郭少军JACS，清华JACS，福州大学Angew，张华彬Nature Commun等成果速递 |顶刊日报20241107
学术
2024-11-07 08:36
福建
1.郭少军JACS：Al-N3桥位点单原子光催化合成H2O2通过调控反应中心的电子环境降低水氧化反应步骤的能垒，促进H2O和空气太阳能转化为H2O2受到人们的广泛关注，但是具有非常大的挑战。有鉴于此，北京大学郭少军教授等报道基于第一性原理计算筛选氮化碳的单原子催化剂，发现Al-N3桥式结构位点能够促进不同氮化碳纳米管之间的界面电荷转移，因此高效率的从空气、水、氧气生成H2O2。1）CNNT-Al催化剂的Al-N3桥式位点能够活化相邻的表面单原子，促进两电子氧化为H2O2的决速步骤。而且，Al-N3位点能够促进相邻氮化碳层和层间Al原子之间的3s、3p轨道杂化，因此增强垂直层之间的电荷转移。 2）由于这些优势，CNNT-Al在光催化反应合成H2O2达到1410.2μmol g-1 h-1的质量活性（光催化剂的浓度为1g L-1），性能超过了所有CN光催化剂，比自然界的植物光催化反应的太阳能转化为化学能的效率（~0.1%）高7倍，达到0.73%。最为重要的一点是，CNNT-Al构筑的流动相反应器能够200h稳定长时间制备H2O2直接用于降解水体中的污染物。使用CNNT-Al催化剂的流动相反应器能够100%的效率杀菌天然水体10倍浓度的细菌，因此成为水处理的一种经济理想方式。 ![]()
Hao Tan, Peng Zhou, Meixian Liu, Yu Gu, Wenxing Chen, Hongyu Guo, Jiankang Zhang, Kun Yin, Yin Zhou, Changshuai Shang, Qinghua Zhang, Lin Gu, Nian Zhang, Jingyuan Ma, Zhanfeng Zheng, Mingchuan Luo, and Shaojun Guo*, Al–N3 Bridge Site Enabling Interlayer Charge Transfer Boosts the Direct Photosynthesis of Hydrogen Peroxide from Water and Air, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c11471https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c114712.清华大学JACS：合成大孔-微孔有序MOF的新方法虽然单晶的有序大孔-微孔MOF（SOM-MOF，Ordered macro-microporous）具有比传统MOF材料更加优异的性能，但是因为缺少多功能和高产率的制备方法，因此目前SOM-MOF的开发受到阻碍。 有鉴于此，清华大学杜伟副教授等报道开发了一种普适性的新型合成策略，能够解决前驱分子稳定和调控晶化的两个主要挑战，因此实现了高效率高产量的制备各种SOM-MOF材料。1）通过开发的这种方法成功制备了SOM-MIL-88A，发现SOM-MIL-88A在吸附、催化、酶固定、生物传感等应用中，具有比MIL-88A显著改善的性能。2）这种方法成功的用于合成SOM-HKUST-1和SOM-ZIF-8，比现有合成方法的产率分别提高10倍和2倍。这种创新的合成技术对于制备性能可调控的SOM-MOF提供重要的进步，对于MOF的未来发展表现了应用的前景。![]()
Zhiqiang Zou, Zhuoyang Du, Lingmei Dai, Dehua Liu, and Wei Du*, A Universal Approach for High-Yield Synthesis of Single-Crystalline Ordered Macro-Microporous Metal–Organic Frameworks, J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c11243https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c112433.JACS：Fe-CHA催化剂的甲烷氧化反应活性位点和反应路线含Fe的分子筛是非常有效的CH4和N2O转化为高附加值化学品的催化剂，但是Fe-分子筛通常将CH4转化和N2O分解在一起进行，而且人们对于不同Fe物种起到的催化活性仍然存在争议。有鉴于此，东京工业大学Toshiyuki Yokoi等报道通过控制Na原子存在或者缺乏，控制Al骨架原子的位置，合成了Fe物种空间距离不同的含Fe-CHA分子筛。1）通过27Al和29Si MAS表征和TG-DTA表征技术研究骨架Al原子的分布情况。通过UV-Vis、XAS、NO吸附-FTIR等表征技术研究Fe物种的种类。当Na存在，在6MR位点的Fe物种分布比例更多，分别研究相邻Fe原子或者距离比较远的Fe原子催化甲烷转化为甲醇、甲醇转化为烃、N2O分解的性能，因此得到不同位点对应的反应路径。2）距离较远的独立Fe原子以及独立质子在甲烷氧化为甲醇、甲醇转化为烃类的反应活性比距离较近的独立Fe原子和质子的反应活性更高。此外，空间靠近的独立Fe位点在N2O分解反应中具有更高活性。这些研究结果有助于设计高活性的甲烷氧化催化剂，甲醇制烃催化剂，N2O分解催化剂，因此对能源和环境有关问题产生帮助。![]()
