān)活性中心和反應中間產(chǎn)物進行了動態(tài)監(jiān)測和精確分析。結(jié)合DFT計算，作者發(fā)現(xiàn)表面的Br位點可以優(yōu)化表面結(jié)合中間物種的配位方式，降低由·CO2-生成COOH-中間體速率限制步驟的反應能壘。該工作提出了一個鹵素在太陽能燃料生產(chǎn)中的催化反應新機制。
Jianping Sheng, Ye He, Jieyuan Li, Chaowei Yuan, Hongwei Huang, Shengyao Wang, Yanjuan Sun, Zhiming Wang, Fan Dong. Identification of Halogen-Associated Active Sites on Bismuth-Based Perovskite Quantum Dots for Efficient and Selective CO2-to-CO Photoreduction. ACS Nano 2020. DOI:10.1021/acsnano.0c04659
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6. 大連理工大學邱介山教授Adv. Funct. Mater.: 氫鍵觸發(fā)組裝空心碳納米片用于三碘離子還原
碳材料作為貴金屬催化劑的替代品，近年來在儲能/轉(zhuǎn)換技術(shù)中的應用迅速發(fā)展。在本文中，大連理工大學邱介山教授、于暢教授等課題組報道了一種氫鍵觸發(fā)組裝的策略，通過在多巴胺水溶液中以Silicalite-1為基底來制備空心碳納米片。值得注意的是，通過結(jié)合密度泛函理論建模和實驗驗證，可以從分子/納米尺度深入了解材料制備過程中的鍵合行為本質(zhì)。結(jié)果表明，Silicalite-1表面的Si-OH起著錨定作用，它在能量上有利于通過氫鍵預吸附聚多巴胺的組成部分，從而觸發(fā)隨后的組裝。所制備出具有獨特結(jié)構(gòu)的空心碳納米片可以有效地催化三碘離子還原，轉(zhuǎn)換效率高達8.58%。
Jiangwei Chang, Xuedan Song, Chang Yu, Jinhe Yu, Yiwang Ding, Chun Yao, Zongbin Zhao, Jieshan Qiu. Hydrogen‐Bonding Triggered Assembly to Configure Hollow Carbon Nanosheets for Highly Efficient Tri‐Iodide Reduction. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI:10.1002/adfm.202006270
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7. 電子科技大學王志明教授Appl. Catal. B Environ.: g-C3N4超薄納米片用于光催化全水分解
利用石墨氮化碳(g-C3N4)負載鉑催化劑進行太陽能光催化水分解是一個很大的挑戰(zhàn)。在本文中，電子科技大學王志明教授聯(lián)合休斯敦大學Jiming Bao教授、成都理工大學蒲生彥教授等課題組首次利用飛秒脈沖激光對g-C3N4納米片進行了剝離。在負載1.4wt.%的Pt后，g-C3N4對整體水裂解反應具有很高的活性，H2和O2的產(chǎn)率分別為42.6μmol/g/h和18.7μmol/g/h (H2/O2=2.28)。通過實驗和密度泛函理論(DFT)計算表明，與常規(guī)剝離制備的非活性超薄g-C3N4納米片相比，激光脈沖產(chǎn)生的氰基(-C≡N)缺陷更有利于Pt原子的錨定。這些二價鉑輔助催化劑不同于鉑金屬納米粒子，不僅為表面反應提供了更活躍的位點，而且在很大程度上抑制了水裂解的后向反應。此外，-C≡N缺陷沿能帶邊緣位置下移，從而提高了空穴的氧化能力。
Chunzheng Wu, Shengyang Xue, Zhaojun Qin, Masoumeh Nazari, Guang Yang, Shuai Yue, Tian Tong, Hadi Ghasemi, Francisco C. Robles Hernandez, Sichuang Xue, Di Zhang, Haiyan Wang, Zhiming M. Wang, Shengyan Pu, Jiming Bao. Makingg-C3N4 Ultra-thin Nanosheets Active for Photocatalytic Overall Water Splitting. Appl. Catal. B Environ. 2020. DOI:10.1016/j.apcatb.2020.119557
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8. 廣東工業(yè)大學敖志敏教授J. Mater. Chem. A: 新型二維晶體氮化碳的結(jié)構(gòu)與應用
具有類石墨烯原子結(jié)構(gòu)但具有半導體性質(zhì)的二維(2D)晶體碳氮化物(CxNy)是一種具有吸引力的新型材料，其合成、性能和應用越來越受到科研人員的關(guān)注。近年來，除了著名的石墨氮化碳(g-C3N4)外，還成功地制備出C2N、C3N和C5N2等其它類型的2D CxNy納米晶，并對其性能和在各個領(lǐng)域的潛在應用進行了廣泛的研究。同時，科研人員對g-CN、C2N2、C2N3和C5N也進行了理論預測，并對其性能和潛在應用進行了展望。到目前為止，二維晶體CxNy在光催化、電催化、氣體吸附/分離、儲能器件等方面有著廣闊的應用前景。由于其獨特的幾何結(jié)構(gòu)、可調(diào)的電子性質(zhì)和高比表面積，科研人員從實驗和理論兩方面進行了研究。在本文中，廣東工業(yè)大學敖志敏教授聯(lián)合阿德萊德大學王少彬教授等課題組綜述了2D CxNy納米晶的合成及其在各個領(lǐng)域的應用研究進展，討論了2D CxNy納米晶在環(huán)境修復等更廣泛應用方面的未來挑戰(zhàn)和機遇。
Li Tan, Chunyang Nie, Zhimin Ao, Hongqi Sun, Taicheng An, Shaobin Wang. Novel two-dimensional crystalline carbon nitrides beyond g-C3N4: Structure and applications. J. Mater. Chem. A 2020. DOI:10.1039/D0TA07437C
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