1. Nat. Commun.：設計具有優異催化活性和低傳質阻力的燃料電池催化劑載體

低鉑含量聚合物電解質燃料電池（PEFC）的發展一直受到催化劑與陰極催化劑層中的離聚體接觸時氧還原反應（ORR）活性地降低和氧傳質阻力的阻礙。在這項研究中，卡爾加里大學Karan Kunal等人介紹了一種制備球形碳載體的策略，制備出的催化劑具有氮摻雜，能夠使鉑催化劑均勻分散。

設計策略包括四個目標：（1）將Pt納米顆粒的大小控制在1.8-3 nm范圍內，以獲得最佳的配位數；（2）使Pt納米顆粒在具有高Pt-Pt距離的催化劑載體上均勻分散，以緩解區域效應；（3）挑戰利用較大的球形催化劑載體（~130 nm）產生較大的催化層孔，從而通過分子擴散而不是限制性Knudsen擴散實現催化層O₂輕松傳輸。N-官能團在碳基催化劑載體表面的均勻分布，產生良好的載體-碳相互作用，研究發現催化劑展現出638±68 mA mg_Pt^?1的高 ORR 質量活性在膜電極組件中在 0.9 V 和 100% 相對濕度下。

高分辨率電子顯微鏡和幾乎與濕度無關的雙層電容直接證明了碳載體表面均勻分布的氮官能團促進了離聚物的高覆蓋。碳表面的親水性質確保了在廣泛的相對濕度范圍內操作的高活性和性能。具有挑戰性的較大碳載體（~135 nm）與有利的離聚體膜結構的結合被認為是由離聚體的離子部分和催化劑載體的氮功能基團的相互作用而產生的，從而使超低Pt負載（34 ±2 μg_Pt cm^-2）催化劑層具有前所未有的低局部氧傳輸阻力（5.0s cm^-1）。

催化劑/載體設計策略的成功實施證明了在表面上均勻分布N-功能基團的較大催化劑載體的優勢：（a）實現具有可控尺寸和粒間距離的Pt催化劑的均勻和良好分散的沉積，這兩者都導致有效的高ORR活性; （b）離聚體和N-功能基團之間的良好相互作用實現Pt/載體的高離聚體覆蓋率，從而高催化劑利用率；（c）受較大催化層孔隙和區域效應影響的催化劑層氧傳輸阻力的降低。催化劑/載體設計策略的成功實施展現了在催化劑載體表面均勻分布氮官能團的優點，預示著可以通過合理的催化劑載體設計策略來開發下一代催化劑。

Designing fuel cell catalyst support for superior catalytic activity and low mass-transport resistance, Nat. Cummun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-33892-8 https://www.nature.com/articles/s41467-022-33892-8.

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2. Nat. Mater.：用于質子交換膜電解水中持久酸性析氧反應的非銥基電催化劑

利用可再生電力進行電解水是一種有前途和可持續的生產清潔氫（H₂）燃料的途徑，目前占主導地位的堿性電解水技術面臨許多挑戰。利用基于聚合物的質子交換膜（PEM）進行高效的質子轉移可以有效地解決上述挑戰并顯著提高性能，但是缺乏活性、穩定性的酸性析氧反應（OER）催化劑是其中的阻礙。由于銥基電催化劑在酸性OER下具有良好的穩定性，目前仍是PEM電解水實用的陽極催化劑，但由于其成本高、儲量少而受到很大限制。基于此，弗吉尼亞大學張森，匹茲堡大學王國峰和萊斯大學汪淏田（共同通訊）等人報道了一種非銥基催化劑（Ni-RuO₂），它是一種很有前途的替代催化劑，在酸性OER中具有高活性和穩定性，可用于PEM電解水。

