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催化前沿每周精选丨1104-1110
纳米人 2019-11-17

1. nat. catal.综述:控制多相催化剂中的金属-载体相互作用,以提高活性和选择性

金属纳米颗粒由于其尺寸,形状和组成的不同而具有独特的性能,因此是各种纳米技术应用中的关键功能组分。人们已经开发了多种策略来设计和控制这些特性。其中一个关键策略是将纳米颗粒固定在载体上,以增强其稳定性并控制其空间分布。但是,载体通常不是惰性的,与纳米颗粒的相互作用会引起新的界面现象。这种金属-载体相互作用(msi)可能会对金属纳米颗粒的最终性能产生深远影响。因此,发展控制msi以优化性能的策略是至关重要的。近年来,这个话题受到了很多关注,但是由于催化剂,反应和改性策略的多样性,该领域缺乏系统的合理化。

 

有鉴于此,近日,乌得勒支大学krijn p. de jong团队总结了金属-载体相互作用调节策略以增强各种反应的催化性能的最新进展。此外,作者对近年来在c1化学中通过金属-载体相互作用控制实现生产率提高进行了量化。作者通过分析发现,生产率提高了多达15倍,并且金属与载体之间的相互作用对小于4纳米的金属纳米颗粒的影响最大。这些发现证明了金属-载体相互作用对于提高催化性能的重要性。

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tom w. van deelen, carlos hernández mejía and krijn p. de jong*. control of metal-support interactions in heterogeneous catalysts to enhance activity and selectivity. nat. catal., 2019

doi: 10.1038/s41929-019-0364-x

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0364-x

 

2. nat. catal.:在非均相溶液中组装促进的单电子转移用于光催化活化烷基氯

烷基氯是大宗商品化学品,价格便宜且非常稳定,是化学合成中常用的起始原料。在各种亲核取代反应和芳族取代反应中,它们通常用作烷基化试剂和亲电partners,且它们的还原性活化会生成自由基或碳负离子。然而,由于烷基氯化物强的c–cl键(327 kj mol-1),与溴化物和碘化物类似物相比,它们显示出低得多的反应性(键强度分别为285 kj mol-1和213 kj mol-1)。因此,烷基氯化物的应用受到了限制。光氧化还原催化是合成具有不同结构的有机化合物的常用方法。但是,稳定的碳-氯键超出了外层光还原活化的能量极限。

 

近日,雷根斯堡大学burkhard königwerner kunz等研究发现,在微结构化的水溶液中反应物种可以通过组装促进单电子转移,在双键存在的情况下,将非活化的烷基氯活化成以碳为中心的自由基。作者设计了由表面活性剂,有机底物和添加剂组成的光催化系统,并应用于自由基脱氯,加成和环化反应。作者使用廉价且可商购的蓝色发光二极管用作光催化转化的光源。机理研究表明,在一个催化循环中具有两个可见光光子的能量积累。该工作为进一步将未活化的氯化物用作有机合成的烷基自由基铺平了道路。

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maciej giedyk, werner kunz,* burkhard könig,* et al. photocatalytic activation of alkyl chlorides by assembly-promoted single electron transfer in microheterogeneous solutions. nat. catal., 2019

doi: 10.1038/s41929-019-0369-5

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0369-5

 

3. nature energy:cu2o颗粒上晶面依赖的活性位点用于光催化剂co2还原为甲醇

将co2高效催化还原为液体燃料在缓解和解决气候变化挑战中发挥不可或缺的作用。先前的研究集中在通过高温氢化进行co2还原,尽管使用氢气会增加成本和安全性问题。近来,co2的电还原引起了相当大的研究兴趣,但是,此过程需要很大的过电势,并且可能导致生成的化学物质分解。而利用太阳能进行的co2光还原提供了一种以化学燃料形式直接存储太阳能的有效方法。遗憾的是,尽管自1978年以来付出了巨大的努力,co2还原光催化剂仍存在稳定性差,太阳光可见光部分的效率低等问题。因此,在实际工作条件下对活性位点和转化机理原子级的了解是合理设计高性能光催化剂的前提。

 

近日,阿贡国家实验室yuzi liutijana rajh等在大气压力下,原位操作条件下,通过扫描荧光x射线显微镜和环境透射电子显微镜研究,直接观察到单个cu2o光催化剂颗粒的(110)面对co2还原为甲醇具有光催化活性,而(100)面是惰性的。活性位点的氧化态由co2和h2o的共同吸附而从cu(i)变为cu(ii),并且在可见光照射下经过co2转换后又变回cu(i)。cu2o光催化剂在还原co2时会氧化h2o。作者还发现,由于co2吸附,cu2o晶格会膨胀,但其在co2转化后恢复。使用cu2o晶体进行无辅助wireless光催化co2还原为甲醇,其内部量子产率为〜72%。

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yimin a. wu, yuzi liu*, tijana rajh*, et al. facet-dependent active sites of a single cu2o particle photocatalyst for co2 reduction to methanol. nature energy, 2019

doi: 10.1038/ s41560-019-0490-3

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0490-3

 

4. nature子刊: 泡沫镍(nf)负载ni-fe配位聚合物用作高效oer催化剂

通过水裂解产生氧气,进而形成氢气,是最常见的氢气制备方法,然而缓慢的oer反应会严重限制整体的能量转换效率,此前有科研人员研究出了金属铱作为催化剂来提升反应效率,但其价格十分昂贵。另外,人们发展出大量高效且稳定的碱性oer电催化剂,然而在酸性oer电催化剂的研究却相对较少。由于在酸性pem电解池中进行电催化反应具有更高的传质速度、产物纯度以及效率等优势,因此开发高效的酸性oer电催化剂具有重要意义。因此,设计制备高活性且稳定的ph范围广的oer电催化剂仍是一个巨大的挑战。

 

近日,大连理工大学的孙立成李福胜等合作采用原位电化学沉积方法,设计制备了一种泡沫镍(nf)负载ni-fe配位聚合物(nifecp/nf),用作oer的催化剂,其中电沉积后同时保留了配位和不配位的羧酸盐基团,nifecp/nf具有出色的电催化oer活性,在1.0 koh中10ma/cm2的过电位为188 mv,同时tafel斜率小,稳定性好。nifecp/nf在可逆氢电极上与ph无关的oer活性表明,协同质子-耦合电子转移(c-pet)过程是oer过程中的决速步。氘动力学同位素效应、质子库存研究和原子-质子转移测试表明,未配位的羧酸盐可以起到质子转移的作用,具有与氨基酸残基类似的功能,加速了质子转移的速度。该工作为设计制备高活性、低成本的oer催化剂提供了一种新的思路。

