1. Nat. Mater.：Co-N-C催化剂的原子水平调控提高电化学产H2O2性能
过氧化氢(H2O2)是一种重要的化学物质，在化学工业和医药工业中起着至关重要的作用。H2O2的工业生产在很大程度上依赖于能源密集型的蒽醌法，需要使用昂贵的钯催化剂对2-烷基蒽醌进行氢化。利用电化学方法生产H2O2是一种非常具有潜力的新技术。贵金属电催化剂(如金-钯、铂-汞、钯-汞等)常被用于电化学生产H2O2。通过制备合金来控制贵金属的表面电子结构已被用于优化反应中间体的吸附能来选择性地生产H2O2。然而，H2O2的产率仍然太低，不能满足实际应用的要求。自然界通过一种叫做超氧化物歧化酶的酶催化超氧化物(O2−)自由基突变为H2O2，以防止细胞氧化损伤。超氧化物歧化酶是一种氧化还原活性金属酶，由地球丰富的金属辅因子和周围的有机配体组成。与超氧化物歧化酶类似，各种含有过渡金属(如钴)的分子配合物已被探索用于产生H2O2。结果表明，可以通过改变金属中心周围的原子结构来调节H2O2的产率。
近日，韩国基础科学研究所的Taeghwan Hyeon、Yung-Eun Sung和首尔大学的Jong Suk Yoo等人合作在第一性原理计算的指导下，发现Co-N4的催化性能可以通过微调其周围的原子结构得以精确调控，以类似于金属酶依赖结构的催化性能。使用这一原则，他们设计并合成了一种包含优化的Co-N4结构的氮掺杂石墨烯单原子电催化剂，用于电催化制备过氧化氢，该催化剂表现出优异的动力学电流密度为2.8mAcm−2 (0.65vs RHE )和155Ag−1的质量活性(0.65 vs RHE )，而且，具有良好的稳定性，110小时后，催化活性几乎没有损失。该工作为通过调节原子配位环境设计制备高活性、高稳定性的电催化剂提供了一种新的思路。
Jung, E., Shin, H., Lee,B. et al. Atomic-level tuning of Co–N–C catalyst for high-performance electrochemical H2O2 production. Nat. Mater. (2020)
DOI:10.1038/s41563-019-0571-5
https://doi.org/10.1038/s41563-019-0571-5
2. Nature Materials: 厘清固态电解质中氧化还原活性与电化学稳定性之间的关系！
全固态锂离子电池为实现更高体积能量密度和重量能量密度的储能行为提供了安全保障。不过，到目前为止由于对于固态电解质认识不足，研究人员十分关心固态电解质有限的电化学稳定性及其对电化学反应的不利影响。最近，荷兰代尔夫特理工大学的SwapnaGanapathy和MarnixWagemaker等人发现对于辉绿岩型、石榴石型和NASICON等固态电解质来说，最有利的分解途径是其间接锂化而不是直接分解为热力学最稳定的产物。
这种间接分解途径导致固态电解质的电化学稳定窗口比直接分解方法所预测的窗口要宽一些，这也就解释了人们在实验中观察到的电化学稳定态的固态电解质。此外，研究人员还发现锂化态的介稳态辉绿石型固态电解质相对于全固态锂电池的可逆或不可逆容量有一定的贡献，这说明其具有一定的氧化还原活性。该研究结果对固态电池的界面和材料设计具有指导意义。
Tammo K. Schwietert,Swapna Ganapathy, Marnix Wagemaker et al, Clarifying the relationshipbetween redox activity and electrochemical stability in solid electrolytes，Nature Materials, 2020
DOI: 10.1038/s41563-019-0576-0
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0576-0
3. 李亚栋/王定胜Chem: 调控多相Cu催化剂中Cu-O键的极性优化其炔烃硼氢化催化性能
对于多相催化剂，活性金属中心与配位原子间形成键合力，这一配位化学键的性质对催化剂的性能有着重要的影响。然而，多相催化剂的配位环境往往难以调控的，因而很难通过对配位环境与其活性之间的关系。化学键的性质受其极性调控，因可以通过调节多相催化剂中配位键的极性来调控其催化活性。近日，清华大学的李亚栋院士和王定胜副教授等人合作，提出了一种二元有效控制多相Cu催化剂中Cu-O键极性的方法，可以提高其在硼氢化反应中的催化活性。
他们首先通过湿法浸渍的方法在氧化铈纳米棒(CeO2)载体上构建了具有弱极性Cu-O键的单原子位点Cu催化剂。随后，他们利用密胺树脂高温热解还原氧化铈的策略，成功得到具有强极性Cu-O键的氧化铈纳米棒负载的单原子位点Cu催化剂。研究发现，经过密胺树脂热解还原处理后的催化剂中的单原子位点Cu中心的电子密度降低，氧化铈表面的配位O原子的电子密度升高。这一电子密度的改变显著增加了Cu-O键的偶极矩，即Cu-O键的极性得到了增强。而且，具有强极性Cu-O键的催化剂表现出明显高于具有弱极性Cu-O键的催化剂的催化活性。该工作提高了对化学键性质与催化性能之间的相关性的理解，为设计制备更高性能的多相催化剂提供了一种新的思路。
Jian Zhang, Ziyun Wang,Wenxing Chen, Yu Xiong, Weng-Chon Cheong, Lirong Zheng, Wensheng Yan, Lin Gu,Chen Chen,, Qing Peng, P. Hu, Dingsheng Wang, Yadong Li. Tuning Polarity ofCu-O Bond in Heterogeneous Cu Catalyst to Promote Additive-free Hydroborationof Alkynes. Chem, 2020.
