1.華中科技大學&西南大學Angew：氧陰離子增強OER電催化劑的結晶度并且促進結構重構在工況催化反應過程中，催化劑將連續的發生無定形化和催化活性結構的溶解，因此阻礙了人們對OER電催化劑的穩定性和活性之間關系的認知。有鑒于此，華中科技大學劉友文副教授、西南大學何榮幸教授、王文彬副教授等報道選擇性吸附NO3-策略，增強催化劑的晶化度以及表面重構，形成無定形-結晶（a-c）異質結，改善催化劑的電催化活性。1）在a-cNi摻雜Fe2O(OH)3NO3·H2O預催化劑模型，發現溶解的NO3-容易吸附在晶體表面，在OER電催化反應過程中形成a-c Fe(Ni)OOH，降低催化劑的無序態，能夠活化a-c異質結中Fe(Ni)OOH晶體催化劑中的Fe和Ni。 2）Ni-FeNH催化劑在500mA cm-2電流密度的過電勢僅為303mV，穩定工作的時間長達500h。構筑的工業級電解水器件能夠在8000mA電流密度穩定工作100h。 Wenbin Wang, Qunlei Wen, Danji Huang, Yu Lin, Niandan Zhao, Lan Tang, Ming Li, Youwen Liu, Rongxing He, Oxyanions Enhancing Crystallinity of Reconstructed Phase for Oxygen Evolution Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415132https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024151322.電子科技大學Angew：電催化-生物酶催化CO2合成將溫室氣體轉化為有價值的產品已成為實現碳中和經濟可持續發展的一種很有前途的方法。但是，轉換效率取決于基板的能量產量。有鑒于此，電子科技大學夏川教授、西安交通大學費強教授、西北大學范代娣教授等報道開發了一種電生物催化系統，通過整合電化學和微生物催化過程，利用可再生能源將二氧化碳轉化為高附加值的四氫甲基嘧啶羧酸（ectoine）。1）該系統能夠通過二氧化碳電催化還原為甲烷，甲烷是一種能量密集的分子，然后作為電化學燃料，為工程甲烷氧化電池工廠的生長提供能量，用于生物合成四氫嘧啶。使用配備有高性能碳負載銅催化劑的10個25cm2電化學反應器陣列驗證該系統的擴展。在約-37A（~175mmolCH4 h-1）的總電流下在陰極持續產生甲烷，在約62A（~583mmolCH4 h-1）的總部分電流下在陽極持續產生O2。即使在最大CH4和O2消耗量下，該產量也能滿足3 L生物反應器的要求，從而將CO2高效轉化為四氫甲基嘧啶羧酸（1146.9mg L–1）。 2）這項工作強調了二氧化碳能夠電催化合成有價值產品的生物合成的潛力，為生物制造和能源儲存提供了可持續的途徑。Shuqi Guo, Chengbo Li, Xiaohan Huang, Yuehang Su, Chenyue Zhang, Yizhou Dai, Yuan Ji, Rongzhan Fu, Tingting Zheng, Qiang Fei, Daidi Fan, Chuan Xia, Scalable Electro-Biosynthesis of Ectoine from Greenhouse Gases, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415445https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024154453.華東理工Angew：普魯士藍的Co-O-Fe結構促進堿性OER 在OER催化反應中，高價態過渡金屬產生的晶格氧OER機理是克服傳統吸附轉化導致OER反應動力學緩慢問題的關鍵。但是，OER催化反應過程中的晶格氧動態變化對于高價態金屬原子的穩定性造成挑戰，尤其是在大電流密度電催化反應中。有鑒于此，華東理工大學楊化桂教授、劉鵬飛副教授、袁海洋副研究員等通過氧plasma轟擊策略，在Co-Fe普魯士藍類似物中構筑Co-O-Fe催化活性位點，因此能夠活化晶格氧，并且同時保證結構穩定。1）光譜表征和理論計算結果說明Co-O-Fe橋式結構產生獨特的Co-Fe雙交換相互作用，促進形成高價態Co作為OER活性位點，而且將Fe穩定在低價態，阻止Fe原子溶解。生成的CoFe-PBA-300催化劑在1000mA cm-2電流密度的過電勢僅為276mV。 2）組裝的堿性離子交換膜電解槽在1.76V就能夠達到1A cm-2電流密度，而且在250h過程中沒有明顯的性能衰減。這項研究工作展示了開啟晶格氧的氧化還原并且不影響催化劑的結構穩定性，是得到性能優異電解槽的關鍵。