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wenlong li, fusheng li, hao yang, xiujuan wu, peili zhang, yu shan, licheng sun. a bio-inspired coordination polymer as outstanding water oxidation catalyst via second coordination sphere engineering. nature communications, 2019.

doi: 10.1038/s41467-019-13052-1

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13052-1

 

5. nat. commun.:将生物催化剂快速机械化学包封到坚固的金属有机框架中

金属-有机框架(mofs)被认为是有吸引力的固体底物,因为具有高度可调性的mofs骨架不仅可以充当惰性主体,还可以增强酶的选择性,稳定性和/或活性。近日,上海科技大学lien-yang chou台湾国立中央大学fa-kuen shieh波士顿学院chia-kuang tsung等多团队合作,使用机械化学策略将酶包封到坚固的mofs中。

 

作者通过球磨工艺将一系列酶(即β-葡萄糖苷酶,转化酶,β-半乳糖苷酶和过氧化氢酶)封装在zif-8,uio-66-nh2或zn-mof-74中。该固态机械化学策略不仅速度快,并且在合成过程中最大限度地减少了有机溶剂和强酸的使用,从而允许将酶封装到三个典型的坚固的mofs中,同时保持酶的生物活性。作者证明了包封的酶的活性,并且即使在酸性条件下也显示出对蛋白酶的增加的抗性。该工作创建了一种构建mofs生物分子复合材料的方法,为mofs生物分子复合材料用于各种工业过程提供了途径。

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tz-han wei, shi-hong wu, yi-da huang, lien-yang chou*, chia-kuang tsung,* fa-kuen shieh,* et al. rapid mechanochemical encapsulation of biocatalysts into robust metal–organic frameworks. nat. commun., 2019

doi: 10.1038/s41467-019-12966-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12966-0

 

6. nature communications: “缺失连接体”mofs用于析氧反应

析氧反应(oer)在金属-空气电池、水分解、co2电还原等能源转化反应中至关重要。然而,由于oer较慢的动力学及较高的过电位,其活性受到极大限制。相比于oer活性较高的贵金属催化剂,非贵金属电催化剂更受青睐。尽管如此,如何提高非贵金属催化剂上oer的活性及稳定性仍极具挑战。mofs材料自发明以来,被广泛用于研究气体储存与分离、药物疏松、催化等,在电催化领域也有较多应用。大部分mofs自身导电性能与电催化性能均较差,但通过金属电极调控、氢氧化物配体配合、晶格应变mof等能一定程度调变mofs的电催化性能。即便如此,直接使用mofs作为高效oer催化剂仍在初期研究阶段。

 

鉴于引入“缺失连接体”可能定向调变mofs材料的电子结构,来自中山大学李光琴教授和中南大学的刘敏教授合作首先采用dft理论计算证实cobdc中的有机连接体对苯二甲酸可被“缺失连接体”羟基二茂铁替换。后者可有效调变mofs材料的电子结构,使得其导电性增强。且该mofs能够增强对oer中间产物oh*的吸附,并降低其上oer速控步骤oh* 到o*的活化能(1.85ev)。然后将多种“缺失连接体”引入至层状立柱结构的mof(cobdc)中制备了“缺失连接体”mofs材料。研究表明“缺失连接体”能够被引入mofs中且可被有效控制。其中,自支撑含羟基二茂铁“缺失连接体”的mof纳米阵列显示了极其优异的oer性能,即在214mv条件下达到100macm−2。该工作通过引入“缺失连接体”制备的mofs材料有望为研发高效mofs基的电催化剂开启新的章节。

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ziqian xue, kang liu, qinglin liu, yinle li, manrong li, cheng-yong su, naoki ogiwara, hirokazu kobayashi, hiroshi kitagawa, min liu*, guangqin li*, missing-linker metal-organic frameworks for oxygen evolution reaction, nat. commun., 2019, 10, 5048.

doi: 10.1038/s41467-019-13051-2

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13051-2?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=feed: ncomms/rss/current (nature communications - current)#bib1

 

7. jacs:具有袋状活性位的rh1/mos2单原子催化剂用于巴豆醛选择性加氢

不饱和醛(例如巴豆醛)的选择性加氢代表了工业上一系列生产用于生产药物,农用化学品和香料化合物的反应中间体的重要反应。然而,由于c=c键的氢化比c=o键的氢化容易得多,因此实现高选择性氢化c=o键是一项艰巨的任务。近日,美国亚利桑那州立大学jingyue liu德克萨斯大学达拉斯分校kyeongjae cho等多团队合作,将单个rh原子锚定在2d mos2片的边缘的催化剂(rh1/mos2),该催化剂具有空间位阻效应的口袋状活性位点,可将巴豆醛有效地转化为巴豆醇,选择性为100%。

 

表征结果表明,合成的rh1/mos2单原子催化剂(sacs)具有独特的几何和电子构型,可以通过空间位阻限制反应物分子的吸附模式。dft计算表明,mos2片边缘的mo是被氧化的,rh1单原子稳定地锚定在mo阳离子空位处,从而可以轻易地将h2解离为h原子。解离的h原子溢出,与边缘o原子反应形成oh物种并进一步形成类似于袋状活性位点的ho-mo-rh1-mo-oh构型,由于空间位阻效应而限制了巴豆醛的吸附模式,使得这种特定的吸附构型具有100%的巴豆醇选择性。该工作中用单个金属原子和2d纳米片构造袋状活性中心的策略为设计用于特定类别的催化转化的高选择性sacs开辟了新途径。

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yang lou, yongping zheng, kyeongjae cho*, jingyue liu*, et al. pocket-like active site of rh1/mos2 single-atom catalyst for selective crotonaldehyde hydrogenation. j. am. chem. soc., 2019

doi: 10.1021/jacs.9b06628

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06628

 

8. 王训jacs:簇-核共组装形成小于1 nm的二维杂化cuo-pma纳米片

在小于1 nm的尺度范围内,纳米材料显示出一些新颖而有趣的化学和物理特性,例如柔韧性,类聚合物的流变性等。然而,如何将杂化纳米材料的尺寸限制在1 nm以下仍是一个巨大的挑战。

 

近日,清华大学王训等通过在成核步骤中将磷钼酸(pma)团簇掺入无机材料(cuo)中,首次合成了小于1 nm二维(2d)杂化cuo-pma纳米片(snss)。分子动力学(md)模拟表明,pma簇与cuo分子相互作用并共组装成稳定的2d正方形snss。实验发现,cuo-pma snss不仅在808 nm激光下表现出良好的光热转换性能,而且可以在1个日光照射下以95.72%的能量转换效率应用于太阳能蒸汽的产生。该工作为基于簇-无机材料的二维混合snss的合成与应用提供了广阔的前景。

