納米人編輯部對2019年國內外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是柏林工業大學Peter Strasser教授。Peter Strasser教授此前的研究領域主要集中在PtM(M=Cu, Ni, Co)納米合金在酸性溶液中去合金行為對ORR性能的影響；研究不同納米結構對OER和CO2RR等電催化反應的影響規律；設計制備新型催化劑和發現新型催化路徑；利用高端表征設計深入研究電催化反應機理等領域下面，我們簡要總結了Peter Strasser教授課題組2019年部分研究成果，供大家交流學習。1）由于相關論文數量較多，本文僅限于通訊作者文章（不包括序言、短篇評述等），以online時間為準。2）由于學術有限，所選文章及其表述如有不當，敬請批評指正。3）由于篇幅限制，部分成果未列入編號，僅以發表截圖展示。
1. 在Cu和Cu串聯電催化劑上電還原CO2/CO共進料過程中提高乙烯收率的反應機理| Nat. Nanotech.
與提高能源效率和選擇性的挑戰不同，不純或故意混合的CO2原料對直接電化學CO2還原反應（CO2RR）的催化反應活性的動力學影響研究還很少。鑒于工業CO2進料經常被CO污染，因此有必要在CO2/CO共進料條件下對CO2RR進行更深入的研究。近日，柏林工業大學Peter Strasser等報道了基于銅的納米催化劑上的CO2/CO共進料的CO2RR反應性的機理研究。動力學同位素標記實驗（在具有毫秒級時間分辨率的操作差分電化學質譜毛細管流動池中進行）表明，C2H4的產量出乎意料地提高，通過交叉偶聯的12CO2-13CO反應路徑增加了近50％的產率。實驗表明，在反應物特異性位點的反應表面上，CO2和CO分子之間不存在位點競爭。金屬/非金屬摻雜Cu/Ni-N的碳串聯催化劑證明了在CO2消耗時持續局部界面CO分壓的實際意義。該工作在共同進料條件下改善了C2產物形成的機理，使不純的CO2/CO進料用于H2O/CO2電解槽成為了可能。Xingli Wang, et al. Mechanistic reaction pathways of enhanced ethylene yields during electroreduction of CO2–CO co-feeds on Cu and Cu-tandem electrocatalysts. Nat. Nanotech., 2019.DOI: 10.1038/s41565-019-0551-6https://www.nature.com/articles/s41565-019-0551-6
2. 工業電流密度下固體鎳-氮-碳催化劑高效催化CO2還原CO |EES
在電解槽設備中電化學CO2還原(CO2RR)合成純CO流的反應是近期最有可能在聚合物工業中商業化和應用的過程。然而，在堿性條件下，在銀、金等貴金屬(PGM)催化劑上電催化CO2還原成CO，成本高昂的問題限制了其廣泛應用。近日，德國柏林工業大學的Peter Strasser等人合作提出了一種有趣的替代方法，一種非貴金屬Ni和氮摻雜多孔碳催化劑(Ni-N-C)，其催化性能可與工業電解條件下最先進的電催化劑相媲美或超過后者。他們從小型的二氧化碳飽和液體電解質H-池篩選試驗開始，然后轉移到大型的二氧化碳電解槽，催化劑被組裝到氣體擴散電極(GDEs)中以創建一個反應三相界面。他們將Ni-N-C催化劑的法拉第CO產率和CO偏電流密度與Ag催化劑進行了比較,在工業電流密度達700 mA/cm2的情況下進行了長時間的電解試驗。Ni-N-C電極被證明可以提供200 mA/cm2以上的CO分電流密度，并在20小時內(200 mA/cm2)提供85%的穩定的faradaic CO效率。基于密度泛函理論的催化反應途徑的計算為Ag和M-N-C催化劑的選擇性趨勢提供分子機制基礎，N-配位金屬離子、Ni-Nx是CO形成催化活性位點的關鍵。除了具有成本低的優勢外，Ni-N-C粉末催化劑可以在酸性、中性和堿性條件下均可以適用。該工作證明了Ni-N-C和可能的M-N-C材料在CO2電催化還原合成CO反應中具有取代PGM催化劑的巨大潛力。Tim M?ller, et al. Efficient CO2 to CO electrolysis on solid Ni–N–C catalysts at industrial current densities. Energy & Environmental Science
3. 高功率低Pt負載質子交換膜燃料電池的多孔碳負載催化劑層中的離聚物分布控制| Nat. Mater.
