李亞棟院士課題組主要從事無機納米材料合成化學研究，目前致力于挑戰金屬團簇、單原子催化劑以期實現非貴金屬替代貴金屬催化劑、探索實現催化新反應，解決催化劑均相催化異相化實驗室與工業化技術難題。
下面，我們簡要總結了李亞棟院士團隊于2020年以來發表的部分研究成果，供相關領域研究人員參考。
1. Nature Nanotechnology：Rh單原子電催化劑助力甲酸燃料電池
甲酸燃料電池是最有希望在未來應用于便攜式電子設備的電池之一，雖然貴金屬如鉑（Pt）和鈀（Pd）通常被認為是是現今對于甲酸氧化反應（FOR）最有效的催化劑，然而，它們較差的單位質量活性與抗中毒性卻阻礙了甲酸燃料電池的應用，因此，為了滿足甲酸燃料電池的應用需求，必須開發新型的FOR電催化劑。
有鑒于此，清華大學李亞棟院士和王定勝副教授等在Nature Nanotechnology發表了他們關于銠（Rh）單原子負載的氮摻雜碳（SA-Rh/CN）電催化劑催化氧化FOR成果，SA-Rh/CN材料有效地解決了FOR催化劑單位質量活性低與抗中毒性差的問題。
本文要點：
要點1. 通過原位合成法合成Rh/ZIF-8前驅體，并通過900 oC煅燒，成功合成了SA-Rh/CN電催化劑，表征發現，合成的SA-Rh/CN與ZIF-8展現出相似的六方形貌，并且其中Rh單原子分布均勻。
要點2. 盡管Rh/C電催化劑的FOR活性較低，SA-Rh/CN的單位質量活性與最新的Pd/C和Pt/C電催化劑相比卻分別提高了28倍和67倍，同時，SA-Rh/CN的抗CO中毒性能也顯著增強。經過長時間測試后，Rh單原子的團聚現象并不明顯，具有出色的催化穩定性。
要點3. DFT計算表明，在SA-Rh/CN表面，甲酸（HCOOH）先分解為HCOO*，然后再被氧化為CO2。同時根據計算結果，在SA-Rh/CN表面要生成CO的反應能壘較高，同時SA-Rh/CN表面與CO的親和性較弱，導致了SA-Rh/CN有很好的抗CO中毒性能。
基于以上討論，該論文報道了一種極為高效的FOR電催化劑，同時也為今后FOR電催化劑的開發提供了嶄新的思路。
Xiong et al., Single-atom Rh/N-doped carbon electrocatalyst for formic acid oxidation, Nat. Nanotech., 2020.
DOI: s41565-020-0665-x
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0665-x
2. Angew：稀土鉺單原子催化劑可用于增強光催化CO2還原反應
由太陽能驅動將CO2（CO2RR）光催化還原為化學燃料是減少CO2排放并生產增值產品的可行途徑。然而，由于缺乏有效的催化劑，尤其是在純水系統中，低的催化效率和低的選擇性阻礙了光催化CO2RR的發展。為了應對這一場挑戰，清華大學王定勝副教授，李亞棟院士和黑龍江大學王國鳳教授等人報告了一種新穎的原子限制和配位（ACC）策略，以制備在氮化碳納米管上負載具有可控分散密度的稀土鉺（Er）單原子（Er1/CN-NT）催化劑。
本文要點：
1）提出了一種原子限制和配位策略，并成功合成具有可調鉺原子分散度的稀土單原子催化劑。該合成策略簡便易行，用途廣泛，可擴展到其他稀土單原子催化劑的合成，豐富了單原子催化劑的元素類型。
2）實驗結果和原位XAFS以及DFT計算共同表明，鉺在原子級別上的均勻分散對光催化CO2RR優異性能有主要貢獻。
3）首次發現稀土單原子光催化CO2RR特性，并提出稀土單原子催化劑的合成策略，拓寬了光催化劑的選擇，并促進了對稀土單原子催化的機理的理解和實際應用。
Dingsheng Wang, et al. Rare‐earth single erbium atoms for enhanced photocatalytic CO2 reduction reaction, Angew. Chem. 2020
DOI: 10.1002/ange.202003623