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junli liu, wenxiong shi, and xun wang*. cluster-nuclei co-assemble into two dimensional hybrid cuo-pma sub-1 nm nanosheets. j. am. chem. soc., 2019

doi: 10.1021/jacs.9b08818

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b08818

 

9. jacs:co调变mos2中mo-n2相互作用用于催化氨合成

工业合成氨需要在高温高压条件下进行,且排放大量二氧化碳,亟需开发高效绿色的合成氨工艺。生物固氮是生态系统氮循环的重要部分。模仿自然界细菌研发催化剂用于电化学反应有望发展环境友好的制氨途径。如何构建无机结构模仿固氮酶结构是此方法的关键。固氮酶固氮的活性位为mo-fe-s,因而可构建类似mofe3s4的结构或简易的层状二卤化氢mos2。mos2电学性能良好、原子结构较易调变、廉价,有望用于氮还原反应(nrr)。由于mos2的基面为s覆盖的结构,催化性较低。若要获得较高的活性,需要活化该基面。

 

鉴于此,来自莱斯大学的楼俊教授和布鲁克海文国家实验室的liu mingjie教授合作合成了co掺杂富s空位的mos2多晶纳米片(高度模仿了自然界中mo-固氮酶活性位结构),显示了优异的氨转化活性,在过电位为0.3v时,最大的法拉第效率为10%,氨收率为0.63mmol/h/g。dft计算结果表明,co的掺杂能够降低了mos2上nrr的自由能垒,可从1.62ev降低至0.59ev。此外,co掺杂加速了缺陷mos2上n2的吸附与解离,进而促进了nrr过程的进行。过渡金属掺杂与mos2基面上的s空位的协同作用为理性设计有效电化学nrr催化剂提供了新的策略。

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jing zhang, xiaoyin tian, mingjie liu*, hua guo, jiadong zhou, qiyi fang, zheng liu, qin wu, jun lou*, cobalt modulated mo-dinitrogen interaction in mos2 for catalyzing ammonia synthesis, j. am. chem. soc., 2019.

doi: 10.1021/jacs.9b02501

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b02501

 

10. jacs:手性介孔ni催化剂的设计合成,表征及电化学应用

手性化合物的对映选择性合成对广泛的潜在应用(特别是在化妆品和制药工业中)至关重要。近来,由金属电沉积制备的手性imprinted介孔pt膜,在同时存在非离子表面活性剂的溶变液晶相作为介孔原和手性模板的情况下,已被用作不对称合成的电催化剂和选择性固定相分离手性化合物。但是,pt是一种昂贵的金属,因此必须探索将这一概念应用于其它金属的方法。

 

近日,泰国vidyasirimedhi科学技术研究所chularat wattanakit波尔多大学alexander kuhn等团队合作,在非离子表面活性剂brij c10和手性化合物苯乙醇同时存在下,将醋酸镍进行电沉积,成功地制备了手性介孔ni催化剂。dpv实验发现,所合成的手性介孔ni材料可区分(r)-pe和(s)-pe对映体;并且可以电催化前手性化合物苯乙酮对映选择性还原,优先生成一种或另一种苯乙醇对映体,对映体选择性高达80%ee。该工作为开发用于合成手性化合物的低成本非贵金属基催化剂开辟了道路。

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sunpet assavapanumat, marisa ketkaew, alexander kuhn*, and chularat wattanakit*. synthesis, characterization and electrochemical applications of chiral imprinted mesoporous ni surfaces. j. am. chem. soc., 2019

doi: 10.1021/jacs.9b10507

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b10507

 

11. 巩金龙jacs:调制双功能mo-v-o混合氧化物中的晶格氧,用于化学环氧化脱氢

氧化学在众多化学反应中起着关键作用。特别是在轻质烷烃脱氢中,金属氧物种对c–h键的选择性裂解是非常理想的。丙烷脱氢制丙烯是这种有前途但具有挑战性的化学反应的实例。尽管非氧化丙烷脱氢(pdh)具有高的丙烯选择性,它具有强烈的吸热性,并且会因焦化而失活。相比之下,氧化脱氢(odh)在氧气存在下发生,具有改善工艺效率的潜力,具有良好的热力学和抗结焦性。然而,通过连续的氧化反应,丙烯选择性较差。因此,设计多功能材料实现高的丙烯选择性和产率具有重要意义。

 

近日,天津大学巩金龙等通过简单的共浸渍法制备了一种双功能的mo-v-o混合氧化物催化剂,该催化剂可通过替代的化学环氧化脱氢(cl-odh)途径选择性地将丙烷转化为丙烯。该催化剂在500°c下,经过100个脱氢-再生循环,丙烷转化率为36%时,丙烯的选择性为89%。进一步研究表明,mo-v-o混合氧化物催化剂优异的丙烯收率(远远超过了先前报道的odh催化剂)的原因是,原子级mo的掺杂参与并精确调节了块体晶格氧,并发现增加v-o键的结合能可增强丙烯的选择性。该工作加深了人们对金属-氧化学的基本理解,并提供了一种烷烃脱氢的有前途的策略。

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sai chen, jinlong gong*, et al. modulating lattice oxygen in dual-functional mo-v-o mixed oxides for chemical looping oxidative dehydrogenation. j. am. chem. soc., 2019

doi: 10.1021/jacs.9b09235

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09235

 

12. jacs:结构与电子优化mos2棱边位点用于析氢反应

2005年mos2被首次报道具有her活性后,因其表面较低的氢吸附能、电化学稳定性、廉价等优点而受到广泛关注。然而,实验和理论研究表明mos2上her活性不佳主要有三个因素:(1)mos2上her活性位主要是棱边位点而不是基面;(2)mos2的基面电荷传到能力差;(3)mos2的团聚和重构阻止了活性位点的暴露。解决这些问题是提高mos2的her活性的关键。目前,可通过调控mos2的结构,如纳米晶体、螺旋状、边缘导向的纳米片、缺陷丰富的纳米片等。也可掺杂杂原子以活化基面/棱边位点增强导电性。此外,采用导电性能良好的材料为载体也可提高其导电性进而提高活性。

 

