張鐵銳，中國科學院理化技術研究所研究員、博士生導師。中國科學院光化學轉換與功能材料重點實驗室主任。主要從事能量轉換納米催化材料方面的研究，在Nat. Catal., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., JACS等期刊上發表SCI論文300余篇，被引用30000多次，H指數96，入選2018-2021科睿唯安“全球高被引科學家”榜單；授權國家發明專利39項，在國際會議上做特邀報告40余次。2017年當選英國皇家化學會會士。曾獲國家基金委“杰青”、英國皇家學會高級牛頓學者、德國“洪堡”學者基金等資助、以及Nano Research Young Innovators Award in Nano Energy 2019和中國感光學會青年科技獎等獎項。

兼任Science Bulletin副主編以及Advanced Energy Materials, Advanced Science, Solar RRL, Scientific Reports, Materials Chemistry Frontiers, Chem Phys Chem, Carbon Energy, Innovation, Smart Mat等期刊編委。現任中國材料研究學會青年工作委員會常委，中國化學會能源化學專業委員會秘書長，中國感光學會光催化專業委員會副主任委員等學術職務。（發表文章數據來源于課題組網頁）

課題組主頁：http://zhanglab.ipc.ac.cn/.

2022年，張鐵銳研究員團隊在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際頂級期刊連續發表多篇高水平文章。下面小編為大家逐一解讀部分最新成果。

Adv. Mater.：Ni SACs/Ti₃C₂T_x作為肼氧化反應的高性能電催化劑

單原子催化劑（SACs）由于其突出的催化潛力，是目前多相催化領域新興的高性能材料，其在單個原子與其支持矩陣之間構建強相互作用起著關鍵作用。基于此，瑞典斯德哥爾摩大學袁家寅教授和中科院理化技術研究所張鐵銳研究員（共同通訊作者）等人報道了一種Ti₃C₂T_x MXene負載的Ni SACs，該SACs通過Ti₃C₂T_x MXene表面富Ti空位的輔助使用自還原策略，這些空位充當單個Ni原子的陷阱和錨定位點。

在文中，作者報道了在環境條件下通過“自還原”策略構建Ni單原子催化劑，將富含空位的Ti₃C₂T_x MXene同時作為載體和還原劑，其中Ti空位作為結構缺陷捕獲和錨定Ni原子。同步輻射X射線吸收光譜（XAS）分析證實，Ni原子占據了Ti空位，并與三個相鄰的C原子形成了強大的Ni-C鍵，從而在Ti₃C₂T_x MXene納米片中形成了穩定的錨定結構。

當用于催化HzOR時，最優Ni單原子催化劑負載在Ti₃C₂T_x MXene上（Ni SACs/Ti₃C₂T_x），在24000 s的穩定性測試中表現出-0.03 V的超低起始電位和可忽略不計的活性損失，是HzOR的頂級單原子電催化劑之一。這種性能明顯優于由Ti₃C₂T_x MXene支撐的Ni納米顆粒（Ni NPs/Ti₃C₂T_x）。密度泛函理論（DFT）計算，由于Ni單原子與周圍C原子之間的強耦合，改善了肼的吸附，降低了反應能壘，從而重新分布態電子密度，揭示了HzOR活性增強的起源。

Vacancy-Rich MXene-Immobilized Ni Single Atoms as a High-Performance Electrocatalyst for the Hydrazine Oxidation Reaction. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202204388.

https://doi.org/10.1002/adma.202204388.

Adv. Mater.：Fe-N-C催化劑在堿性介質中實現顯著的ORR性能

Fe-N-C催化劑在堿性介質中具有優異的氧還原反應（ORR）性能，但為提高Fe-N-C催化劑中Fe單原子位點的固有ORR活性，必須微調Fe位點的局部配位以優化ORR中間體的結合能。基于此，新西蘭奧克蘭大學Geoffrey I.N. Waterhouse和中科院理化技術研究所張鐵銳研究員（共同通訊作者）等人報道了負載在N摻雜碳納米棒（NCR）上的多孔FeN4-O-NCR電催化劑，其富含可催化接近的FeN₄-O位點（其中Fe單原子與四個面內氮原子和一個次表面軸向氧原子配位）。