https://doi.org/10.1002/ange.202003623
3. Chem：調控多相Cu催化劑中Cu-O鍵的極性優化其炔烴硼氫化催化性能
對于多相催化劑，活性金屬中心與配位原子間形成鍵合力，這一配位化學鍵的性質對催化劑的性能有著重要的影響。然而，多相催化劑的配位環境往往難以調控的，因而很難通過對配位環境與其活性之間的關系。化學鍵的性質受其極性調控，因可以通過調節多相催化劑中配位鍵的極性來調控其催化活性。
近日，清華大學李亞棟院士和王定勝副教授等人合作，提出了一種有效控制多相Cu催化劑中Cu-O鍵極性的方法，可以提高其在硼氫化反應中的催化活性。
本文要點：
1）他們首先通過濕法浸漬的方法在氧化鈰納米棒(CeO2)載體上構建了具有弱極性Cu-O鍵的單原子位點Cu催化劑。隨后，他們利用密胺樹脂高溫熱解還原氧化鈰的策略，成功得到具有強極性Cu-O鍵的氧化鈰納米棒負載的單原子位點Cu催化劑。
2）研究發現，經過密胺樹脂熱解還原處理后的催化劑中的單原子位點Cu中心的電子密度降低，氧化鈰表面的配位O原子的電子密度升高。這一電子密度的改變顯著增加了Cu-O鍵的偶極矩，即Cu-O鍵的極性得到了增強。而且，具有強極性Cu-O鍵的催化劑表現出明顯高于具有弱極性Cu-O鍵的催化劑的催化活性。
該工作提高了對化學鍵性質與催化性能之間的相關性的理解，為設計制備更高性能的多相催化劑提供了一種新的思路。
Jian Zhang, Ziyun Wang, Wenxing Chen, Yu Xiong, Weng-Chon Cheong, Lirong Zheng, Wensheng Yan, Lin Gu, Chen Chen, Qing Peng, P. Hu, Dingsheng Wang, Yadong Li. Tuning Polarity of Cu-O Bond in Heterogeneous Cu Catalyst to Promote Additive-free Hydroboration of Alkynes. Chem, 2020.
DOI: 10.1016/j.chempr.2019.12.021
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.12.021
4. Matter綜述：原子級精度的結構調節:從單原子位點到雙原子和原子界面催化
單原子位點催化劑(SASCs)作為催化領域中一個新興的門類，在一系列重要的催化反應中表現出優異的活性、選擇性和穩定性。SASCs的組成和結構對催化性能有很大的影響。因此，在原子水平上對結構進行合理的操作，從而設計不同的活性位點來提高整體催化性能對于SASCs來說至關重要。
近日，清華大學陳晨副教授和李亞棟院士等人合作比較了SASCs與團簇/納米顆粒的催化行為，并系統地解釋了SASCs的微觀結構對催化性能的影響。
本文要點：
1）基于SASCs的缺點，引出經過原子級精度結構調節的金屬雙原子催化劑（MDSCs），并指出其反應機理——協同效應；由于SASCs等物質通常具有高度一致且容易識別的活性位點，可以從原子角度解釋催化反應機理。
2）隨后，他們總結了協同催化在雙原子、多原子位點、單原子合金和原子界面上的研究進展，并強調了原位表征技術對活性位點監測的重要意義。
3）最后，他們討論了SASCs的局限性、發展趨勢和未來的挑戰，并對進一步構建更復雜的催化反應活性位點提出了展望。
目前單原子催化劑的開發和應用仍處于研究階段，離工業應用還較為遙遠。基于單原子催化劑的巨大優勢，相信單原子催化劑將在催化領域大放異彩。
Yuan Pan; Chao Zhang; Zhi Liu; Chen Chen; Yadong Li. Structural Regulation with Atomic-Level Precision: From Single-Atomic Site to Diatomic and Atomic Interface Catalysis. Matter, 2020.
