在家不能看文獻，但是科研不能停。為了幫助大家更好地了解催化領域的最新科研進展，我們整理了Nature子刊上最新發表的部分文章，供大家交流學習。
1. Nature Commun.：低壓合成氣制長鏈醇新進展
含有五個以上碳的長鏈醇是制造增塑劑，清潔劑和潤滑劑的主要替代燃料和原料。通過串聯策略從合成氣合成長鏈醇（LAS）是一種簡便，經濟且環境友好的方法，也為將煤/生物質/天然氣轉化為高價值化學品提供了有希望的途徑。在各種二元催化劑體系（Cu-Fe，Cu-Co，Co-Mo）中，Cu-Fe二元催化劑具有成本效益和高CO轉化率，在長鏈醇的生產中引起了相當大的關注。
近日，北京化工大學衛敏，北京大學馬丁，中科院金屬研究所張炳森等多團隊合作，報道了一種由Cu4Fe1Mg4層狀雙氫氧化物（Cu4Fe1Mg4-LDH）前驅體衍生的Fe5C2-Cu界面催化劑，即Fe5C2簇（～2 nm）被固定在Cu納米顆粒（～25 nm）上。
本文要點
要點1. 實驗發現，在1 MPa的反應壓力下，該界面催化劑表現出的CO轉化率為53.2％，對長鏈醇選擇性為14.8 mol％，時空產率為0.101 g gcat-1h-1，與其它Cu-Fe二元催化劑在3-8 MPa壓力下的最佳時空產率水平相當。
要點2. 進一步研究表明，高度分散的Fe5C2納米團簇被限制在Cu納米顆粒的表面，形成了豐富的Fe5C2-Cu界面。Fe5C2團簇與Cu納米顆粒之間的協同相互作用是低壓下高效催化生成長鏈醇的主要原因。
Yinwen Li, et al. Interfacial Fe5C2-Cu catalysts toward low-pressure syngas conversion to long-chain alcohols. Nat. Commun., 2019
DOI: 10.1038/s41467-019-13691-4
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13691-4
2. Nature Energy：單原子位點等離激元光催化劑高效甲烷干重整
合成氣是由一氧化碳和氫氣組成的極為重要的化學原料，可以通過甲烷（CH4）與CO2進行干重整來生成。同時，甲烷干重整反應（CH4+CO2→2CO+2H2）對環境友好，因為它將兩種溫室氣體轉化為有價值的化學原料。然而，傳統的熱催化過程需要高溫，并且還遭受焦化引起的不穩定問題。
近日，萊斯大學Naomi J. Halas，Peter Nordlander，普林斯頓大學Emily A. Carter等報道了一種等離激元光催化劑，它由Cu納米粒子“天線”和在Cu納米粒子表面的單Ru原子“反應器”位點組成，是低溫光驅動甲烷干重整的理想選擇。
本文要點
要點1. 實驗表明，當在室溫下照射時，該催化劑具有高的光能效率。與熱催化相反，該催化劑在光催化中可實現長期穩定性（50 h）和高選擇性（> 99％）。作者認為光激發的熱載流子以及單原子活性位點是其高性能的原因。
要點2. 量子力學建模表明，在Cu（111）表面上Ru的單原子摻雜，再加上激發態激活，會導致CH4活化的勢壘大大降低。
要點3. 該光催化劑主要由廉價和豐富的銅組成，因此該工作可為可持續，光驅動，低溫甲烷重整反應按需生產氫氣鋪平道路。
Linan Zhou, et al. Light-driven methane dry reforming with single atomic site antenna-reactor plasmonic photocatalysts. Nature Energy, 2019
DOI: 10.1038/ s41560-019-0517-9
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0517-9
3. Nature Catalysis：乙烯選擇性電化學氧化為乙二醇