DOI:10.1016/j.chempr.2019.12.021
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.12.021
4. Chem：通过合理设计过渡金属单原子催化剂，使H2O2在酸性介质中直接生成
过氧化氢是一种应用广泛的有价值的化学物质，但目前的工业生产方法能耗大，产生了大量的废弃物。酸性介质中的电化学氧还原反应为直接生成过氧化氢和现场应用提供了一条有吸引力的途径。遗憾的是，目前仍缺乏性价比高、催化性能好的电催化剂。
在这里，通过理论计算和实验方法的结合，中国科学院大连化学物理研究所的YanqiangHuang和南洋理工大学的Bin Liu等人证明了原子分散的钴锚定在氮掺杂的碳中可以作为一种高活性和选择性的电催化剂来直接合成过氧化氢。这种钴单原子催化剂结合了钴大环均相催化剂(活性位点明确)和非均相金属-氮-碳催化剂(催化性能高)的优点，在电合成装置中具有广阔的应用前景。
Jiajian Gao，Hong bin Yang，Xiang Huang，Sung-Fu Hung，Weizheng Cai，Chunmiao Jia，Shu Miao，Hao Ming Chen，Xiaofeng Yang，Yanqiang Huang，Tao Zhang，Bin Liu. Enabling Direct H2O2 Productionin Acidic Media through Rational Design of Transition Metal Single AtomCatalyst. Chem.
DOI:10.1016/j.chempr.2019.12.008
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.12.008
5. 楼雄文/夏宝玉Joule综述: 应用于能源转换的ORR先进电催化剂研究进展
化石燃料的大量使用带来了环境污染、气候变化、能源短缺等一系列问题，开发利用氢能、太阳能、风能等可持续性能源迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有能量密度高、能量转换效率高、绿色环保和易维修、适用范围广等优点，在汽车等民用以及军用领域都具有广泛的应用前景。而且，金属-空气电池，例如锌-空气电池，作为一种高能量密度低成本的能源系统，也具有极大的应用潜力。然而，PEMFCs和金属-空气电池的发展受限于缓慢的阴极氧还原反应(ORR)动力学，其ORR催化剂的电催化性能决定着相关器件的整体性能和效率。因此，开发设计具有更高活性、更高耐久性和更低成本的电催化剂至关重要。近日，华中科技大学的夏宝玉教授和新加坡南洋理工大学的楼雄文教授等人合作，综述了应用于能源转换的ORR先进电催化剂研究进展。
他们从实际的角度出发，首先简要讨论了ORR的动力学和催化机理，然后对目前常用的四大类ORR电催化剂，即铂族金属催化剂、非铂族金属催化剂、碳基催化剂和单原子催化剂，分别介绍了各类催化剂的优缺点及性能。另外，他们还从全电池的角度提出了设计方法的重要性。最后，他们还讨论了目前ORR电催化剂所面临的挑战和未来的应用前景。
Xinlong Tian; Xue FengLu; Bao Yu Xia; Xiong Wen (David) Lou. Advanced Electrocatalysts for the OxygenReduction Reaction in Energy Conversion Technologies. Joule, 2020
DOI:10.1016/j.joule.2019.12.014
http://doi.org/10.1016/j.joule.2019.12.014
6. Angew: 电荷积聚和自旋极化在电催化还原碳基催化剂中的重要作用
工业化固氮是人类社会历史的转折点，支撑着世界近一半人口的生计。近年来，氨作为一种新型的能源载体逐渐引起业界的关注。然而，目前的工业合成氨反应（哈珀法）需要在高温高压进行，而且集中化的合成氨工艺业不适合分布式的农业生产。因此，利用可再生能源在温和的条件下实现电化学氮气还原反应吸引了研究人员广泛的兴趣，它允许按需、现场实现氨气的生产，而原料来自于无处不在的氮气和水。低成本的碳基催化剂是催化电化学N2还原反应(NRR)的理想催化剂。然而，碳基催化剂对NRR的活性来源尚不清楚，在合理设计碳基NRR电催化剂时缺乏准确普适的机理和原则。
近日，天津大学凌涛教授等人合作，基于理论计算和实验观察的结合，系统地评估了硫氧基元素(O, S, Se,Te)掺杂的碳材料作为NRR催化剂的潜力。他们发现杂原子掺杂诱导的电荷积累效应促进了碳原子对N2的吸附，自旋极化增加了第一个质子形成*NNH的电位决定步骤。Te和Se掺杂的C催化剂表现出较高的固有NRR活性，优于大多数金属基催化剂。该工作建立了碳基材料的电子结构与NRR性能之间的关系规律，为碳基催化剂在NRR的应用奠定了基础。
Tao Ling; Yuanyuan Yang;Lifu Zhang; Zhenpeng Hu; Yao Zheng; Cheng Tang; Ping Chen; Ruguang Wang;Kangwen Qiu; Jing Mao; Shi-Zhang Qiao. The crucial role of charge accumulationand spin polarization in activating carbon‐basedcatalysts for electrocatalytic nitrogen reduction. Angewandte ChemieInternational Edition, 2020.
