百家爭鳴！諾獎得主Goodenough、染敏電池之父Gr?tzel、Sargent、喬世璋、樓雄文、馮新亮等催化領域新進展

一、催化領域研究背景

催化與我們日常生活的方方面面息息相關，是人類社會可持續發展的重要基礎之一。催化劑使人們的日常生活發生翻天覆地的變化，通過催化反應可加工各類產品，因此催化影響著人們衣食住行的方方面面，發揮著超乎尋常的重要作用。因在化學和能源工業的等許多領域取得的開創性工作，已有四位科學巨擘獲得諾貝爾獎，Fritz Haber、CarlBosch、Irving Langmuir和GerhardErtl分別于1918年、1931年、1932年和2007年獲得過諾貝爾獎。下面我們列舉了國外學術大咖催化領域研究有關的部分代表性成果，一起交流探討。

二、超級大咖最新科研成果匯總

1、Angew: 超細Pt₃M有序金屬間化合物合成的通用策略

諾貝爾化學獎得主John B. Goodenough教授與華南理工大學的崔志明教授等提出了一種新型的、應用廣泛的水凝膠冷凍干燥方法，用于制備超小顆粒尺寸的高有序Pt-M（M=Mn、Cr、Fe、Co等）金屬間化合物催化劑，成為實現實用燃料電池的一類非常理想的材料。在這種方法中，水凝膠可以將堆積的GO片剝離成單個的GO片，并顯著促進納米粒子的良好分散。本研究提供了一種新型且簡便的水凝膠冷凍干燥策略，可推廣到其它合金催化劑的控制合成，包括但不限于用于燃料電池和其它電化學能源裝置的鉑基合金和鈀基合金。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1002/anie.201916260

2、Joule: 鈣鈦礦/硅串聯電池和TiC負載Pt納米簇電催化劑用于太陽能水分解

蘇黎世聯邦理工大學的Michael Gr?tzel和南開大學的Jingshan Luo教授證明了原子層沉積技術能夠在CC/TiO₂和CC/TiC基底上均勻地分散小的Pt納米團簇。采用高比表面積的鈦基基底，可以產生很強的金屬-載體相互作用，對提高鉑納米簇催化劑的活性和穩定性起到了關鍵作用。將鈣鈦礦/Si串聯太陽能電池直接連接到電解槽，可提供充足且準理想的光電壓，在不使用任何電壓轉換器的情況下實現高效的整體水分解，使整個系統在標準AM 1.5 G照明下的STH轉換效率達到18.7%。該工作展示了一個高效的太陽能水分解系統。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.10.002

3、Science：在大于1 A cm^-2下高效電解CO₂生成多碳產物

加拿大多倫多大學的Edward H. Sargent 和David Sinton團隊提出了一種混合催化劑設計，通過分離氣體、離子和電子輸運，使CO₂和CO氣相電解在電流密度大于1?A cm^-2的情況下能夠產生多碳產品。研究人員開發了一種具有疏水和親水功能的離聚物層，該離聚物層與有利于氣體和離子在金屬表面共形傳輸路徑的不同結構域結合在一起：通過疏水結構域的側鏈促進氣體傳輸，導致氣體擴散，而水吸收和離子通過水合親水結構域進行傳輸。結果，這三種組分聚集在一起的反應界面，氣體反應物、離子和電子都在催化活性位點，從亞微米范圍增加到了幾個微米的尺度。本文所描述的現象展示了催化劑的設計原則，這些原則不受先前的氣-離子-電子傳輸限制的約束。CIBH催化劑為實現工業應用所需的操作電流的烴生產鋪平了道路。

文獻鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661?

4、Adv. Energy Mater.：半導體光催化CO₂還原的原子級反應中心

澳大利亞阿德萊德大學化工與先進材料學院喬世璋教授和冉景潤等人從原子級的角度提出了光催化劑的設計方法，并對原子能利用效率和高選擇性進行了深入的研究，為設計和合成高效的光催化劑提供了實用的指導。此外，還對光催化二氧化碳還原的各種反應位點，以及表征方法、功能和機制進行了批判性評估和全面審查。在深入了解的基礎上，展望了制備高效光催化劑的前景。綜述了制備多活性位點的新策略和新方法，如雙空位、活性位點的不同組分、FLPs等。綜述了不同材料的CO₂光還原途徑和關鍵影響因素，并對高選擇性材料的設計進行了討論。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1002/aenm.201903879