作者首先制備了O, N-共摻雜的碳棒（O-NCR），然后使用微波輔助熱解方法用表面Fe-N₄位點進行功能化，形成了穩定的FeN₄-O-NCR異質結構。所獲得FeN₄-O-NCR的催化劑具有分級多孔結構、高比表面積（1159 m² g^?1）和大量FeN₄-O活性位點，以優化氧吸附和活化。所獲得的FeN₄-O-NCR催化劑在堿性介質中表現出顯著的ORR活性和穩定性（E_onset，1.050 V；E_1/2，0.942 V；J_k 39.56 mA cm^-2，0.9 V），是SAC的最先進性能。

此外，使用FeN₄-O-NCR作為正極催化劑構建的一次Zn-空氣電池提供了非常高的密度（214.2 mW cm^?2），極大超過了使用商用Pt/C催化劑（104.2 mW cm^–2）或其他最近報道的單原子催化劑構建的電池的性能。通過理論密度泛函理論（DFT）計算，作者研究了FeN₄-O-NC的優點，其中發現Fe陽離子的d-軌道電子結構的精確剪裁可以降低ORR的熱力學勢壘。結果證實，軸向配體調節是微調金屬單原子位點以獲得最佳電催化活性的有效策略。

Mesopore-Rich Fe-N-C Catalyst with FeN₄-O-NC Single-Atom Sites Delivers Remarkable Oxygen Reduction Reaction Performance in Alkaline Media. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202202544.

https://doi.org/10.1002/adma.202202544.

Angew. Chem. Int. Ed.：Ag-TiO₂在氣-水邊界上的三相光催化CO₂還原

光催化CO₂還原反應（CO₂RR）是一種將CO₂轉化為有價值化學品的方法，但其往往受到CO₂在液相中傳質差的限制。基于此，中科院理化技術研究所張鐵銳研究員和司銳研究員（共同通訊作者）等人報道了一種三相光催化CO₂RR體系，將Ag修飾的TiO2納米顆粒（Ag-TiO₂ NPs）負載在具有疏水-親水突然界面潤濕性的氣-水邊界。

在文中，作者選擇Ag修飾的TiO₂納米顆粒（Ag-TiO₂ NPs）作為模型光催化劑，在氣-水邊界處以氣體擴散層（GDL）為載體，形成三相光催化CO₂RR體系。實驗測試發現，三相CO₂還原率為305.7 μmol g^-1 h^-1，碳產物選擇性為97.8%，且HER副反應被很好的抑制。

在氣-水邊界負載的Ag-TiO₂ NPs的光催化活性比分散在水相的Ag-TiO₂ NPs高8倍，在純水中循環20次以上（照射40 h）均表現出良好的光穩定性，且無明顯下降。進一步的研究表明，CO₂在三相體系中的傳質不再是決定速率的步驟。即使以稀釋后的CO₂（10%）為氣源，該體系的CO₂還原率仍為81.1 μmol g^-1 h^-1，碳產物選擇性為90.8%，優于大多數純CO₂的Ag-TiO₂基CO2RR體系。該研究結果提供了促進CO₂界面傳質以提高光活性和選擇性的一般策略。

Triphase Photocatalytic CO₂ Reduction over Silver-Decorated Titanium Oxide at a Gas-Water Boundary. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202200802.

https://doi.org/10.1002/anie.202200802.

Angew. Chem. Int. Ed.：fct-PtFeIr/C助力ORR

開發高效穩定的鉑（Pt）基氧還原反應（ORR）催化劑是一種促進燃料電池大規模應用的途徑。Pt基合金納米線是一種很有前途的ORR催化劑，但其應用受到長期循環過程中結構破壞導致的活性損失的阻礙。基于此，中科院理化技術研究所張鐵銳研究員和尚露副研究員（共同通訊作者）等人報道了他們首次成功制備了直徑為2.6 nm的fct-相PtFeIr納米線，以商業碳為載體（記為fct-PtFeIr/C）。