DOI:10.1002/anie.201915001
https://doi.org/10.1002/anie.201915001
7. Angew：水辅助下还原铈表面丙烯的均相分解
二氧化铈(CeO2)作为一种高效的烷基选择性加氢催化剂引起了研究人员的广泛关注。深入的研究工作致力于了解其潜在的催化机制，特别是H2/CeO2的相互作用。近日，德国柏林弗利兹-哈伯学院的Jianqiang Zhong等人合作发现丙烯(C3H4)对氧化铈的吸附，是丙炔-丙烯加氢反应的另一个关键方面，在很大程度上依赖于氧化铈的表面还原、表面羟基化和水。
通过红外反射吸收光谱(IRAS)和密度泛函理论计算(DFT)的结合，确定了丙炔的解离和甲基乙炔(CH3CC‐)的形成。而且证明了丙炔通过在氧空位上形成一个甲基乙酰基离子并将一个质子转移到附近的氧位（OH基）上，在还原的铈表面上进行异构化解离，当水分子在空位处与化学吸附的甲基乙酰化物竞争时，通过将该甲基乙酰化物反弹到附近的氧位，协助均裂解离途径。
JIANQIANG ZHONG; Zhong-KangHan; Kristin Werner; Xiao-Yan Li; Yi Gao; Shamil Shaikhutdinov; Hans-JoachimFreund. Water-Assisted Homolytic Dissociation of Propyne on Reduced CeriaSurface. Angewandte Chemie International Edition, 2020.
DOI:10.1002/anie.201914271
https://doi.org/10.1002/ange.201914271
8. Angew.：基于表面安装金属的MOFs基高效双功能电催化剂
金属有机骨架(MOFs)及其衍生物被认为是非常具有应用前景的氧还原(ORR)和氧发生反应(OER)的催化剂，具有比表面积大、孔道结构丰富等优势，内部可以设计成具有开放的金属位点、特定的杂原子、功能化的有机配体、其他构建单元相互作用、疏水性、缺陷、孔隙率和嵌入的纳米级金属催化剂，它们对许多能源供应技术，如电解槽、燃料电池和某些类型的先进电池很重要。近日，慕尼黑工业大学的Roland A. Fischer等人采用了一种“应变调制”方法，使用表面含有NiFe的MOFs设计制备了一种先进的双功能ORR/OER电催化剂。
该催化剂在碱性介质中表现出优异的OER活性，在超电位仅为210 mV时，其工业相关电流密度为200 mA·cm-2。而且，它表现出良好的长期工作稳定性，即使在500 mA•cm-2的高电流密度情况下，在0.1 M的KOH电解液中，也显示出迄今为止最窄的“过电位窗口”ΔEORR-OER为0.69 V，且负载的催化剂质量比基准电催化剂低两个数量级。
Roland A. Fischer;Weijin Li; Song Xue; Sebastian Watzele; Shujin Hou; Johannes Fichtner; AnnaLisa Semrau; Liujiang Zhou; Alexander Welle. Advanced Bifunctional OxygenReduction and Evolution Electrocatalyst Derived from Surface‐Mounted Metal‐Organic Frameworks. AngewandteChemie International Edition, 2020.
