1.Nature Commun：晶界工程增強Au的電催化ORR性能
人們研究發現，在ORR等電催化反應中，貴金屬的晶界是增強催化活性的關鍵位點。但是傳統修飾晶界的方法通常不可避免的改變晶體的尺寸或形貌，這影響了研究晶界對催化性能的特定作用。有鑒于此，馬克斯·普朗克可持續材料研究所Xin Geng、Zhenyu Wang、Baptiste Gault等報道通過研究Au納米組裝體，調節合成過程中Au納米粒子的碰撞頻率的方式控制形成晶界的密度，解決了研究晶界在電催化反應性能中的作用的挑戰。1）研究弄清了隨著晶界密度的增加，2e- ORR電催化活性的增強情況，發現晶界密度增加比活性和質量活性都顯著增強。 2）由于晶界處的硼發生偏析，阻礙了結構坍塌，因此具有豐富晶界的Au納米粒子組裝體具有優異的電化學穩定性。這項研究為優化貴金屬催化劑的活性、反應選擇性、穩定性提供了晶界邊界工程策略。
Geng, X., Vega-Paredes, M., Wang, Z. et al. Grain boundary engineering for efficient and durable electrocatalysis. Nat Commun 15, 8534 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-52919-whttps://www.nature.com/articles/s41467-024-52919-w2.Nature Commun：無膜配位電催化體系處理廢水合成NH3和Cl2并且同時分離產物電化學合成技術是化學工業實現脫碳的路徑，電化學合成能夠在溫和反應條件生產高附加值的化學品。有鑒于此，新澤西理工學院張文教授等報道沒有膜的流動相電解槽進行配對電催化反應，將硝酸鹽（NO3-）和氯（Cl-）廢品物質轉化為NH3和Cl2。1）這種電解槽通過將電化學合成和氣體產物分離結合，減少了非必要的NH3和Cl2的氧化還原反應，以及產物損失。2）當使用3個電解槽堆柵模組，能夠高效率的進行反滲透廢物流處理。從而能夠生成濃度為83.8mM (NH4)2SO4和243.4mM NaClO，生成固體產物的單位用電量達到7.1kWh kg-1。處理后廢水中的NH3/NH4+濃度為0.3mM，NO2-濃度為0.2mM，Cl2/HClO/ClO-濃度為0.1mM，達到了廢水排放污染物含量的標準。這項研究展示了通過選擇合適的半反應搭建的配對電催化反應體系，能夠利用廢水代替電解液，并且將合成過程與分離過程結合，完善了電化學合成平臺。 Gao, J., Ma, Q., Wang, Z. et al. Direct electrosynthesis and separation of ammonia and chlorine from waste streams via a stacked membrane-free electrolyzer. Nat Commun 15, 8455 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-52830-4https://www.nature.com/articles/s41467-024-52830-4 3.Angew：Cu11Ag3針尖增強效應促進電催化還原硝酸鹽合成氨電化學還原硝酸鹽合成氨是一條符合可持續發展要求的消除NO3-和合成氨路線。有鑒于此，蘇州科技大學楊鴻斌教授、馬汝廣教授、郭春顯副教授等報道雙金屬Cu11Ag3納米針催化劑通過調節局部環境和針尖增強作用，實現了優異的電催化還原硝酸鹽合成氨性能。1）雙金屬Cu11Ag3納米針催化劑在低過電勢（-0.33V vs RHE）具有超高的NH3產率（2.36mmolh-1cm-2），法拉第效率達到98.8%。在1800mg-NL-1 NO3-具有長期穩定性，法拉第效率達到86.9%，產物中的NH3選擇性達到93.8%。2）有限元計算和DFT理論計算結果說明Cu11Ag3能夠降低*N中間體的吸附能能壘，有助于水分子解離生成*H，并且導致生成H2的高能壘，通過針尖增強促進NO3-聚集。 Chunxian Guo, Changhong Wang, Zhengyang Liu, Quanxiao Peng, Dandan Xing, Tao Hu, Feng Du, Changming Li, Ruguang Ma, Hongbin Yang, Bimetallic Cu11Ag3 Nanotips for Ultrahigh Yield Rate of Nitrate-to-Ammonium, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415259https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024152594.