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1. J. Am. Chem. Soc.：電催化CO₂還原中通過C-N偶聯獲得有機氮化合物

考慮到僅由CO₂和H₂O作為反應物的電催化CO₂還原反應（CO₂RR）的產品種類有限，希望通過引入提供元素多樣性的額外反應物來擴大產品范圍。從理論上講，將含有無機雜原子的反應物整合到電催化CO₂還原中，可以實現有價值產品的可持續合成，例如有機氮化合物，其應用廣泛，但是通常依賴于能源密集型和依賴化石燃料的Haber-Bosch工藝產生的NH₃進行工業規模生產。基于此，美國耶魯大學王海梁教授（通訊作者）等人報道了他們從反應性、催化作用和機理三個方面綜述了氮（N）-偶聯CO₂電還原的研究進展。

首先，作者綜述了CO₂和不同氮前體（包括NO₃^–、NO₂^–、N₂）電化學合成尿素的研究進展。作者關注的是能夠催化該反應的各種材料以及仍在爭論中的潛在反應機理。然后，作者討論了NH₃集成電催化CO還原合成乙酰胺的反應。該反應是由銅（Cu）基催化劑實現的，銅（Cu）基催化劑可以在CO還原過程中有效地建立C-C鍵。

其次，作者介紹了電化學CO₂和NO₃^–共還原生成脂肪族胺的最新進展。這些反應由酞菁鈷（CoPc）或銅等催化劑實現，而這些催化劑可以將CO₂還原為醛。最后，作者總結了N-集成電催化CO₂還原合成有機氮化合物的前景，重點介紹了如何通過理解反應機理來擴大反應范圍和提高產品收率。

Accessing Organonitrogen Compounds via C-N Coupling in Electrocatalytic CO₂ Reduction. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c10714.

https://doi.org/10.1021/jacs.1c10714.

2. J. Am. Chem. Soc.：在半導體光陽極上單原子Ni-N₄-O位點助力高性能光電化學水分解

直接光電化學（PEC）分解水是一種很有前途的太陽能轉換解決方案，但是迫切需要解決固有的電荷傳輸問題，從而提高PEC的性能。基于此，大連理工大學侯軍剛教授（通訊作者）等人報道了一種通用的耦合策略來設計原子分散的M-N₄位點（M=Ni、Co和Fe），該位點與包含在析氧助催化劑（OEC: FeOOH，NiOOH、NiOOH/FeOOH）和半導體（BiVO₄）光陽極之間的軸向氧原子（M-N₄-O）協同，從而促進光生電子空穴的分離，從而提高PEC活性。

通過像差校正的高角度環形暗場掃描透射電鏡、擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）和X射線吸收近邊緣結構（XANES）鑒定了Ni-N₄和Ni-N₄-O部分的局部原子配位構型。值得注意的是，這種最先進的FeOOH/Ni-N₄-O/BiVO₄光陽極在1.23 V vs RHE下達到了創紀錄的6.0 mA cm^-2的高光電流密度，大約是BiVO₄光陽極的3.97倍，實現了卓越的長期光穩定性。根據X射線吸收精細結構分析和密度泛函理論計算，PEC性能的增強歸因于OEC/BiVO₄中單原子Ni-N₄-O部分的構建，促進了空穴從BiVO₄轉移到OEC，降低了自由能壘，加速PEC實際水分解的反應動力學。

通過X射線吸收精細結構（XAFs）分析和密度泛函理論（DFT）計算，發現增強的PEC性能歸因于OEC/BiVO₄中單原子Ni-N₄-O位點的構建，促進空穴轉移，降低自由能壘，并且加速了PEC實際水分解的反應動力學。該工作開發了一種有效的途徑來設計和制造高效、穩定的光陽極，用于可行的PEC水分解應用。

Engineering Single-Atomic Ni-N₄-O Sites on Semiconductor Photoanodes for High-Performance Photoelectrochemical Water Splitting. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c07391.

https://doi.org/10.1021/jacs.1c07391.