Peipei Xiao, Lizhuo Wang, Hiroto Toyoda, Yong Wang, Kengo Nakamura, Jun Huang, Ryota Osuga, Maiko Nishibori, Hermann Gies, and Toshiyuki Yokoi*, Revealing Active Sites and Reaction Pathways in Direct Oxidation of Methane over Fe-Containing CHA Zeolites Affected by the Al Arrangement, J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c11773https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c117734.福州大学Angew：离子型COF的静电限域激子增强光催化还原CO2性能福州大学于岩教授、李留义研究员、毕进红教授等报道静电限域方法，在由离子共价有机框架（COF）和阳离子金属复合物组成的超分子光催化剂中实现静电限域电荷转移的路径，通过控制静电限域的电荷转移，增强光催化还原CO2性能。1）通过动态的静电相互作用不仅能够吸引阳离子靠近COF接受光生电子，而且能够保持其均相催化剂的催化性质，因此实现了平衡。2）静电限域效应能够促进光生电子从光激发COF转移到阳离子Co复合物，因此实现优异的光催化还原CO2性能。其光催化活性远比对照的超分子催化剂性能更好，这项工作为增强超分子材料体系的电荷转移，为高效率光催化剂的开发提供方法。![]()
Mingfei Yu, Wei Chen, Qingqing Lin, Liuyi Li, Zheyuan Liu, Jinhong Bi, Yan Yu, Electrostatic Confinement-Induced Excited Charge Transfer in Ionic Covalent Organic Framework Promoting CO2 Reduction, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202418422https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024184225.Angew：原位表征高价态Fe(+4)在OER反应中的作用中国科学院大连化物所王军虎研究员、河南大学刘太丰副教授、伊朗基础科学高级研究学院/谢里夫理工大学Mohammad Mahdi Najafpour等报道通过原位表征研究NiFe氢氧化物的动态变化，发现高价态Fe在碱性体系OER反应中的重要作用。 1）发现没有施加过电势的情况，多个高价态Fe离子能够稳定，甚至在OER反应96 h之后仍然稳定。通过57Fe处理Ni2+氢氧化物，能够将Fe引入Ni2+氢氧化物的表面，但是没有发现Fe4+物种参与电催化反应的决速步骤。这项研究结果表明体相Fe离子氧化，与Ni离子氧化类似形成的高价态Fe，起到电荷富集作用，但是Fe没有参与OER催化反应中起到作用。2）这项研究结果为调控Fe的价态增强OER电催化性能提供新颖的策略。这项研究结果表明痕量高价态Fe离子能够直接参与OER电催化反应过程。通过一系列原位表征，包括原位Mössbauer谱，表征说明存在大量Fe4+离子，这种高价态Fe4+即使在没有过电势的情况仍然稳定。在200-300 mV区间进行OER电催化反应，许多Fe3+氧化为Fe4+是发生电荷累积的前体，这项结果表明说明少量高价态Fe离子参与OER反应过程。![]()
Nader Akbari, Jafar Hussain Shah, Cejun Hu, Subhajit Nandy, Pavlo Aleshkevych, Rile Ge, Sumbal Farid, Changchang Dong, Liang Zhang, Keun Hwa Chae, Wei Xie, Taifeng Liu, Junhu Wang, Mohammad Mahdi Najafpour, A Hypothesis on the Function of High-Valent Fe in NiFe (Hydr)oxide in the Oxygen-Evolution Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202418798https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024187986.Nature Commun：孤立Ru修饰 Co3O4 的局部压缩应变诱导防腐蚀实现高效的酸性OER 增强耐腐蚀性对于开发用于酸性氧释放反应(OER)的高效电催化剂至关重要。在此，阿卜杜拉国王科技大学张华彬，Luigi Cavallo，国家纳米科学中心Lina Zhao等人报道了对局部压缩应变的策略性操纵以增强非贵重Co3O4载体的酸性OER性能。