1. Nat. Commun.: CeO₂上錨定單活性中心Ru，高效催化煙塵氧化

汽車尾氣中的碳顆粒(主要含有煙塵)是大氣污染的主要來源，導致嚴重的環境和健康問題。為了有效地解決這一問題，人們采用了顆粒過濾器和氧化催化劑相結合的催化后處理技術。這種方法在很大程度上依賴于在較低溫度范圍內促進煙塵氧化的高效催化劑。

鉑(Pt)和鈀(Pd)金屬仍然是煙塵凈化商業催化劑中的主要活性組分，但這種對Pt/Pd的高度依賴大大增加了汽車尾氣后處理系統的成本。釕(Ru)金屬的成本僅為Pt/Pd的三分之一，并且有研究發現，Ru/CeO₂催化劑中Ru與CeO₂之間的強相互作用可以提高煙塵氧化反應的催化活性和熱穩定性。因此，采用強的金屬-載體相互作用(SMSI)是提高Ru基催化劑穩定性的合理策略。然而，制備具有最佳原子構型的高效Ru基催化劑仍然是一個巨大的挑戰。

基于此，中國石油大學(北京)趙震、韋岳長、中國科學院化學研究所于曉琳和上海交通大學劉晰等采用氣泡輔助膜沉積(GBMD)方法，在納米花狀CeO₂微球表面晶格位點上一步合成了穩定的單原子Ru位點(Ru₁/CeO₂)，這些單原子Ru活性中心表現出顯著的熱穩定性，提高了反應物(NO和O₂)的活化效率。

在松散接觸模型下，具有Ru單中心的Ru₁/CeO₂催化劑在煙塵氧化過程中表現出優異的本征催化性能(周轉頻率(0.218 h^-1)是Ru納米粒子催化劑的9倍)，與商業Pt基催化劑相當。此外，單原子Ru₁/CeO₂催化劑在催化煙塵氧化過程中表現出優異的CO₂產物選擇性(> 99%)和顯著的耐久性。

汽車尾氣中的一氧化氮(NO)排放是不可避免的，它可以通過NO氧化成NO₂促進煙塵顆粒的去除效率，并通過NO₂輔助機制促進煙塵的氧化。通過綜合表征和密度泛函理論(DFT)計算，研究人員確定了Ru₁/CeO₂催化劑中的活性中心為原子分散的Ru₁O₅，以及Ru-O-Ce鍵內強烈的界面電荷轉移。這些活性位點有助于形成關鍵的表面NO₂*中間體，加速了NO氧化為NO₂的速率，從而導致催化碳煙氧化過程中表觀活化能的顯著減少。

綜上，這項工作強調了在納米晶體上合成明確的催化單中心的優勢，并結合原位DRIFTS和DFT計算對反應機理提供了有價值的見解。

A single site ruthenium catalyst for robust soot oxidation without platinum or palladium. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-42935-7

2. Angew.: 選擇性暴露BiVO₄上特定晶面，用于超低濃度H₂S光化學檢測

氣體傳感作為一種重要的信息技術之一最近受到人們廣泛關注。與使用精密儀器或在復雜操作條件下使用的方法相比，化學電阻性氣體傳感器因其低成本、便攜性和不同可用的傳感材料而更為優越。金屬氧化物半導體(MOS)具有良好的穩定性和環保性能，長期以來一直被用作傳感材料。為了提高MOS材料在熱場作用下的靈敏度，人們采用了控制晶粒尺寸和提高工作溫度等幾種策略。將吸附在MOS上的氧在高操作溫度(100-450 °C)下電離，建立活性物種。實際上，大多數MOS材料在室溫下幾乎無反應，由于熱成熟、燒結或目標氣體分子中毒，其仍然存在一些敏感性降解的問題。