3. J. Am. Chem. Soc.：納米顆粒組裝誘導配體相互作用增強電催化CO₂轉化

在決定整體催化性能時，催化劑所處的微環境與活性中心同樣重要。近年來，研究人員發現納米顆粒（NP）表面配體可以積極參與構建有利的催化微環境，作為納米顆粒/有序配體中間層（NOLI）的一部分用于選擇性CO₂轉化。然而，許多配體-配體相互作用被認為是形成這種催化中間層所必需的，而這一點仍有待理解。基于此，美國加州大學伯克利分校楊培東院士（通訊作者）等人報道了通過改變NPs的初始尺寸并利用光譜和電化學技術，發現NPs組裝通過配體交錯作用導致NOLI形成所需的配體相互作用，這對于在電催化CO2轉化過程中在催化劑表面形成結構有序的配位層至關重要。

通過采用不同尺寸的單分散Ag NPs來改變NP組裝的初始條件。光譜證據表明，小尺寸NPs的大表面曲率允許在組裝過程中表面配體的相互交叉。由此產生的強分子間相互作用促進了NOLI的形成，其程度決定了相關去溶劑化陽離子的數量。NP表面這種獨特的催化微環境導致電還原CO₂轉化為CO的顯著內在活性增強。

這項研究揭示了NP組裝促進的NP配體相互作用及其在電催化過程中的復雜行為。此外，這項工作表明納米顆粒的幾何因素，如表面曲率，可能會嚴重影響這種配體相互作用。總之，該研究結果為NP電催化劑設計提供了新的機會，其中利用NP配體相互作用為電催化反應創造了有利的微環境，從而提高了催化劑的內在活性。

Nanoparticle Assembly Induced Ligand Interactions for Enhanced Electrocatalytic CO₂ Conversion. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c09777.

https://doi.org/10.1021/jacs.1c09777.

4. J. Am. Chem. Soc.：分子催化劑催化CO₂電化學還原N-甲基化

利用二氧化碳（CO₂）作為單一碳元素的良性甲基化反應的發展將使化學工業更具可持續性。電化學CO₂還原已被廣泛研究，但是其在還原性甲基化反應中的應用仍然超出了當前電催化的范圍。基于此，美國耶魯大學王海梁教授（通訊作者）等人報道了第一例利用CO₂電化學還原胺、肼（N₂H₄）、羥胺和硝基化合物的N-甲基化反應。該反應在室溫下在水性介質中進行，由碳納米管負載的鈷酞菁分子（CoPc）的多相電催化劑催化。

其中，N-甲基化胺是在一鍋反應中生成的：首先CO₂被四個電子還原生成HCHO*，然后親電HCHO*與氮親核試劑發生化學縮合，最后一個兩電子還原（或四電子在羥胺的情況下還原）產生最終產物。值得注意的是，即使縮合產物不穩定，反應也會繼續進行，可能是因為縮合步驟與電極表面上的后續還原步驟相結合，這是級聯過程的明顯優勢。通過篩選多種胺，作者發現胺的親核性與反應路徑遠從CH₃OH轉向C-N產物的程度相關。因此，胺的親核性是偶聯反應的描述符。

作者還證明了甲基肼（CH₃NHNH₂）和甲胺（CH₃NH₂）可以用肼（N₂H₄）作為氮源形成，這可能是由N₂還原產生的。作者通過設計一種新型的CO₂和硝基化合物的級聯共還原來進一步擴展反應范圍，這些化合物是比胺更經濟的反應物，通過12個質子和12個電子的整體轉移產生相應的N-甲胺產物。反應中的活性親核試劑是羥胺中間體，由硝基化合物的四電子還原形成，這使得反應能夠以高選擇性進行單甲基化而不是雙甲基化。

Electrochemical Reductive N-Methylation with CO₂ Enabled by a Molecular Catalyst. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c10863.

https://doi.org/10.1021/jacs.1c10863.