通過在RuO₂納米晶體中摻入鎳（Ni）摻雜劑，能夠顯著提高RuO₂晶格的穩定性，以延長在酸性OER條件下的穩定性。Ni的加入對RuO₂的穩定性的影響是令人印象深刻的：雖然純RuO₂顯示出較差的OER穩定性（在旋轉圓盤電極（RDE）上，維持10 mA cm^-2的OER 電流密度時間小于40小時），摻雜Ni的RuO₂ (Ni-RuO₂)催化劑顯示出優異的穩定性，大于200小時沒有明顯的降解。更令人印象深刻的是，Ni-RuO₂催化劑與商業化的Pt/C析氫反應（HER）催化劑在實際的PEM電解槽中顯示出在200 mA cm^-2的電流密度下穩定的電解水大于1000小時，這表明它在實際的電解水應用中具有巨大的潛力。

密度泛函理論（DFT）研究和操作微分電化學質譜法（DEMS）分析證實了 RuO₂催化劑的吸附演化機制（AEM），并清楚地表明Ni摻雜可以提高表面Ru和次表面氧的晶格穩定性，這是提高其OER穩定性的原因。此外，Ni-RuO₂催化劑也表現出大大改善的活性，其需要214 mV的小過電位以提供10 mA cm^-2 OER 電流密度和在以2.10 V的電池電壓（沒有歐姆損耗補償或IR補償）在室溫下提供1.5-A cm^-2全解水電流。

本文的研究結果不僅為提高RuO₂催化劑的催化性能方面提供了一種有效的方法和新的認識，而且展示了其在實際應用中大規模清潔制備H₂的巨大潛力。雖然Ni-RuO₂催化劑的穩定性能與工業要求（在80 °C 下運行10年以上，提供大于1 A cm^-2的電流密度）之間仍然存在一定的差距，但是使用基于Ru的催化劑實現的這種令人鼓舞的里程碑式的穩定性清楚地表明了在未來取代銥基催化劑的潛力。為了進一步提高Ru基催化劑的穩定性，今后可以進行更多的研究，如溫度效應、多元素摻雜等。

Non-iridium-based electrocatalyst for durable acidic oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis, Nat. Mater., 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01380-5

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01380-5.

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3. ACS Nano：固定在氮化碳中的錫納米團簇用于氧還原反應

燃料電池、金屬-空氣電池等可再生能源轉換和儲能技術對解決當前具有挑戰性的全球環境和能源問題至關重要。通過氧還原反應（ORR）電化學還原氧分子是這些技術的核心。近幾十年來，稀有而昂貴的鉑族金屬（PGM）催化劑已被用于顯著加速酸性介質中遲緩的四電子ORR途徑。為了降低成本，非PGM負載的氮摻雜碳催化劑（MNC）被開發出來，然而由于對此類催化劑的大量研究在很大程度上是重疊的，因此很少有額外的發現和基本的見解。

基于此，復旦大學李峰，中國科學技術大學傅正平和蔚山國家科學技術學院Baek Jong-Beom（共同通訊）等人報道了一種用于電化學氧還原的錫（Sn）納米簇催化劑，將1 ~ 1.5 nm的Sn納米團簇原位固定在平均孔徑為0.7 nm的微孔氮摻雜碳多面體中（Sn_xNC）。

Sn_xNC中的Sn_x與NC載體有很強的相互作用，形成Sn-N鍵。Sn_xNC的催化性能顯著提高，與Pt/C的催化性能相當，并優于已報道的其他FeNC催化劑。電化學和理論分析的結果表明，不同尋常的催化活性與空間受限的Sn納米團簇有關，它們具有良好的氧吸附性能。Sn基的單原子催化劑與Sn單原子錨定在摻雜氮的碳納米片作了明確的比較，Sn_xNC在酸性介質中表現出很高的催化性能，包括正的起始電位和半波電位，可與最先進的Pt/C相媲美并遠遠超過Sn單原子催化劑的性能。