DOI: 10.1002/anie.201916507
https://doi.org/10.1002/anie.201916507
9. Angew: 吡啶氮上金属钴能促进CO2电还原的分子证据
用可再生电力来电化学还原CO2在生产燃料和高附加值化学品同时减少碳排放方面研究引起了广泛关注。目前已经开发了多种基于过渡金属的电催化剂，可将CO2转化为CO，CH4，CH3OH，HCOOH，C≥2的产物等。但是，CO2还原反应（CO2RR）缓慢的动力学仍然限制了产物的收率和对所需产物的选择性。这些基本挑战的解决方案取决于对真正活性位点和催化机制的理解。氮掺杂碳材料（N-Cs）作为电化学还原CO2还原反应（CO2RR）的低成本无金属电催化剂的研究正在兴起，尽管其活性仍不能令人满意，其真正的活性位点仍有待商榷。
近日，中国科学院化学研究所胡劲松研究员等人证明了使用具有明确定义的N-C构型的酞菁（Pc）和卟啉作为分子模型催化剂时，CO2RR到CO优先发生在吡啶N而不是吡咯N上。系统实验和理论计算进一步发现，通过原位生成的金属Co纳米粒子的电子调制可以显著提高吡啶N的CO2RR性能。通过引入Co纳米粒子，Co@Pc/C在-0.9 V时可实现84％的法拉第效率和28 mA cm-2的CO电流密度，分别是不使用Co的Pc/C的18倍和47倍。这些发现阐述了对N‐Cs上CO2RR新的见解，可为探索高效CO2RR的高性价比电催化剂提供指导。
Chao He, Yun Zhang,Yuefeng Zhang, Lu Zhao, Lu-Pan Yuan, Jianan Zhang, Jianmin Ma, Jinsong Hu,Molecular Evidences for Metallic Cobalt Boosting CO2 Electroreduction onPyridinic Nitrogen, Angew. Chem.,Int. Ed. 2020
DOI:10.1002/anie.201916520
https://doi.org/10.1002/anie.201916520
10. Angew：桥接超微小的金团簇进入共价有机框架的孔隙中，增强其光稳定性和光催化性能
在各种载体上负载金(Au)簇被广泛应用于能源和生物领域。然而，经过长时间光照，金簇在衬底界面上的光稳定性差，往往会导致催化性能下降。具有周期性和超微孔结构的共价有机骨架(COFs)是分散和稳定金团簇的理想载体，但很难将金团簇封装到超微孔结构中。在此基础上，天津大学的Xiaoquan Lu等人制备了孔隙中含有巯基链的二维COF。
以-SH为成核位点，金纳米碳化物(Au NCs)可在COF内原位生长。COF的超细孔结构和S-Au的强结合能为Au NCs在长时间光照条件下的分散性改善提供了双重保证。有趣的是，由于Au-S-COF桥接的形式，人工Z型的光催化系统被构建，这被认为是提高电荷分离效率的理想手段。为合理设计活性可控、稳定性高的COF载体催化剂提供了理论的指导。
Yang Deng, Zhen Zhang,Peiyao Du, Xingming Ning, Yue Wang, Dongxu Zhang, Jia Liu, Shouting Zhang, andXiaoquan Lu. Bridging Ultrasmall Au Clusters into the Pores of a CovalentOrganic Framework for Enhanced Photostability and PhotocatalyticPerformance. Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.201916154.
DOI:10.1002/anie.201916154
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201916154
11. Angew：为长期光催化CO2还原量身定制的分子多孔光系统
从绿色燃料生产的角度来看，使用可见光作为唯一能源的非限制性光化学过程提供了极低碳足迹的诱人机会。在分子定义的物质催化下，可见光驱动的二氧化碳光化学还原反应在短时间内表现出很高的活性。到目前为止，光催化系统的改进几乎都集中在催化剂方面。在分子定义的多孔固体中，分子催化剂的单位点多相化提高了催化剂的使用寿命和效率。在这些光系统中，大多数使用了Ir和Ru基有机金属光敏剂，尽管它们在连续光照下会发生光降解。因此，大多数光系统的催化活性在不到12小时内会降低甚至完全丧失。
在此，法国伊尔赛隆国家科学研究中心的Florian Michael Wisser等人报告了两个完整的分子级结构形成共轭多孔有机聚合物光系统。多相化策略使光系统在连续光照4天后仍然保持完全的活性。这些材料在可见光的驱动下催化二氧化碳光还原，每克催化剂可产生至多3克的甲酸盐。这两个活性位点的共价键在催化剂的可见光活化中起着关键的作用。前所未有的长期效率来自于光诱导电子从集光部分转移到催化位点的最佳方式，量子力学计算和现场超快时间分辨光谱学证明了这一点。
Florian Michael Wisser,Mathis Duguet, Quentin Perrinet, Ashta Chandra Ghosh, Marcelo Alves-Favaro,Yorck Mohr, Chantal Lorentz, Elsje Alessandra Quadrelli, Regina Palkovits,David Farrusseng, Caroline Mellot-Draznieks, Vincent De Waele, and Jérôme Canivet. Molecular Porous Photosystems Tailored forLong-Term Photocatalytic CO2 Reduction. Angew. Chem. Int. Ed.10.1002/anie.201912883.