5. Adv. Energy Mater.：調控FeCoNi- LDHs的形貌和電子結構，形成高活性穩定水氧化催化劑

用于析氧反應（OER）的高效電催化劑對于各種能量儲存和轉換系統非常重要，如水分解裝置和金屬-空氣電池。然而，開發在高電流密度下具有高活性和優異穩定性的OER電催化劑，目前還面臨著巨大的挑戰。基于此，哈爾濱工程大學陳玉金教授和朱春玲教授、杭州師范大學黃又舉教授、溫州大學侴術雷教授（共同通訊作者）等人報道了一種簡便的室溫攪拌策略，并利用該策略以金屬有機骨架（ZIF-67）作為前體獲得FeCoNi層狀雙氫氧化物（FeCoNi-LDHs）納米籠。

FeCoNi-LDHs納米籠具有中空結構，有助于提高質量傳輸，超薄特征賦予納米籠更多暴露的活性位點，從而促進OER活性的增強。實驗測試結果，FeCoNi-LDHs納米籠在堿性介質中的玻璃碳電極（GCE）上以269 mV的相對低過電位表現出顯著增強的OER活性。作者首先發現CoNi-LDHs納米籠表現出優異的OER活性但穩定性較差。通常，在催化過程52 h后，CoNi-LDHs納米籠驅動的電流密度降低到初始值（200 mA cm^-2）的72.6%。接著，在室溫攪拌條件下引入Fe后，成功獲得了不同Fe含量的FeCoNi-LDHs納米籠。

通過電化學測量表明，對比CoNi-LDHs納米籠，FeCoNi-LDHs納米籠對OER的穩定性顯著提高。在相同的電流密度下，優化后的FeCoNi-LDHs納米籠在進行OER反應100 h后，仍然保持初始電流密度的96.4%。此外，所提出的室溫攪拌策略很容易擴大規模，通過單批反應過程獲得數十克的納米籠。這些發現可能為設計高度穩定和活性的OER電催化劑開辟了一條新途徑。

Regulation of Morphology and Electronic Structure of FeCoNi Layered Double Hydroxides for Highly Active and Stable Water Oxidization Catalysts. Adv. Energy Mater., 2021, DOI: 10.1002/aenm.202102141.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102141.

6. Chem：提高20倍！Z-型CdS@g-C₃N₄上生物多元醇的氧控光重整為CO

生物質原料的光催化轉化是一個極具前景的研究領域，它利用可持續的生物質碳和太陽能生產基礎化工原料和燃料。一氧化碳（CO）是一種大規模的原料和燃料，在工業上是由煤和甲烷在高溫下的蒸汽重整產生的。在室溫下生物質光催化共生產是一種很有前途的方法，但是活性仍然很低。基于此，中科院大連化學物理研究所王峰研究員和大連理工大學王敏教授（共同通訊作者）等人報道了一種氧氣（O₂）控制的光重整方法，以促進從生物多元醇和糖中釋放出CO。CO是主要產物，當O₂與底物的摩爾比適中時，CO的析出速率可明顯提高。

殼結構的Z-型CdS@g-C₃N₄光催化劑可以實現約48%的CO碳產率和99%的甘油轉化率，其中CO產率是惰性氣氛下的13倍，以及在氣體中CO的選擇性高達76%。Z-型CdS@g-C₃N₄光催化劑的CO生成速率為1.27 mmol·g^-1·h^-1，是Cu/TiO₂（0.06 mmol·g^-1·h^-1）的20倍，是硫酸鹽修飾/CdS（0.31 mmol·g^-1·h^-1）的4倍。

通過機理研究發現，Z-型異質結和核-殼結構促進光生電子轉移到催化劑表面，從而促進O₂還原為羥基自由基，加速甘油重整過程。氧和底物的摩爾比（O/S值）對CO析出速率和選擇性至關重要。CO作為主要產物產生，在中等O/S值（約2.5）下可以輕松提高其演化速率，因此通過這項技術可以有效利用許多生物質資源來生產CO。該研究提供了一種新的氧化光重整策略，可以在溫和的條件下從生物質中生產CO。

Oxygen-controlled photo-reforming of biopolyols to CO over Z-scheme CdS@g-C₃N₄. Chem, 2021, DOI: 10.1016/j.chempr.2021.10.021.

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.10.021.

