纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是，加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent教授课题组。
Edward H. Sargent教授是国际光子学和材料学领域著名学者，是胶体量子点光探测领域的开拓者和量子点PN结太阳能电池的发明者。课题组主要研究方向有量子点太阳能电池、钙钛矿光电器件、光电催化和纳米传感器件。
下面，我们简要介绍Edward H. Sargent教授课题组2019年部分重要成果，供大家交流学习（仅限于通讯作者文章，如有疏漏，欢迎指正，以online时间为准）。
以下篇幅分3个部分展开
Part Ⅰ 钙钛矿光伏器件
Part Ⅱ 量子点
Part Ⅲ 光电催化
Part Ⅰ 钙钛矿光伏器件
1. AM：原位背接触钝化提高钙钛矿太阳能电池性能
Edward H. Sargent团队报道了原位反接触钝化（BCP），其降低了钙钛矿吸收剂和空穴传输层（HTL）之间的界面和提取损失。引入钙钛矿/ HTL界面处的非掺杂半导体聚合物层，钙钛矿和聚合物钝化层之间的平带对准实现了高光电压和填充因子。引入BCP后，在1.53 eV带隙的钙钛矿太阳能电池中实现了1.15 V的光电压和83％的填充因子，制备的平面太阳能电池的效率可达21.6％。
In Situ Back-ContactPassivation Improves Photovoltage and Fill Factor in Perovskite Solar Cells.Advanced Materials,2019.
DOI: 10.1002/adma.201807435.
https://doi.org/10.1002/adma.201807435
2. AM：特定晶面的量子点钝化策略，用于高效红外光伏器件
Edward H.Sargent团队报道了一种新的溶液-相配体交换，其中（100）和（111）特定晶面分别被钠和卤化铅选择性地钝化。该方法使得能够实现具有改善的胶体稳定性和光物理性质的窄带隙胶体量子点。特定晶面钝化显着提高了红外太阳能电池的性能，与传统的仅含卤化物的钝化相比，功率转换效率提高了50％。
A Facet-Specific Quantum Dot PassivationStrategy for Colloid Management and Efficient Infrared Photovoltaics. Advanced Materials,2019.
DOI: 10.1002/adma.201805580.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201805580
3. Nat. Commun.：钙钛矿单晶中光载流子传输特性的非接触测量
Edward H. Sargent团队报道了一种非接触式方法来测量钙钛矿单晶的载流子迁移率，并进一步获得扩散长度。该方法避免了接触电阻和高电场的影响。改变了钙钛矿单晶中的淬灭剂的密度，并研究了钙钛矿中激发态寿命对淬灭剂间距的依赖性。研究结果是可重复的和自洽的（即其对许多不同猝灭剂浓度的扩散长度一致，在±6％以内）。采用这种方法，得到金属卤化物钙钛矿的扩散长度为2.6 μm±0.1 μm。
Contactlessmeasurements of photocarrier transport properties in perovskite singlecrystals. Nat. Commun. 10, 1591.
DOI:10.1038/s41467-019-09538-7.
https://doi.org/10.1038/s41467-019-09538-7
4. Chem. Rev.：用于下一代光源的钙钛矿
下一代显示器和照明技术需要结合亮度，色纯度，稳定性和基板灵活性的高效光源。金属卤化物钙钛矿在广泛的应用中具有潜在的用途，因为它们具有优异的电荷传输，带隙可调性，并且在最有希望的近期光源材料中，具有强烈和有效的发光。Edward H. Sargent团队将金属卤化物钙钛矿作为高效光发射器的性能与其基础材料的电子和光物理属性联系起来。
Perovskites for Next-GenerationOptical Sources. Chemical Reviews, 2019.
DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00107.
