本文選取了2021年6月16日-19日在催化領域中最新的部分優質成果進行匯總，并進行了簡要的介紹，供大家了解和學習。
Adv. Energy Mater.：跳出過渡金屬局限，利用主族元素激活雙原子催化劑
近年來，對原子催化劑的研究顯著加快。雖然已開發了不同的原子催化劑，但是很少考慮引入主族元素。近日，香港理工大學黃勃龍教授（通訊作者）等人報道了引入堿性/堿土金屬（AAEM）、后過渡金屬（Post-TM）和準金屬以形成穩定的基于石墨炔的雙原子催化劑（GDY-DAC）的可能性。
主族元素不僅可作為一種有希望的分離劑來改善雙原子催化劑（DAC）的負載，而且還可以激活烷基鏈以促進GDY-DAC的電活性。最重要的是，GDY-DAC中的主族元素不會影響過渡金屬或鑭系金屬的電活性，甚至可以對電子結構進行細微的調制。
p-帶中心是調節氧化物電活性的重要描述符，而它們在原子催化劑中的應用尚不清楚。隨著機器學習的進一步評估，發現s-軌道和p-軌道的參與擾亂了形成能和p-帶中心的預測精度，特別是對于AAEM。該工作提供的見解有助于設計基于主族元素的原子催化劑，也為設計先進的電催化劑開辟了一條新途徑。
Stepping Out of Transition Metals: Activating the Dual Atomic Catalyst through Main Group Elements. Adv. Energy Mater., 2021, DOI: 10.1002/aenm.202101404.
https://doi.org/10.1002/aenm.202101404.
Adv. Energy Mater.：CoPc分子注入石墨氮化碳催化劑助力電還原CO2
在海水中直接電解CO2，不僅可以將CO2轉化為CO，而且同時將氯離子（Cl–）轉化為Cl2，進一步滿足光氣合成等下游行業需求，也促進了CO2的凈消耗。因此，迫切需要實施在海水中直接電解CO2。近日，大連理工大學邱介山教授和于暢教授（共同通訊作者）等人報道了一種通過簡單的機械化學方法制備的CoPc分子注入的石墨氮化碳納米片電催化劑（CoPc/g-C3N4）。
CoPc/g-C3N4具有帶負電荷的表面和對Na+的優先吸附能力。在天然海水中，當電流密度為16.0 mA cm-2時，CoPc/g-C3N4對CO的法拉第效率（FE）為89.5%，并且可在模擬海水中穩定運行25 h。
過程監測進一步表明，NaCl電解液中的氯離子可以調節陽極周圍的反應微環境，進而對陰極中的CO2RR產生積極影響。模擬海水中的CO2RR整體分裂，在電池電壓為3 V下對CO的最大FE為98.1%。該工作描述了一種碳偶聯CoPc分子催化劑的開發，該催化劑可以驅動模擬海水中的CO2電解，并提供了一種有前途的直接聯產CO和Cl2的節能耦合反應系統。
圖3 評估模擬海水中整體裂解CO2的經濟性和凈減少量
Toward an Understanding of the Enhanced CO2 Electroreduction in NaCl Electrolyte over CoPc Molecule-Implanted Graphitic Carbon Nitride Catalyst. Adv. Energy Mater., 2021, DOI: 10.1002/aenm.202100075.
https://doi.org/10.1002/aenm.202100075.
Nat. Commun.：單原子催化劑結合過渡金屬/金屬氧化物異質結構，加速HER
單原子催化劑（SACs）提供了一種有效的方法來減少貴金屬的用量，同時保持其催化活性。但是，堿性水解離催化劑的緩慢活性阻礙了高效制取氫氣的進展。近日，北京工業大學汪浩教授、柯小行副教授和韓昌報教授（共同通訊作者）等人報道了一種將單原子鉑（Pt）與具有雙活性位點的NiO/Ni異質結構耦合，制備出了具有高活性的堿性析氫催化劑（PtSA-NiO/Ni）。
圖1 PtSA-NiO/Ni的合成及水分解機理示意圖
Pt單原子與NiO/Ni異質結構偶聯使氫氧根離子（OH*）和氫（H*）的結合能力可調，從而有效地調整水的解離能并促進H*轉化以加速堿性析氫反應（HER）。
在銀納米線（Ag NWs）上構建的PtSA-NiO/Ni納米片，形成了分層的三維（3D）形態，從而進一步的增強催化性能。因此，制備的PtSA-NiO/Ni催化劑顯示出高效的堿性析氫性能，在100 mV的過電位下，Pt原子的質量活性高達 20.6 A mg-1，顯著優于已報道的催化劑。
Platinum single-atom catalyst coupled with transition metal/metal oxide heterostructure for accelerating alkaline hydrogen evolution reaction. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-24079-8.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24079-8.