降低質子交換膜燃料電池的陰極中Pt含量是非常重要的。但是，降低陰極電極的Pt負載會導致高電壓損耗，這些損耗主要來源于氧氣通過Pt-離子聚合物界面之間的傳質阻力。近日，柏林工業大學Peter Strasser，寶馬集團Alin Orfanidi等合作，報道了一種新的Pt催化劑/載體設計，大大降低了局部氧相關的傳質阻力。使用具有特定孔隙率的化學改性的碳載體可以控制Pt納米顆粒在載體顆粒的內外表面上的沉積。這使得離聚物在高表面積碳載體上空前的均勻覆蓋，特別是在干燥操作條件下。制備出來的催化劑除了在電壓循環下具有高穩定性外，還具有高的燃料電池功率密度。由于離聚物和碳載體上的N基團之間存在庫侖相互作用，因此可以確保離聚物均勻分布和可重復性。Sebastian Ott, et al. Ionomer distribution control in porous carbon-supported catalyst layers for high-power and low Pt-loaded proton exchange membrane fuel cells. Nat. Mater., 2019DOI: 10.1038/s41563-019-0487-0https://www.nature.com/articles/s41563-019-0487-0
4. 脫合金PtNi-核-殼納米催化劑顯著降低DMFCs中鉑用量| ACS Catalysis
直接甲醇燃料電池(DMFCs)使用甲醇作為液體燃料，具有高能量密度(4.33 kWh/l)、運輸儲存方便的優勢，是一種非常具有應用前景的燃料電池。然后催化甲醇氧化需要大量Pt作為氧還原催化劑（ORR），因此其成本仍然過高。鉑鎳核殼型催化劑是改進氫燃料電池氧還原動力學的理想催化劑。近日，Andreas Glüsen和Peter Strasser等人合作研究了DMFC陰極，DMFC陰極中必須同時發生氧還原和甲醇氧化反應。盡管人們做了許多努力來克服這些問題，但DMFC陰極仍然需要大量的鉑。在超過3000個工作小時的測量中，核-殼型催化劑的性能顯著提高，達到了與5倍于商業鉑催化劑的性能相似的效果。雖然之前已經對催化劑降解行為進行了深入的研究，但該工作證明了核-殼型催化劑在DMFC陰極環境中具有自我保護機制，而且長時間的操作實際上對于性能和穩定性是有利的，因為在PtNi核心上形成了獨特的富含Pt的外殼。而且，他們還利用過渡電子顯微鏡對催化劑進行了分析，研究了在核-殼型催化劑活化過程中催化劑結構的變化。Andreas Glüsen, et al. Dealloyed PtNi-Core–Shell Nanocatalysts Enable Significant Lowering of Pt Electrode Content in Direct Methanol Fuel Cells. ACS Catalysis, 2019.DOI: 10.1021/acscatal.8b048835. Mo摻雜調控PtNiMo八面體納米顆粒表面Ni組分提高氧還原反應活性| Nano Lett.貴金屬Pt催化劑的高成本和低儲量豐度是制約燃料電池廣泛應用的一個重要因素，因此在保證催化劑性能的前提下，降低Pt用量進而降低成本勢在必行，而設計合成低Pt含量的Pt合金用于替代傳統的Pt催化劑是研究人員非常感興趣的方向之一。近日，柏林工業大學Peter Strasser教授團隊制備了Mo摻雜八面體PtNiMo納米顆粒催化劑，研究發現，Mo優先占據了各向異性八面體PtNi粒子的富Pt邊緣和頂點，Mo摻雜可以調控八面體表面上Ni的含量，進而提高催化劑的電催化活性，在MEA單燃料電池試驗中，在0.9 Vcell下，鉑的持續質量活度為0.45 A/mgPt，并且具有優異的循環穩定性。該工作為設計提高Pt合金納米顆粒催化劑的活性和穩定性提供了一種新的思路。F. Dionigi, et al. Controlling Near-Surface Ni Composition in Octahedral PtNi(Mo) Nanoparticles by Mo Doping for a Highly Active Oxygen Reduction Reaction Catalyst. Nano Lett., 2019.DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02116https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02116