Hao Guan Xu, Chen Zhu, Hao Yang Lin, Ji Kai Liu, Yi Xiao Wu, Huai Qin Fu, Xin Yu Zhang, Fangxin Mao, Hai Yang Yuan, Chenghua Sun, Peng Fei Liu, Huagui Yang, Oxygen Plasma Triggered Co-O-Fe Motif in Prussian Blue Analogue for Efficient and Robust Alkaline Water Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415423https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024154234.JACS：具有內部電子轉移增強催化能力的Wurster型共價有機框架用于腫瘤治療腫瘤的低免疫原性、腫瘤相關血管的異常結構和生化屏障等因素會嚴重阻礙效應T細胞在腫瘤部位的浸潤和功能，從而顯著抑制抗腫瘤免疫治療的效果。有鑒于此，南洋理工大學趙彥利教授、中國科學院長春應化所張洪杰院士和云南大學王世懷教授開發了一種具有內部電子轉移增強催化能力、共負載鈷肟催化劑和STING激動劑(MSA-2)的Wurster型共價有機框架(Co-TB COF-M)，并將其作為COF基免疫激活劑。1）共價錨定的鈷肟可調節TB COF的能帶結構，為其提供良好的底物吸附位點，使其能夠在質子還原催化反應中充當COF與底物之間的電子傳輸橋梁。研究發現，該特性可顯著提高聲動力催化性能。在超聲作用下，Co-TB COF-M可產生大量活性氧(ROS)以誘導由Gasdermin D介導的促炎性焦亡，從而有效增強腫瘤的免疫原性。2）此外，MSA-2能夠在腫瘤部位通過響應ROS而被特異性釋放，從而最大限度地減少脫靶副作用。實驗結果表明，Co-TB COF誘導的STING激活可使腫瘤血管系統正?；?，并增加內皮T細胞粘附分子的表達，從而有效增強效應T細胞的浸潤和功能。綜上所述，該研究構建的Co-TB COF-M可作為免疫激活劑以重塑腫瘤微環境，顯著增強T細胞的浸潤和改善免疫治療的療效。Yang Liu. et al. A Wurster-Type Covalent Organic Framework with Internal Electron Transfer-Enhanced Catalytic Capacity for Tumor Therapy. Journal of the American Chemical Society. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c05555https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c055555.湖南大學Nature Commun：設計CuPc電催化劑的結構增強電催化合成尿素通過CO2和硝酸鹽的電催化C-N偶聯反應能夠為傳統高耗能的尿素合成過程提供替代路線，而且能夠回收廢物，制備高附加值產品。設計高效穩定電催化劑是增強電催化合成尿素的關鍵。有鑒于此，湖南大學王雙印教授、陳晨、陳大偉等報道由于CuPc催化劑具有結構明確和可調控的結構，使用Cu-酞菁（CuPc）作為模型催化劑，研究電催化合成尿素。1）通過實驗和理論計算的結合，發現氨基取代基能夠優化電子結構從而增強Cu-N配位作用，因此CuPc-Amino的電化學脫金屬被抑制，因此這種催化劑具有優異的活性和穩定性。2）與CuPc催化劑相比（10圈電催化反應過程，最大的尿素產量達到39.9±1.9mmol h-1 g-1，10圈循環后的性能衰減為67.4%），CuPc-Amino催化劑的產量達到103.1±5.3mmol h-1 g-1，而且具有優異的持久性。通過同位素標記和原位電化學光譜表征說明反應機理，驗證了C-N偶聯反應的發生。這項工作展示了通過設計分子催化劑，實現了獨特的合成尿素機理。
Li, H., Xu, L., Bo, S. et al. Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst. Nat Commun 15, 8858 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-52832-2https://www.nature.com/articles/s41467-024-52832-26.南方科技大學&天津大學Nature Commun：電催化-熱催化串聯空氣捕碳合成CH4直接空氣捕碳（DAC）和制備甲烷之間的結合具有直接從空氣制備燃料化學品的前景，有鑒于此，天津大學鄧帥教授、南方科技大學林蒙助理教授等報道電化學-熱化學結合的器件，能夠直接從空氣作為原料制備CH4。 