7. J. Mater. Chem. A：Au單原子錨定的WO₃/TiO₂納米管光催化降解揮發性有機化合物

單原子催化劑（SACs）具有100%的原子利用率和較高的活性，是一種很有前途的光催化氧化（PCO）技術。然而，由于催化劑合成方法復雜，其實際工業應用仍然受到限制。基于此，華中科技大學張延榮教授（通訊作者）等人報道了一種簡單的兩步電化學方法來合成了負載金（Au）原子分散的WO₃/TiO₂納米管陣列，用于揮發性有機化合物（VOCs）氧化的。

根據間接相對論軌道拉伸效應（IROSE），對比其他金屬貴金屬，Au容易引發化學反應，因此選擇Au。通過錨定Au單原子增強了電荷傳輸，減少了電子空穴復合并促進了甲苯的吸附，從而表現出優異的光催化甲苯去除性能。由于Au單原子錨定的WO₃/TiO2納米管增加了金屬-載體相互作用，實現了Au單原子的熱力學穩定性，從而確保了POC的耐久性。此外，通過原位FTIR光譜系統研究了氣態甲苯的光催化降解機理。

通過實驗測試表明，Au原子被WO₃表面的氧空位（OVs）錨定，顯著增強了光生載流子的分離和轉移以及甲苯的吸附，實現了95.4%的降解和85.5%的甲苯去除率。更重要的是，強烈的金屬-載體相互作用導致了Au單原子的熱力學穩定性，因此實現了穩定的甲苯降解循環。該工作對SACs技術光催化VOCs去除的應用具有重要的工業意義。

Au single atom-anchored WO₃/TiO₂ nanotubes for the photocatalytic degradation of volatile organic compounds. J. Mater. Chem. A, 2021, DOI: 10.1039/D1TA08143H.

https://doi.org/10.1039/D1TA08143H.

8. J. Mater. Chem. A：基于多金屬氧酸鹽的yolk@shell雙Z-型超結構串聯異質結納米反應器：封裝和限制效應

隨著工業的快速發展，導致了嚴重的環境污染和能源短缺，其中四環素在環境污染中的污染問題尤為突出。環境中鹽酸四環素的積累促進了抗生素抗性基因的進化，從而導致了不利的生態效應。利用高效光催化劑可以利用太陽能降解鹽酸四環素以產生可再生能源，但是如何開發滿足實際需求的高效光催化劑還面臨巨大的挑戰。基于此，黑龍江大學周衛教授和邢子鵬教授、齊魯理工大學Zhenzi Li（共同通訊作者）等人報道了一種利用兩步水熱法結合陽離子交換技術制備了花球狀ZnIn₂S₄@中空十二面體多金屬氧酸鹽（K₃PW₁₂O₄₀）@花殼狀ZnIn₂S₄/Ag₂S yolk@shell雙Z-型超結構串聯異質結納米反應器。

研究發現，室溫陽離子交換策略有效提高了鹽酸四環素的光催化降解和制氫性能。同時，構建了分層的yolk@shell結構，形成了雙Z型串聯異質結，從而共同利用了幾何和電子效應。花球狀的ZnIn₂S₄被封裝在中空十二面體K₃PW₁₂O₄₀中，防止其自組裝聚合（即限制），從而提高其光催化性能。在中空十二面體K₃PW₁₂O₄₀基底上生長的花殼狀ZnIn₂S₄有利于減少電荷擴散距離，并進一步增強暴露的催化活性位點。中空十二面體K₃PW₁₂O₄₀的價帶（VB）能量和內外表面ZnIn₂S₄的導帶（CB）能量分別為3.34 eV和-0.93 eV，即氧化還原性強。

因此，在中空十二面體K₃PW₁₂O₄₀的VB中產生羥基自由基（˙OH）以有效降解四環素鹽酸鹽，并且在ZnIn₂S₄的內外表面的CB中有效地產生氫氣。此外，Ag₂S納米顆粒的表面等離子體共振（SPR）效應將光響應擴展到可見光和近紅外區域。通過光催化降解鹽酸四環素的實驗表明，該納米反應器的最高降解效率高達99%，析出氫氣的速率為2107.3 μmol h^-1 g^-1，是原始反應器的數倍。這歸因于形成有利于空間電荷分離的雙Z-型串聯異質結、Ag₂S的SPR和yolk@shell中空結構有利于高效利用光和質量傳輸，以及特殊納米反應器的封裝和限制效應促進完全催化反應和穩定性。該工作為構建高效的串聯異質結光催化劑提供了一種有效的策略。

Polyoxometalate-based yolk@shell dual Z-scheme superstructure tandem heterojunction nanoreactors: encapsulation and confinement effects. J. Mater. Chem. A, 2021, DOI: 10.1039/D1TA07800C.

https://doi.org/10.1039/D1TA07800C.

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