在PtFe納米線中加入高熔點金屬Ir和涂層SiO₂保護殼對提高納米線的熱穩定性起著重要作用，從而在高溫處理（690 ℃）時實現了PtFeIr納米線的相變，同時很好保持了納米線的初始形態。更重要的是，電化學測試表明，fct-PtFeIr/C在0.9 V vs RHE時的質量活度（MA）為2.03 A ?mg_Pt^?1，分別比具有面心立方結構的無序PtFeIr（fcc-PtFeIr/C）納米線（1.11 A mg_Pt^?1）和商業Pt/C（0.21 A mg_Pt^?1）高1.8倍和9.7倍。

此外，在經過10000個電位循環的加速耐久試驗（ADTs）后，fct-PtFeIr/C中fct-相PtFeIr的原始納米線結構仍被保留，但fcc-PtFeIr/C中的fcc相PtFeIr納米線斷裂成更短的納米線，甚至是更大尺寸的納米顆粒。該工作中成功地制備fct相PtFeIr納米線將為fct相Pt基合金納米線在ORR中的應用開辟道路，同時fct相Pt基合金納米線在液體燃料電氧化、氫氧化反應等其他重要反應中具有很大的應用前景。

Ordered PtFeIr Intermetallic Nanowires Prepared through a Silica-Protection Strategy for the Oxygen Reduction Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202113278.

https://doi.org/10.1002/anie.202113278.

Adv. Energy Mater.：Pd/H-TiO₂實現光熱輔助光催化氮氧化制硝酸

工業硝酸生產涉及在高溫高壓下操作的多步驟過程，其中光催化提供了一種在環境條件下直接將氮氣（N₂）轉化為含氮化合物的替代方法，但仍然面臨可見光利用和產物選擇性的限制。基于此，中科院理化技術研究所張鐵銳研究員和司銳研究員（共同通訊作者）等人報道了以鈀（Pd）修飾的氫化氧化鈦（H-TiO₂）為基礎，制備了串聯光熱輔助光催化氮氧化體系，其中唯一的固氮產物為硝酸（HNO₃）。

在文中，作者制備了一種Pd納米顆粒修飾的H-TiO₂（Pd/H-TiO₂）串聯光熱輔助光催化氮氧化體系。由于氮光氧化過程與水源之間的空間分離，得到了HNO₃作為唯一在液相中不產生氨副產物的氮固定產物。該體系在模擬空氣作為氣源的UV-vis照射下，HNO₃的產率為4.58 μmol g^?1 h^?1（1.42 ppm）。

此外，Pd/H-TiO₂在350 nm處的量子產率達到0.99%，而在相同的反應溫度下，在黑暗中未檢測到任何產物。隨時間和溫度變化的電子順磁共振（EPR）測試表明，超氧自由基是反應的關鍵中間體，其含量隨著溫度的升高而逐漸增加，從而提高了光催化氮氧化反應的效率。該工作為高選擇性的光驅動合成HNO₃提供了一種新方法，有望引發更多關于光熱輔助光催化系統的研究，該系統可將惰性N₂選擇性轉化為增值化學品。

Photothermal-Assisted Photocatalytic Nitrogen Oxidation to Nitric Acid on Palladium-Decorated Titanium Oxide. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202103740.

https://doi.org/10.1002/aenm.202103740.

Adv. Energy Mater.：Fe SAC-MOF-5用于PEMFCs高效ORR

在質子交換膜燃料電池（PEMFCs）中，開發具有豐富、可接近的Fe位點的Fe單原子催化劑（Fe SACs）是提高氧還原反應（ORR）效率的關鍵步驟。基于此，中科院理化技術研究所張鐵銳研究員和尚露副研究員（共同通訊作者）等人報道了以具有三維（3D）微孔立方結構的Zn₄O(1, 4-苯二甲酸鹽)₃（MOF-5）被用作前體，制備了具有超高比表面積（2751 m² g^-1）和高外表面積（1651 m² g^-1）的高多孔碳（表示為C-MOF-5）。

由于其優異的分層孔隙率，C-MOF-5具有超高比表面積，以容納大量FeN_x位點，導致2.35 wt%的高Fe含量，均勻地分散在碳載體中。豐富的介孔（>2 nm）有助于C-MOF-5的高外表面積，并有利于有效的傳質，使FeN_x活性位點完全暴露于ORR相關物種。測試結果表明，Fe SAC-MOF-5在0.5 M H₂SO₄電解質中提供了0.83 V vs. RHE的半波電位（E_1/2）。

