1. AM綜述：結構-相催化氧化還原反應在能源和環境中的應用
討論氧化還原反應能量轉化和環境凈化納米系統相基材料的結構-性能工程，對于實現可持續的能源和環境處理技術至關重要。近日，南開大學杜亞平、阿德萊德大學Shaobin Wang、澳大利亞國立大學Zongyou Yin等人給出了氧化還原反應過程的詳盡綜述，包括電催化、光催化和光電催化。作者通過這些氧化還原反應的應用實例，建設性地回顧和討論了結構相工程(SPE)策略如何影響催化活性、選擇性和穩定性。
正如所觀察到的，迄今為止，SPE在改善催化氧化還原反應方面已經取得了很大進展。然而，仍有一些非常有趣但尚未解決的問題有待討論，包括太陽光子-激子轉換效率、激子離解成活性還原/氧化電子/空穴、雙和多相結、選擇性吸附/解吸、性能穩定性、可持續性等。此外，作者重點介紹了固相氧化還原反應系統中的關鍵挑戰和發展前景，其中相基材料的進一步發展將加速化學品和能源的可持續(主動、可靠和可放大)生產，并促進環境治理。
Nasir Uddin, HuayangZhang, Yaping Du, Guohua Jia, Shaobin Wang, Zongyou Yin. Structural‐PhaseCatalytic Redox Reactions in Energy and Environmental Applications. AdvancedMaterials. 2020
DOI: 10.1002/adma.201905739
https://doi.org/10.1002/adma.201905739
2. AEM: 雙金屬催化劑PdCu的晶體結構與催化動力學
燃料電池、金屬空氣電池和光電催化等新一代能源系統都離不開氧還原反應ORR或析氧反應OER，ORR/OER反應機理的闡述也是非常具有挑戰和實際意義的。不同于其他水質電解質系統，Li-O2電池使用非水電解質，而且有多種固體放電產物。這就使得Li-O2的不溶放電產物LixOy在放電過程中會完全覆蓋催化劑表面。因此，盡管Li-O2電池具有非常大的理論能量密度，但是由于放電產物LixOy不溶導致電化學循環不可逆，其能量效率非常差以至于無法實際應用。固定催化劑表面不僅能夠降低ORR/OER過電勢，而且能指導放電產物LixOy的催化動力學使其形成有力于離子或電荷傳遞的界面。PdCu有體心立方bcc和面心立方fcc兩種結晶類型，是非常適合研究晶體結構的調整與ORR/OER反應動力學關系的材料。
近日，韓國Korea大學的Yong-Mook Kang教授和德克薩斯大學達拉斯分校的Kyeongjae Cho教授等人在Adv. Energy Mater上發表了名為“Regulating theCatalytic Dynamics Through a Crystal Structure Modulation of BimetallicCatalyst “的研究論文。該工作成功合成了大小、微觀形貌近似的兩種PdCu并解釋了PdCu不同晶相的不同原子排布與放電產物LixOy生成和其催化性能之間的關系。在該工作中，第一性原理計算和實驗結果證實了bcc晶相的PdCu促使LixOy在催化劑表面均勻成核和排布，促進Li-O2電池中的ORR/OER活性。但是，在fcc晶相的PdCu表面，放電產物LixOy會發生團聚并明顯降低催化活性，使得電池性能下降。
P. Mihui, L. Chaoping,L. Tae Hyung, A. Daniel Adjei, Y. Junghoon, L. Vincent Wing‐hei,C. Sang‐Il, J. Ho Won, C. Kyeongjae, K. Yong‐Mook, Regulating the Catalytic Dynamics Through a Crystal StructureModulation of Bimetallic Catalyst, Adv. Energy Mater., (2020).
DOI:10.1002/aenm.201903225
https://doi.org/10.1002/aenm.201903225
3. Nano Energy: 構建三維和自支撐的電極提高單原子在電催化二氧化碳還原過程中的利用效率
單原子催化劑在電催化二氧化碳領域表現出巨大的應用潛力。但是，大部分的單原子活性位點由于被封裝在載體的內部而不能表現出催化活性，且大多數催化劑在宏觀上都表現出粉末的形態，這導致了催化過程中的電流密度相對較低。
鑒于此，深圳大學Chuanxin He團隊通過構建自支撐、交聯和高產率的碳膜來提高單原子鈷的利用效率。三維骨架的催化劑具有連續的孔道結構可以提高電化學活性面積和反應物質的傳輸，從而提高單原子活性位點的利用效率。活性位點的高效利用使催化劑在H-型電解池表現出對CO 91%的法拉第效率和67 mA cm?2的電流密度。在flow cell表現出對CO 92%的法拉第效率和211 mA cm?2的電流密度。
Yang H, Lin Q, Wu Y, etal. Highly Efficient Utilization of Single Atoms via Constructing 3D andFree-Standing Electrodes for CO2 reduction with Ultrahigh CurrentDensity[J]. Nano Energy, 2020: 104454.
