百家争鸣！诺奖得主Goodenough、染敏电池之父Grätzel、Sargent、乔世璋、楼雄文、冯新亮等催化领域新进展

一、催化领域研究背景

催化与我们日常生活的方方面面息息相关，是人类社会可持续发展的重要基础之一。催化剂使人们的日常生活发生翻天覆地的变化，通过催化反应可加工各类产品，因此催化影响着人们衣食住行的方方面面，发挥着超乎寻常的重要作用。因在化学和能源工业的等许多领域取得的开创性工作，已有四位科学巨擘获得诺贝尔奖，Fritz Haber、CarlBosch、Irving Langmuir和GerhardErtl分别于1918年、1931年、1932年和2007年获得过诺贝尔奖。下面我们列举了国外学术大咖催化领域研究有关的部分代表性成果，一起交流探讨。

二、超级大咖最新科研成果汇总

1、Angew: 超细Pt₃M有序金属间化合物合成的通用策略

诺贝尔化学奖得主John B. Goodenough教授与华南理工大学的崔志明教授等提出了一种新型的、应用广泛的水凝胶冷冻干燥方法，用于制备超小颗粒尺寸的高有序Pt-M（M=Mn、Cr、Fe、Co等）金属间化合物催化剂，成为实现实用燃料电池的一类非常理想的材料。在这种方法中，水凝胶可以将堆积的GO片剥离成单个的GO片，并显著促进纳米粒子的良好分散。本研究提供了一种新型且简便的水凝胶冷冻干燥策略，可推广到其它合金催化剂的控制合成，包括但不限于用于燃料电池和其它电化学能源装置的铂基合金和钯基合金。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/anie.201916260

2、Joule: 钙钛矿/硅串联电池和TiC负载Pt纳米簇电催化剂用于太阳能水分解

苏黎世联邦理工大学的Michael Grätzel和南开大学的Jingshan Luo教授证明了原子层沉积技术能够在CC/TiO₂和CC/TiC基底上均匀地分散小的Pt纳米团簇。采用高比表面积的钛基基底，可以产生很强的金属-载体相互作用，对提高铂纳米簇催化剂的活性和稳定性起到了关键作用。将钙钛矿/Si串联太阳能电池直接连接到电解槽，可提供充足且准理想的光电压，在不使用任何电压转换器的情况下实现高效的整体水分解，使整个系统在标准AM 1.5 G照明下的STH转换效率达到18.7%。该工作展示了一个高效的太阳能水分解系统。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.10.002

3、Science：在大于1 A cm^-2下高效电解CO₂生成多碳产物

加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent 和David Sinton团队提出了一种混合催化剂设计，通过分离气体、离子和电子输运，使CO₂和CO气相电解在电流密度大于1 A cm^-2的情况下能够产生多碳产品。研究人员开发了一种具有疏水和亲水功能的离聚物层，该离聚物层与有利于气体和离子在金属表面共形传输路径的不同结构域结合在一起：通过疏水结构域的侧链促进气体传输，导致气体扩散，而水吸收和离子通过水合亲水结构域进行传输。结果，这三种组分聚集在一起的反应界面，气体反应物、离子和电子都在催化活性位点，从亚微米范围增加到了几个微米的尺度。本文所描述的现象展示了催化剂的设计原则，这些原则不受先前的气-离子-电子传输限制的约束。CIBH催化剂为实现工业应用所需的操作电流的烃生产铺平了道路。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661 

4、Adv. Energy Mater.：半导体光催化CO₂还原的原子级反应中心

澳大利亚阿德莱德大学化工与先进材料学院乔世璋教授和冉景润等人从原子级的角度提出了光催化剂的设计方法，并对原子能利用效率和高选择性进行了深入的研究，为设计和合成高效的光催化剂提供了实用的指导。此外，还对光催化二氧化碳还原的各种反应位点，以及表征方法、功能和机制进行了批判性评估和全面审查。在深入了解的基础上，展望了制备高效光催化剂的前景。综述了制备多活性位点的新策略和新方法，如双空位、活性位点的不同组分、FLPs等。综述了不同材料的CO₂光还原途径和关键影响因素，并对高选择性材料的设计进行了讨论。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.201903879