6. 碳負載八面體Pt-Ni合金燃料電池催化劑在原位電化學液體池中的活化和降解的實時成像|EES
碳載體上八面形Pt-Ni合金納米粒子對氧還原反應具有非常優異的電催化活性，是一種非常具有潛力的低溫燃料電池陰極催化劑。雖然八面體形狀賦予了催化劑優越的活性，但由于八面體形狀易變化，導致整體催化劑降解的結構動力學在很大程度上是未知的，因此目前形狀催化劑在燃料電池裝置中難以得到實際應用。近日，墨西哥國立自治大學的Ana Sofia Varela和柏林工業大學的Peter Strasser等人合作，使用原位干式電化學液體池，研究了碳負載的Pt-Ni合金催化劑在循環和啟動/關閉條件下的降解路徑，可以跟蹤觀察到催化劑在幾秒鐘內發生的變化。因此，可以精確地把電化學勢與催化劑的微觀結構反應聯系起來。通過觀察納米催化劑結構的變化，并研究工作條件下納米催化劑的溶解和再沉積過程發現，碳載體運動、顆粒運動和顆粒聚結是電位循環的主要微觀結構響應，并保持在碳腐蝕發生的區域。盡管從原位DEMS結果可以看出，在高電位保持和突然電位變化期間，催化劑的變化比循環電位掃描期間更為嚴重，但兩者都發生了碳腐蝕。此外，顆粒在碳載體上的附著程度不同，說明顆粒與碳載體之間存在一定的相互作用強度分布，因此需要對形狀顆粒的相互作用強度進行優化。該工作為燃料電池運行過程中納米催化劑的基本結構動力學提供了新的理解，并強調了需要更好的催化劑載體錨定和形態，以使這些高活性的形狀催化劑在PEM燃料電池應用中充分發揮作用。Vera Beermann, et al. Real-time imaging of activation and degradation of carbon supported octahedral Pt–Ni alloy fuel cell catalysts at the nanoscale using in situ electrochemical liquid cell STEM. Energy & Environmental Science, 2019.
7. 單原子金屬-氮-碳位點電化學產H2O2的活性選擇性趨勢| JACS
具有原子級分散的金屬-N摻雜碳材料（M-N-C）是一種非常具有潛力的電催化材料。然而，人們對M-N-C材料的兩電子ORR生成H2O2電催化活性的機理仍然了解不夠，而且催化劑的選擇性和穩定性有待進一步提高。因此，開發高效、長壽命的非貴金屬催化劑用于催化ORR生成H2O2仍然是一個巨大的挑戰。有鑒于此，柏林工業大學Peter Strasser教授、蒙彼利埃大學Frédéric Jaouen教授和哥本哈根大學Jan Rossmeisl教授合作，以ZIF-8和1,10-鄰菲羅啉分別為碳源和氮源，以相應的過渡金屬醋酸鹽作為金屬源制備了一系列M-N-C催化劑（M=Mn、Fe、Co、Ni和Cu），它們之間唯一顯著的區別是在M-NX中金屬陽離子中心的催化活性，采用旋轉圓盤圓環電極（RRDE）和旋轉圓盤電極（RDE）裝置分別研究了M-N-C催化劑對生成H2O2的活性和選擇性以及H2O2還原反應（H2O2RR）的性能，并在帶有Co-N-C陰極層的微流池電解槽反應器中進行了實驗室規模的H2O2生產試驗。電化學測試表明Co-N-C具有好的ORR活性、對H2O2有最高的選擇性和低的還原性。這使得它成為最好的生產H2O2的M-N-C催化劑。相反，Fe-N-C具有最高的ORR活性，但是對H2O2的選擇性很低。用密度泛函理論進一步分析了M-N-C材料的活性選擇性趨勢，為四電子和二電子ORR的實驗火山趨勢圖提供了分子尺度的理解。在靠近火山頂部的Co-N-C催化劑上，HO*中間體的預測結合能有利于雙電子的ORR。在一個微型流動電解池中展示了Co-N-C催化劑的H2O2工業生產效率，在電流密度為50mA/cm2的條件下，其產量高達4.33 mol gcatalyst-1h-1。Yanyan Sun, et al. Activity-selectivity trends in the electrochemical production of hydrogen peroxide over single site metal-nitrogen-carbon catalysts, J. Am. Chem. Soc., 2019.