開發直接由可再生電力提供動力的高效的電化學方法用于制備化學商品具有重大意義。其中一種至關重要的化學品是乙二醇，它可用作防凍劑和聚合物前體，每年的消費量約為2000萬噸。在由乙烯氧化制乙二醇的過程中，需要將兩個OH基團連續轉移至乙烯，這其中可能涉及*C2H4OH中間體。因此，OH的結合能將是該過程中的關鍵因素。此外，一旦形成乙二醇，它很可能會通過其氧原子吸附到催化劑表面，因此，調節OH結合能可以使其易于解吸，從而避免不必要的進一步氧化。
近日，多倫多大學Edward H. Sargent團隊報告了一種在環境溫度和壓力下，在水性介質中將乙烯選擇性部分氧化為乙二醇的一步式電化學路線。
本文要點
要點1. 作者認為，催化劑與OH結合能的調控對促進OH轉移至*C2H4OH形成乙二醇至關重要。
要點2. 計算研究表明，金摻雜的鈀催化劑(3.2 at.% Au)可以有效地執行此步驟，并且，作者通過實驗發現它對乙二醇具有80％的高法拉第效率，并在連續運行100個小時后仍能保持其性能。
要點3. 該工作為在溫和條件下設計水性介質中的其它陽極部分氧化反應提供了有用的參考，并指明了化學工業中實現電氣化的一種途徑。
Yanwei Lum, et al. Tuning OH binding energy enables selective electrochemical oxidation of ethylene to ethylene glycol. Nat. Catal., 2020
DOI: 10.1038/s41929-019-0386-4
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0386-4
4. Nature Catalysis：一種實用的N-異芳烴加氫非貴金屬催化劑的研制
由于過渡金屬催化劑的可用性、價格和生物相關性，基于3d過渡金屬的催化劑的使用對工業化學品的合成以及一般的有機合成具有重要意義。因此，近年來，特別是在均相催化領域，利用這種地球資源豐富、具有生物相容性的金屬已成為人們感興趣的主要領域。然而，為了達到與貴金屬催化劑相當的反應活性，通常需要使用復雜的配體——通常是昂貴的磷衍生物。
有鑒于此，萊布尼茲學院Matthias Beller等人報道了使用簡單的基于Mn(I)的復合物[Mn(CO)5Br]，通過分子氫還原喹諾林和相關的N-雜環。
本文要點
要點1. 在非常溫和的反應條件下，這個催化系統能夠減少大量的喹諾林，從而提供了相應的高產量的四氫喹諾林，這種骨架存在于許多生物活性化合物中，包括已上市的藥物。
要點2. 動力學研究揭示了活性催化劑的形成，并表明了同時形成的Mn(II)和HBr對雜環底物加氫的重要作用。
Veronica Papa, et al. Development of a practical non-noble metal catalyst for hydrogenation of N-heteroarenes. Nat Catal (2020)
DOI：10.1038/s41929-019-0404-6
https://doi.org/10.1038/s41929-019-0404-6
5. Nature Catalysis：混合離子和電子轉移反應的途徑
在界面電荷轉移反應中，反應路徑的復雜性隨著電荷轉移的數量增加而增加，當反應同時涉及到電子(電荷)和離子(質量)時，其復雜性變得更大。這些所謂的混合離子和電子轉移(MIET)反應在嵌入/插入電化學中至關重要，例如氧還原/演化的電催化劑和鋰離子電池電極。了解MIET反應途徑，特別是確定決速步(RDS)，對于分子、電子和點缺陷水平的工程接口至關重要。有鑒于此，斯坦福大學William C. Chueh等人建立了一個可推廣的實驗和分析框架，用于構建反應途徑，將O2(g)與Pr0.1Ce0.9O2?x結合。
本文要點
實驗者們通過測量電流密度過電位曲線在控制固體氧活動和氧氣分壓，利用操作環境壓力x射線光電子能譜對化學驅動力和靜電驅動力進行定量分析，最后從100多種可能性中選出了4種RDS(中性氧氣吸附物的分離)。
Di Chen, et al. Constructing a pathway for mixed ion and electron transfer reactions for O2 incorporation in Pr0.1Ce0.9O2?x. Nat Catal (2020)