5、Joule：能量转换技术中ORR先进电催化剂的研究进展

新加坡南洋理工大学的楼雄文教授和华中科技大学的夏宝玉教授等人综述了新型催化剂在更易获得和更实用的酸性质子交换膜燃料电池中的应用。首先，简要讨论了ORR的动力学和机理，然后将ORR电催化剂分为四大类：PGM或贵金属催化剂、非PGM催化剂、碳基催化剂和单原子催化剂。文中还简要介绍了这四种催化剂的合成方法、表征和应用。此外，分析的很大一部分是关于为什么以及如何合理地设计电催化剂克服缓慢或动力学。最重要的是，在整个审查过程中，作者着重于实际应用，讨论了替代性电催化剂的挑战和机遇，这可能有助于为燃料电池和其他可持续能源技术的商业化开发更理想的材料。

文献链接：

http://doi.org/10.1016/j.joule.2019.12.014

6、Adv. Funct. Mater.：从几何到活性：光电化学水裂解WO₃/Si微柱阵列的定量分析

荷兰基础能源研究所的Anja Bieberle‐Hütter等人提出了一种有前途的微腔阵列结构光电管。光学仿真结果表明，该结构能有效地降低光照下的阴影效应。在WO₃/pn-Si微柱阵列中，随着柱密度的增加，光电流密度先增大后减小。通过测量斩波单色红外照明下的开路电位，证明WO₃/pn-Si微柱阵列的光电流密度增强是由p-n结产生的光电压决定的。然而，随着柱间距的减小，增大的表面积也会导致死区（即重p掺杂Si表面）的增加，从而降低p-n结产生的光电压，从而降低光电流密度的增强。这项研究提供了一个更深入的了解三维几何结构对使用定义良好的WO₃/n-Si和WO₃/pn-Si微柱阵列的PEC性能的影响。电极明确的几何结构首次将光密度分布和光电极的微观结构几何结构联系起来，从而表达了这种关系对PEC性能的影响。总的来说，这项工作显示了硅加工在三维纳米/微结构定制设计和高性能电极方面的潜力。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201909157

7、JACS：输运条件下金电极上CO₂还原与析氢的竞争

莱顿大学Marc Koper教授课题组展示了在良好定义的质量输送条件下，CO₂RR的速率在很大程度上独立于质量输运效应（即盘旋转速率）。然而，由于HER速率的降低，CO₂RR的法拉第选择性随着圆盘转速的增加而提高（质量输运增强）。结果表明，在0.1m碳酸氢盐浓度下，水的还原作用是其与CO₂RR竞争的优势分支，而增强的质量输运本质上缓解了局部碱度，从而抑制了水的还原速率。该工作表明，控制质量输运条件对选择性CO₂RR具有重要的意义，并为实际电极结构中的浓度梯度和产物选择性提供了合理的指导。

文献链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b10061

8、JACS：三明治簇合纳米催化剂ZIF-8@Au₂₅@ZIF-67的设计与高效性研究

法国波尔多一大Didier Astruc、安徽大学朱满洲和盛鸿婷等人合作首次开发了一种协同辅助自组装方法来控制三明治ZIF-8@Au₂₅@ZIF-8[tkn]和ZIF-8@Au₂₅@ZIF67[tkn]的制造。这些定义明确的复合材料同时提高了CO₂和4-NP加氢作用下末端炔烃羧化反应的活性和稳定性。有趣的是，通过精确调整壳厚可以很容易地优化三明治体系的催化性能。因此，这项工作应该激发了纳米化学家对设计性能完美的三明治复合材料MOF@APNC@MOF的兴趣，为纳米材料研究开辟了新的视野。

文献链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00378

9、JACS: 碱性燃料电池钯基氧还原电催化剂的组合研究

康奈尔大学Héctor D. Abruña和R. Bruce van Dover等人报告了一种以可替换的玻璃碳盘电极为基底的简便催化剂筛选方法，该方法能够使用标准RDE测量快速可靠地评估ORR活性。采用高通量磁控溅射室，在碱性介质中制备了二元Pd-Cu固溶体电催化剂薄膜。在9种不同的Pd-Cu合金成分中，Pd₅₀Cu₅₀（即1:1摩尔比，或仅PdCu）是最有前途的候选成分。在此指导下，研究人员采用浸渍还原法进一步合成了Pd₅₀Cu₅₀纳米粒子，在碱性电化学体系中显示出良好的活性和耐久性。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.9b13400

本文由eric供稿。

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