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將二氧化碳電催化還原(CO₂RR)為高價(jià)值產(chǎn)品可用于減輕二氧化碳排放產(chǎn)生的環(huán)境問題。雖然已經(jīng)有大量工作表明，通過(guò)構(gòu)建晶界可以調(diào)整反應(yīng)中間體的結(jié)合能從而加速CO₂RR的反應(yīng)速率，但在納米尺度下，晶界和催化活性的相關(guān)性仍然缺少明確的認(rèn)知。南洋理工大學(xué)樓雄文團(tuán)隊(duì)合成了由量子點(diǎn)組成的、表面富含晶界的SnO₂量子線。這種直徑小于2nm的量子線具有較大的電化學(xué)活性面積，在CO₂RR催化反應(yīng)中，生成甲酸的法拉第效率可超過(guò)80%，C1產(chǎn)物的總法拉第效率可超過(guò)90%。表面豐富的晶界、較低的功函數(shù)和較強(qiáng)的CO₂吸附能力被認(rèn)為是這種量子線具有較高CO₂RR催化性能的原因。這項(xiàng)工作為在納米尺度下研究晶界與催化性能的關(guān)系提供了良好的平臺(tái)。

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https://doi.org/10.1002/anie.201903613

使用廉價(jià)的催化劑實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)水分解制氫具有較高的實(shí)用價(jià)值，但仍然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近日，黑龍江大學(xué)田春貴和付宏剛團(tuán)隊(duì)報(bào)道了泡沫鎳負(fù)載的三維鎳釩間隙化合物異質(zhì)結(jié)可用于催化析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)。研究發(fā)現(xiàn)，Ni₃N-VN的異質(zhì)界面具有適中的H*吸附能，有利于HER的發(fā)生，在1M KOH溶液中的Tafel斜率為37 mV dec^-1。而對(duì)于OER，Ni₂P-VP2與氧化物種的協(xié)同作用可用于增強(qiáng)活性，Tafel斜率為49mV dec^-1。異質(zhì)界面對(duì)反應(yīng)中間物種的活化作用、間隙化合物良好的導(dǎo)電性和有利于傳質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)也被認(rèn)為是良好活性的促進(jìn)因素。使用這兩種催化劑構(gòu)成的水分解電解池僅需1.51V的驅(qū)動(dòng)電壓就能實(shí)現(xiàn)10 mA cm^-2的催化電流，并且在100小時(shí)內(nèi)都相對(duì)穩(wěn)定。這使得這種電解池具有用太陽(yáng)能電池(1.5V)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能的潛能。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201901174

H₂O₂是一種使用廣泛的綠色氧化劑，電催化還原O₂(ORR)生成H₂O₂被認(rèn)為是一種較為環(huán)保的制備手段。然而，ORR的動(dòng)力學(xué)較為緩慢，且多數(shù)催化劑生成的產(chǎn)物為水。清華大學(xué)張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)協(xié)同策略可用于調(diào)節(jié)ORR催化過(guò)程中的選擇性，從而高效生成H₂O₂。研究人員合成了具有Co-N_x-C構(gòu)型活性位點(diǎn)的、含氧官能團(tuán)修飾的碳基電催化劑。這種電催化劑在氧氣飽和的0.10M KOH電解液中能以超過(guò)80%的選擇性催化H₂O₂的生成。在0.79 vs. RHE的電位下可達(dá)到1mA cm^-2的催化電流。進(jìn)一步的機(jī)理探究表明，Co-N_x-C位點(diǎn)和氧官能團(tuán)修飾分別有助于提升電催化生成H₂O₂的反應(yīng)性和選擇性。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201808173

金屬-席夫堿配合物是一種廣泛應(yīng)用的有機(jī)反應(yīng)催化劑。大連理工大學(xué)李斐團(tuán)隊(duì)在近日?qǐng)?bào)道了鐵席夫堿配合物和Co²⁺離子在160^oC的溫度下生成的CoFe氫氧化物/碳納米復(fù)合材料可用于高效的電催化析氧反應(yīng)(OER)。研究人員發(fā)現(xiàn)，鐵席夫堿配合物作為前驅(qū)體分子可促進(jìn)金屬氫氧化物的限制生長(zhǎng)(confined-growth)，而Co²⁺離子促進(jìn)了有機(jī)配體向納米碳的轉(zhuǎn)化。該復(fù)合材料僅需260mV的過(guò)電位就能實(shí)現(xiàn)10mA cm^-2的催化電流密度，同時(shí)具有較高的穩(wěn)定性。CoFe氫氧化物的均勻分布以及金屬與納米碳之間優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性也被認(rèn)為是催化活性較高的原因。考慮到前驅(qū)體的分子的多樣性，這種合成策略可能有助于尋求更高性能的碳基水分解催化劑。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201900117

直接甲烷無(wú)氧氧化轉(zhuǎn)化(Direct non-oxidative methane conversion, DNMC)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是天然氣在化學(xué)和能源工業(yè)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。由于該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)且容易造成積碳，使得DNMC仍然存在較高的催化溫度和較差的催化劑耐久性兩個(gè)有待解決的問題。近日，馬里蘭大學(xué)劉東霞團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)毫秒級(jí)壁式催化反應(yīng)器(millisecond catalytic wall reactor)能夠促進(jìn)實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的DNMC，且具有較高的多碳產(chǎn)物選擇性和甲烷轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)溫度和氣體流速的調(diào)節(jié)可用于優(yōu)化催化選擇性，生成較輕的C2產(chǎn)物或較重的芳烴產(chǎn)物。研究人員還使用了Aspen Plus模擬系統(tǒng)探究了這種壁式催化反應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)工作通過(guò)較低的成本和簡(jiǎn)單的反應(yīng)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了較高的碳、熱利用率，為DNMC技術(shù)提供了經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)用方案。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201903000