鉴于此,来自苏州大学的高立军教授、jinho choi教授与南洋理工大学的jong-min lee教授合作采用一种自模板策略成功合成了碳网络(cn)锚定的“零维/三维”纳米结构的氮掺杂mos2纳米晶体(n-mos2/cn)。研究结果表明,氮掺杂能够同时增强棱边位点的her活性及基面的导电性能。且所制备的超细氮掺杂的mos2纳米晶体可增多活性棱边位点密度。此外,三维多级孔道结构的碳载体有利于电解质中h 的传输,且能促进her过程中电子传递。n-mos2/cn在-30mv(vs rhe)电位下,10ma cm2-对应的过电位为114mv,稳定性长达10h。该研究为优化催化材料获得更多的活性位开辟了新途径。

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hao wang, xu xiao, shuyuan liu, chao-lung chiang, xiaoxiao kuai, chun-kuo peng, yu-chang lin, xing meng, jianqing zhao, jinho choi*, yan-gu lin, jong-min lee*, lijun gao, structural and electronic optimization of mos2 edges for hydrogen evolution, j. am. chem. soc. 2019.

doi: 10.1021/jacs.9b09932

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.9b09932

 

13. jacs: fe和mo催化甲烷脱氢芳构化反应的活性比较

为了便于甲烷气体的运输一般先转化为co和h2,然后进行液化运输。而甲烷芳构化反应(6ch4 c6h6 9h2)(简称mda)利用具有形貌选择性的mo/zeolite催化剂直接将甲烷转化为可运输的液体,非常适合小规模甲烷的液化转化。而且,甲烷芳构化反应还可用于探测天然气资源,以及生产需求量日益增长的芳烃,填补石脑油裂解产量下降所造成的空白。催化直接甲烷脱氢芳构化(mda)的催化剂目前最好的是沸石载体mo催化剂,mo的表现优于其他过渡金属(tms)。

 

近日,新加坡国立大学的swee ching tan等通过将fe和mo负载在hzsm-5沸石上来直接比较解释mo催化剂的优越性。为了确定赋予mo优异性能的最重要因素,结合催化测试和理论计算,使用x射线吸收光谱(xas)技术进行了详细的表征。研究发现,mo催化剂中单、二聚体活性位点的丰度越高,其在甲烷中的越容易渗碳,而且脱氢活化能的能垒越低,这解释了其催化性能优异的原因。另外,提出了一种co预处理方法,使fe更容易渗碳,从而提高了fe的催化性能。

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ina vollmer, samy ould-chikh, antonio aguilar-tapia, guanna li, evgeny a pidko, jean-louis hazemann, freek kapteijn, jorge gascon. activity descriptors derived from comparison of mo and fe as active metal for methane conversion to aromatics. journal of the american chemical society, 2019.

doi 10.1021/jacs.9b09710

https://doi.org/10.1021/jacs.9b09710

 

14. 厦门大学angew:电还原co高选择性生产乙烯,法拉第效率达52.7%

乙烯(c2h4)是重要的化工原料,通常通过800-900℃蒸汽裂解石脑油原料来生产乙烯。然而,非石油碳资源的利用非常重要,通过节能策略将丰富的工业碳资源,例如将合成气(co h2)中的co转化为c2h4是至关重要的。近年来,在高温(200-450 ℃)和高压(5-50 bar)下通过费-托合成(fts)生产c2-c4烯烃引起了很多关注。除了苛刻的反应条件,fts工艺的产品通常还受到anderson-schulz-flory(asf)分布的限制,导致c2碳氢化合物(乙烯和乙烷)的选择性只有30%。所得的c1-c4烃气体混合物需要进一步分离以获得高纯度的乙烯,也会导致不希望的碳排放和损失。因此,发展高选择性和节能的乙烯生产路线而无需额外的分离步骤,避免碳资源的浪费具有重大的技术,经济和环境意义。

 

近日,厦门大学邓德会等报道了一种直接电催化技术,在室温和环境压力下,在cu催化剂上用水将co还原,实现了高选择性生产乙烯。作者通过合理优化阴极结构,促进co在电极和cu催化剂表面的扩散,增强了c-c键耦合,实现了52.7%的co电还原制乙烯法拉第效率。此外,该方法高选择性产乙烯的同时几乎没有其它碳基副产物例如c1-c4碳氢化合物和co2残留物的生成。该工作为利用丰富的工业co高选择性地生产乙烯提供了一种新的有希望的策略。

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ruixue chen, hai-yan su, dehui deng*, et al. highly selective production of ethylene by electroreduction of carbon monoxide. angew. chem. int. ed., 2019

doi: 10.1002/anie.201910662

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201910662

 

15. angew:合理合成非晶态的镍铁膦酸酯用于高效的光催化水氧化,产率接近100%

溶剂的ligation作用经常用于调整配位材料的局部和扩展结构,从而调整其性质和功能。溶剂分子可以与金属离子形成键作为末端配体,导致网络尺寸降低,或充当桥联配体以扩展金属配位以形成更高尺寸的网络。进一步探索溶剂分子的影响,制备高性能的配位材料具有重要的意义。在广泛的无机有机杂化固体中,过渡金属膦酸酯因其通用的配位化学和柔性结构而在催化和其它应用中具有巨大潜力。但是,它们中的许多会长成致密晶体,导致在催化中的实际应用很少。

 

近日,新加坡南洋理工大学rong xu南京林业大学guangyu wu等采用简单的溶剂ligation作用,在合成过程中,用n,n-二甲基甲酰胺(dmf)代替水作为溶剂,除去-oh连接基团的作用,破坏了模型化合物fe[(oh)(o3p(ch2)2co2h)]×h2o (mil‐37)的生长,成功合成了多孔二维fe(iii)和fe(iii)ni(ii)膦酸酯材料。由于缺乏为八面体提供角结合氧原子的-oh基团,合成的材料具有无定形多孔结构。当fe3 被ni2 部分取代时,合成的材料的非晶态结构仍然保留,并且以[ru(bpy)3]2 为光敏剂,在可见光照射下,所得的二元金属催化剂显示出优异的光催化析氧活性,产率接近100%。该工作为利用简单溶剂效应合成高表面积金属膦酸酯材料用于催化和其它应用开辟了道路。

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weinan xing, guangyu wu,* rong xu*, et al. rational synthesis of amorphous iron‐nickel phosphonates for highly efficient photocatalytic water oxidation with nearly 100% yield. angew. chem. int. ed., 2019

doi: 10.1002/anie.201912552

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201912552

 

16. angew:表面“挖掘效应”稳定ni催化剂高效氧化甲烷制甲醇

负载型金属纳米颗粒在高温条件下由于ostwald熟化、颗粒团聚等作用导致分散度、表面积、颗粒数量等降低,最终导致催化剂失活。纳米颗粒烧结的内在原因是金属与载体间的相互作用较弱,可利用载体限域、核-壳结构、蛋黄-蛋壳结构等增强载体与金属间相互作用。然而,精确合成稳定高分散且高效(活性与选择性)的金属催化剂极具挑战。近日,来自中国科学技术大学的吴宇恩教授,南京师范大学李亚飞教授,天津理工大学罗俊教授合作发现一种无定形碳表面“挖掘效应”不仅能够增强ni纳米颗粒与载体间的相互作用,而且可以保持其较高的初始活性与稳定性。