1）将原子尺寸大于Co的Ru单原子掺入Co3O4晶格(Ru-Co3O4)中，会触发CoO晶格上的局部应变压缩和晶格畸变。2)通过实验和理论分析，全面探索了这种特定的局部压缩应变与电催化性能之间的相关性。原位X射线吸收研究证实了Ru-Co3O4中存在局部应变，并得到了量子计算的支持。3)这种局部应变以缩短的Co-O键长呈现，通过抑制金属溶解增强了Co3O4的防腐性能。因此，Ru-Co3O4表现出令人满意的稳定性，在30mA cm−2下保持OER超过400小时，衰减最小。这项研究证明了局部应变效应在增强酸性OER及其他催化剂稳定性方面的潜力。Zuo, S., Wu, ZP., Xu, D. et al. Local compressive strain-induced anti-corrosion over isolated Ru-decorated Co3O4 for efficient acidic oxygen evolution. Nat Commun 15, 9514 (2024).DOI：10.1038/s41467-024-53763-8https://doi.org/10.1038/s41467-024-53763-87.Nature Commun：用于多系统双离子对称电池的单一有机电极有机电极的大孔隙空间使其能够储存不同的反离子，而不用担心离子的尺寸。在这项研究中，电子科技大学樊聪，王焱，唐武，四川长虹电子控股集团有限公司Jian Gao等人设计了一种小分子有机双极电极，称为二喹喔啉[2,3-a:2’,3’-c]吩嗪-2,6,10-三（吩噁嗪）（DQPZ-3PXZ）。 1）DQPZ-3PXZ具有通过二喹喔啉[2,3-a:2’,3’-c]吩嗪(DQPZ)和吩噁嗪(PXZ)的π共轭形成的坚固固体结构，可以无差别地稳定地容纳5种具有不同电荷和尺寸的反离子（Li+、Na+、K+、PF6−和FSI−）。2）在Li/Na/K基半电池中，DQPZ-3PXZ可分别提供257/243/253mAh g-1正极的峰值放电容量和609/530/572Wh kg-1正极的峰值能量密度。可以构建Li/Na/K基双离子对称电池，该电池可通过第一次充电过程激活，并显示出85/66/72mAh g-1正极的稳定放电容量和59/50/52Wh kg-1总质量的能量密度，均运行超过15000次循环，容量保持率接近100％。![]()
Li, W., Ma, H., Tang, W. et al. Single organic electrode for multi-system dual-ion symmetric batteries. Nat Commun 15, 9533 (2024).DOI：10.1038/s41467-024-53803-3https://doi.org/10.1038/s41467-024-53803-38.北京化工大学&云南贵金属研究所Adv Mater：InSnRuO2的氧空穴电子极化促进酸性水氧化多金属氧化物通过等构取代（isomorphic substitution strategy），具有独特的电子结构和几何结构，调节的电子能带，配位环境，因此能够对催化水氧化反应产生独特的贡献，这个效应对于质子交换膜电解水器件（PEMWE）非常重要。有鉴于此，北京化工大学刘景军教授、云南贵金属研究所刘锋博士等报道首次通过等构取代策略，合成了控制氧缺陷（Ov）密度的InSnRuO2，这种合成方法使用三价In产生Ov，相邻金属离子作为供电子体，因此形成有序和密集的In-Ov-Ru-O-Sn结构。1）在酸性水氧化催化反应中，InSnRuO2催化剂具有超低的过电势（183mV），质量活性达到103.02A mgRu-1。PEMWE的长期稳定性测试结果表明，能够在比较低的电压（1.56V）和50mA cm-2电流密度持续工作200h，在0.5M H2SO4电解液中的性能超过了IrO2||Pt/C。 2）加速老化测试结果表明PEMWE器件使用纯水电解液没有明显电压增加，甚至是在电流密度从1A cm-2提高至5A cm-2。显著改善的性能与密集Ov电子极化能够稳定In-Ov-Ru-O-Sn结构，因此能够同时活化氧物种的能带，并且显著增强OER反应动力学。更加重要的一点是，自限域Ov电子极化能够导致熵和焓的降低，因此阻碍Ru原子溶解，得到长期稳定的氧化物。这项工作有助于设计下一代含有极化子的Ru催化剂以及设计结构不对称的载体活性位点用于电催化PEMWE。 ![]()
Yanhui Sun, Mingyue Xiao, Feng Liu, Jun Gan, Shixin Gao, Jingjun Liu, Oxygen Vacancy-Electron Polarons Featured InSnRuO2 Oxides: Orderly and Concerted In-Ov-Ru-O-Sn Substructures for Acidic Water Oxidation, Adv. Mater. 2024DOI: 10.1002/adma.202414579https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202414579
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