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00107
5. JACS：锚定配体促进金属卤化物钙钛矿中有效的B位掺杂
金属卤化物钙钛矿表现出优异的光电性能，离子的掺杂是调控钙钛矿的电子和化学特征的有效途径之一。在ABX3的金属卤化物钙钛矿中，A和X位点离子的等价交换已经广泛实现;相比之下，交换B位阳离子的策略却鲜有报道。空位介导的B位阳离子扩散的活化能远高于A位和X位的活化能，导致掺杂过程缓慢和掺杂比低。Edward H. Sargent团队展示了一种在钙钛矿中交换B位阳离子的新方法。设计了一系列固定在钙钛矿表面上的金属羧酸盐溶液，允许均价和异价阳离子（例如，Sn2+，Zn2+，Bi3+）在室温下快速有效地掺杂B位点。并提出了合理的基于铵萃取和表面离子对取代的模型。
Anchored ligands facilitateefficient B-site doping in metal halide perovskites, Journal of the AmericanChemical Society, 2019.
DOI:10.1021/jacs.9b02565.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b02565
6. ACS Energy Lett.：抑制钙钛矿中的离子迁移，改善器件工作稳定性
离子迁移驱动的降解是钙钛矿太阳能电池中的主要降解途径之一，并且在封装的器件中也可以在钙钛矿材料内发生。Edward H. Sargent团队研究发现准二维（2.5D）钙钛矿抑制了这种离子迁移诱导的降解。研究表明，碘化物迁移发生在以其最大功率点（MPP）运行的钙钛矿光伏器件中。观察到了I-穿过spiro-OMeTAD层迁移到spiro/金接触界面，氧化和退化界面处的金电极。与3D器件相比，研究发现大型2.5 D钙钛矿表现出明显地降低离子迁移率，并且在MPP连续工作超过80小时，相对效率损失小于1％，而3D器件很快就退化了。
Suppressed Ion Migration inReduced-Dimensional Perovskites Improves Operating Stability. ACS EnergyLetters, 2019.
DOI:10.1021/acsenergylett.9b00892.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b00892
7. JACS: 配体诱导的表面电荷密度调控低维钙钛矿局部ii型能带对准
2D和准2D钙钛矿材料使得与许多光电应用相关的器件性能和稳定性得到了进步。然而，这些可变量子限制材料的带之间的对准仍然是一个有争议的话题：已有多篇实验报道支持i型，也有多篇实验报道支持ii型，即降维晶粒间的带对齐。多伦多大学EdwardH. Sargent联合意大利技术研究所FilippoDe Angelis报道了一项计算和实验相结合的研究，结果显示颗粒表面上的可变配体浓度调节相邻量子阱中的表面电荷密度。密度泛函理论计算和紫外光电子能谱表明，通过调节界面处配体的密度，可以改变给定量子阱的有效功函数。通过处理二维钙钛矿薄膜，研究人员发现有效的功函数可以向下移动高达1 eV。这些发现揭示了钙钛矿二维带对准，并解释了文献中LED和PV中准二维材料的对比行为，其中材料可以表现出I型或II型界面，这取决于相邻表面的配体浓度。
Ligand-Induced SurfaceCharge Density Modulation Generates Local Type-II Band Alignment inReduced-Dimensional Perovskites. JACS 2019.
DOI:10.1021/jacs.9b04801.
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b04801?rand=ox19v1sd
8. JACS: 光化学交联量子阱配体改善钙钛矿光伏器件的稳定性
钙钛矿太阳能电池的部署将取决于这些材料内的有源层和界面的操作和环境稳定性的进一步进展。低维钙钛矿，也称为钙钛矿量子阱（PQWs），利用自身的有机配体保护钙钛矿晶格可免于降解，并可改善器件稳定性;在异质结构中结合2D和3D钙钛矿已被证明可以实现充分利用3D有源层的高效率和2D顶层的稳定性。先前的PQW依赖于配体的疏水性有机部分之间相对弱的内部范德华键合。Edward H. Sargent团队使用配体4-乙烯基苄基铵在3D钙钛矿层上形成良好有序的PQW。使用UV光活化配体的乙烯基，其在PQW之间光化学形成新的共价键。紫外交联的2D/3D器件显示出改善的操作稳定性以及改善的空气中长期黑暗稳定性：它们在2300小时的暗老化后保持其初始效率的90％。UV交联的PQW和2D/3D界面可降低器件迟滞并将开路电压提高至1.20 V，从而实现更高效的器件（PCE高达20.4％）。这项工作突出了利用PQW配体的化学反应性来定制PQW界面的分子特性，以改善2D/3D钙钛矿光伏电池的稳定性和性能。
Photochemically Crosslinked Quantum Well Ligandsfor 2D/3D Perovskite Photovoltaics with Improved Photovoltageand Stability. JACS, 2019.