 

研究人员使用多巴胺包裹的碳管经惰性气氛煅烧得到表面无定型碳层,煅烧过程中生成的ni颗粒自“挖掘”并产生合适的空洞置于其中,在表面富氮空位和暴露ni原子间强配位作用下,ni纳米颗粒均匀分散在无定型碳层表面。进一步升高煅烧温度可获得ni单原子催化剂。研究人员通过原位透射电镜和dft计算阐明了ni纳米颗粒“挖掘”机制与ni单原子催化剂生成原理。这种“挖掘”现象产生的碳缺陷可有效调变邻近的nin4中心的电子密度分布,进而提高其甲烷氧化制甲醇催化活性。该工作提出的“发掘”效应为稳定金属纳米催化剂的制备提供了新思路。

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huang zhou, tianyang liu, xuyan zhao, yafei zhao, hongwei lv, shi fang, xiaoqian wang, fangyao zhou, qian xu, jie xu, can xiong, zhenggang xue, kai wang, weng-chon cheong, wei xi, lin gu, tao yao, shiqiang wei, xun hong, jun luo*, yafei li*, yuen wu*,  surface digging effect stabilized supported ni catalyst for efficient methane oxidation, angew. chem. int. ed., 2019.

doi: 10.1002/ange.201912785

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201912785?af=r

 

17. joule: 电化学haber-bosch法制氨

氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一,对人类的生产、生活等方面有着至关重要的作用。而且由于其具有绿色、环保、易储存运输等优点,也被视为良好的氢载体。在20世纪初,fritz haber和carl bosch等人发现以锇(后来是以铁为主要活性组分的复合物)作为催化剂,可直接将氮气和氢气在高温高压下反应得到氨气(即haber-bosch法),且产率最高可达到20%,这一方法的提出,从此开启了合成氨的大规模工业化进程,也正是得益于haber-bosch法合成氨,人类自此实现了人工固氮的集约化和规模化发展,从而直接推动了全球粮食产量和人口数量史无前例地增长。

 

然而该方法虽经过百多年的发展,但仍需要在高温高压条件下进行(300~500 ℃、200~300 atm),其年均能耗占到世界能源总耗的1~2%,它所产生的co2年排放量约占到总温室气体的1.5%。因此,如果能够实现在常温常压下氮气和氢气的高效反应合成氨,那将是人们梦寐以求的。特别是如果合成氨过程中的驱动能量还能由可持续的绿色能源供给,将能够彻底克服haber-bosch法合成氨所面临的涉及能耗、污染以及安全性等方面的问题。

 

鉴于此,荷兰基础能源研究所的vasileios kyriakou等设计了一种在常压下运行的一种集成bazro3基质子陶瓷膜反应器(pcmr),析氢发生在镍基复合电极上,而vn-fe是氨合成电催化剂,从重整室中提取氢气可以提高甲烷的热力学极限转化率。电化学haber-bosch法是将pcmr与质子陶瓷燃料电池相结合,利用副产品氢来回收电能并从周围空气中分离氮气。这一过程可能比其传统方法需要更少的能源和释放更少的二氧化碳排放,具有巨大的应用潜力。

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vasileios kyriakou, ioannis garagounis, anastasios vourros, eirini vasileiou, michael stoukides. an electrochemical haber-bosch process. joule, 2019.

doi: 10.1016/j.joule.2019.10.006

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.10.006

 

18. joule:小分子电催化转化为燃料、化学品和肥料之路

生物几乎完全(99%)由4种元素组成:氢、碳、氮和氧。这一事实可能与它们之间可以形成稳定的化学键有关,这是构建生命所需的复杂生物分子所需的特性(例如,长链分子中典型的c-c键离解能为360 kj/mol)。然而,这些键的稳定性通常随着分子尺寸的减小而增加,使得氮气(945 kj/mol)、二氧化碳(532 kj/mol)、水(497 kj/mol)和甲烷(439 kj/mol)成为非常稳定的末端产物。与氮气尤其是甲烷对比,水和二氧化碳可以被认为是能源的死角。因此,这些非常丰富的小分子是用于将可再生能源储存在燃料中或生产其他高价值化合物的有效平台。这一概念在“人造树叶”中得到充分的展现,催化反应和光能被整合在同一个装置中,理想情况下,只需要水、太阳和分子即可实现能源的转换和利用。实现利用水、二氧化碳、氮气和甲烷,这四种储量丰富的小分子,与太阳能等可再生能源的结合,通过一种基于小型反应装置的分布式循环能源模式,有望改变传统的依赖于化石资源生产和运输的集中式能源生产和利用模式,实现人类社会的可持续发展。利用储量丰富的小分子,如水、二氧化碳、氮气和甲烷等,与太阳能等可再生能源的结合,形成一种基于小型反应装置的分布式循环能源模式,即所谓的人造树叶,是解决当前面临的能源短缺和环境污染问题的伟大愿景,然而要实现这一蓝图,仍需要提高催化性能、改进反应装置和工艺工程等各方面的努力。

 

近日,苏黎世联邦理工学院的javier pérez-ramírez通过建立相同的催化数据评价标准(即法拉第效率、能源效率、过电位、电流密度和稳定性),分析了目前催化性能面临的核心挑战,首先从宏观的角度说明了它们距离实用应用价值之间存在的较大差距,描述对比了每种小分子转化的发展程度,然后分别讨论了当前导致小分子电催化转化的效率较低的根源,并且通过定性比较,认为四种方案的可行性难易程度为eh2orr>>eco2rr≥en2rr>ech4or。

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antonio josé martín, javier pérez-ramírez. heading to distributed electrocatalytic conversion of small abundant molecules into fuels, chemicals, and fertilizers. joule, 2019.

doi: 10.1016/j.joule.2019.09.007

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.007

 

19. chem: 离子液体静电稳定单原子催化剂

近年来,单原子催化剂获得了长足的发展。热力学上,单原子催化剂不稳定,需要在载体表面构建缺陷锚定单原子,或使用微孔载体空间限定单原子,或在载体中引入含孤对电子元素(如n、s)提供丰富的配位位点稳定单原子。这些方法要求特殊的载体或合成条件,从而限定了其更为广泛的应用。早在2002年,dupont等以离子液体为稳定剂,通过其静电保护作用有效阻止了ir纳米颗粒的团聚。此外,离子液体也被用于“负载型离子液体催化”。