此外，用計時安培法評估了Sn_xNC對甲醇的抗中毒性和ORR電化學穩定性。與 Pt/C 不同，Sn_xNC沒有觀察到顯著的ORR 電流變化，顯示其對甲醇中毒的高抗性。同時，電流-時間曲線也證實了Sn_xNC 良好的穩定性，經過長期測試后該曲線顯示出輕微的衰減。結構和理論的綜合分析表明，Sn_xNC催化劑體系具有高催化活性是因為Sn納米團簇具有良好的氧吸附能力，而不是因為Sn單原子。

本文報道了一種Sn基納米團簇約束催化劑，Sn納米團簇的平均孔徑為0.7 nm，穩定地包裹在微孔氮摻雜的碳多面體（Sn_xNC）中用于高效電化學氧還原，理論分析表明，Sn納米團簇約束催化劑體系具有較高的靜電勢和良好的吸氧性能，催化性能得到顯著改善。本工作不僅介紹了一種性能優異的無鉑基金屬納米簇催化劑，而且為合理設計和合成高效的催化劑作出了貢獻。

Tin nanoclusters confined in nitrogenated carbon for the oxygen reduction reaction, ACS Nano, 2022, DOI: 10.1021/acsnano.2c07589.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c07589.

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4. Adv. Mater.：耐腐蝕高熵非貴金屬電極在酸性介質中析氧的研究

可再生能源驅動的電解水是一種很有前途的零排放制氫技術，為了實現可持續的氫經濟，需要用耐腐蝕的非貴金屬催化劑取代貴金屬基催化劑。鈍化元素和具有催化活性的元素的組合是同時獲得高耐腐蝕性和高催化活性的關鍵。基于此，富山縣立大學Wakisaka Mitsuru，大阪大學Ohto Tatsuhiko，高知工科大學Fujita Takeshi，筑波大學Ito Yoshikazu等人（共同通訊）研究了在析氧反應（OER）過程中，從元素的自選擇和目標反應條件下結構的自重構的角度出發，提出了一種只使用非貴金屬元素設計高熵合金的新方法，

通過準原位電化學x射線光電子能譜研究了外加電壓對非貴金屬合金（Ti，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Zr，Nb和Mo）腐蝕行為的影響，其條件與用于質子交換膜電解的條件相似。此外，還確定了非貴金屬合金中協同效應的來源：

(1) 準原位電化學x射線光電子能譜表明，Ti, Zr, Nb和Mo對鈍化有顯著作用，而Cr，Ni和Co在潛在循環過程中參與氧化還原過程；

(2)密度泛函理論（DFT）計算表明Cr，Co，Ni，Mn，Fe增強了催化活性。通過電化學測量對四元（Ti，Zr，Nb和Mo）和五元（Cr，Mn，Fe、Co和Ni）合金的性能評價支持了這些結果，自選/重構多元合金在質子交換膜（PEM）式電解水相似條件下表現出良好的性能，在穩定性試驗中沒有明顯的降解。這驗證了合金在實際的PEM電解條件下作為電極時的耐腐蝕性。

本文的研究結果表明，元素的協同自選擇和表面結構的自重建可以通過最小化昂貴和漫長的試錯過程來加速多元素合金的設計和計算模擬。所得的非貴金屬電極在施加的電壓循環中具有高穩定性，可用于可再生電力驅動的質子交換膜型電解槽，特別是風能。由于可擴展（約100公斤/次）和低成本（300-400美元/公斤）的材料工藝，如電弧熔化和球磨，非貴金屬高熵合金催化劑可以成為一種具有成本效益的貴金屬替代品，特別是在單位成本較低的可再生電力地區。

更廣泛地說，具有高催化活性的耐腐蝕多元素合金將是取代貴金屬催化劑的關鍵，不僅用于質子交換膜型水電解槽，而且用于其他類型的電解槽、電解槽系統和電池。

Corrosion-resistant and high-entropic non-noble-metal electrodes for oxygen evolution in acidic media, Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202207466.

https://doi.org/10.1002/adma.202207466.