DOI: 10.1021/jacs.9b05083.
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b05083?rand=q0dwvwyi
9. AOM: Rb掺杂CsPbBr3纳米晶制备高效稳定的蓝光LED
钙钛矿纳米晶显示出高的光致发光量子产率（PLQYs）和从紫外到红外的可调带隙。但是，蓝色钙钛矿发光二极管（LED）在施加偏压的情况下会出现颜色不稳定性。混合阴离子方法存在相分离问题，导致其光谱不稳定。近日，Edward H. Sargent团队采用混合阳离子策略，在合成过程中将Rb +直接掺入CsPbBr3纳米晶中。其具有稳定的光致发光，PLQY大于60％，可调发射波长从460到500 nm以及发射线宽窄（<25 nm）的蓝色钙钛矿量子点（QD）。该策略保留了纯溴晶体结构，可在高达10 V的工作电压下实现纯色稳定的电致发光，天蓝色（490 nm）和深蓝色的峰值外部量子效率（EQE）分别为0.87％和0.11％ （464 nm）。天蓝色器件在EQE为0.75％时的亮度为93 cdm-2，这是迄今为止钙钛矿QD LED的最佳报道。
Spectrally Tunable and StableElectroluminescence Enabled by Rubidium Doping of CsPbBr3 Nanocrystals.AOM 2019.
DOI:10.1002/adom.201901440
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adom.201901440
10. AM：仲铵盐助力高效倒置钙钛矿太阳能电池
上海科技大学的宁志军联合Edward H. Sargent 团队报道了效率为21.6％的倒置钙钛矿太阳能电池（PSC）。仅通过将仲胺引入钙钛矿结构中以形成MA1-xDMAxPbI3（MA为甲胺，DMA为二甲胺），使得薄膜缺陷密度和载流子复合得以抑制。DMA可增加薄膜的疏水性和稳定性：在最大功率点下运行800小时后，封装的器件可保持其效率的80％以上。
Efficient and Stable InvertedPerovskite Solar Cells Incorporating Secondary Amines，Advanced Materials, 2019.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903559
Part Ⅱ 量子点
11. ACS EnergyLett.：制备稳定的红外带隙量子点墨水
胶体量子点（CQD）受益于尺寸调整的带隙，可用于红外能量收集材料，并且可以和硅电池进行串联。然而，在CQD具有足够大（> 4 nm）的直径的情况下，使得纳米颗粒吸收光远远超过硅的带隙，传统的配体交换失败。Edward H. Sargent团队报道了一种策略，其中用作空间位阻控制剂的短链羧酸盐促进小带隙CQD上的配体交换过程。研究证明，当采用短羧酸盐时，用卤化铅阴离子代替原始封端配体的净能垒降低。该方法产生更完全的配体交换，从而提高填充密度和单分散性。与先前报道的最佳交换相比，这有助于陷阱状态密度降低。在激子峰处，实现高效的红外光子-电子转换效率的太阳能电池。
Controlled Steric Hindrance Enables EfficientLigand Exchange for Stable, Infrared-Bandgap Quantum Dot Inks. ACS EnergyLetters, 1225-1230, 2019.