作為一種替代方法，MOS的內部光載流子可以被光激發，原則上可以在室溫下用于產生氣體傳感的活性氧。一些MOS材料在光照下對特定的氣體有響應，但人們很少在原子水平上解釋光驅動傳感過程的機理，導致對光生載流子與目標氣體分子相互作用過程的了解不足。因此，需要開發具有高靈敏度的高效光活化傳感材料并進行深入研究，對進一步改進MOS以提高氣敏性能具有參考意義，也為基礎研究和技術應用提供機會。

近日，福州大學王心晨、陽燦和中國科學院福建物構所徐剛等報道了一種光化學(BiVO₄)傳感材料，該材料具有很大比例的(110)和(011)面和附加的(111)面，可用于可見光驅動的選擇性檢測超低濃度H₂S。

與十面體BiVO₄(Deca-BiVO₄)相比，通過晶面工程，Octa-BiVO₄具有更大的比例的光氧化表面，提高了各向異性光誘導載流子分離，使Octa-BiVO₄的傳感性能優于Deca-BiVO₄。同時，(111)面的暴露實現了Octa-BiVO₄在V位點上對H₂S的特征吸附，導致對H₂S具有較高的選擇性，降低了目標氣體的檢測限。

同時，Octa-BiVO₄在光照條件下的傳感性能優于加熱條件下，顯示了照明的優勢和獨特的作用。同時，Octa-BiVO₄還顯示出優越的耐久性，因為H₂S被氧化為元素硫(S)和二氧化硫(SO₂)，避免了硫中毒。

此外，結合實驗結果和密度泛函理論(DFT)計算，研究人員提出了可能的機理：1.光照使光生空穴(h⁺)和電子(e^?)分別遷移到光氧化和光還原表面，與V原子結合的-OH基團與h⁺結合，轉化為?OH，導致電流增加；2.H₂S首先吸附在(111)面的V原子上，隨后被?OH氧化成S和SO₂，導致電子從H₂S轉移到Octa-BiVO₄，進一步提高電流；3.H₂S檢測后，空氣中的O₂分子吸附到V原子上，捕獲e^?以恢復電流值，然后與水中的質子結合轉化為-OH，實現氣敏循環。

Crystal engineering of BiVO₄ for photochemical sensing of H₂S gas at ultra-low concentration. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202314891

3. EES: 變廢為寶！從廢水中獲得高負載As單原子催化劑用于高效和可持續ORR

砷(As)對氧還原反應(ORR)具有潛在的活性，適當回收地下水中的非金屬砷(As)有利于實現環境保護和經濟的良性循環。然而，從含砷污染物中回收的砷用于ORR具有活性和穩定性較差的缺點。研究表明，非金屬單原子催化劑(SACs)由于其獨特的配位環境和易于調節的電子結構，其物理化學性質可以通過人為調制而發生顯著改變。此外，拓撲缺陷還可以有效地調節非金屬(如氮)的電子結構，從而顯著提高其催化活性。但是，低負載的非金屬SAC缺乏高活性限制了其實際應用。

因此，開發一種通用的高負載非金屬SACs的合成方法，并構建拓撲缺陷以提高非金屬的固有活性，對As基SACs的實際應用至關重要。與此同時，具有豐富拓撲缺陷的碳通常更容易氧化，導致催化劑穩定性惡化。因此，闡明As基非金屬SACs在結構破壞之前的調控機制和開發一種抑制碳載體氧化的策略，將有助于推動As基SACs實際應用。

近日，重慶大學王煜和阿德萊德大學郭再萍等報道了一種在碳上合成高負載(高達13.78 wt%)非金屬As單原子的通用方法。具體而言，鋅(Zn)離子被α-D-葡萄糖螯合后首先錨定在碳上，過量的葡萄糖在物理上隔離了Zn離子，避免了它們的大規模團聚；然后通過化學氣相沉積(CVD)法，用鋅物種大量捕獲亞砷酸鈉(NaAsO₂)的分解產物，以增加非金屬As的負載；最后，鋅蒸發構造拓撲缺陷增強了相鄰As的固有活性。