在0.2 MPa H₂-O₂ PEMFC中，Fe SAC-MOF-5實現0.84 W cm^-2的峰值功率密度。這種優異的性能源于C-MOF-5的超高比表面積，用于形成高密度的單Fe原子，以及用于增加活性位點暴露的高外表面積。該工作可能會啟發從更大范圍的具有超高比面積的MOF前體衍生的金屬單原子催化劑的合理設計，以提高PEMFCs中ORR的性能。

Fe Single-Atom Catalysts on MOF-5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202102688.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102688.

Adv. Funct. Mater.：高約1100倍！NiFeAl-LDH納米片助力光熱協同DRM

甲烷與CO₂的干重整（DRM）生產合成氣，目前正因將溫室氣體轉化為有價值的化學品而引起人們的關注。然而，在熱催化中苛刻的反應條件阻礙了實際應用。基于此，中科院理化技術研究所張鐵銳研究員和司銳研究員（共同通訊作者）等人報道了由NiFeAl層狀雙氫氧化物（NiFeAl-LDH）前體合成了一系列氧化鋁（Al₂O₃）負載的Ni_xFe_y納米合金，所獲得的催化劑用于光熱協同DRM。

在文中，作者通過NiFeAl-LDH納米片的H₂還原制備了一系列由具有不同Ni: Fe摩爾比的非晶態Al₂O₃負載的新型NiFe納米合金催化劑（Ni_xFe_y，其中x和y是Ni和Fe的摩爾量）。在氙燈照射下，Al₂O₃負載的Ni₃Fe₁納米合金催化劑在350 °C光熱條件下光驅動DRM合成氣產率高達0.96 mol g^-1 h^-1，比相同催化劑在黑暗中相同溫度下的合成氣產率高約1100倍。

此外，使用集中的太陽光作為光源可以獲得類似的催化性能。通過電磁場模擬和原位紅外光譜，Ni₃Fe₁納米合金催化劑的優異活性是由光熱加熱和可見光和紫外區域LSPR增強的協同效應產生的。協同效應降低了甲烷的表觀活化能，并促進了甲烷與CO₂的轉化，從而允許在低溫（低至100 °C）下生產合成氣，并在20 h試驗中具有優異的操作穩定性。

NiFe Nanoalloys Derived from Layered Double Hydroxides for Photothermal Synergistic Reforming of CH₄ with CO₂. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202204056.

https://doi.org/10.1002/adfm.202204056.

Nano Energy：Co-BCN催化劑用于增強光熱CO加氫

太陽能驅動費-托合成（FTS）是一種很有前途的生產增值碳氫化合物太陽能燃料的途徑。基于此，中科院理化技術研究所張鐵銳研究員和李振華博士、華中師范大學歐陽述昕教授（共同通訊作者）等人報道了一種在CN載體中B摻雜以調節Co-BCN催化劑界面電子結構的方法，以提高光熱FTS中烴產物的產率。

在文中，作者利用浸漬法制備了B摻雜CN負載金屬Co催化劑，通過不同摻雜水平進行調節Co與碳載體之間的電子轉移。Co-BCN在光照下的CO轉化率為44.0%（分別是Co-CN和Co-C催化劑的4.3倍和10.2倍），碳氫化合物選擇性為96.9%。

詳細的表征表明，隨著摻雜量的增加，金屬Co與碳載體之間的電子轉移增強。進一步的化學吸附實驗和原位漫反射紅外光譜證實，Co-BCN中富電子界面的形成可在H*的幫助下促進Co活化，從而提高CO的轉化率。該研究表明通過調節碳載體中的摻雜水平，可以調節金屬Co與碳載體之間的電子轉移，并為高效催化劑的合理設計和制備提供了一種有前途的策略。

Boron-doped CN supported metallic Co catalysts with interfacial electron transfer for enhanced photothermal CO hydrogenation. Nano Energy, 2022, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107723.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107723.