催化是化學的核心領域之一，對國民經濟社會發展起到不可或缺的推動作用。所謂納米催化，并非僅僅是因為使用了納米級的材料，而是從原子和分子的角度來研究催化機理和反應過程，這也是納米催化之所以區別于傳統催化的根本特征。
今天，我們簡要匯總一下Nature系列子刊上新鮮出爐的3篇催化相關文獻，以供交流學習。
第一篇：液相剝離赤鐵礦，增強可見光催化！
第一作者：Aravind Puthirath Balan
通訊作者：Pulickel M. Ajayan, Madom Ramaswamy Iye, Chandra Sekhar Tiwary
第一單位：萊斯大學（美國）
研究亮點：
1. 首次從天然赤鐵礦剝離出非范德華二維赤鐵礦烯納米材料
2. 赤鐵礦烯具有和天然赤鐵礦截然相反的鐵磁性
3. 赤鐵礦烯有助于增強可見光催化活性
自打石墨烯獲諾獎以來，二維材料的蓬勃發展和應用前景無須贅言。開發新型的、功能化的、實用的二維材料，是科研工作者孜孜以求的研究方向。
有鑒于此，來自美國萊斯大學的Pulickel M. Ajayan、Madom Ramaswamy Iyer和Chandra Sekhar Tiwary團隊合作報道了一種液相剝離天然赤鐵礦獲取非范德華結構二維赤鐵礦烯的方法。
研究人員首先在丙酮濕潤條件下將赤鐵礦精細研磨成粉末，通過以DMF作為溶劑，通過常規超聲實現液相剝離。TEM證實存在單層和雙層赤鐵礦烯二維納米材料。
圖1. 液相剝離赤鐵礦烯二維納米材料
圖2.赤鐵礦烯形貌
這種赤鐵礦烯的特別之處在于：
1）體相赤鐵礦表現出反鐵磁性，而DFT和磁性能測試表明二維赤鐵礦烯表現出弱鐵磁性。
2）將這種二維赤鐵礦烯負載于TiO2納米管上之后，有效增強了TiO2可見光催化性能。研究人員認為，雖然從能帶結構上來看并不利于電荷傳遞，但是光生電子仍然可以從赤鐵礦烯轉移到TiO2。
圖3. 赤鐵礦烯磁學測試
圖4. 赤鐵礦烯增強TiO2可見光催化活性
Aravind Puthirath Balan, Pulickel M. Ajayan, Madom Ramaswamy Iye, Chandra Sekhar Tiwaryet al. Exfoliation of a non-van der Waals material from iron ore hematite. Nature Nanotechnology 2018.
第二篇：捕獲等離激元產生的多電子空穴對，增強可見光催化！
第一作者：Youngsoo Kim
通訊作者：Prashant K. Jain
第一單位：伊利諾伊大學香檳分校（美國）
研究亮點：
系統研究了等離激元增強可見光催化活性過程中的電子捕獲機理，為可見光催化CO2還原和固氮提供了有效指導。
人工光合作用能模仿植物將CO2和H2O轉化成有用化學品和燃料，而其中的多電子氧化還原步驟太過緩慢，導致轉化效率較低。近年來，以Au、Ag為代表的等離激元納米顆粒表現出增強的可見光還原CO2催化性能。如何理解等離激元增強機理，是指導開發更優異人工光合作用催化劑的關鍵一步。
有鑒于此，伊利諾伊大學香檳分校的Prashant K. Jain課題組通過定量捕獲金納米光催化劑等離激元激發產生的多電子-空穴對，系統研究了等離激元增強可見光催化的機理。
圖5. 等離激元金納米顆粒上的電子傳遞
實驗和理論模型綜合表明：
1）從金納米顆粒捕獲的電子傳遞動力學與光通量成函數關系。
2）在空穴清除劑存在的條件下，由于金納米顆粒能帶間d→sp過渡，電子-空穴成功分離，可以在連續的、溫和的可見光照下（0.5-1.0 W cm-2）實現多電子捕獲，從而提高反應速率。
圖6. 電子傳遞速率和光通量關系
圖7. 空穴清除劑助力多電子傳遞
Youngsoo Kim, Jeremy G. Smith and Prashant K. Jain. Harvesting multiple electron–hole pairs generated through plasmonic excitation of Au nanoparticles. Nature Chemistry 2018.
第三篇：納米Pt與二維載體之間的反應性金屬-載體相互作用！
第一作者：Zhe Li
通訊作者：Yue Wu
第一單位：愛荷華州立大學（美國）
研究亮點：
使反應性金屬-載體相互作用不載再限于氧化物載體，為開發更多種類的反應性金屬-載體相互作用開辟了道路。
對負載型多相催化劑而言，載體和金屬之間的反應可以產生形貌效應、電子效應以及多組分協同效應，從而調控催化活性。目前大多數載體都局限于氧化物這片小樹林，阻礙了反應性金屬-載體相互作用的發展道路。那么，是不是真的只有氧化物能夠實現反應性金屬-載體相互作用呢？
有鑒于此，愛荷華州立大學Yue Wu團隊報道了一種利用非氧化物載體Nb2CTx MXene構建反應性金屬-載體相互作用的方法。
研究人員在350℃條件下對Pt/Nb2CTx納米催化劑進行H2還原處理，在保持Pt納米顆粒尺寸的情況下，減少了Nb2CTx表面的官能團，并形成Pt-Nb合金。表征結果表明，Pt-Nb合金相比于純Pt具有更弱的CO吸附作用。而且，相比于沒有被還原的Nb2CTx或體相Nb2CTx，Pt-Nb/Nb2CTx納米催化劑表現出更高的H2O解離活性，從而實現更優異的水煤氣變換性能。
圖8. 1% Pt/Nb2CTx MXene的水煤氣變換反應動力學
圖9. 1% Pt/Nb2CTx MXene催化劑表征
Zhe Li, Yue Wu et al. Reactive metal–support interactions at moderate temperature in two-dimensional niobium-carbide-supported platinum catalysts. NatureCatalysis 2018.