實驗結果表明，最優的As-DC1-1050催化劑的半波電位(E_1/2)為0.901 V，在35000個反應循環后E_1/2僅下降23 mV。同時，As-DC1-1050在HOFCs中的最大功率密度為701.9 mW cm^?2，在ZABs中的最大功率密度為179.8 mW cm^?2，顯示出巨大的實際應用潛力。

理論分析表明，拓撲缺陷抑制了電子從As向相鄰碳原子的轉移，降低了OH*中間體在較低過電位(0.48 V)下對As位點的親和力。此外，研究人員發現長期運行后碳載體上的氧基和羥基數目增多，導致AsDC1-1050發生降解。因此，研究人員利用再煅燒來減少碳載體上含氧官能團的數量。

結果表明，重新煅燒過程更新了As-DC1-1050的碳缺陷環境，在35000次循環后，半波電位僅衰減4 mV；在燃料電池中運行590小時后，電流密度僅下降9.86%。綜上，該項工作提高了非金屬SACs的活性，同時抑制了其活性降解，促進了高負載、高活性、高穩定性和低成本的非金屬SACs的實際應用。

High-loading as single-atom catalysts harvested from wastewater towards efficient and sustainable oxygen reduction. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE03274D

4. AM: 激光燒蝕用于合成PtMo單原子合金，實現超低電壓制氫

清潔和可再生氫氣具有高能量密度和環保等的優點受到人們廣泛關注。電化學水分解是生產綠色氫燃料的可持續的策略。在電解水過程中，貴金屬基催化劑，如鉑(Pt)，由于其適當的H吸附(ΔG_H*)，在析氫反應(HER)中表現出巨大的前景，但貴金屬的稀缺性和高價格限制了其大規模商業應用。100%原子利用率的單原子催化劑(SACs)為實現貴金屬的成本效益提供了一個有效的途徑。

此外，由于金屬相互作用強，使單金屬催化劑發生合金作用，可以改變其電子特性，優化ΔG_H*。因此，通過原子分散最大限度地提高Pt原子利用效率，以及通過固定在金屬基板上的單原子合金(SAAs)來提高催化活性，有可能實現高效催化電解水產氫。

基于此，濟南大學周偉家和山東大學宋克鵬等采用激光燒蝕策略，合成了Pt單原子錨定鉬箔作為單原子合金電極(Pt-SA/Mo-L)，并將其作為高效HER催化劑。具體而言，單原子合金的成功合成主要來自于激光的局部熱效應、激光的快速上升冷卻速率和激光在溶液中產生的還原性H₂氣體。

性能測試結果顯示，Pt單原子與Mo底物的強鍵合有利于Pt-SA/Mo-L電極的高效HER活性。在0.5 M H₂SO₄溶液中，該電極在10 mA cm^?2電流密度下的過電位僅為31 mV，同時其在高電流密度下(~850 mA cm^?2)能夠連續穩定運行穩定性50小時。

此外，研究人員采用低電位陽極氧化反應(AOR)取代析氧反應(OER)，以提高整體水分解性能。由于金屬Mo的AOR電位比OER要低得多，(?)Pt-SA/Mo-L||Mo-AOR(+)電解槽僅需0.598 V的電壓就能達到50 mA cm^?2的電流密度，并且其能夠在1.2 V電池電壓下連續穩定運行150小時，表明該電解槽具有實際應用的潛力。

更重要的是，研究人員還利用激光燒蝕策略實現了其他貴金屬(Pt、Rh、Ir和Ru)在Mo箔上的單原子分布，證明該策略的普適性。因此，該項工作為制備貴金屬單原子催化劑以實現了超低電壓、無膜、高通量制氫提供了新策略。

Laser synthesis of PtMo single-atom alloy electrode for ultra-low voltage hydrogen generation. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202305375