Doi:10.1021/acsenergylett.9b00388.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00388
12. Nature：晶格锚固可稳定溶液处理的半导体
无机铯铅卤化物钙钛矿具有非常适合串联太阳能电池的带隙，但在室温附近遭受不希望的相变。胶体量子点（CQD）是结构坚固的材料，因其尺寸可调的带隙而受到重视。然而，它们还需要稳定性的进一步提高，因为它们由于不完全的表面钝化而易于在高温下聚集和表面氧化。Edward H. Sargent团队报道了一种“晶格锚定”杂化材料，其将铯铅卤化物钙钛矿与铅硫属元素化物CQD结合，这两种材料之间的晶格匹配有助于稳定性超过组分的稳定性。
研究发现，CQD使钙钛矿保持在其所需的立方相中，从而抑制向不希望的晶格失配相的转变。与原始钙钛矿相比，CQD锚固钙钛矿在空气中的稳定性提高了一个数量级，并且材料在环境条件（25摄氏度和约30％湿度）下保持稳定超过六个月且超过五个小时在200摄氏度。与CQD对照相比，钙钛矿防止CQD表面的氧化并且在100摄氏度下将纳米颗粒的聚集减少了五倍。对于在红外波长发射的CQD固体，基质保护的CQD显示出30％的光致发光量子效率。晶格锚定的CQD：钙钛矿固体表现出电荷载流子迁移率加倍，这是由于与纯CQD固体相比载流子跳跃的能垒减小。这些益处在溶液处理的光电器件中具有潜在用途。
Lattice anchoring stabilizes solution-processedsemiconductors. Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1239-7
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1239-7
13. AM: 混合卤化铅量子点钝化
红外吸收的胶体量子点（IR CQD）是串联太阳能电池中用于增强钙钛矿和cSi光伏（PV）的材料。当今最好的IRCQD太阳能电池依赖于使用基于碘化铅的钝化策略。但是，这些不能钝化IR CQD的整个表面。氯化铅钝化的CQD显示出更好的钝化，但电荷传输更差。溴化铅钝化的CQD具有更高的电荷迁移率，但钝化性更差。近日，Edward H. Sargent团队引入了混合卤化铅（MPbX）配体交换，可实现彻底的表面钝化而不会影响传输。MPbX–PbS CQD的性能超过了单个卤化铅PbS CQD的最佳功能：它们显示出更高的钝化度（斯托克斯位移为43±5 meV vs 44±4 meV）以及更高的电荷传输（4×10-2±3 ×10‐3 cm2 V‐1 s-1与3×10‐2±3×10‐3 cm2 V‐1 s-1的迁移率）。这可转化为具有创纪录的IR开路电压（I0.46±0.01 V），同时具有81±1％的外部量子效率。相比对照组，它们在IR光子（> 1.1 µm）的功率转换效率方面提高了1.7倍。
Mixed Lead Halide Passivation of QuantumDots. AM 2019.
DOI:10.1002/adma.201904304.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904304
14. Nat. Photon.：高性能深蓝色碳量子点发光二极管
深蓝色发光二极管（LED）（小于450nm的波长发射）对于固态照明，生动显示和高密度信息存储非常重要。基于镉和铅等重金属胶体量子通常是深蓝色LED的有希望的候选物，但到目前为止，它们的外部量子效率低于1.7％。近日，多Edward H. Sargent和Zheng-Hong Lu团队报道了基于碳量子点的高性能深蓝色发光材料和器件。碳点具有窄的发射半高宽（35 nm），具有高的光致发光量子产率（70％±10％），并且色坐标（0.15、0.05）接近标准颜色Rec 2020（0.131，0.046）。结构和光学表征以及计算研究表明，基于胺的钝化是有效和高色纯度发射的原因。基于这些碳点的深蓝色LED表现出最高的性能，最大亮度为5,240 mcd m-2，外部量子效率为4％，显著超过了以前报道的量子调谐溶液处理的深蓝色LED。
Bright high-colour-purity deep-blue carbondot light-emitting diodes via efficient edge amination. Nat. Photon. 2019.
DOI:10.1038/s41566-019-0557-5
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0557-5#auth-16
15. Nat. Energy: 13.1％效率！高效量子点/有机光伏电池
溶液处理的半导体是有望实现将高性能与廉价制造相结合的光电器件的有前途的材料。能够收集红外光子的胶体量子点（CQD）以及吸收可见光的有机发色团，这是一条行之有效的途径。然而，由于化学失配和促进电荷收集方面的困难，CQD/有机混合光伏的效率（PCE）低于10％。多伦多大学Edward H. Sargent和韩国科学技术院Jung-Yong Lee 团队设计了一种混合架构，通过将小分子引入CQD/有机堆叠结构来提升效率。小分子补充了CQD的吸收，并与主体聚合物形成了激子级联反应，从而实现了有效的能量转移并促进了异质界面上的激子解离。所得混合太阳能电池的PCE为13.1％，并且在未密封状态下连续运行150 h后仍保留了其初始PCE的80％以上，优于目前的空气处理溶液CQD/有机光伏电池。
Efficient hybrid colloidalquantum dot/organic solar cells mediated by near-infrared sensitizing smallmolecules，Nature Energy, 2019.