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104454
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520300100?via%3Dihub
4. Small: 電解水催化劑，CuFe復合物超強穩定性
氫能作為最清潔的能源，被認為是化石能源的取代者之一。電解水制氫分為析氫反應HER和析氧反應OER兩個部分。從生產效率和成本的角度考慮，制備能夠在同種堿性或酸性介質中的雙功能催化劑是很有優勢的。過渡金屬氧化物、硫化物、磷化物、層狀雙金屬氫氧化物（LDH）和金屬合金等材料都被研究用作OER和HER催化劑。而且，通常使用形貌工程、復合合成、摻雜等手段來提高材料的催化性能。特別地，FeNi合金和它們的氫氧化物在同介質中具有OER和HER雙功能，被研究的最為廣泛。FeNi基材料的催化活性可以有不同基底和Ni/Fe的比例調控。CoFe LDH、CoMnLDH、CuCoO納米線、FeCOOH、Cu@CoFe、NiMo納米棒等材料都有OER和HER雙功能。CuFe的復合材料作為雙功能電催化劑還沒有過報道。
近日，韓國Dongguk University的Akbar I. Inamdar教授、Hyungsang Kim教授和Hyunsik Im教授等人在Small上發表了名為“A Robust Nonprecious CuFeComposite as a Highly Efficient Bifunctional Catalyst for OverallElectrochemical Water Splitting“的研究論文。該工作通過溫和水熱法在泡沫鎳上合成了CuFe雙功能電解水催化劑。在電流密度為10 mA cm-2時，CuFe/NF材料實現了376 mV的低電解水過電勢（218 mV的析氧過電勢和158 mV的析氫過電勢）。并且，CuFe/NF的OER和HER的性能穩定性非常好，在不同電流密度下測試100 小時，材料沒有電壓衰減。
I.I. Akbar, S.C. Harish,H. Bo, L. Chi Ho, L. Sang Uck, C. SeungNam, K. Hyungsang, I. Hyunsik,Electrochemical Water Splitting: A Robust Nonprecious CuFe Composite as aHighly Efficient Bifunctional Catalyst for Overall Electrochemical WaterSplitting (Small 2/2020), Small, (2020).
DOI: 10.1002/smll.202070006
https://doi.org/10.1002/smll.202070006
5. ACS Nano：設計與襯底的相互作用來提高單層MoS2膜的析氫催化性能
在催化水的析氫反應(HER)方面，MoS2是一種極具性價比的Pt替代品，但目前報道的MoS2催化效率仍低于Pt（Pt是HER最好的催化劑），但Pt對于大規模生產氫氣來說太稀有且太昂貴?；诖耍?strong style="margin: 0px; padding: 0px;">北卡羅萊納州立大學的Linyou Cao等人報道了一種通過設計單層膜與支撐基底的相互作用，制備出具有催化活性的單層MoS2薄膜，甚至比Pt的催化性能更好。通過采用化學氣相沉積法生長單層膜，并控制其硫空位的最佳密度(7-10%)。
作者發現MoS2的催化活性可以通過兩種方式受到基底的影響：與MoS2形成界面隧穿勢壘和通過電荷轉移改變MoS2的化學性質。基于這一認識，我們可以通過使用襯底（如Ti）為MoS2提供n摻雜并與MoS2形成低界面隧穿勢壘來制備具有良好催化活性的單分子層MoS2膜。此外，可以通過在Ti涂層柔性聚合物襯底上形成褶皺薄膜，進一步提高催化性能，甚至比Pt更好，這是由于薄膜的Tafel斜率會隨這褶皺誘發的壓縮應變的存在而顯著降低。作者經過2個多月的連續測試證明了這種單層MoS2膜的催化性能沒有下降。
Guoqing Li, Zehua Chen,Yifan Li, Du Zhang, Weitao Yang, Yuanyue Liu, Linyou Cao*. EngineeringSubstrate Interaction To Improve Hydrogen Evolution Catalysis of Monolayer MoS2Films beyond Pt. ACS Nano 2020
DOI: 10.1021/acsnano.9b07324
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07324
6. 北京大學鄒如強ACS Energy Letters綜述：金屬有機框架在能量儲存與轉化中的應用
金屬-有機框架（MOFs）化合物憑借其高度有序和可人為調控的組成與結構等優勢，已成為電化學和光化學能量轉換與存儲（ECS）系統的理想跨功能平臺。最近，北京大學工學院的鄒如強教授等對近年來利用組分設計和納米結構工程改善MOF材料電化學、光化學功能的研究進展進行了詳細概括總結。
作者通過對單獨MOF、MOF復合材料及其衍生物用于電化學和光化學能量儲存與轉化的策略進行探討，闡明了具有先進納米組分和結構的MOF基的優越性以及相關組成-結構與功能關系。最后，作者對這一新興領域基于MOF的ECS材料所面臨的挑戰和未來的發展方向進行了總結性的探討。
Tianjie Qiu, Ruqiang Zouet al, Metal–Organic Framework-Based Materials for Energy Conversion and Storage,ACS Energy Letters, 2020
DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02625
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02625
7. AFM：4 nm Mn3O4納米顆粒組裝中性條件下的高效水氧化電催化劑
電化學分解水是產生環境友好型氫能的方法之一，過渡金屬（TM）型催化劑因其成本低廉和資源豐富而備受關注，但其活性低仍然是一個挑戰。近日，首爾國立大學Ki Tae Nam等人成功地合成了4 nm Mn3O4納米顆粒（NPs），并研究了它們的電化學行為。
通過電化學分析，作者證實4 nm和8 nm Mn3O4 NPs之間具有相同的水氧化機制，并且活性表面積的增加與4 nm Mn3O4 NPs的高催化活性密切相關。為了進一步提高氧氣釋放反應（OER）的性能，作者引入Ni泡沫基底以使參與OER的NPs的總數最大化。在中性條件下（0.5 M PBS，pH=7），4 nm Mn3O4/Ni泡沫電極在10mA cm-2的電流密度下，對OER表現出優異的電催化活性，過電位為395 mV。
Kang Hee Cho, HongminSeo, Sunghak Park, Yoon Ho Lee, Moo Young Lee, Nam Heon Cho, Ki Tae Nam.Uniform, Assembled 4 nm Mn3O4 Nanoparticles as Efficient Water Oxidation Electrocatalysts at Neutral pH. Advanced Functional Materials.2020
DOI: 10.1002/adfm.201910424
https://doi.org/10.1002/adfm.201910424
