電化學合成技術目前在有機合成領域變成多功能且符合可持續發展需求的方法，電化學合成能夠快速高效在溫和、環境友好的條件構筑結構復雜的有機化合物。傳統的電化學合成方法通常是陽極氧化反應或者陰極還原反應，導致難以通過單一電極進行氧化還原中性的催化轉化。有鑒于此，武漢大學雷愛文教授、易紅教授、戚孝天教授等報道線性配對電解策略，將苯并呋喃和烯基重氮化合物之間的氧化還原中性(3+2)環加成反應。1）該反應能夠用于合成苯并呋喃稠環的三環骨架結構，這種結構在合成化學和醫藥領域具有應用，這種催化轉化反應通過“陽極氧化-陰極還原”的連續轉化過程，能夠通過自由基陽離子路徑選擇性的合成多環化合物。 2）通過循環伏安和原位電化學質譜（EC-MS）表征方法以及理論計算，驗證催化反應的機理和過程，這有助于開發氧化還原中性的電化學轉化反應。
Lei Nie, Jiayi Yang, Zhao Liu, Shibo Zhou, Suming Chen, Xiaotian Qi*, Aiwen Lei*, and Hong Yi*, Linear Paired Electrolysis Enables Redox-Neutral (3 + 2) Annulation of Benzofuran with Vinyldiazo Compounds, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c12925https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c129252.大連理工Angew：堆疊碳納米管近紅外CO2還原為CO碳納米管具有集體激發的一維性質的材料，但是對表面等離子體的強約束嚴重阻礙了熱電子（HE）的釋放，因此在應用于光化學領域產生巨大挑戰。有鑒于此，大連理工大學史彥濤教授、劉薇教授等報道杯子堆疊（cup-stacked）碳納米管（CSCNTs）的混合等離子體CNN中的定向熱電子流動以及提取，充分利用平面邊緣位點。1）近紅外（NIR）區域的局域pz電子態和可獲得的子帶間等離子體激元激發與傳統的同心碳納米管形成了鮮明對比，通過光誘導力顯微鏡（PiFM）和瞬態光電流響應結合得到驗證。緊密結構CSCNTs-C3N4的混合體有效地維持了界面電子態，有助于等離子體能量提取。2）這種CNN具有接近100%的近紅外光驅動CO2以1.35μmol g-1 h-1的速率還原為一氧化碳。這項工作揭示無金屬的碳等離子體納米結構在光催化應用中的應用。Suchan Song, Cuncun Xin, Wei Liu, Wenzhe Shang, Tianna Liu, Wentao Peng, Jungang Hou, Yantao Shi, Near-Infrared Light-Driven CO2 Reduction on Cup-Stacked Carbon Nanotubes, Angew. Chem. Int. Ed. 2024 DOI: 10.1002/anie.202415173https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024151733.上海交大Angew：InGaN擔載FeMn雙助催化劑光催化木質素制備合成氣太陽能驅動木質素重整催化轉化技術為合成氣的碳中和制備路線提供可能，有鑒于此，上海交通大學周寶文副教授、麥吉爾大學宋俊教授等報道Fe-Mn非貴金屬雙重助催化劑能夠同時活化C-C化學鍵和C-O化學鍵，因此最大利用木質素的取代基制備合成氣。1）將InGN納米線組裝在Si晶圓，修飾FeMn雙重助催化劑，在木質素的轉化中，以93%的選擇性制備合成氣，在聚集光源下，合成氣的產率達到42.4mol gcat-1 h-1，且合成氣的比例可調控，光能量轉化為燃料的效率達到11.8%。通過擔載在一維InGaN載體上，FeMn的原子利用率得到增加，TOF都達到220896。