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5. J. Am. Chem. Soc.：使用PCET介體使Ni-HER電催化劑作為氫化物傳遞劑

在酸存在下的還原電催化過程中，金屬氫化物中間體的生成最常導致析氫反應。將這種氫化物中間體的反應特性轉向不飽和基底的還原，是催化領域一個令人興奮的機會，但在催化劑的選擇方面也是一個挑戰。在過去三十年中，均相催化領域的大量研究已經利用了這種反應在合成定義明確的析氫（電）催化劑發展中的趨勢。鈷和鎳在這方面表現突出，是研究最充分、也是最活躍的體系。在本研究中，加州理工學院Peters Jonas C.等人展示了一種典型的磷化氫負載Ni-HER催化劑，與茂金屬衍生的質子耦合電子轉移介質結合，通過Ni^II-H的氫化物轉移，可用于苯丙酸甲酯的電催化還原。

一種二茂鈷衍生的電催化質子耦合電子轉移介質{[CpCoCp^NMe2]⁺（Co(III, NH)⁺），氧化非質子化形式的和還原質子化形式的Co(II, NH)⁺，能夠將凈H原子轉移到[P₄^Me Ni^II]²⁺上，生成假定的[P₄^MeNi^II-H]²⁺；后一中間體有望在HER的電位下還原為[P₄^MeNi^II-H]⁺，從而使底物還原而不是HER。

作為概念驗證，研究了甲基苯基丙酸鹽的電催化半氫化反應。由于鈷質子耦合電子轉移從培養基中清除H⁺，凈串聯催化描述了通過H⁺、H?和H^–等價物實現整體轉化。步驟成功的關鍵是以固定在質子耦合電子轉移介體上的電位產生Ni^II-H，電化學、光譜學和理論數據指向一種工作機制，從茂金屬衍生的介質到Ni^II的PCET步驟產生Ni^III-H并且是速率決定的; 然后后者Ni^III-H很容易被還原成Ni^II-H，其能夠進行基底還原。其他研究顯示，這種串聯質子耦合電子轉移介導的氫化物生成可以提供高立體選擇性，并且也可以用于還原 α，β-不飽和酮。

發展可以規避電催化HER有利于氫化物輸送到目標基底的策略是一個挑戰，在本文已經表明，通過將優異的鎳基HER電催化劑與茂金屬衍生的質子耦合電子轉移介質結合，可以通過相應的電位轉移來實現反應性向基底還原的顯著轉變，從而產生關鍵的Ni^II-H中間體。這種串聯電催化代表了在固定于質子耦合電子轉移介質的氧化還原偶聯的操作電位下電催化氫化物轉移的一種獨特策略。本文研究的串聯電催化氫化物轉移策略，為未來的研究提供了思路。

Use of a PCET mediator enables a Ni-HER electrocatalyst to act as a hydride delivery agent, J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c09786. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c09786.

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6. Small：富釕邊緣的PtCuRu納米花用于高效燃料電池電催化

直接醇燃料電池因其易于儲存、能量密度高、環境友好等優點被認為是極具前景的能源供應器件，甲醇氧化反應和乙醇氧化反應作為直接甲醇燃料電池和直接乙醇燃料電池的關鍵陽極反應，存在動力學緩慢和催化劑不穩定的問題，嚴重阻礙了直接醇燃料電池的發展。通過合理的結構設計提高鉑基合金的催化活性是解決直接醇燃料電池動力學滯后的關鍵。基于此，北京化工大學王潔欣等人通過改變釕的添加量制備出具有不同組成和尺寸的三元PtCuRu納米花催化劑，PtCuRu納米花催化劑具有優異的電催化性能和優異的抗中毒能力。