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0492-1
PartⅢ 光电催化
16. JACS：结合位点多样性促进CO2电还原制乙醇，法拉第效率达41%
近年来，CO2电化学还原得C2产物的生产效率具有许多创纪录的进步。然而，与乙烯等产品的选择性相比，乙醇的选择性仍然较低。近日，Edward H. Sargent等多团队合作，将不同的结合位点引入Cu催化剂，使得乙烯反应中间体不稳定从而促进生成乙醇。实验发现，改进后的多位点Ag/Cu合金催化剂在250 mA/cm2和-0.67 V（vs. RHE）下，生成乙醇的法拉第效率达到41%，阴极(半电池)的能源效率达24.7%，是目前已报道的最高值。原位拉曼光谱研究发现，Ag/Cu合金催化剂的原位拉曼光谱峰宽于纯Cu催化剂的峰，表明改进后的多位点催化剂与反应中间体结合构型的多样性。
Binding Site Diversity PromotesCO2 Electroreduction to Ethanol. Journal of the AmericanChemical Society, 2019.
DOI: 10.1021/jacs.9b02945
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b02945
17. Joule：量子点衍生的催化剂用于CO2还原反应
在催化剂的设计中，缺陷位点常常被认为是具有催化活性的关键位点，因此常用的改善催化剂活性的策略就是实现原子级缺陷位点在整个催化剂中的均匀分布。然而，这种缺陷工程策略在金属催化剂中常常难以实现。鉴于此，中南大学的Min Liu和国立台湾科技大学Bing-Joe Hwang 以及多伦多大学Edward H. Sargent 团队通过量子点的合成设计了富含缺陷的催化剂并将其应用在CO2还原领域。这种量子点衍生的催化剂中缺陷高达20%，并且在相对于标准氢电极-0.2 V,-0.3 V和-0.9V的低电位下可逆地将CO2还原为甲酸盐、CO和乙烯等产物的过程中电流密度分别高达16、19、25 mA/cm2，整个过程中具有高法拉第效率。该催化剂在CO2还原反应进行80小时后仍能够保持稳定的催化活性，其在水溶液中的还原性能超出现有催化剂两倍之多。作者还通过X射线吸收光谱和理论计算证实了缺陷位点为CO2还原反应提供了合适的原子结构与电子结构。
Quantum-Dot-Derived Catalystsfor CO2 Reduction Reaction, Joule,2019
DOI:10.1016/j.joule.2019.05.010.
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30253-3?rss=yes#
18. Nat. Catal.综述：设计用于电化学CO2回收的材料
电化学CO2回收提供了使用可再生能源合成燃料和化学原料的有吸引力的方法。在部署这项技术的道路上，基本和应用的科学障碍仍然存在。将催化设计与机械理解相结合，可以产生科学见解，并将技术推向工业相关性。催化剂必须能够生成有价值的碳基产品，并且具有更好的选择性、更低的过电势和更长的工作电流密度。杨培东和Edward H. Sargent团队概述了这个领域的最新进展，并确定了能够实现碳中和可再生能源储存和利用的催化剂的机械问题和性能指标。
Designing materials forelectrochemical carbon dioxide recycling. Nature Catalysis, 2019
DOI:10.1038/s41929-019-0306-7.