DOI:10.1002/anie.201912883
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201912883
12. AM: 水化效应促进Ni-Fe氢氧化物催化剂中性水氧化
能够在中性电解质中对氧析出反应（OER）进行高效催化的催化剂对于生物混合燃料和化工生产都十分重要。通常，中性电解液介质中的反应物浓度都比较低，这就要求催化剂要同时能够促进水的吸附和解离过程。最近，南开大学的Bo Zhang 和Xiaodan Zhang以及加拿大多伦多大学的Eward H. Sargent等通过密度泛函理论的计算发现向Ni-Fe催化框架中加入水化的金属离子能够有助于提高靠近活性位点的水的吸附能力。
他们利用简单的溶胶-凝胶手段向Ni-Fe催化框架中引入了水化增强效应的Mg2+等金属离子和水化消除效应的Ba2+等金属离子并对其催化效果进行了研究比较。研究发现，Ni-Fe-Mg催化剂在中性电解液中在10mA/cm2的电流密度下的过电位为310mV,这超过传统的IrO2/C催化剂高达40mV。在连续的催化过程中，这种催化剂能够保持稳定长达900h。研究人员通过实验方法和理论计算均发现水化效应促进的电催化剂有利于中性电解液中水分子的吸附和解离，这为发展高效稳定的OER催化剂提供了思路。
Ning Wang, Bo Zhang,Xiaodan Zhang, Eward H. Sargent et al, Hydration‐Effect‐Promoting Ni–Fe Oxyhydroxide Catalysts forNeutral Water Oxidation, Advanced Materials, 2020
DOI: 10.1002/adma.201906806
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906806?af=R
13. 冯新亮、张建AM:Zn-Mediated模板，增大Fe-Nx密度，提升ORR性能
在众多ORR催化材料之中， Fe-N-C材料是最有希望取代Pt族的单原子催化剂。单原子Fe与基质碳中N的配位被认为是ORR的活性中心。在目前主流的Fe-N-C材料的合成策略是Fe和含N前驱体的高温热解。但是，在高温热解过程中，Fe趋向于聚集形成铁簇和碳包Fe纳米颗粒结构。这种结构很难除去且显著影响Fe-Nx活性位点的形成（通常而言，单原子Fe含量低于1 wt%）。此外，大量的Fe-Nx被碳基质包覆不能参与ORR。Fe-Nx活性位点密度强烈限制了Fe-N-C类催化剂ORR性能的提升。
近日，欧洲科学院院士冯新亮与西北工业大学张建教授在AM上发表了了名为“Zinc-Mediated Template Synthesisof Fe-N-C Electrocatalysts with Densely Accessible Fe-Nx Active Sites forEfficient Oxygen Reduction”的研究文章。该研究工作给出了一种在分层多孔碳上构建高密度Fe-Nx活性位点的新颖合成策略（SA-Fe-NHPC）。SA-Fe-NHPC由2,6-二氨基嘧啶/Zn2+/Fe3+/SiO2复合物热解制备。在高温热解过程中Zn可以造微孔结构且可以避免Fe3C@C NPs结构的形成。此外，SiO2被用来做硬模板制备介孔碳结构。最后，SA-Fe-NHPC催化剂实现了易接触的高密度Fe-Nx结构，其单原子Fe含量达到了1.25 wt%。在0.1 KOH中，SA-Fe-NHPC半波电位高达0.93 V。在锌空气电池的测试中，SA-Fe-NHPC作为阴极，电池的最大能量密度为266.4 mW cm−2，且240小时的极高稳定性。这篇文章主要给出了一种制备高Fe-Nx密度的Fe-N-C材料的合成方法。
C. Guangbo, L. Pan, L.Zhongquan, S. Fanfei, H. Yanghua, Z. Haixia, Z. Tao, Z. Ehrenfried, C. Mingwei,W. Gang, Z. Jian, F. Xinliang, Zinc‐MediatedTemplate Synthesis of Fe‐N‐CElectrocatalysts with Densely Accessible Fe‐Nx ActiveSites for Efficient Oxygen Reduction, Adv. Mater., (2020).
DOI:10.1002/adma.201907399
https://doi.org/10.1002/adma.201907399
14. AM：单原子催化剂在催化生物医学中的应用
纳米粒子引发的催化在生物医学应用中的固有缺陷促进了替代性、多功能的治疗模式的快速发展。其中，催化性能和选择性是生物条件下亟待强化和优化的关键问题。以原子分散的单金属原子为特征的单原子催化剂(SACs)因其独特的催化活性和优异的选择性而成为近年来生物医学领域研究最多的催化剂之一。
在此，中科院上海硅酸盐研究所陈雨、Feng Wei等人概述了SACs的关键意义和一些需要解决的潜在关键问题，并特别关注其在生物医学上的广泛应用。同时简要讨论了其制备策略、表面工程和结构表征。特别是，讨论了SACs在引发一些具有代表性的催化反应中的催化性能，为生物医学应用提供了基础。并总结了一系列具有代表性的成功构建SACs的范例，这些SACs可用于多种生物医学应用，如癌症治疗、伤口消毒、生物传感和氧化应激细胞保护等，重点揭示了其内在催化机制和理解其潜在的结构-性能关系。最后，讨论并展望了SACs引发的生物医学催化技术在未来发展中面临的机遇和挑战。
Huijing Xiang, Wei Feng,Yu Chen. Single‐Atom Catalysts in CatalyticBiomedicine. Adv. Mater., 2020.