8. 氮摻雜石墨烯上的平面碳晶格缺陷調節ORR合成H2O2性能|ACS Catalysis
碳基材料被認為是電化學氧還原反應(ORR)生成過氧化氫(H2O2)的有效催化劑。然而，有關平面碳晶格缺陷對ORR催化活性和選擇性影響的研究較少。近日，柏林自由大學的Siegfried Eigler和柏林工業大學的Peter Strasser等人合作，通過H2O2水熱處理制氧功能化石墨烯(oxo-G)和氧化石墨烯(GO)制備了石墨烯前體。統計拉曼光譜(SRS)分析表明，在oxo-G、oxo-G/H2O2、GO、GO/H2O2中，平面內碳晶格缺陷密度按順序逐漸增加。此外，通過對石墨烯前體的氫氧化銨水熱處理，制備了氮摻雜石墨烯材料。旋轉環盤電極(RRDE)結果表明，在0.1 M KOH中，具有最低平面內碳晶格缺陷的氧基石墨烯具有最高的H2O2選擇性，可以高達>82%。此外，在0.2 VRHE的H-cell中，H2O2的產率為224.8 mmol gcatalyst-1 h-1，法拉第效率為>43.6%。該工作為設計和合成用于H2O2生產的碳基電催化劑提供了新的思路。Lei Han, et al. In-Plane Carbon Lattice-Defect Regulating Electrochemical Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide Production over Nitrogen-Doped Graphene. ACS Catalysis, 2019.DOI: 10.1021/acscatal.8b037349. 通過壓應變調控單原子Ru的電子結構，促進酸性環境下的水氧化催化|Nat. Cat.單原子貴金屬催化劑具有良好的應用前景，但對其活性和穩定性的控制仍是一個具有挑戰性的課題。有鑒于此，中國科技大學的吳宇恩教授和李微雪教授、Peter Strasser、李亞棟院士等人通過壓縮應變將原子級分散的Ru負載到金屬載體上，可以極大地促進電催化析氧反應(OER)，并降低在酸性電解質中釕基電催化劑的降解。通過連續的酸刻蝕和電化學浸出實驗，成功制備了一系列單原子Ru負載的PtCu催化劑，發現OER活性與PtCu合金晶格常數之間呈現火山型曲線關系。其中活性最好的催化劑，Ru1-Pt3Cu，在電流密度為10 mA cm - 2的條件下，呈現出90 mV的低過電位，比商業化的RuO2催化劑使用壽命長了一個數量級。理論研究表明，Pt表面的應力能夠影響Ru原子的電子結構，進而實現抗過氧化和溶解。Yancai Yao, et al. Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis. Nat. Catal., 2019.DOI: 10.1038/s41929-019-0246-2https://www.nature.com/articles/s41929-019-0246-2
10. 海水直接電催化分解的機遇與挑戰|ACS Energy Letters
基于化石燃料能源結構引起的能源短缺和不斷增加的環境污染，使得開發新型清潔可再生的能源儲存和轉換系統迫在眉睫。現有電解水的技術大都基于純水，而超過95%的地球水資源——海水少有關注。地球上浩瀚的海洋為人類提供了豐富的水資源，如果能利用太陽能、風能等可再生能源發電，直接將海水通過電催化分解，就可以制備大量清潔燃料氫氣，有助于緩解甚至解決目前的環境問題和能源問題。炎熱，沿海，超干旱地區由于具有強烈的太陽輻射和強大的離岸風，因此是使用風力渦輪機或光電設備生產可再生電力的理想地點。由于有充足的海水資源和稀缺的淡水資源，在這些地區使用直接和選擇性電解將海水分解成分子氫和分子氧成為一項潛在的非常具有吸引力的技術。而且水裂解反應作為一系列重要的能源轉換技術（例如氫氧燃料電池、金屬-空氣電池和電解池）的核心，它的發展對于緩解能源危機具有重要意義。近日，柏林工業大學的Peter Strasser教授等人綜述了海水直接電催化分解的機遇與挑戰，他們認為海水直接電催化分解的關鍵挑戰包括陽極氯化學和析氧反應(OER)之間的競爭，而且設計開發低成本、高活性和長壽命的選擇性OER和析氫反應(HER)電催化劑，直接用于海水電解槽也是一項關鍵的挑戰。