三元PtCuRu 納米花催化劑是通過簡單的方法合成的，優化后的Pt_0.68Cu_0.18Ru_0.14納米花催化劑具有較高的金屬化程度、富Ru邊緣和豐富的高指數面。甲醇氧化反應 (7.65 mA cm^-2)和乙醇氧化反應 (7.90 mA cm^-2)的比活性分別是商業Pt/C的6.0倍和7.1倍。CO實驗表明，所制備的三元PtCuRu 納米花催化劑具有良好的抗CO中毒性能。

經過時間安培測試（5000 s）和完整的結構證明了三元PtCuRu 納米花催化劑優越的穩定性。基于以上討論，提出電催化活性增強的可能機制，這歸因于制備的三元PtCuRu 納米花催化劑具有較高的金屬化程度和富Ru邊緣。Pt、Cu、Ru的高金屬化程度導致了d帶中心的降低，促進了CO的氧化，提高了催化劑的固有活性和抗中毒能力。

此外，Ru的引入不僅加強了對^*OH的吸附，加速了CO的氧化和解吸，而且促進了具有富Ru邊緣的三維納米花結構的形成。這樣的結構可以暴露出豐富的高指數晶面，從而相應地降低了形成^*HCOOH（甲醇氧化）和C-C鍵斷裂（乙醇氧化）的能壘，進一步加快了反應動力學，提高了電催化活性。

調整和優化基于Pt的催化劑，從而實現燃料電池反應的超高活性和穩定性是當務之急，Pt和Ru原子晶格不匹配引起的應變效應降低了反應中間體的結合能，并提供了較高的CO抗中毒性。由于元素的異質分布所衍生出的獨特的局部協調環境，這種結構容易在邊緣暴露出高指數的晶面，為電催化劑提供了豐富的活性位點，提高了其催化活性。

因此，合理設計和制備三維Pt基多金屬納米催化劑是實現高效穩定催化性能的有效策略，本文的三元合金PtCuRu納米化催化劑為三元合金雙功能催化劑的設計與開發提供了可行性。

PtCuRu nanoflowers with Ru-Rich edge for efficient fuel-cell electrocatalysis,Small, 2022, DOI: 10.1002/smll.202204720.

https://doi.org/10.1002/smll.202204720.

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7. Nat. Cummun.：光催化水氧化與有機分子還原轉化的耦合研究

光催化水分解技術因利用易得無毒的水資源成為綠色化學研究的熱點。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）獨特的電子能帶結構、高的熱穩定性和化學穩定性，使得g-C₃N₄基材料已經成為具有吸引力的光催化劑，用于析氫，污染物氧化降解和CO₂還原。此外，這類材料經常作為有機反應的光催化劑，包括有機分子的還原，氧化和非氧化還原反應。

基于以上研究背景，河南農業大學任運來等人報道了水分解的光誘導氧化半反應與有機化合物的還原的有效耦合，為利用水作為電子供體實現有機物的還原轉化提供了光誘導途徑。

在這項工作中，報告了在Pd/g-C₃N₄^*光催化劑存在下，通過耦合光誘導的水氧化半反應和有機化合物的還原，水作為電子供體來實現有機分子的還原轉化。所使用的光催化劑是通過在Na₂CO₃和H₂O存在下通過光照射Pd/g-C₃N₄的方法原位合成的。通過提高Pd⁰與pd^||的比值，可以略微提高Pd/g-C₃N₄的活性。此外，實驗結果表明，Na₂CO₃對反應有相當積極的影響，抑制質子還原和去除產生的毒害光催化劑的H₂O₂。

此外，重點闡明了析氧反應的機理。根據 Pd/g-C₃N₄^*的帶隙結構，兩電子兩步法和四電子一步法這兩種過程在熱力學上都是允許的。因此，進行了旋轉圓環-圓盤電極實驗以確定Pd/g-C₃N₄^*的機理途徑。電子轉移數量為一步過程為4，兩步過程為2，而研究結果顯示電子轉移數量范圍從3.49到3.54接近4，表明一步過程作為主要途徑在本文的實驗條件下。因此，根據上述觀察結果和堿性條件下電化學OER的常規機制，提出了一種機制。