DOI: 10.1016/j.matt.2019.11.014
https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.11.014
5. Chem. Rev.綜述：單原子位點催化劑的化學合成
以可控的方式操縱金屬原子來合成具有理想結構和性能的材料是化學合成的圣杯。單原子位點催化劑(SASC)的出現表明科研人員正在朝著這個目標邁進。由于其最大的原子利用效率和獨特的結構和性能，SASC引起了廣泛的研究關注和興趣。但SASC科學研究和實際應用的前提是在合適的載體上制備高活性、穩定的金屬單原子。在此，清華大學李亞棟院士與王定勝副教授等人綜述了近年來合成SASC的各種合成策略。
本文要點：
1）首先科研人員著重介紹了近年來國內外在SASC化學合成方面的研究進展，總結了各種SASC的合成策略，并通過具體的合成實例，重點介紹了如何在合成和反應過程中穩定單金屬原子的遷移和聚集。
2）此外，還舉例說明了SASC的合成過程，如退火溫度、配位點設計、載體選擇等，是如何影響SASC的原子結構和穩定性以及催化性能的。作者指出，在單原子體系中，即使具有相同的中心金屬原子，這些單原子位點催化劑通常也表現出不同的催化性能。因此，在原子尺度上精確設計和可變調節SASC中活性位點的配位數和局部原子結構，以實現其優異的活性，是一個非常重要和具有挑戰性的研究領域。
3）最后，提出了SASC合成技術的發展方向，并展望了SASC科學研究和實際應用的前景與挑戰。開發高活性、高選擇性、高穩定性的催化劑一直是工業催化的關鍵任務和最終目標。由于SASC優異的催化活性和潛在的成本優勢，應更加關注其工業應用的挑戰：（1）探索并實現非均相反應，以取代傳統的均相反應；2）提高SASC的穩定性，特別是在高金屬負載或高反應溫度下，以滿足工業需求；（3）解決多相催化中催化劑碳沉積和金屬活性位點中毒等問題；（4）篩選出適合工業應用的單原子催化系統，開發具有大規模應用前景的生產技術；（5）加快單原子催化的工業化應用，推動SASC在各個研究領域的廣泛應用，盡快造福社會。
Shufang Ji, et al. Chemical Synthesis of Single Atomic Site Catalysts. Chem. Rev. 2020.
DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00818
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00818
6. Chem. Soc. Rev.：用于水分解、氧還原以及選擇性氧化的原子位點電催化劑
電催化反應在清潔能源轉化中扮演著重要角色。近年來，原子位點催化劑，包括單原子位點催化劑以及雙原子位點催化劑等憑借極高的原子利用效率、明確的催化活性位點以及高催化選擇性等優勢而被視為貴金屬催化劑的良好替代品。在本文中，清華大學化學系李亞棟院士與陳晨副教授等對近年來原子位點催化的相關進展進行了綜述。
本文要點：
1) 作者在文章中首先介紹了單原子催化劑、雙原子催化劑等電催化新寵的設計與合成方法。然后，對于這些原子位點電催化劑確定精確原子結構所需的先進表征手段進行了簡單介紹。
2) 在文章的第二部分，作者對原子位點催化劑在一些清潔能源轉化反應中的進展進行了詳細的介紹：其中包含水分解反應（包括氫析出反應和氧析出反應）、氧還原反應（包括四電子的氧還原生成H2O/OH-的反應和兩電子氧還原生成H2O2/HO2-的反應）以及生成酸、甲醇、乙醇的等選擇性電催化氧化反應。
3) 作者在文章最后探討了開發具有更高選擇性、更高催化活性、更穩定和更低成本的原子位點催化劑所面臨的機遇與挑戰。
Di Zhao et al, Atomic site electrocatalysts for water splitting, oxygen reduction and selective oxidation, Chem. Soc. Rev., 2020
DOI: 10.1039/C9CS00869A
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/c9cs00869a/unauth#!divAbstract
7. EES綜述：CVD生長2D過渡金屬二硫化物：原子尺度工程及電催化應用