DOI：10.1038/s41929-019-0401-9
https://doi.org/10.1038/s41929-019-0401-9
6. Nature Commun.：單原子和納米粒子協同催化
就酮/醛加氫反應而言，C=O基團的活化和H2的解離對反應動力學至關重要。正因如此，酮/醛加氫反應對傳統的納米催化劑和最近發展起來的單原子催化劑都提出了挑戰。有鑒于此，安徽師范大學的耿保友教授、安徽工程大學蒯龍博士和清華大學的李亞棟院士等人提出了一個TiO2負載單原子鈀(Pd1)和Pd納米顆粒(PdNPs) 在室溫下協同高效催化酮/醛加氫合成醇。
圖1. Pd1+NPs/TiO2的表征及催化性能
本文要點
要點1 .采用簡單的噴霧輔助法和一定的改性合成了Pd1+NPs/TiO2協同催化劑。0.4-1.0μm的介孔微球TiO2載體為銳鈦礦相。Pd1+NPs/TiO2催化劑的比表面積為212.8m2g-1和孔體積為0.36cm3g-1，為4.8 wt %負載量的Pd提供了足夠的表面位置。
要點2. 了驗證Pd1和PdNPs在加氫行為中的作用，制備了不同分散形式的Pd1/TiO2、PdNPs/TiO2、和Pd負載量為1.0 wt%的Pd1+NPs/TiO2催化劑。與Pd1+NPs/TiO2相比，PdNPs/TiO2的Pd1位點的缺失導致反應活性下降了67%，原子分散的Pd1位點對于獲得酮/醛加氫的高性能至關重要。
要點3. 其他酮/醛的氫化反應也證實了這種高活性。苯甲醛在溫和的條件下也可以幾乎完全加氫還原，甚至連苯甲醛的TOF值也達到了16,288 h-1。
Long Kuai, et al.Titania supported synergistic palladium single atoms and nanoparticles for roomtemperature ketone and aldehydes hydrogenation. Nat Commun. 11, 48 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-019-13941-5
https://doi.org/10.1038/s41467-019-13941-5
7. Nature Commun.: 金催化CO2還原的關鍵在哪里？
鑒于全球日益嚴重的能源短缺和環境污染問題，CO2電還原(CO2R)已成為建立可持續碳循環的一個非常具有潛力的技術方案。通過與可再生電力相結合，CO2R可以在環境壓力和溫度下儲存間歇性的可再生資源，生產燃料和化學品，同時減少CO2的排放。Au基材料是合成合成氣的關鍵組分CO的活性最強、選擇性最強的催化劑。因此，了解Au催化劑的反應機理是設計新型催化劑材料的關鍵一步，也是目前理論與實驗研究的重點。雖然人們普遍認為CO2R到CO通過*COOH和*CO中間產物進行，但限速步驟（rate-limiting step）仍然有較大的爭議。有鑒于此，斯坦福大學的Stefan Ringe和丹麥科技大學的Karen Chan等人合作在中性到酸性的pH值下對金進行CO2還原實驗，以闡明圍繞限速步驟的長期爭議。
本文要點
要點1. 研究發現，在標準的氫電極尺度上，CO的生成速率與pH值無關，而是受到CO2吸附步驟的限制。
要點2. 他們提出了一種新的多尺度建模方案，將從頭算反應動力學與質量輸運模擬相結合，明確考慮了電荷雙電層。該模型再現了CO極化實驗曲線，揭示了CO在低過電位時的限速步驟為*COOH到*CO，在中間電位時的限速步驟為CO2吸附，在高過電位時的限速步驟為CO22質量輸運。最后，證明了Tafel斜率是由*CO2偶極子與界面場之間的靜電相互作用產生的。
Stefan Ringe, et al. Double layer charging driven carbon dioxide adsorption limits the rate of electrochemical carbon dioxide reduction on Gold. Nat Commun 11, 33 (2020).