 

有鉴于此,来自新加坡国立大学的颜宁教授、京都大学hiroyukiasakura教授、北海道大学高敏博士、大连化学物理研究所乔波涛研究员合作发展了一种采用离子液体静电作用稳定单原子催化剂的普适性合成策略。研究结果表明未经保护的pt1/hap在丙烯加氢反应后团聚为pt纳米颗粒,但经离子液体保护的ils-pt1/hap在反应后则维持了原有的结构。dft计算结果表明,当存在离子液体([bmim][bf4])保护时,两个单pt原子形成pt2二聚体的活化能由0.11ev增大至0.72ev。研究人员发现,离子液体的存在还可以调变pt1的电子态,其加氢活性以数量级增大。该方法还可推广制备不同载体,如ceo2、tio2、zro2,负载的pt单原子催化剂。此外,通过离子液体保护的pd1/hap单原子催化剂的乙炔加氢选择性与稳定性远高于未经保护的pd1/hap催化剂。通过离子液体保护制备单原子催化剂方法简单、普适性强,为单原子催化剂的制备开辟了全新的途径。

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shipeng ding, yalin guo, max j. hulsey, bin zhang, hiroyuki asakura, lingmei liu, yu han, min gao, jun-ya hasegawa, botao qiao, tao zhang, ning yan, electrostatic stabilization of single-atom catalysts by ionic liquids, chem, 2019.

doi: 10.1016/j.chempr.2019.10.007

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2451929419304619?dgcid=rss_sd_all

 

20. am:金属基配位聚合物策略合成原子薄多孔的金属氧化物纳米片

多孔2d金属氧化物作为储能和催化剂的功能材料,已显示出广阔的前景。尽管这些材料具有高的性能,但其加工仍受到模板,封端剂或高温的挑战;且这些材料还存在过高的厚度和低产量等问题。近日,悉尼新南威尔士大学sajjad s. mofarahpramod koshy日本国立材料科学研究所esmaeil adabifiroozjaei等报道了一种基于金属的配位聚合物(mcp)策略,可合成厚度低至两单位晶胞的多晶,多孔,金属氧化物(mo)纳米片。

 

作者首先在室温下将体相层状mcp(基于ce,ti,zr的mcp)快速剥落成原子薄的mcp,然后在去除水溶液中的有机连接基后转变为有孔的二维mos。此外,作者使用过渡金属的前体修饰纳米片带隙,从而优化了多孔纳米片光催化性能。该工作引入了一种简单,高产率,室温且无模板的方法来合成具有高水平功能的超薄多孔纳米片。

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sajjad s. mofarah,* esmaeil adabifiroozjaei, pramod koshy,* et al. coordination polymer to atomically thin, holey, metal‐oxide nanosheets for tuning band alignment. adv. mater. 2019,

doi: 10.1002/adma.201905288

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905288

 

21. journal of catalysis: 在浆床中将合成气转化为乙醇的cu/zno/al2o3三元催化剂的活性位点

当前,通过cuznal催化剂将合成气选择性转化为乙醇作为一种有前途的技术,对当前的能源研究具有长期的意义。近日,太原理工大学黄伟教授课题组报道使用密度泛函理论(dft)和微动力学模型将cu(111)表面上的zno和al2o3协同簇用于co选择性加氢转化为乙醇。他们的结果表明,cu-zno的协同作用促进了co初始活化为cho,这三种组分的协同作用是通过形成的ch3oh的直接离解形成ch3的必要条件,而ch3oh是整个过程中的速率控制步骤,并具有辅助作用。

 

通过将co插入具有0.45激活壁垒的ch3中间体中,初始的碳链形成对于cu-al2o3协同作用而言必不可少。除了乙醇合成,我们提出了将合成气转化为乙二醇的可能性,这是典型的原子经济反应。此外,热力学和动力学的壁垒和电荷分析结果表明,通过cho与cu-zno协同作用的辅助作用,碳链的生长很容易形成乙二醇。为了获得比cuznal催化剂更高的乙醇生产率和选择性,需要具有促进cho氢化和/或抑制cho偶联的功能的金属促进剂的辅助。这项工作不仅阐明了用于乙醇合成的cuznal催化剂中cu,zno和al2o3组分的协同作用,而且为乙二醇合成提供了另一种非石油途径。

 

亮点:揭示了cu-zno-al2o3在合成气催化转化为乙醇中的协同作用。cu-zno的协同作用促进了co的初始活化。cu-zno-al2o3的配合对于ch3的形成是必需的。cu-al2o3协同作用的辅助对于初始碳链形成必不可少。已经提出了通过cuznal催化剂将合成气转化为乙二醇的可能性。cu-zno协同作用对于通过cho偶联生长碳链是必需的。

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hui bai*,mengmeng ma,bing bai,jianping zuo*,haojie cao,lin zhang, qian-fan zhang, vladimir a.vinokurov,weihuang*. the active site of syngas conversion into ethanol over cu/zno/al2o3 ternary catalysts in slurry bed. journal of catalysis 380 (2019) 68–82.

doi: 10.1016/j.jcat.2019.10.002

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0021951719304956

 

22. nano energy: 二元pd/非晶srruo3杂化膜催化剂用作高稳定高活性的eor催化剂

基于钯或铂的贵金属催化剂(ppc)对乙醇氧化反应(eor)的催化活性高,被认为是直接用于高性能乙醇燃料电池(defc)的最佳候选催化剂之一。然而,目前阻碍其商业化的主要障碍是不完全氧化的中间体(ioi,如co)会毒害催化剂,影响催化剂的耐久性和稳定性。同时,失活的ppc催化剂难以回收利用,降低了其经济效益。此外,由于添加剂腐蚀和老化的副作用,目前催化剂设计中广泛使用的碳和有机粘结剂会使ioi的相互作用更加复杂,从而加快了活性损失。

 

鉴于此,电子科技大学的乔梁课题组设计制备了一种pd/非晶srruo3 (pd/a-srruo3)杂化膜材料,有望克服这些问题。钙钛矿srruo3能有效生成含氧的(*oh,*ooh)用于中间体氧化反应,为促进pd活性位点上的co自清洁提供了理想的平台。另一方面,与非晶催化剂在氧还原反应过程中典型的自适应作用类似,无定形srruo3的亚稳态有助于延长循环初期的活性适应区。此外,我们在操作电极上直接沉积pd/a-srruo3膜的策略为避免碳和粘结剂带来的副作用提供了一种有效的凯发真人平台的解决方案,催化性能优异,效率高达98%。pd/a-srruo3混合膜表现出优异的eor活性(4.0 a/mg pd)和耐久性(i-t,60,000s),自适应区域(超过400次循环,在1000次循环结束时活性为3.0 a/mg pd)。这种具有自清洁和自适应双重性能的混合催化剂为设计制备高耐久性和稳定性的电催化剂提供各类一种新的思路。