化學氣相沉積（CVD）是一種合成原子薄的二維（2D）納米材料的有效方法，其合成的納米材料具有高質量，厚度均勻，效率高，可控制性和可擴展性的優點。得益于引人入勝的電子和化學特性，二維過渡金屬二硫化物（TMDs）在與能源有關的電催化應用中受到越來越多的關注，包括析氫，二氧化碳的還原，析氧和I3-的還原等。定制CVD生長的TMDs的表面和界面不僅對于改善電子結構和導電性，而且對了解活性位點的內在本質至關重要。因此，迫切需要對CVD生長的2D TMDs進行電催化的全面而深入的認識。
近日，中南大學雷永鵬教授，清華大學王定勝副教授，李亞棟院士和湖南大學段曦東等人重點介紹了2D TMDs的表面和界面工程策略的最新進展，例如幾何尺寸控制，缺陷工程，摻雜改性，相變，應變調整和異質結構的構建。最后，還討論了當前的挑戰和前景。綜述旨在為能量電催化的2D TMD中的原子級活性位點提供深刻的理解和設計。
綜述要點：
1）通過CVD合成的2D MX2具有較高的晶體質量，晶體取向，較大的疇尺寸，厚度均勻性和連續性等特點，可以選擇性地進行工程設計使其用以能量電催化。研究人員已經成功地合成了各種2D TMDs納米片。
（1）單晶2D TMDs的合成途徑分為兩類：（i）第一類是預先沉積的基于金屬的前體（例如金屬薄膜或金屬氧化物）的硫化，硒化或碲化。作為兩步增長路線（路線1）；（ii）第二種是將具有金屬元素和硫族元素的氣態原料同時引入多溫區爐中，并在生長底物上相互反應形成MX2（路線2）。
（2）CVD合成的2D TMDs的異質結構已經引起了越來越多的關注，一般說來，其異質結構包括橫向和垂直異質結構，它們的差異源于明顯的成核和生長動力學條件。
（3）合適的基材對于高質量MX2納米片和相應的電化學材料的生長至關重要。隨著CVD生長的TMDs的大量研究，絕緣單晶（例如，石英，云母，SrTiO3和藍寶石等）都是優良的襯底。同時，將已生長的TMDs轉移到任意基材上對于研究材料性能至關重要。石墨，GC和CC的弱界面相互作用可能會限制電子從電極轉移到活性位。相比之下，金箔是一種理想的基材。
2）為了設計具有各種物理和化學性質（例如電導率，電子結構和催化性質）的2D TMDs，綜述討論了六種原子級工程策略包括：（1）幾何尺寸控制（確保2D超薄特性，從而增加費米能級附近的狀態密度并暴露出更多低配位的位點。通過尺寸限制可以明顯改善界面電荷轉移和催化反應性。）；（2）缺陷工程（調節電催化劑表面電子結構，優化吸附能的重要策略。在2D TMDs上具有高精度的工程缺陷，其有利于獲得必要的缺陷催化機制，這些缺陷還充當“陷阱”，以捕獲金屬前體并穩定金屬原子以形成單中心催化劑。）；（3）摻雜改性（由于摻雜劑和摻雜位置的多樣性，雜原子摻雜主要修飾局部表面結構）；（4）結構相變（提供了與原始材料不同的獨特物理/化學特性（例如金屬特性），引起了廣泛關注。它使惰性基礎平面具有電催化活性）；（5）應變調整（晶格應變可能會破壞相應電化學反應的線性比例關系，從而優化活性，選擇性和穩定性）；（6）異質結構構造（橫向/垂直異質結構）（形成的異質界面引起增強的電子轉移能力和許多低配位位點。因此，可以通過精心設計異質結構來優化反應能壘）。
3）總結了CVD合成2D TMDs面臨的一些挑戰及解決方案：（1）合成路線相對難以實現高通量生產。同時，在轉移過程中，容易發生TMDs的污染。因此，有必要努力探索在合適的底物上直接合成TMD的實用而直接的策略；（2）原子級缺陷的可控制合成2D TMDs是一個有吸引力的但具有挑戰性的任務；（3）由于長期運行，CVD合成的TMDs電催化劑無法避免結構重建。重建的TMDs與原始的TMDs不同，這使得對真實活性位點的鑒定更加困難。因此，跟蹤反應過程中的結構演化和重構至關重要。并且確實需要原位或操作光譜表征工具（例如EXAFS），這有助于獲得真正的反應機理；（4）目前，CVD生長的TMD作為電催化劑的研究主要集中在HER上。可以嘗試探索其在CO2RR和N2還原反應中的潛在應用，這將有助于準確地獲得原子級的催化機制；（5）當前CVD合成的TMDs納米催化劑的活性評估主要在于簡化的設備，而集成電極的研究很少，這需要研究人員特別關注其在集成電極上的應用。
Wang, Qichen, et al, Atomic-scale engineering of chemical vapor deposition-grown 2D transition metal dichalcogenides for electrocatalysis, Energy Environ. Sci., 2020
DOI: 10.1039/D0EE00450B
http://dx.doi.org/10.1039/D0EE00450B