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0306-7
19. Nat. Catal.：控制Cu上的CO覆盖率促进高效电生产乙烯
乙烯是一种工业上需求很高的化学原料。通过直接电解CO2来生产高价值的二碳（C2）产品，如乙烯，已被广泛研究。而用廉价的工业CO代替CO2高效地电催化转化为高价值的乙烯可以避免CO2在碱性电解槽中形成碳酸盐，从而克服原料利用和稳定性方面的问题。然而，通过CO还原反应（CORR）进行的乙烯电合成存在选择性和能量效率低等问题。近日，多伦多大学Edward H. Sargent和David Sinton团队在电流密度高于100 mA cm-2的情况下，在铜催化剂上实现了高效电催化CO还原生产乙烯。研究发现，该系统在各种CO浓度范围内都表现出良好的性能。在高电流密度下，将CO的利用率降低至CO的质量迁移极限时，乙烯的选择性会提高。密度泛函理论计算揭示铜上的CO覆盖率如何影响乙烯与含氧化合物的反应途径：较低的CO覆盖率可稳定与乙烯相关的中间体，而较高的CO覆盖率则有利于含氧化合物的形成。作者进一步研究了局部CO与乙烯选择性之间的联系。然后，通过调整CO浓度和反应速率，控制局部CO的可用性，作者实现了72％的乙烯法拉第效率和> 800 mA cm-2的部分电流密度。整个系统为乙烯生产提供的半电池能效为44％。
Constraining CO coverage on copper promotes high-efficiencyethylene electroproduction. Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0380-x
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0380-x
20. Nat. Commun.: 利用非对称C-C偶联活性中心将CO高效转化为C3燃料
将C1原料气通过电化学还原的方式转化为高能量密度的燃料是一条储存可再生能源的理想途径。尽管近年来人们在在提高C1和C2产物的选择性方面取得了很大进展，但是这些催化剂对理想的高能量密度C3产物的选择性仍然相对较低。EdwardH. Sargent团队认为要想利用电化学方法合成C3化合物需要经过一个形成多个C-C键的高阶反应途径，因此他们发展了一种利用C2与C1中间体偶联的策略。这种方法能够使具有不同电子结构的相邻铜原子与两种吸附质相互作用以催化不对称反应。他们使用这种方法将CO转化为正丙醇的速率高达4.5mA/cm2且法拉第效率高达33.1%，半电池的能量转换效率也达到了21%，这是目前报道过的最高的正丙醇效率。
Efficient upgrading of CO toC3 fuel usingasymmetric C-C coupling active sites, Nature Communications,2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13190-6
21. Nature：分子调控机制促进CO2高选择性转化为乙烯
电催化CO2还原反应（CO2RR）不仅有利于缓解日益严重的温室效应酸雨等问题，而且为利用间歇的可再生能源高选择性生产高附加值产物，比如乙烯，提供了一种经济高效的方法。然而，由于缺乏高效、高稳定性、低成本的CO2RR催化剂，乙烯的法拉第效率仍然很低，实现CO2RR高选择性地生产乙烯仍然是一个巨大的挑战。近日，多伦多大学Edward H. Sargent、加州理工学院的Theodor Agapie和Jonas C. Peters教授团队合作提出了一种分子调控机制，即利用有机分子对催化剂表面进行修饰，使电催化剂表面功能化，从而稳定CO2还原过程中的中间产物，以增强CO2RR转化为乙烯。
过电化学原位谱学表征和计算模拟发现，粘附分子提高了顶部结合的CO中间体的稳定性，从而有利于进一步还原乙烯。在中性介质的液流电池中，当局部电流密度为230mA/cm2时，CO2RR转化为乙烯的法拉第效率提高到72%。在膜电极组件的系统中，乙烯电合成可以稳定190小时，且该系统的全电池能效为20％。这一分子调控机制为通过局部分子调控稳定中间体，进而提高催化剂的稳定性和选择性提供了一种新的策略。
Molecular tuning of CO2-to-ethyleneconversion, Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1782-2
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1782-2
22. Nat. Catal.：CO2电解还原条件下原位选择性生成优势晶面促进可再生燃料的电合成
近年来，CO2电催化合成C2+碳氢化合物引起了广泛的关注。然而，在高电流密度下电催化CO2还原对C2+产品的低选择性和低稳定性降低了系统的能效，从而限制了其经济竞争力的前景。Edward H. Sargent团队报道了一种在CO2还原条件下原位电沉积铜的材料加工策略，该工艺可优先暴露和维护有利于C2+产品生成的Cu（100）面，从而通过CO2RR在高电流下选择性生成C2+产品。作者研究发现，CO2RR过程中产生的中间体（例如，CO）可用于调节贵金属以外的材料的结晶，其类似于封端剂，可以调节Cu基催化剂的生长以生成Cu（100）面比例高达70%的高活性催化剂。
通过该策略合成的催化剂在部分电流密度为520 mA cm-2的情况下，C2+产品的法拉第效率为90％，全电池C2+产品的功率转换效率为37％。在膜电极组装电解槽中，该催化剂在350 mA cm-2的电流密度下连续工作65 h，C2H4选择性几乎不变。此外，作者还证明了这种CO2RR过程中的催化剂刻面策略的广泛适用性，其增加了银催化剂上Cu（110）面的暴露量，实现了92％的CO法拉第效率。该工作报道的原位材料加工策略提供了一种优先暴露并保持反应中所需的活性位点的途径，为设计高选择性和高活性催化剂提供了借鉴。
Catalyst synthesis under CO2 electroreductionfavours faceting and promotes renewable fuels electrosynthesis. Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0397-1.