DOI:10.1038/s41467-019-13777-z
https://doi.org/10.1038/s41467-019-13777-z
8. Nature Commun.: 葡萄糖電解產氫
生物質轉化為高價值的化學品是減少社會對化石燃料資源依賴的一個非常有潛力的技術方案。葡萄糖是最豐富的生物質化合物之一，可以轉化為多種商用化學品，如5-羥甲基糠醛、山梨醇、葡萄糖酸(GNA)和葡糖二酸(GRA)。有鑒于此，中國科學技術大學的俞漢青教授和威斯康星大學麥迪遜分校的George W. Huber教授等人合作，以NiFe層狀雙氫氧化物納米片陣列（NiFe LDH）作為前驅體，在三維泡沫鎳設計制備了納米級NiFeOx和NiFeNx催化劑，這兩個催化劑分別對陽極葡萄糖氧化反應和陰極析氫反應表現出高催化活性和選擇性。
本文要點
要點1 . 具有開放纖維結構的商用泡沫鎳(NF)被用來賦予電極的三維結構，并為NiFe(OH)x提供鎳源。NiFe(OH)x前體在混合溶液中通過FeCl3和CO(NH2)2(尿素)的水熱反應在NF上生長。然后將NiFe(OH)x前驅體在空氣流動下加熱300℃3小時，形成Ni-Fe氧化物(NiFeOx)。將NiFe(OH)x前體在NH3流中加熱，得到NiFe氮化物(NiFeNx)。
要點2 .葡萄糖氧化包括兩個步驟：(1)葡萄糖氧化為GNA，其中包括兩個電子；(2)GNA氧化為GRA，其中包括四個電子。使用NiFeOx-NF和NiFeNx-NF電極在1 M KOH溶液(pH=13.9)中進行葡萄糖(100 mM)氧化，NiFeOx-NF在1.30 V下，電流密度為87.6 mA·cm-2，TOF值為0.16s-1。相同條件下，NiFeNx-NF電極的電流密度較低(22.1 mA cm-2)，TOF值僅為0.04 s-1，說明NiFeOx是比NiFeNx更有效的葡萄糖氧化催化劑。然而，對于OER，NiFeNx比NiFeOx更有效。
要點3. 為了進一步了解NiFeOx-NF催化葡萄糖氧化的機理，進行了原位ATR FTIR、2D HQC-NMR和LC-MS分析。由于電化學氧化過程的溫和條件，C-C鍵沒有發生斷裂。葡萄糖氧化的可能中間體和產物如下：GNA和葡萄糖酸內酯(在C1位置氧化H-C=O成羧基，兩電子轉移)，葡萄糖醛酸(在C6位置氧化CH2OH成H-C=O，兩電子轉移)，GRA(在C6位置進一步氧化H-C=O基團，兩電子轉移)。
Wu-Jun Liu, et al. Efficient electrochemical productionof glucaric acid and H2 via glucose electrolysis. NatureCommunications, 2020.
DOI: 10.1038/s41467-019-14157-3
https://doi.org/10.1038/s41467-019-14157-3
9. Nature Catalysis綜述：生物電催化，化學品、燃料和新材料一網打盡！
生物電催化是一種綠色，可持續的，高效生產高價值化學品，清潔生物燃料和可降解新材料的新興技術。生物電催化充分結合了生物催化和電催化的優點，可以綠色高效地用電和生物來生產目標產品。有鑒于此，美國猶他大學Shelley D. Minteer等人綜述了生物電催化技術在化學品、燃料和新材料制造領域的最新進展、挑戰和機遇。
本文要點：
1）詳細介紹了生物電催化劑的結構，功能和修飾方法。
2）闡述了電子轉移的機制，包括介導的電子轉移和定向電子轉移。
3）探討了電極對生物電催化的影響。
4）討論了生物電催化技術在化學品，生物燃料和材料制造中的應用。
5）總結了用于電合成的生物電催化的未來發展和前景。
Hui Chen et al. The progress and outlookof bioelectrocatalysis for the production of chemicals, fuels and materials. NatureCatalysis 2020.