DOI:10.1002/adma.201905994
https://doi.org/10.1002/adma.201905994
15. ACS Nano: 调控单层MOS2与基质相互作用，助其HER性能媲美Pt
氢能因高能量密度、环境友好等优点被认为是未来的理想能源。虽然电解水制氢被认为是很有前景的制氢路径，但是需要高活性的HER催化剂。目前为止，Pt具有最高的HER性能，但是其稀缺和昂贵决定了Pt不能用作大规模制氢。MoS2具有非常合适的自由氢吸附能，被认为一个非常有前景的Pt取代者。因为边缘Mo被认为是MoS2的主要活性中心，大量研究聚焦于增加MoS2的边缘位点来提升催化性能。主要方法包括不同形状大小、涂于粗糙表面和单原子层MoS2等。目前为止，MoS2的HER性能还没能和Pt相媲美。
近日，北卡罗来纳州立大学的曹林有等人在ACS Nano上发表了名为“Engineering Substrate Interaction to Improve Hydrogen EvolutionCatalysis of Monolayer MoS2 Films Beyond Pt”的研究论文。该工作通过调控MoS2单原子层与基质之间的相互作用力成功使得单层MoS2的HER性能媲美Pt。MoS2单原子层通过CVD方法制备，保持有7-10%的最佳S空位密度。基质通过两个方式影响MoS2的性能：与MoS2形成界面tunneling barrier和通过电子迁移修饰MoS2化学本性（proximity doping）。基于这种理解，通过使用Ti这种可以提供n型掺杂并且与MoS2形成低界面tunneling barrier的基质成功使得单层MoS2表现出极高的HER性能。在持续两个月的稳定性测试中，单层MoS2的催化性能没有衰退。这篇文章系统研究了基质对MoS2薄层的作用，并且对原子级设计低成本高性能催化剂提供了一定指导意义。
L. Guoqing, C. Zehua, L.Yifan, Z. Du, Y. Weitao, L. Yuanyue, C. Linyou, Engineering SubstrateInteraction to Improve Hydrogen Evolution Catalysis of Monolayer MoS2Films Beyond Pt, ACS Nano, (2020)
DOI:10.1021/acsnano.9b07324
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07324
16. Acc. Chem. Res.: 适用于催化科学及相关材料的变温变压原位质谱分析
催化材料在工作条件下的表征对于催化反应体系的真实描述和机理理解至关重要。在工作的相关环境下，催化剂往往表现出在标准光谱条件下无法观察到的性质或反应活性。在高温高压等恶劣环境下工作对固态核磁共振来说是一个巨大的挑战，因为在固态核磁共振中，样品在强磁场中每秒旋转数千次。为了解决对光谱环境和操作条件之间差异的问题，新的MAS NMR技术已经被开发出来，可以在较宽范围的压力、温度和化学环境下探测催化体系。
近日，美国西北太平洋国家实验室Jian Zhi Hu等人合作在简要介绍了在原位实时MAS NMR发展过程中克服技术挑战的相关工作研究进展，重点将放在探索利用新发展的独特化学体制。随着研究的进展，现在已经可以对各种核成分(1H、13C、23Na、27Al等)周围环境的结构和动力学进行研究，并评估时间分辨率的相互作用和转换。Operando和原位NMR可以直接观察催化活性位点的化学成分及其相互作用(比如沸石中的Brønsted酸性位点)，揭示催化条件下活性位点的本质。此外，这些成分的混合物也可以被评估，以揭示活性位点在生成副产物(如水)时的变化。这些相互作用在一定的温度范围内(-10到230℃)和压力范围内(真空到100 bar)都可以观察到。当与2D NMR、计算建模或两者结合时，吸附态提供不同的特征可用于识别特定的结合模式。除了气相化学环境外，还可以引入气体环境，并在较大范围内调节压力，以支持需要H2、CO、CO2等的催化研究，也可采用三相混合物。这些反应可以在原位监测，以揭示在研究过程中底物、活性位点、中间体和产物的变化。此外，原位核磁共振与同位素标记方法的结合可以用于揭示具体的反应机制。此外，还将介绍将operando MAS NMR扩展到研究与能量存储系统和生物医学系统相关的固体电解质界面和溶剂化结构，以突出这一强大技术的通用性。
Nicholas R. Jaegers;Karl T. Mueller; Yong Wang; Jian Zhi Hu. Variable Temperature and PressureOperando MAS NMR for Catalysis Science and Related Materials. Accounts ofChemical Research, 2020.