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0397-1
23. Nat. Catal.：在分子-金属催化剂界面富集中间体提高电催化CO2制乙醇的性能
用可再生电力驱动CO2电化学转化为液体燃料，提供了一种解决间歇性可再生能源存储需求的方法。CO2还原（CO2RR）生成的各种产品（CO，甲酸，甲烷，乙烯，乙醇和1-丙醛）中，乙醇（一种液体燃料或燃料添加剂）是迫切需要的，因为乙醇的体积能量密度很高，并且可以利用现有的广泛基础设施进行存储和分配。但是，电化学CO2转化为乙醇涉及多个中间体以及多次质子和电子转移，这使得开发更高效的电催化剂成为一个重要但又具有挑战性的课题。近日，Edward H. Sargent团队提出了分子-金属催化剂界面的协同催化剂设计，其目标是产生一个富含反应中间体的局部环境，从而改善由CO2和H2O电合成乙醇的性能。作者通过使用一系列基于卟啉的金属配合物将铜表面功能化来实现该策略，该卟啉金属配合物可催化CO2转化为CO。通过DFT计算，原位拉曼光谱和operando X射线吸收光谱研究，作者发现局部高浓度的CO促进了碳-碳偶联并引导了反应路线向乙醇转移。实验表明，作者设计的催化剂将CO2转化为乙醇的法拉第效率可达41％，在-0.82 V（相对于可逆氢电极）时，部分电流密度为124 mA cm-2。此外，作者将催化剂整合到基于膜电极组件的系统中，实现了13％的整体能源效率。该工作提出了一种利用吸附分子和非均质途径之间的协同效应改善电催化CO2转化为增值液体燃料的方法。
CooperativeCO2-to-ethanol conversion via enriched intermediates atmolecule–metal catalyst interfaces. Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0383-7
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0383-7
24. Nat. Commun.：氢氧化物调节吸附氢促进Cu上二氧化碳电还原制乙醇
CO2转化为液体燃料是储存可持续能源的重要途径。尽管二氧化碳还原反应（CO2RR）制乙烯已取得实质性进展，但是二氧化碳制乙醇则进展有限。开发高效CO2RR电催化剂依赖于调变含碳中间产物的吸附强度。近日，Edward H. Sargent团队报道了一种互补的方法，利用氢氧化物和氧化物掺杂催化剂表面从而调变Cu上的吸附氢。
DFT研究表明这些掺杂物种加速了水的解离并改变了Cu上氢的吸附能。研究人员考察了一些列金属-氢氧化物-界面-掺杂的Cu催化剂，发现最高效的催化剂，即Ce(OH)x-doped-Cu显示的乙醇法拉第效率高达43%，部分电流密度为128mA cm-2。研究人员结合析氢性能与拉曼光谱结果进行机理研究发现，表面吸附的氢会与*HCCOH中间体发生加氢反应，进而生成乙醇。其中，*HCCOH是决定生成乙醇或是乙烯的关键中间体。
Hydroxide promotes carbondioxide electroreduction to ethanol on copper via tuning of adsorbed hydrogen,Nature Communications, 2019,10, 5814.
DOI: 10.1038/s41467-019-13833-8.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13833-8#citeas
Edward H. Sargent教授简介
Edward H. Sargent教授是多伦多大学电子与计算机工程系教授，多伦多大学副校长、加拿大科技部纳米技术分部主席、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士。同时也是InVisage Technologies创始人，Xagenic共同创始人，AAAS会士，IEEE会士，ACS Photonics副主编。他在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文400多篇，被引用超过39000次。
课题组主页：
https://light.utoronto.ca/
（部分图片及简介，来源于网络及Edward H.Sargent教授课题组主页）