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xiaoqiang wu, jingxuan he, meng zhang, zhongran liu, sa zhang, zhao yang, tian li, fapei zhang, zheng peng, ningyan cheng, jiaye zhang, xiaojian wen, yanwu xie, he tian, liang cao, lei bi, yi du, hongliang zhang, liang qiao. binary pd/amorphous-srruo3 hybrid film for high stability and fast activity recovery ethanol oxidation electrocatalysis. nano energy, 2019.

doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104247

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104247

 

23. nano letters:cu3n纳米立方体选择性电化学还原制co2制乙烯

co2选择性还原反应(co2rr)是将过度排放co2合成为可用能源的关键步骤。近年来,电化学co2rr被广泛研究。其中,纳米cu催化剂能较为高效的通过co2rr合成碳氢化合物。然而,在常温反应条件下,cu的表面催化反应难以控制,会生成碳氢化合物的混合物,给目标产物的分离带来了极大困难。虽然通过流动池设计可以选择性的将co2转化为碳氢化合物,但是该过程需要大量采用腐蚀性的碱性电解质,不利于实际操作。

 

鉴于此,来自布朗大学的孙守恒教授报道了一种全新的钙钛矿结构的cu的氮化物(cu3n)纳米立方体催化剂用于选择性co2rr。研究结果表明,cu3n显示了优异的co2rr制乙烯的选择性和稳定性。在-1.6v(vs rhe)电位下,法拉第效率为60%,质量活性位34a/g,且c2h4/ch4的摩尔比例>2000。进一步研究表明cu3n能够稳定表面的(100)cu(i)活性位,有利于(100) cu3n 表面的co-cho的耦合反应,进而增强其c2h4选择性。该研究为金属氮化物用于选择性co2rr制备碳氢化合物提供了良好的实例。

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zhouyang yin, chao yu, zhonglong zhao, xuefeng guo, mengqi shen, na li, michelle muzzio, junrui li, hu liu, honghong lin, jie yin, gang lu, dong su, shouheng sun, cu3n nanocubes for selective electrochemical reduction of co2 to ethylene, nano letters, 2019.

doi: 10.1021/acs.nanolett.9b03324

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03324

 

24. acs applied energy materials: 碳负载富氧空位的co3o4纳米片用作制备h2o2高效光催化剂

h2o2是一种重要的液相化学物质和燃料,光催化生产h2o2是一种很有潜力的缓解能源危机的策略。然而,选择性低、稳定性差(一般小于5个短周期循环)等问题严重制约了该技术的发展。近日,苏州大学的康振辉教授刘阳教授课题组合作设计制备了一种碳负载富氧空位的co3o4纳米片(c-ovco)用作无清除剂生成h2o2的高效光催化剂,可以在低能量势垒1.1 ev下使2e-水氧化(wor)与2e-氧还原反应(orr)相结合。

 

在该体系中,氧空位可以有效减小带隙,提高施主密度,改善电荷的分离和迁移,起到wor活性位点的作用,而碳载体接受电子,起orr活性位点的作用。该催化剂表现出优异的过氧化氢产率,在λ≥420 nm的可见光下为3.78 mmol/h/g,而且超过720小时(30个长周期)的稳定性也优于目前最先进的光催化系统。

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cheng zhu, mengmeng zhu, yue sun, yunjie zhou, jin gao, hui huang, yang liu, zhenhui kang. carbon-supported oxygen vacancy-rich co3o4 for robust photocatalytic h2o2 production via coupled water oxidation and oxygen reduction reaction. acs applied energy materials, 2019.

doi: 10.1021/acsaem.9b01712

https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01712

 

25. acs: 高效的自支撑纳米多孔nio/al3ni2用作her催化剂

随着化石能源使用带来的环境污染问题日益严重,发展和使用清洁可持续的能源呼声越来越高。氢能作为一种原料丰富、燃烧值高、零污染的清洁能源,要想发展氢能技术,不可或缺的一步就是把水通过电化学反应转换成氢气,但析氢反应所需过电位较高,需要加入催化剂降低过电位,提高反应速率。传统的贵金属催化剂虽然催化活性好,但是存在成本高昂的问题,因此,开发低成本、高效的非贵金属析氢电催化剂对氢气的工业化生产具有重要意义。近日,东莞理工学院的chang chuntao天津大学朱胜利教授课题组合作采用电化学脱合金法制备了纳米多孔nio/al3ni2催化剂。

 

纳米多孔nio/al3ni2催化剂具有高表面积、快速的气体扩散和nio与al3ni2的协同效应等优势,在碱性条件下表现出优异的催化活性和良好的稳定性,在电流密度为10ma/cm时,其过电位仅需66 mv。纳米多孔nio/al3ni2催化剂在高于105mv的高过电位条件下,具有高于工业用pt/c催化剂的电流密度。暴露在al3ni2活性(100)表面的ni位点具有中等的氢吸附能,nio能有效促进水的分解,防止al3ni2活性位点被中间产物中毒,而且al3ni2有利于提高催化剂的导电性。该工作对非贵金属her电催化剂的设计和开发具有重要的借鉴意义。

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yiyang zhou, haipeng liu, shengli zhu, yanqin liang, shuilin wu, zhaoyang li, zhenduo cui, chuntao chang, xianjin yang, akihisa inoue. highly efficient and self-standing nanoporous nio/al3ni2 electrocatalyst for hydrogen evolution reaction. acs applied energy materials, 2019.

doi: 10.1021/acsaem.9b01410

https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01410

 

26. small:常温无电沉积合成多孔碳负载高度分散pt族纳米催化剂用于her和hor

无电沉积法制备负载型金属纳米颗粒,载体既是还原剂也是稳定剂,且无需额外添加还原剂或还原条件,因而受到了广泛关注。无电沉积法还原金属离子的驱动力来源于载体与金属离子间的氧化还原电位差,载体较低的氧化还原电位有利于还原更多种类的金属颗粒。富含含氧基团的氧化石墨烯及富低价钛的mxene材料即是此类材料。目前常用的纳米碳管和氧化石墨烯的氧化还原电位相对较高,仅能还原部分贵金属,且由于载体的制备工艺复杂,因而其应用受到极大限制。