上海交大Angew：Ag-異氰配位構筑2D MOF電催化還原CO2由于MOF具有廣泛的應用和易調節的結構，因此得到廣泛研究，但是通常MOF的研究主要關注于雜原子配位結構，如何理性的設計C-金屬配位MOF仍然是個挑戰。有鑒于此，上海交通大學莊小東研究員等報道設計了Ag-C配位的2DMOF材料，通過Ag(I)鹽和異氰化物在溫和條件的配位合成這種2D MOF。1）合成的2D MOF材料具有明確的晶體結構，交錯的AB堆疊，而且由于缺少層間π-π相互作用，因此能帶僅為1.42eV。在電催化還原CO2制備CO中，法拉第效率達到92%。2）因為異氰根的σ供體作用和配體-金屬電荷轉移，MOF的碳原子位點能夠促進吸附CO2和*COOH（而不是在Ag位點），因此改善CO2催化還原性能。這項工作不僅開發了新型金屬-異氰配位結構的MOF，而且有助于理解強極性碳物種的電催化反應。 Kaiyue Jiang, Pu Yan, Pengfei Shi, Jichao Zhang, Xinyu Chai, Yunfei Wang, Chenhui Zhu, Chongqing Yang, Chenbao Lu, Yi Liu, Kecheng Cao, Xiaodong Zhuang, Two-Dimensional Silver–Isocyanide Frameworks, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202417658https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024176585.Angew：新型NaNbCl6-2xOx固態鈉離子電池由于鈉的儲量高，而且比鋰的成本更低，因此鈉基電池的相關研究受到關注。固態鈉電池還可以提供進一步的安全優勢。然而，現有的鈉基固態電解質（SSE）存在缺點，比如高離子電導率、陰極的氧化穩定性和易加工性。 有鑒于此，得克薩斯大學奧斯汀分校Arumugam Manthiram等報道一種新型的鈉基鹵氧化物電解質NaNbCl6-2xOx。1）其合成過程使用簡單的機械化學合成，與鹵化物對應物NaNbCl6（3x10-6Scm-1）相比，氧鹵化物NaNbCl4O在環境溫度下的鈉離子電導率（1.03x10-4 Scm-1）高出近兩個數量級。通過23Na和93Nb魔角自旋核磁共振（MAS NMR）光譜和XRD鑒定NaNbCl6-2xOx的氧含量結構。2）使用NaNbCl4O電解質和無鈷和無鎳層狀Na0.70Fe0.3Mn0.65Al0.05O2陰極組裝的固態鈉電池在環境溫度下具有155mA h g-1的最大放電容量和良好的循環壽命。 Steven Kmiec, Erick Ruoff, Arumugam Manthiram, A New Class of Oxyhalide Solid Electrolytes NaNbCl6-2xOx for Solid-state Sodium Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202416979https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024169796.JACS：局部配位結構調控增強Pd單原子催化劑的CO催化氧化穩定性和催化活性開發用于CO氧化的高活性Pd單原子催化劑對于環境保護和基礎研究都非常重要，但是單原子Pd催化劑面臨著非常有限的催化反應活性和熱穩定性。有鑒于此，華盛頓州立大學化學工程和生物工程系、西北太平洋國家實驗室王勇教授、王化民等報道一種熱力學穩定的以TiO2作為載體的Pd單原子催化劑，通過H2處理調節Pd原子的配位，在CO催化氧化反應中表現增強的催化活性。1）作者通過詳細的表征技術研究發現H2處理的Pd單原子催化劑減少了最近的Pd-O配位數目，形成短程Pd-Ti配位結構，因此顯著的改善Pd單原子的穩定性，甚至是高溫穩定性。2）在CO催化氧化反應中，發現一部分Pd-Ti配位變成與O或CO配位。獨特的Pd局部配位環境能夠促進CO吸附，改善相鄰氧物種的活性，因此產生優異的催化活性。 發現H2處理的Pd單原子催化劑在120℃的TOF比O2處理的Pd單原子催化劑或者其他Pd/Pt單原子催化劑高1個數量級。這些研究結果有助于設計工業應用以及環境領域的高性能單原子催化劑。