J. Am. Chem. Soc.：首次報道，即最佳性能！Pt1/N-CNTs在環境條件下可高效和選擇性的電催化C-C鍵裂解
選擇性裂解C-C鍵是木質素降解獲得高附加值芳香族化合物的關鍵和挑戰。電催化氧化反應是一種很有前途的氧化技術，但是現有的C-C鍵裂解電催化劑選擇性差、產物產率低。近日，清華大學王定勝教授和段昊泓副教授、中科院大連化學物理研究所Jiangwei Zhang（共同通訊作者）等人首次報道了一種通過逐步聚合-碳化-靜電吸附策略，構建了氮摻雜的碳納米管（Pt1/N-CNTs）上原子分散的Pt-N3C1位點在環境條件下對β-O-4模型化合物中Cα-Cβ鍵斷裂具有很高的活性和選擇。
Pt1/N-CNTs具有99%的底物轉化率和81%的苯甲醛產率，超過了已報道的該領域所有電催化劑。此外，僅含有0.41wt% Pt的Pt1/N-CNTs比最新的本體Pt電極（100wt% Pt）和商用Pt/C催化劑（20wt% Pt）獲得更高的苯甲醛產率。
圖2 木質素β-O-4模型化合物中Cα-Cβ鍵的裂解
系統的實驗研究和密度泛函理論（DFT）計算表明，Pt1/N-CNTs的優異性能來源于原子分數的Pt-N3C1位點，有助于形成關鍵的Cβ自由基中間體，進一步誘導自由基/自由基交叉耦合路徑，以破壞Cα-Cβ鍵。該工作通過一種綠色和可持續的電化學方法，以超低的貴金屬用量，為木質素穩定開辟了新的途徑。
Atomically Dispersed Pt-N3C1 Sites Enabling Efficient and Selective Electrocatalytic C-C Bond Cleavage in Lignin Models under Ambient Conditions. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c02328.
https://doi.org/10.1021/jacs.1c02328.
Appl. Catal. B Environ.：有序Co氧化物的協同效應提高高級氧化過程中的催化活性
協同效應在許多環境/能源領域的催化劑設計中經常被使用，但是在廢水修復中催化高級氧化過程（AOPs）發揮最大協同效應的機理和分子水平結構尚不清楚。近日，南京工業大學邵宗平教授和周嵬教授、中科院上海應用物理研究所Jing Zhou（共同通訊作者）等人報道了一種通過設計鈣鈦礦族RBaCo2O6-δ（R=鑭系元素）的模型，在八面體配位（Co4+ oct）中的Co4+和錐體配位（Co3+ pyr）中的Co3+，證實了不飽和（Co3+ pyr）和金屬（Co4+ oct）位點，對高效過氧單硫酸鹽（PMS）活化的協同作用。
通過X射線吸收光譜和理論計算結果表明，Co3+ pyr和Co4+ oct協同作用，促進了PMS的吸附和O-O鍵的斷裂，進而促進Co3+/Co4+氧化還原循環生成自由基。
圖2 Co4+ oct和Co3+ pyr在PMS活化的優勢圖
當Co3+ pyr/Co4+ oct的比例適當且分布有序時，Gd0.5La0.5BaCo2O5.75對污染物的降解表現出顯著的催化活性，其催化性能優于以往報道的所有與Co4+有關的氧化物。該工作對合理設計高效的金屬氧化物催化劑具有一定的指導意義。
Synergistic effects in ordered Co oxides for boosting catalytic activity in advanced oxidation processes. Appl. Catal. B Environ., 2021, DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120463.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120463.