DOI：10.1038/s41929-019-0408-2
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0408-2
10. Nature Catalysis：改造酶催化，賦予新活力！
在大自然中，酶催化化學轉化表現出驚人的能力，以使生物系統能夠在復雜的環境中維持生存。大自然的酶既能實現光合作用，又能固氮，無論是水分解還是脂肪族碳組裝，都是催化領域的佼佼者。然而，生物界的酶的功能并不是以人類需求而發展和精華，無法通過酶催化來合成化學家所期望的許多有價值化學品。
這主要是因為：
（1）人類期望的部分化學品對生物系統無用；
（2）所需的試劑不存在或者不能穩定存在于大自然中；
（3）所需的反應條件無法實現。
有鑒于此，諾貝爾化學獎得主Frances H. Arnold綜述了如何從大自然的入手，來設計新的酶，以賦予其適用于人類合成化學所需要的新的催化活性。
本文要點
文章指出，為了將大自然中酶催化的強大能力嫁接到人類合成化學，以滿足日益增長的能源和資源需求，化學家和生物學家已開始將人類發明的化學方法引入酶中，以期望賦予酶催化新的活性。
然而，我們對酶如何在原子水平上起作用，序列如何在大分子設計中編碼催化功能的理解有限，目前我們只需對酶進行改造，以使其與非天然試劑在新的環境中一起發揮作用，即可賦予酶新的催化活性。例如，通過引入不同的金屬中心或在活性位點改變一些氨基酸；然后通過強大的分子生物學工具（例如定向進化）就可以調整和多樣化這些新功能，從而將自然界生物合成機制的強大之處帶入人工化學合成。
文章主要分為以下幾個部分：
1）基于已有活性位點賦予酶新的功能
2）探索輔助因子的催化潛力
3）馴服用于非天然反應的金屬酶
4）基于人工輔助因子開發新型酶
Kai Chen, Frances H. Arnold. Engineeringnew catalytic activities in enzymes. Nature Catalysis 2020
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0385-5
11. Nature Commun.: 二維COFs電催化CO2還原
由于CO2固有的熱力學穩定性和競爭動力學上有利于析氫反應，電催化CO2RR普遍存在反應活性低、選擇性低、導電性差等缺點，遠遠不能滿足實際應用的需要。為了克服這些問題，研究人員探索了不同的電催化劑，如金屬(如銅或鐵等)、金屬雙鹵代烷(如WSe2、Ag2S或CuS等)、金屬氧化物(如Co3O4、Cu2O或SnO2等)等CO2RR電催化。然而，他們仍面臨著CO2吸附或富集能力低、分子間電子傳遞效率低、電催化機制不清等問題。近日，南京師范大學的蘭亞乾教授等人通過金屬卟啉與TTF的席夫堿縮合反應設計合成了一系列穩定的COFs，進而設計了一系列金屬卟啉-四硫富戊烯基共價有機骨架材料(M-TTCOFs)。
本文要點
要點1. 在這些M-TTCOFs中，TTF與金屬卟啉的協同作用可以起到電催化CO2RR中電子供體或載體、電子遷移和電催化活性組分的共同作用。由此獲得的M-TTCOFs具有高孔隙率、優異的化學穩定性和均勻分布的金屬中心，具有優異的電催化CO2RR性能。
要點2. 由此得到的M-TTCOFs可以作為非常高FECO(91.3%，- 0.7 V)的電催化劑，而且具有高循環穩定性(>40 h)。另外，在去角質后，Co-TTCOF納米片(~5 nm)的FECO值在0.6 ~ 0.9 V的范圍內高于90%，最大的FECO可以達到接近100% (99.7%，- 0.8 V)。
要點3. 通過密度泛函理論計算揭示了電催化CO2RR的機理，為設計新型高效的CO2RR電催化劑來解決二氧化碳問題開辟了廣闊的前景。
Hong-Jing Zhu, et al. Efficient electron transmission in covalent organic framework nanosheets for highly active electrocatalytic carbon dioxide reduction. Nature Communications, 2020.