5. AFM: 構建非常規面心正交相IrIn₂金屬間化合物，用于高效電催化水分解

電催化水分解技術可以生產清潔、可再生的氫氣，具有解決能源危機的潛力。電催化分解水的效率主要取決于電催化劑對兩個半反應的活性，即陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)。其中，Ir基材料對HER和OER均表現出優異的活性。然而，Ir是一種極其稀有的貴金屬，這限制了它在工業上的大規模應用。

另外，Ir基材料在電化學反應過程中容易受到電解液的腐蝕，導致使用壽命縮短。有研究表明，Ir與雜原子的合金化可以優化催化劑的電子結構，減少Ir的用量。同時，與固溶體合金相比，Ir基金屬間化合物(IMCs)具有有序和強的Ir-雜原子鍵，表現出優異的催化活性和穩定性。因此，通過調控Ir基金屬間化合物的晶體結構，有望以最少的Ir用量進一步優化催化活性中心的構型。

基于此，北京科技大學魯啟鵬、山東大學王安良和中國科學院理化技術研究所夏靜等通過高溫退火法制備了具有錨定在碳上的面心正交(fco)結構的低Ir含量IrIn₂/C，并將其用于高效催化全水分解。

實驗結果表明，在0.5 M H₂SO₄和1.0 M KOH溶液中，利用IrIn₂/C催化劑組裝的水電解槽分別僅需1.51 V和1.53 V的電池電壓就能達到10 mA cm^?2的電流密度，優于最優先進的Pt/C||IrO₂水電解槽(1.63 V和1.60 V)。更重要的是，在0.5 M H₂SO₄溶液中，IrIn₂/C連續電解55小時而沒有發生明顯的性能和結構降解，表明其具有優異的穩定性。

基于電化學測試結果和密度泛函理論(DFT)計算，IrIn₂/C的電催化活性和穩定性的提高可歸因于以下原因: 1.IrIn₂/C具有有序和較強的Ir-雜原子鍵，Ir和In之間電負性的顯著差異導致強烈的主客體電子相互作用，在Ir原子周圍創建富電子環境，從而提高催化性能；2.在fco晶體結構中，Ir原子與8個In原子錯綜復雜地結合在一起，導致Ir原子的孤立，這不僅最大化了原子利用效率，而且暴露了更多的活動位點；3.構型固定的IrIn₂/C金屬間化合物有助于在催化過程中穩定活性位點的局部配位環境，維持穩定的界面結構，有助于提高穩定性；4.與金屬Ir相比，IrIn₂的d帶中心上移，增強了與中間體的吸附，降低了HER和OER反應能壘。

綜上，該項工作所提到的結構有序金屬間化合物的制備策略為今后設計高活性、高穩定性的電解水催化劑提供了參考。

Low-Iridium-content IrIn2 intermetallics with an unconventional face-centered orthorhombic phase for efficient overall water splitting. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202311683

6. Nano-Micro Lett.: Mo-S橋接位點提高量子效率，實現高效光催化CO₂還原

光催化二氧化碳(CO₂)轉化為CH₃OH、CH₄和其他可用的有機化合物對于綠色和可持續能源的發展具有深遠的意義。然而，由于CO₂的熱力學穩定性，CO₂RR往往難以進行，導致光還原過程中反應動力學異常緩慢。除此之外，CO₂的轉化會與析氫副反應競爭，這顯著降低了CO₂RR產物的選擇性。因此，需要設計和開發高選擇性，穩定和有效的催化劑來促進光催化CO₂RR，并調整反應途徑以形成CH₃OH和CH₄以及CO。

基于前人的研究，設計具有雙層空心結構的半導體納米材料是提高光利用率、調控電子結構和化學鍵的空間相互作用、加速界面接觸、提供更多催化反應位點、促進載流子有效分離和轉移的最有效策略之一。

基于此，中山大學羅惠霞和嚴凱等報道了一種新型的S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂雙殼層納米盒光催化劑結構，即通過將2H-MoTe₂包覆在S_v-In₂S₃單殼納米盒上，形成富含S空位的Mo-S鍵連接結構，提高了光催化CO₂還原反應(CO₂RR)的量子效率。