5、Joule：能量轉換技術中ORR先進電催化劑的研究進展

新加坡南洋理工大學的樓雄文教授和華中科技大學的夏寶玉教授等人綜述了新型催化劑在更易獲得和更實用的酸性質子交換膜燃料電池中的應用。首先，簡要討論了ORR的動力學和機理，然后將ORR電催化劑分為四大類：PGM或貴金屬催化劑、非PGM催化劑、碳基催化劑和單原子催化劑。文中還簡要介紹了這四種催化劑的合成方法、表征和應用。此外，分析的很大一部分是關于為什么以及如何合理地設計電催化劑克服緩慢或動力學。最重要的是，在整個審查過程中，作者著重于實際應用，討論了替代性電催化劑的挑戰和機遇，這可能有助于為燃料電池和其他可持續能源技術的商業化開發更理想的材料。

文獻鏈接：

http://doi.org/10.1016/j.joule.2019.12.014

6、Adv. Funct. Mater.：從幾何到活性：光電化學水裂解WO₃/Si微柱陣列的定量分析

荷蘭基礎能源研究所的Anja Bieberle‐Hütter等人提出了一種有前途的微腔陣列結構光電管。光學仿真結果表明，該結構能有效地降低光照下的陰影效應。在WO₃/pn-Si微柱陣列中，隨著柱密度的增加，光電流密度先增大后減小。通過測量斬波單色紅外照明下的開路電位，證明WO₃/pn-Si微柱陣列的光電流密度增強是由p-n結產生的光電壓決定的。然而，隨著柱間距的減小，增大的表面積也會導致死區（即重p摻雜Si表面）的增加，從而降低p-n結產生的光電壓，從而降低光電流密度的增強。這項研究提供了一個更深入的了解三維幾何結構對使用定義良好的WO₃/n-Si和WO₃/pn-Si微柱陣列的PEC性能的影響。電極明確的幾何結構首次將光密度分布和光電極的微觀結構幾何結構聯系起來，從而表達了這種關系對PEC性能的影響。總的來說，這項工作顯示了硅加工在三維納米/微結構定制設計和高性能電極方面的潛力。

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https://doi.org/10.1002/adfm.201909157

7、JACS：輸運條件下金電極上CO₂還原與析氫的競爭

萊頓大學Marc Koper教授課題組展示了在良好定義的質量輸送條件下，CO₂RR的速率在很大程度上獨立于質量輸運效應（即盤旋轉速率）。然而，由于HER速率的降低，CO₂RR的法拉第選擇性隨著圓盤轉速的增加而提高（質量輸運增強）。結果表明，在0.1m碳酸氫鹽濃度下，水的還原作用是其與CO₂RR競爭的優勢分支，而增強的質量輸運本質上緩解了局部堿度，從而抑制了水的還原速率。該工作表明，控制質量輸運條件對選擇性CO₂RR具有重要的意義，并為實際電極結構中的濃度梯度和產物選擇性提供了合理的指導。

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https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b10061

8、JACS：三明治簇合納米催化劑ZIF-8@Au₂₅@ZIF-67的設計與高效性研究

法國波爾多一大Didier Astruc、安徽大學朱滿洲和盛鴻婷等人合作首次開發了一種協同輔助自組裝方法來控制三明治ZIF-8@Au₂₅@ZIF-8[tkn]和ZIF-8@Au₂₅@ZIF67[tkn]的制造。這些定義明確的復合材料同時提高了CO₂和4-NP加氫作用下末端炔烴羧化反應的活性和穩定性。有趣的是，通過精確調整殼厚可以很容易地優化三明治體系的催化性能。因此，這項工作應該激發了納米化學家對設計性能完美的三明治復合材料MOF@APNC@MOF的興趣，為納米材料研究開辟了新的視野。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00378

9、JACS: 堿性燃料電池鈀基氧還原電催化劑的組合研究

康奈爾大學Héctor D. Abru?a和R. Bruce van Dover等人報告了一種以可替換的玻璃碳盤電極為基底的簡便催化劑篩選方法，該方法能夠使用標準RDE測量快速可靠地評估ORR活性。采用高通量磁控濺射室，在堿性介質中制備了二元Pd-Cu固溶體電催化劑薄膜。在9種不同的Pd-Cu合金成分中，Pd₅₀Cu₅₀（即1:1摩爾比，或僅PdCu）是最有前途的候選成分。在此指導下，研究人員采用浸漬還原法進一步合成了Pd₅₀Cu₅₀納米粒子，在堿性電化學體系中顯示出良好的活性和耐久性。

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https://doi.org/10.1021/jacs.9b13400

本文由eric供稿。

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