DOI:10.1021/acs.accounts.9b00557
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00557
17. AEM: 双金属催化剂PdCu的晶体结构与催化动力学
燃料电池、金属空气电池和光电催化等新一代能源系统都离不开氧还原反应ORR或析氧反应OER，ORR/OER反应机理的阐述也是非常具有挑战和实际意义的。不同于其他水质电解质系统，Li-O2电池使用非水电解质，而且有多种固体放电产物。这就使得Li-O2的不溶放电产物LixOy在放电过程中会完全覆盖催化剂表面。因此，尽管Li-O2电池具有非常大的理论能量密度，但是由于放电产物LixOy不溶导致电化学循环不可逆，其能量效率非常差以至于无法实际应用。固定催化剂表面不仅能够降低ORR/OER过电势，而且能指导放电产物LixOy的催化动力学使其形成有力于离子或电荷传递的界面。PdCu有体心立方bcc和面心立方fcc两种结晶类型，是非常适合研究晶体结构的调整与ORR/OER反应动力学关系的材料。
近日，韩国Korea大学的Yong-Mook Kang教授和德克萨斯大学达拉斯分校的Kyeongjae Cho教授等人在Adv. Energy Mater上发表了名为“Regulating the CatalyticDynamics Through a Crystal Structure Modulation of Bimetallic Catalyst “的研究论文。该工作成功合成了大小、微观形貌近似的两种PdCu并解释了PdCu不同晶相的不同原子排布与放电产物LixOy生成和其催化性能之间的关系。在该工作中，第一性原理计算和实验结果证实了bcc晶相的PdCu促使LixOy在催化剂表面均匀成核和排布，促进Li-O2电池中的ORR/OER活性。但是，在fcc晶相的PdCu表面，放电产物LixOy会发生团聚并明显降低催化活性，使得电池性能下降。
P. Mihui, L. Chaoping,L. Tae Hyung, A. Daniel Adjei, Y. Junghoon, L. Vincent Wing‐hei, C. Sang‐Il, J. Ho Won, C. Kyeongjae, K.Yong‐Mook, Regulating the Catalytic Dynamics Through aCrystal Structure Modulation of Bimetallic Catalyst, Adv. Energy Mater.,(2020).
DOI:10.1002/aenm.201903225
https://doi.org/10.1002/aenm.201903225
18. Small: 电解水催化剂，CuFe复合物超强稳定性
氢能作为最清洁的能源，被认为是化石能源的取代者之一。电解水制氢分为析氢反应HER和析氧反应OER两个部分。从生产效率和成本的角度考虑，制备能够在同种碱性或酸性介质中的双功能催化剂是很有优势的。过渡金属氧化物、硫化物、磷化物、层状双金属氢氧化物（LDH）和金属合金等材料都被研究用作OER和HER催化剂。而且，通常使用形貌工程、复合合成、掺杂等手段来提高材料的催化性能。特别地，FeNi合金和它们的氢氧化物在同介质中具有OER和HER双功能，被研究的最为广泛。FeNi基材料的催化活性可以有不同基底和Ni/Fe的比例调控。CoFe LDH、CoMnLDH、CuCoO纳米线、FeCOOH、Cu@CoFe、NiMo纳米棒等材料都有OER和HER双功能。CuFe的复合材料作为双功能电催化剂还没有过报道。
近日，韩国Dongguk University的Akbar I.Inamdar教授、HyungsangKim教授和Hyunsik Im教授等人在Small上发表了名为“A Robust Nonprecious CuFe Composite as a Highly EfficientBifunctional Catalyst for Overall Electrochemical Water Splitting“的研究论文。该工作通过温和水热法在泡沫镍上合成了CuFe双功能电解水催化剂。在电流密度为10 mA cm-2时，CuFe/NF材料实现了376 mV的低电解水过电势（218 mV的析氧过电势和158 mV的析氢过电势）。并且，CuFe/NF的OER和HER的性能稳定性非常好，在不同电流密度下测试100 小时，材料没有电压衰减。
I.I. Akbar, S.C. Harish,H. Bo, L. Chi Ho, L. Sang Uck, C. SeungNam, K. Hyungsang, I. Hyunsik,Electrochemical Water Splitting: A Robust Nonprecious CuFe Composite as aHighly Efficient Bifunctional Catalyst for Overall Electrochemical Water Splitting.Small, 2020.