芳基鹵化物的還原偶聯在現代有機合成中具有重要意義，因為所產生的聯芳基骨架廣泛存在于染料、天然產物、藥物化合物和光電分子中。因此，在還原偶聯的各種方法的發展上已經投入了相當大的努力。

本研究提供的策略允許各種芳基溴以Pd/g-C3N4^*作為光催化劑順利的進行還原偶聯，提供了一種合成聯芳基骨架的無污染的還原劑方法。此外，綠色可見光能源的使用賦予了這一過程更多的優勢，包括溫和的條件等。雖然這種方法有一些缺點，但是可以指導化學家使用水作為還原劑，開發各種有機反應的清潔策略。

Coupling photocatalytic water oxidation with reductive transformations of organic molecules, Nat. Cummun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-33778-9.

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33778-9.

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8. Adv. Mater.：TiO₂固定可逆單原子Cu加速電子轉移動力學增強尿素人工光合作用

隨著世界人口的增加，尿素作為一種商業氮肥，將成為農業生產力的一個日益增長的組成部分。工業尿素生產主要依賴于NH₃和CO₂在苛刻條件下的耦合，這一過程能耗大，在世界范圍內是一個多循環過程，氨的消耗量巨大造成了額外的能源和環境問題。光催化作為一種可持續發展的技術，有望為在溫和條件下利用N₂、CO₂和H₂O 直接綠色合成尿素提供一個新的視角。然而，光催化電子轉移效率低下的問題嚴重阻礙了其可行性，特別是在上述多電子需求的尿素合成方面。

因此，中國科學院理化所趙運宣和張鐵銳（共同通訊）等人報道了利用 TiO₂固定可逆單原子銅（Cu SA-TiO₂）加速電子轉移動力學的有效策略，以提高N₂、CO₂和H₂O中尿素的光合作用性能。

本文報告的基于TiO₂光催化劑，Cu SA-TiO₂可以加速電荷轉移動力學，用于在純H₂O存在下使用N₂和CO₂分子輕度光催化合成尿素，產量高達432.12 μg g_cat^-1。通過系統的研究（如準原位電子順磁共振和飛秒時間分辨的光生電子動力學等測試），揭示了設計的Cu SA-TiO₂中單原子銅的可逆性及其誘導的光生電子的快速提取率。

與Cu SA-TiO₂相比，Cu⁰ -TiO₂在輻照前后和再生后的最大電子提取時間幾乎恒定（~4.30 ms），明顯缺乏加速光生電子提取速率的可逆性或可恢復性。Cu SA-TiO₂的快速提取光生電子（比參考光催化劑快30倍以上）將使 Cu SA-TiO₂的改善性能合理化，以確保豐富和連續的光生電子和富含電子的Cu位點用于分子活化（例如 N₂，CO₂和 H₂O）和 C-N耦合，確保了N₂、CO₂和H₂O對多電子需求的尿素光合作用的供應，從而促進了尿素光合作用。

合成尿素工業對氨的高度依賴和高耗能的多步反應過程嚴重阻礙了工業的可持續發展。針對這些問題，提出了在溫和條件下，在純H₂O中直接光催化N₂和CO₂合成綠色尿素的方法，從根本上避免了對氨的高度依賴，簡化了合成過程。這項工作證明了可逆單原子Cu加速電子轉移動力學提高了利用太陽能的尿素光合作用，為人工尿素光合作用和其它多電子需求的光催化反應提供了一條高效、有前景的途徑。

Accelerating electron-transfer dynamics by TiO₂ -immobilized reversible single-atom copper for enhanced artificial photosynthesis of urea, Adv Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202207793.

https://doi.org/10.1002/adma.202207793.

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