DOI: 10.1038/s41467-019-14237-4
https://doi.org/10.1038/s41467-019-14237-4
12. Nature Commun.:關于HER，選Pt-O還是Pt?
鉑(Pt)通常被認為是最先進的析氫反應(HER)電催化劑。近幾十年來，研究人員通過調控成分、形態和晶相等策略來研究提高鉑的利用率和催化效率。這些研究大多揭示了Pt0金屬的固有催化活性，然而，有關氧化鉑的催化現象仍有待研究。例如，當金屬Pt被氧化時，其HER活性明顯好于金屬元素Pt0，其原因目前尚未明確。有鑒于此，東北師范大學Yang-Guang Li、Fei-Yang Yu以及蘇州大學Zhen-Hui Kang等人合作，選擇兩個結構明確的多金屬氧酸鹽Na5[H3Pt(IV)W6O24](PtW6O24)和Na3K5[Pt(II)2(W5O18)2](Pt2(W5O18)2)作為鉑氧化物的研究模型，研究其電催化性能。
本文要點
要點1. 電催化實驗表明，PtW6O24/C和Pt2(W5O18)2/C在77 mV時的質量活性分別為20.175 A mg-1和10.976 A mg-1，優于商業20% Pt/C催化劑(0.398 A mg-1)。
要點2. 原位同步輻射實驗和DFT計算表明，在HER過程中，Pt-O鍵應該是HER的活性位點，其中，Pt主要是一個電子獲取中心，而O則是一個質子吸附中心。當電化學過程中注入額外的電子和質子時，延長的Pt-O位點加速了電子和質子的耦合，導致Pt-O鍵上氫氣的快速釋放。
要點3. 因此，Pt-O可以作為針對HER的一個新的活性位點。該工作揭示了O原子在鉑基電催化劑中的作用，提高了對基于Pt的HER電催化劑的進一步理解，對于設計制備高活性的Pt基電催化劑具有重要的借鑒意義。
Fei-Yang Yu, et al. Pt-O bond as an active site superior to Pt 0 in hydrogen evolution reaction. Nature Communications, 2020.
DOI: 10.1038/s41467-019-14274-z
https://doi.org/10.1038/s41467-019-14274-z
13. Nature Commun.：單原子鎳修飾碳膜，為CO2還原工業化提供新視角
通過電還原方法將二氧化碳轉化為可再利用的燃料極具吸引力，既能解決溫室效應及其帶來的一系列問題，也能夠實現直接從大氣中獲取高附加值的化合物。因此，在過去幾年中，二氧化碳還原領域十分火熱，諸多學者發表了高水平研究結果。然而，工業水平的電流密度下，相對較少的催化劑可以維持。有鑒于此，深圳大學的何傳新教授團隊采用靜電紡絲法制備了自支撐的鎳單原子/多孔碳纖維膜催化劑（NiSA/PCFM），碳納米纖維中分布的單原子鎳位點對CO2的活化起著決定性的作用。
本文要點
要點1. 具有良好的機械強度的NiSA/PCFM多孔互連碳納米纖維網絡為CO2擴散和電子輸運提供了重要的通道。
要點2. 經測試，NiSA/PCFM可在308.4 mA cm-2的局部電流密度下工作120h，法拉第效率達88%。這項工作對于在工業化級別設計二氧化碳催化劑具有指導意義。
Hengpan Yang, et al. Carbon dioxide electroreduction on single-atom nickel decorated carbon membranes with industry compatible current densities. 2020.11: 593.
10.1038/s41467-020-14402-0
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14402-0