他們展望了直接海水電解與氫燃料電池技術(可逆海水電解)相結合的發展前景，探討了其作為能量轉換-淡水生產聯合技術的適用性。該工作對于促進海水直接電催化分解技術的發展具有重要的意義。S?ren Dresp, et al. Direct Electrolytic Splitting of Seawater: Opportunities and Challenges. ACS Energy Letters, 2019.DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00220
11. 金屬氮摻雜碳催化劑上催化CO2還原的研究進展|ACS Catalysis
電化學CO2還原反應(CO2RR)是一種非常具有潛力的將廢棄CO2轉化為化工原料或合成燃料的技術。然而，這一進程的技術可行性取決于能否找到經濟和有效的催化劑。最近，含有少量的氮和過渡金屬的碳基固體催化劑材料（MNC）具有選擇性和低成本的優勢，已成為一種替代貴金屬催化劑的直接電化學還原二氧化碳催化劑。而且，目前已經有利用含氮和過渡金屬的碳基固體催化劑電催化CO2還原制備甲酸和甲烷等產品的報道。近日，墨西哥國立自治大學的Ana Sofia Varela和柏林工業大學的Peter Strasser等人合作綜述了金屬氮摻雜碳催化劑上催化CO2還原的研究進展，他們重點討論了二氧化碳還原催化劑的最新進展，從該角度討論了MNC對CO2RR催化性能的不同影響因素。他們專注于密度泛函理論指導下的實驗研究，旨在闡明控制這類材料活性和選擇性的關鍵實驗參數和分子描述符。最后他們總結了金屬氮摻雜碳催化劑催化CO2還原的挑戰，并對未來的研究進行了展望。該工作有利于促進金屬氮摻雜碳催化劑催化CO2還原領域的進一步發展。Ana Sofia Varela, et al. Electrochemical Reduction of CO2 on Metal-Nitrogen-Doped Carbon Catalysts. ACS Catalysis, 2019.DOI: 10.1021/acscatal.9b01405除此之外，Peter Strasser教授課題組2019年在電催化CO2還原/析氧反應/氧還原反應等方面還發表了一系列重要成果，由于內容較多，在此不一一列出。感興趣的讀者可前往Peter Strasser教授課題組網站學習。http://www.technischechemie.tuberlin.de/menue/about_us/univ_prof_dr_p_strasser/parameter/en/Peter Stasser，柏林工業大學教授，H-index: 72，目前，已在Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Nature Communications等高水平期刊上發表260多篇論文，申請專利16份，出版專著6本，是公認的電催化領域大牛。1991-1992年于美國斯坦福大學學習，師從J.Ross教授；1992-1993年于意大利比薩大學學習，師從F.Calderazzo教授；1988-1995年于德國圖賓根大學學習，獲得碩士學位；1995-1999年于德國柏林馬克斯普朗克學會弗里茨哈伯研究所獲得博士學位，師從Gerhard Ertl教授（2007年諾貝爾化學獎獲得者），主要研究物理化學、催化和電催化；1996-1997年于日本橫濱索尼公司作為前沿材料科學實驗室訪問科學家；2000-2001年于加利福尼亞州圣克拉拉Symyx Technologies進行博士后研究；2001-2004年擔任Symyx Technologies高級職員科學家/組長-電子材料組/多相催化組；2004-2007年于休斯頓大學化學工程系擔任化工副教授；2007年-至今，德國柏林工業大學化學系化學工程系，化學與化學工程系主任教授，電化學催化、能源和材料科學實驗室主任。（注：以上簡介及文中海報整理自網絡及Peter Strasser教授課題組網站）