ACS Nano：分層組裝的氮氧化鈷納米棒和N摻雜碳納米纖維用于高效的雙功能氧電催化，具有出色的再生效率
氧基電催化是清潔和可持續能源轉換/儲存系統的一個組成部分，但是開發具有高活性和耐用性的經濟型雙功能可逆電催化劑還面臨巨大挑戰。其中，最關鍵是定制的多孔結構和單獨呈現的用于氧還原和析氧反應（ORR和OER）的活性中心沒有相互干擾。近日，韓國科學技術學院（KIST）Jin Young Kim和韓國科學技術高等研究院（KAIST）Il-Doo Kim（共同通訊作者）等人報道了一種由在N摻雜碳納米纖維（NCNF）上垂直生長的鞘核氧氮化鈷（CoOx@CoNy）納米棒組成的雜化材料。
由金屬Co4N核和氧化表面組成的刷子狀CoOx@CoNy納米棒在堿性介質中表現出優異的OER活性（10 mA cm 2時E=1.69 V）。由金屬Co4N核和氧化表面組成的刷子狀CoOx@CoNy納米棒在堿性介質中表現出優異的OER活性，在電流密度為10 mA cm-2時，電壓（E）為1.69 V。
雖然原始的NCNF或CoOx@CoNy在ORR中，單獨的催化活性較差，但雜化材料的ORR性能顯著提高（電流密度為3 mA cm-2時，E=0.78 V）。通過實驗結果與密度泛函理論（DFT）計算相結合，證實了具有氧化皮層的CoOx@CoNy納米棒的較寬比表面積提高了催化OER性能，而ORR中間體的容易吸附和快速界面電荷轉移發生在CoOx@CoNy納米棒和導電NCNF之間的界面。此外，CoOx@CoNy/NCNF催化劑中獨立的催化活性位點在往返ORR/OER過程中持續再生和維持，不會相互干擾，從而保證鋅-空氣電池穩定的運行。
Hierarchically Assembled Cobalt Oxynitride Nanorods and N-Doped Carbon Nanofibers for Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalysis with Exceptional Regenerative Efficiency. ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c09905.
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09905.
ACS Catal.：變廢為寶！Ru/TiO2催化劑助力聚丙烯塑料廢料轉化為潤滑劑
塑料的回收和升級是為了應對垃圾填埋帶來的環境危機?；瘜W催化技術是實現這一目標最有前途的方法。近日，美國特拉華大學Dionisios G. Vlachos和天津大學劉斯寶副教授（共同通訊作者）等人報道了沉積在二氧化鈦（TiO2）上的釕（Ru）是一種活性和選擇性的催化劑（Ru/TiO2）。
在250 ℃的低溫和適度的氫氣（H2）壓力下，可以將聚丙烯分解成具有分子量分布窄、低甲烷生成的有價值的潤滑油類碳氫化合物。
非晶態聚丙烯和日常袋和瓶子也可以被有效地轉化為潤滑劑，收率高達80+%。關鍵性能的量化，包括傾點、運動粘度和粘度指數，表明該產品是目前使用的基礎油或合成油的有希望的替代品。反應網絡包括聚合物依次轉化為油，分子量逐漸降低直至約700-800 g/mol，并緩慢的液化為甲烷和乙烷。通過NMR、ATR-IR、GCMS和同位素標記實驗揭示了結構和反應演化的復雜性，其中氫解涉及中間脫氫，同時失去了聚丙烯的立體規整性。
Polypropylene Plastic Waste Conversion to Lubricants over Ru/TiO2 Catalysts. ACS Catal., 2021, DOI: 10.1021/acscatal.1c00874.
https://doi.org/10.1021/acscatal.1c00874.
ACS Catal.：原位活化Co3-xNixO4作為一種高活性和超穩定的HER電催化劑
在堿性介質中,尖晶石型Co3O4是一種很有前途的替代貴金屬基電催化劑的替代物。然而，雖然純Co3O4在陽極水氧化中具有很高的活性，但對析氫反應（HER）仍不活躍。近日，蘭州大學徐彩鈴教授、鄭州大學盧思宇副教授和美國馬凱特大學Jier Huang（共同通訊作者）等人報道了一種通過簡單方法制備的鎳（Ni）摻雜Co3O4電催化劑（Co3-xNixO4）。
該催化劑在原位電化學活化后表現出良好的HER活性和穩定性，無論是在1 M KOH還是實際的30 wt% KOH溶液中，都可以穩定工作超過300 h，優于幾乎所有氧化物基電催化劑。
更重要的是，利用原位拉曼光譜和多種高分辨率電子顯微鏡技術的結合，確定Co3-xNixO4晶體的表面被還原成具有高度暴露的{110}反應平面的相互纏繞的CoyNi1-yO納米粒子。密度泛函理論（DFT）計算進一步證明了CoyNi1-yO中Ni摻雜的CoO組分在堿性HER過程中起主要作用，因為在Co-O八面體中引入Ni原子可以優化Had和OHad中間產物的導電性，并調整其吸附/脫附自由能。
In Situ Activated Co3-xNixO4 as a Highly Active and Ultrastable Electrocatalyst for Hydrogen Generation. ACS Catal., 2021, DOI: 10.1021/acscatal.1c01607.
https://doi.org/10.1021/acscatal.1c01607.
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