 

鉴于此,来自四川师范大学的樊光银教授、张云博士与北京分子科学国家实验室的胡劲松研究院合作发展了一种简易廉价多孔碳的制备方法。该多孔碳表面具有丰富的含氧基团,氧化还原电位极低,仅为-0.27v,可有效负载ir(1.15v)、rh(0.80v)、ru(0.30v)等铂族元素,且负载的金属颗粒粒径小、分布窄: ir (0.96 ± 0.13 nm)、rh (1.11 ± 0.31 nm)、ru (1.37 ± 0.39 nm)。进一步将制备的催化剂用于her和hor反应,her反应中rh/pc催化剂在酸性条件下,电流密度为10ma cm−2时,对应的过电位仅为21mv;hor反应中ru/pc催化剂在碱性条件下,质量活性与交换电流密度分别为263a g-1ru和0.227ma cm-2ru。所报道的无电沉积策略为合成负载型高度分散金属纳米催化剂及其应用提供了新思路。

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mei ming, yun zhang*, chao he, lu zhao, shuai niu, guangyin fan*, jin‐song hu*, room‐temperature sustainable synthesis of selected platinum group metal (pgm = ir, rh, and ru) nanocatalysts well‐dispersed on porous carbon for efficient hydrogen evolution and oxidation, small, 2019.

doi: 10.1002/smll.201903057

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201903057?af=r

 

27. nano letters:二维mofs纳米片杂化贵金属纳米颗粒催化析氢反应

二维mof材料表面原子结构独特、质荷传递性能良好,在气体分离、生物制药、传感器、能源转化与储存等领域研究广泛。在不破坏二维mof材料内部结构的前提下,引入外部功能化物种可以开发其新的功能与性质,然而目前这方面研究仍较少。以二维mof材料为基体有望优化贵金属的配位环境和电子结构。

 

鉴于此,来自南京工业大学的朱纪欣教授、卧龙岗大学的孙文平博士团队发展了一种利用未配位的mof配体的表面氧位点构造金属/二维mof异质结构的有效策略。可在无表面活性剂的mof表面上掺入电子结构可调变的高度分散的贵金属纳米颗粒(如pt和pd)。研究人员通过构建二维ni-mof@pt杂化材料强化了电化学析氢反应,且在酸性和碱性条件下均具有良好的电催化性能:电流密度为10 ma cm−2时对应的过电位为分别为43mv和102mv。该研究结果为mofs材料扩展的功能与应用提供了新的认识。

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kun rui, guoqiang zhao, mengmeng lao, peixin cui, xu-sheng zheng, xiaobo zheng, jixin zhu*, wei huang, shi xue dou, wenping sun*, direct hybridization of noble metal nanostructures on 2d metal–organic framework nanosheets to catalyze hydrogen evolution, nano lett., 2019.

doi: 10.1021/acs.nanolett.9b02729

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b02729

 

28. 黄小青课题组afm: au-fe2o3纳米颗粒固氮

固氮至氨是自然界氮循环的重要步骤。目前,工业固氮主要通过合成氨工业完成,但是该过程耗能高、二氧化碳排放量大。近年来,在常温常压条件下电化学转化氮气制氨气受到了广泛关注。然而,由于n2的高稳定性及副反应her的竞争,n2还原反应(nrr)制nh3效率低、选择性差。因而,亟待开发抑制her反应促进nrr过程的催化剂。由于au适宜的电子结构,能够促进电子传递和反应中间产物的质子化,是极具前景的nrr催化剂。且au不易吸附氢,,可有效抑制her反应。此外,au吸附n2性能差,nrr性能有限,nh3生成活性与选择性仍不能满足应用要求。

 

近日,来自苏州大学的黄小青教授构建了一种异质结构的au-fe3o4纳米颗粒并用于nrr。该催化剂在-0.2v(vs rhe)电位下的法拉第效率为10.54%,nh3的收率为21.42μg mgcat-1h-1,远高于au纳米颗粒,fe3o4纳米颗粒和核-壳结构的au@fe3o4纳米颗粒催化剂。且在六个循环反应后仍能保持较高的性能。研究表明,au-fe3o4纳米颗粒吸附反应物种能力强,电子传递能力适宜。进一步采用dft计算揭示了fe为n2的固定生成*n2h提供了活性位,引入au优化了nrr中间产物的吸附,使得au@fe3o4上的nrr反应路径热力学有利。该研究为多组分催化剂间的协同效应用于nrr过程提供新的案例,为进一步设计高效nrr催化剂提供了新思路。

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jin zhang, yujin ji, pengtang wang, qi shao, youyong li, xiaoqing huang*, adsorbing and activating n2 on heterogeneous au–fe3o4 nanoparticles for n2 fixation, advanced functional materials, 2019.

doi: 10.1002/adfm.201906579

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201906579?af=r

 

29. nano energy: 化学与结构调控的过渡金属硼化物——优异可持续的析氢反应催化剂

碱性条件下her过程中,水的解离及生成的中间产物,如had和oh-,在活性位点上的吸附至关重要。过渡金属硼化物导电性强、抗腐蚀性强,是新兴廉价高效的her催化剂。然而,其复杂的合成工艺、不宜的类球形貌要求更多的优化以成为pt的替代物。纳米片不仅比表面积大,而且暴露大量的活性位点,是过渡金属硼化物形貌的潜在选择。但是,纳米片上的不可逆重叠会导致活性位的丢失、较低的电解质扩散速率及耐久性能。而在纳米片上进行“打孔”,能同时增加缺陷及棱边位点,有利于吸附及离子/反应物物种间的快速电子转移。

 

近日,来自汉阳大学的taeseupsong教授和ungyupaik教授设计合成了ni替代的como硼化物(ni-cmb)纳米片。该催化剂的电流密度为10 ma cm-2时对应的过电位仅为69mv,且在碱性介质中tafel斜率仅为76.3mv dec-1。研究表明,纳米片结构暴露了更多的活性位点,促进了电荷传递;其上的孔状结构有利于电解质的快速扩散,生成气体的脱除。此外,即便在较高的电流密度下,该催化剂仍具有长效可持续的制氢性能,甚至高于pt-c电极。该研究为二维超薄孔状结构的过渡金属硼化物的合成及应用开辟了新途径。

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soumen dutta, hyuksu han, minyeong je, heechae choi, jiseok kwon, keemin park, arindam indra, kang min kim, ungyu paik*, taeseup song*, chemical and structural engineering of transition metal boride towards excellent and sustainable hydrogen evolution reaction, nano energy, 2019.

doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104245

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2211285519309528?dgcid=rss_sd_all#!

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