Yubing Lu, Fan Lin, Zihao Zhang, Coogan Thompson, Yifeng Zhu, Nassar Doudin, Libor Kovarik, Carlos E. García Vargas, Dong Jiang, John L. Fulton, Yiqing Wu, Feng Gao, Zdenek Dohnálek, Ayman M. Karim, Huamin Wang*, and Yong Wang*, Enhancing Activity and Stability of Pd-on-TiO2 Single-Atom Catalyst for Low-Temperature CO Oxidation through in Situ Local Environment Tailoring, J. Am. Chem. Soc. 20204DOI: 10.1021/jacs.4c07861https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07861 7.JACS：生物發光共振能量轉移(BRET)可介導自發光的光響應性生物材料實現蛋白質釋放光可觸發釋放多種物質（包括可溶性蛋白因子和小分子）以糾正異常的生物事件，從而實現時空可控的局部治療。然而，光穿透深度較差的問題仍會嚴重影響該策略在皮下區域的實施效果，因此研究者需要開發新型的光遞送方法來實現光動力治療藥物釋放。有鑒于此，華盛頓大學Cole A. DeForest和俄勒岡大學Teresa L. Rapp設計了一種利用發光的納米熒光酶(NLuc)和光敏受體分子之間的能量轉移過程（即生物發光共振能量轉移(BRET)）驅動水凝膠生物材料釋放生物分子的策略。1）實驗通過簡單、一鍋、高收率(60?70%)的合成策略構建了一種含醛和疊氮化物的雜雙功能釕交聯劑(CHO-Ru-N3)，其在藍綠光照射(>550nm)下能夠發生含疊氮化物配體交換。通過轉肽酶標簽增強的蛋白連接(STEPL)與NLuc進行位點特異性偶聯后，修飾的蛋白進可通過應變促進的疊氮化物-炔環加成(SPAAC)反應共價地連接到聚乙二醇(PEG)基水凝膠上。2）利用Ru化合物的高光敏性，研究者證明了表皮生長因子(EGF)可通過直接光照或基于BRET的生物光解實現快速釋放。由于NLuc可以在整個身體中產生可控的發光，因此該研究設計的蛋白質釋放策略有望能夠在小分子全身給藥后實現局部觸發的藥物遞送。 Teresa L. Rapp. et al. Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET)-Mediated Protein Release from Self-Illuminating Photoresponsive Biomaterials. Journal of the American Chemical Society. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c03361https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c033618.華中科技大學Adv Mater：合成C15異常晶相Ir合金實現優異的HER性能由于較大的不對稱性，因此如何合成不常見的密堆積金屬間納米晶體是個巨大的挑戰。有鑒于此，華中科技大學李箐教授等報道熔鹽還原法合成了一系列不常見的Frank-Kasper C15晶相的金屬間Ir2M材料，M=La, Ce, Gd, Tb, Tm等稀土元素，這些Ir2M催化劑表現優異的HER電催化活性。 1）與無序結構對比材料（A1-Ir2Ce）相比，C15-Ir2Ce具有更高的Ir-Ce配位數，因此在Ir位點形成電子濃度更高的環境。C15-Ir2Ce催化劑具有優異的全pH HER催化活性，在酸性、中性、堿性HER達到10mA cm-2所需的過電勢分別為9，16，27mV，是目前報道HER催化劑最好的之一。2）使用C15-Ir2Ce催化劑構筑質子交換膜電解水器件，在80℃僅需1.7V就達到1A cm-2電流密度，穩定工作時間達到1000h，電壓衰減速率僅為50μV h-1。理論計算結果顯示，C15-Ir2Ce電子濃度較高的Ir位點能夠極化*H2O中間體，降低水分子解離的能壘，促進HER電催化反應動力學。Zhuhuang Qin, Jinhui Li, Qiyan Wu, Nadaraj Sathishkumar, Xuan Liu, Jiaoyang Lai, Jialun Mao, Linfeng Xie, Shenzhou Li, Gang Lu, Rui Cao, Pengfei Yan, Yunhui Huang, Qing Li, Topologically Close-Packed Frank-Kasper C15 Phase Intermetallic Ir Alloy Electrocatalysts Enables High-Performance Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer, Adv. Mater. 2024 DOI: 10.1002/adma.202412541https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412541