這種電化學-熱化學裝置將CO2和H2在一側通過雙極膜電解的方式冷凝，這種方法能夠避免使用單獨的水電解槽，之后使用電化學甲烷化組件制備CH4。1）H2能夠起到CO2抽取作用，避免使用泵壓處理。體系的能耗和技術-經濟分析結果說明，與單獨的組件相比，DAC組件的能量減少37.8%，成本降低36.6%。生產CH4的成本因此能夠降低12.6%。2）驗證性的實驗結果顯示產生CO2和H2的能耗分別為704.0 kJ mol-1和967.4 kJ mol-1，CO2的甲烷化能夠達到97.3 %，生產CH4的能量為5206.4 kJ mol-1，說明這項技術是具有前景的空氣制備燃料技術路線。 Huang, Y., Xu, D., Deng, S. et al. A hybrid electro-thermochemical device for methane production from the air. Nat Commun 15, 8935 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53336-9https://www.nature.com/articles/s41467-024-53336-97.Nature Commun：鉑表面碳酸鹽-碳酸鹽偶聯促進電化學水氧化為過氧化氫 水電氧化生成H2O2是生產H2O2的重要方法，在工業上得到廣泛應用。但其機理尚有爭議，吸附在電極表面的羥基HO(ads)被認為是重要的中間體。近日，南京工業大學陳宇輝，南京大學閆世成等人利用原位拉曼光譜和差示電化學質譜研究了水在Pt電極上氧化成H2O2的機理，發現過氧鍵主要來源于兩個CO32-通過C2O62-中間體的偶聯。1）通過定量分析產物中的18O同位素，我們發現93%的H2O2是通過CO32-偶聯途徑形成的，7%的H2O2來自OH(ads)-CO3??途徑。OH(ads)-OH(ads)偶聯途徑的貢獻可以忽略不計。2）對各種電極的比較表明，CO3(ads)在電極表面的強吸附是必不可少的。研究人員結合商用陰極催化劑在氧還原過程中產生H2O2，組裝出一個流動電池，其中陰極和陽極同時產生H2O2。在1A cm?2電流密度和2.3V電池電壓下，H2O2的法拉第效率為150%。
Zhu, H., Lv, X., Wu, Y. et al. Carbonate-carbonate coupling on platinum surface promotes electrochemical water oxidation to hydrogen peroxide. Nat Commun 15, 8846 (2024).DOI：10.1038/s41467-024-53134-3https://doi.org/10.1038/s41467-024-53134-38.北京科技大學Adv Mater：機器學習發展高端合金高性能金屬合金中稀有、昂貴和有毒元素的廣泛使用限制了其可持續發展。有鑒于此，北京科技大學謝建新院士、李衛東教授、付華棟教授等報道提出一種新的合金元素設計策略，這個策略結合了物理化學因素篩選、基于SHapley添加劑的“黑匣子”分析以及對元素的敏感性影響分析。 1）建立了能夠分析合金成分和性能的“白盒”模型，該模型能夠合理選擇豐富的元素，并有效設計合金，以替代稀缺的合金元素。發現降低C70350合金系列（Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg（wt.%））中的Co含量策略，驗證這種設計策略的有用。在Cu-Ni-Co-Si-Mg體系中僅用微量Cr代替Co，得到Cu-1.95Ni-0.5Co-0.6Si-0.2Mg-0.1Cr（wt.%），成分優化而獲得的超低Co含量的合金。 2）雖然Co含量降低了64%（即從1.4wt%降低到0.5wt%），但是合金的性能與C70350合金相當（極限抗拉強度達到850 MPa，電導率達到47.2% IACS）。這項研究為替代金屬合金中稀有和不需要的元素替代豐富的元素提供了新方法，有助于金屬材料的可持續和綠色的發展。
Hongtao Zhang, Huadong Fu, Weidong Li, Lei Jiang, Wei Yong, Jingtai Sun, Long-Qing Chen, Jianxin Xie, Empowering the Sustainable Development of High-End Alloys via Interpretive Machine Learning, Adv. Mater. 2024DOI: 10.1002/adma.202404478https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404478