DOI: 10.1002/smll.202070006
https://doi.org/10.1002/smll.202070006
19. Small：钌掺杂钴铬LDH可调节电荷转移以增强氧释放
过渡金属（TM）晶格掺杂的层状双金属氢氧化物（LDHs）趋向于析氧反应（OER）的过程，在工程高效电催化剂中起着至关重要的作用。如果不了解过渡金属催化增强作用背后的物理原理，那么设计下一代电催化剂将面临很大挑战。基于此，天津理工大学罗俊、南开大学王卫超、北京大学黄富强等人将单个Ru原子引入CoCr LDHs晶格中以提高电化学活性。
在0.1 M KOH中，CoCrRu LDHs仅需要290 mV的过电势即可驱动至10 mA cm-2，并且Tafel斜率为56.12 mV dec-1。基于密度泛函理论的电子结构分析证实，提高的OER活性源自Ru，Cr和Co元素之间的协同电荷转移。具体而言，Ru掺杂剂可以降低Co的d态，并增强Cr对氧合物的电子贡献，从本质上打破了氧化关系，达到了更高的活性。该工作提供了关于单原子Ru掺杂剂如何调整其相邻的活性位点Co的电子结构，从而增加OER活性的见解。
ChenlongDong, Xilin Zhang, Jie Xu, Rui Si, Jun Sheng, Jun Luo, Shaoning Zhang, WujieDong, Guobao Li, Weichao Wang, Fuqiang Huang. Ruthenium‐Doped Cobalt–Chromium Layered DoubleHydroxides for Enhancing Oxygen Evolution through Regulating Charge Transfer.Small. 2020
DOI: 10.1002/smll.201905328
https://doi.org/10.1002/smll.201905328
20. Nanoscale: 用于高效电催化的Pd-pm (pm=Ga, In, Sn, Pb, Bi)合金纳米片的通用合成策略
直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种比能量高、环境友好、启动迅速的便携式移动电源，是21世纪最为重要的新能源技术之一。目前，甲醇燃料电池中使用的催化剂，综合性能最好的主要是Pt基贵金属，但由于Pt的昂贵、稀缺和阴极不耐甲醇中毒等问题，使得其商业化进展缓慢。超薄双金属纳米薄片由于具有组成和结构的协同优势，被广泛认为是醇电氧化反应的高性能催化剂。尽管研究人员已经付出了巨大的努力，但大规模制备理想的超薄双金属纳米片催化剂(NSAs)仍然是一个艰巨的挑战。
近日，苏州大学的杜玉扣教授等人合作提出了一种通用的合成方法来制备一系列可精确调控的Pd-pm (pm= Ga, In, Sn, Pb, Bi)合金NSAs。由于具有独特的三维花状纳米结构和合金化结晶特性，自支撑的Pd-pm超薄双金属纳米片对甲醇氧化反应(MOR)和甘油氧化反应(GOR)具有良好的电催化性能。考虑到双金属Pd-pm NSAs的合成策略具有环保高效、易操作、通用性强和电催化性能优异等优势，该方法可以广泛用于构建更高效的纳米催化剂，实现高效的电催化应用。
HongyuanShang, Hui Xu, Cheng Wang, Liujun Jin, Chunyan Chen, Guangyao Zhou, Yuan Wangand Yukou Du. General Synthesis of Pd-pm (pm=Ga, In, Sn, Pb, Bi) AlloyNanosheet Assemblies for Advanced Electrocatalysis. Nanoscale, 2020.
DOI:10.1039/C9NR10084A
http://doi.org/10.1039/C9NR10084A
21. ACS AMI : 尖晶石CoIn2Se4，ORR、OER and HER
随着化石能源的消耗，电解水和柔性锌空气电池得到越来越多的关注。电解水装置和柔性锌空气电池进一步发展的关键在于降低氧还原反应ORR和析氧反应OER的反应过电势。到目前为止，商用Ir/Ru和Pt催化剂的昂贵和稀缺限制了它们在电解水和锌空气电池中的大规模应用。在过渡金属氧化物、硫化物、硒化物和双金属氢氧化物等众多催化材料中，VIII族金属硒化物具有很高的导电性，引起了很大关注。AB2X4,（X = O and S）型三元尖晶石材料中，X紧密堆积，A和B占据四面体和八面体位点，是一种OER和ORR性能很好的材料。最近研究表明In掺杂过度金属复合物可以调节材料与反应物的吸附强度进而提升催化性能。因此，研究In基尖晶石硒化物的结构与性能的关系就很有意义。
近日，天津大学的韩晓鹏和胡文彬教授等人在ACSAMI上发表名为“Developing Indium-based Ternary SpinelSelenides for Efficient Solid Flexible Zn-Air Batteries and Water Splitting”的研究文章。在这个工作中，合成的尖晶石CoIn2Se4纳米片中Co占据晶体结构的四面体位点，In占据八面体位点。理论计算证明，相比于CoSe2 and In2Se3材料，CoIn2Se4材料优化了对中间产物的吸附作用，因此显著降低了反应路径的能量势垒。实验结果表明由CoIn2Se4组装的柔性锌空气电池在性能方面胜过商用Pt/C。另一方面，CoIn2Se4也表现出更好的HER和OER性能。这个工作探究了一种温和的合成三元尖晶石硒化物的方法，而且解析了In基三元尖晶石材料在ORR和OER的反应机理。
J.Wang, X. Zheng, Y. Cao, L. Li, C. Zhong, Y. Deng, X. Han, W. Hu, DevelopingIndium-based Ternary Spinel Selenides for Efficient Solid Flexible Zn-AirBatteries and Water Splitting, ACS Applied Materials & Interfaces, (2020).
DOI：10.1021/acsami.9b18304
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b18304