實驗結果表明，S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂在光照下CO₂轉化為CH₄的選擇性為79.6%，在380 nm處的光催化CO₂RR內量子效率(IQE_cr)和表觀量子效率(AQE)分別為94.01%和65.29%；并且其經過6個反應循環后，CH₄、CO和H₂的產率沒有顯著降低，反應后材料的形貌和晶體結構也沒有發生明顯變化。

原位表征和密度泛函理論(DFT)計算表明，S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂的強界面電場可以降低*OCHO和*CHO的吸附能壘，顯著提高決速步在Mo-S橋鍵表面的反應速率；同時，S空位可以促進CO₂的活化，降低形成*OCHO的能壘，并促進電荷向*OCHO的轉移，從而促進CO₂RR形成CO。

此外，電荷差導致Mo在界面處形成極化位點，從而抑制相鄰中間體的靜電排斥，促進CO和CH₄的生成。綜上，該項究揭示了S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂中的界面電場可以通過調控Mo的d帶中心和中間體的吸附，顯著促進了CO₂RR的生成，為未來合理制備和構筑CO₂RR及其他相關反應的催化劑提供了指導。

Understanding bridging sites and accelerating quantum efficiency for photocatalytic CO₂ reduction. Nano-Micro Letters, 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01221-3

7. Nano-Micro Lett.: 氮摻雜碳上錨定Mo-Fe原子對，增強電催化CO₂還原活性

電化學二氧化碳還原反應(CO₂RR)為將CO₂轉化為有價值的化學物質和實現碳中和提供了一個有效的策略。然而，該技術的發展受到高過電位、緩慢的電子轉移動力學和催化劑選擇性差的限制。CO₂RR過程涉及多步質子-電子轉移機制，具有多個反應中間體(*COOH、*CHO和*CO)，催化活性受限于中間體吸附能之間的強相關性(即線性尺度關系)。

更重要的是，由于反應中間體形成和產物脫附之間的競爭，阻礙了高選擇性催化劑的設計。為了克服這一局限性，人們提出了許多催化劑設計策略，以及調節電解質中堿金屬陽離子的濃度也被用來打破線性比例關系，但是目前仍未取得理想的結果。

近日，吉林大學崔小強、鄭偉濤、張雷和哈爾濱師范大學趙景祥等構造了一個獨特的原子分散異質對，它由固定在氮摻雜碳載體上的Mo-Fe雙原子(MoFe-N-C)組成，并且其表現出優異的CO₂RR轉化為CO的性能。

實驗結果表明，在?0.60 V_RHE下，MoFe-N-C催化劑的轉換頻率(TOF)高達3336.21 h^?1，CO法拉第效率(FE_CO)為95.96%；并且其在該電位下連續電解100小時期間FE_CO保持在96.83%以上，反應后MoFe-N-C的形貌和結晶度沒有發生明顯變化，表明該催化劑具有良好的穩定性。

密度泛函理論(DFT)計算表明，*COOH中間體獨特的橋式吸附構型增加了其吸附能，并且*COOH中間體的C和O原子分別吸附在Mo-Fe對的Mo和Fe原子上，這就增加了*COOH中間體的電子轉移。同時，由于Mo-Fe之間的d-d軌道耦合，縱向吸附的*CO中間體的解吸能降低，這降低了Mo-Fe對結合*CO的傾向。

特別是，這種軌道耦合導致電子離域，降低了金屬位點的電荷密度，從而降低了吸附在Fe原子上的CO中間體的吸附能。綜上，該項工作所提出的策略同時調節*COOH吸附能和*CO解吸能，這最終打破了線性尺度關系，顯著提高了催化效率，這為設計高效的電化學CO₂RR催化劑提供了有效的策略。

Atomic dispersed hetero-pairs for enhanced electrocatalytic CO₂ reduction. Nano-Micro Letters, 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01214-2