2）通過實驗和理論計算，說明Fe-Mn助催化劑協同作用，同時活化C-C鍵和C-O鍵，因此最大化利用-OCH3、-CH2CH2CH3。Fe-Mn雙重助催化劑在能量上有助于空穴氧化連續產生·CH3和·OH，而且阻礙反向的氫氣和羥基生成水分子。 Baowen Zhou, Tianqi Yu, Ying Zhao, Jingling Li, Yixin Li, Liang Qiu, Hu Pan, Muhammad Salman Nasir, Jun Song, Zhen Huang, Binary Iron-Manganese Cocatalyst for Simultaneous Activation of C-C and C-O Bonds to Maximally Utilize Lignin for Syngas Generation over InGaN, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202413528https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024135284.北師大&南開Angew：液滴表面有機醇生成烷氧自由基水液滴能夠表現獨特的化學行為，比如能夠將化學反應速率加快好幾個數量級，體相無法進行的反應能夠在水液滴上發生。比如一個最重要的離子式水合氫離子能夠在液滴表面自發形成羥基自由基。有機醇和烷氧基離子作為與水分子/水合氫離子類似的結構，能夠在微液表面產生類似行為。 有鑒于此，北京師范大學朱重欽教授、南開大學張新星研究員等通過領子力學/分子力學（QM/MM）分子動力學（MD）模擬從頭算分子動力學MD模擬、MS表征，發現溶液微液滴表面的有機醇（RCH2OH）能夠自發形成烷氧自由基。1）研究結果表明，微液滴表面強度為10-1V/?的電場，以及空氣-水界面的部分溶劑化結構共同作用導致RCH2OH解離生成RCH2O-和H3O+。QM/MM MD模擬結果發現RCH2O-能夠在微液滴表面離子化生成RCH2O·自由基。2）微液滴表面的部分溶劑化結構和電場能夠催化RCH2O·自由基發生結構變化為R·CHOH。這項研究結果通過分子動力學研究揭示了微液滴表面廣泛存在自由基，有助于研究大氣氣氛中的有機醇化學。
Ye-Guang Fang, Xiaoxu Li, Chang Yuan, Xiaojiao Li, Xu Yuan, Dongmei Zhang, Xinxing Zhang, Chongqin Zhu, Wei-Hai Fang, Spontaneous Generation of Alkoxide Radical from Alcohols on Microdroplets Surface, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202417920https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024179205.Nature Commun:通過原位 X 射線吸收光譜法解決燃料電池電極中最佳離子聚合物相互作用為了彌合氧還原電催化劑的開發與其在實際質子交換膜燃料電池電極中的應用之間的差距，需要了解的一個重要方面是碳載體、活性位點和質子導電離子聚合物之間的相互作用，因為它極大地影響了向催化劑表面的局部傳輸。 近日，倫敦帝國理工學院Maria-Magdalena Titirici，Ifan E. L. Stephens等人展示了三種 Pt/C 催化劑，這三種 Pt/C 催化劑是用多元醇法以不同的碳載體（低表面積 Vulcan、高表面積 Ketjenblack 和生物質衍生的高度有序介孔碳）合成的，顯示出離子聚合物-催化劑相互作用的顯著變化。1）在氣體擴散電極配置下，負載在源自生物質的有序介孔碳上的 Pt/C 催化劑表現出最佳性能。2）通過一種獨特的原位 X 射線吸收光譜結合氣體吸附分析的方法，研究人員能夠證明介孔存在對在分子和結構水平上實現最佳離子聚合物-催化劑相互作用的有益影響。
Wang, M., Zhang, J., Favero, S. et al. Resolving optimal ionomer interaction in fuel cell electrodes via operando X-ray absorption spectroscopy. Nat Commun 15, 9390 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53823-zhttps://doi.org/10.1038/s41467-024-53823-z6.Nature Commun：機器學習預測鈣鈦礦氧空穴對于電催化劑的影響對于開發室溫堿性電解水、高溫陶瓷燃料電池等新型電化學能源體系，高效率的催化劑加快緩慢的氧反應動力學是關鍵。有鑒于此，昆士蘭大學朱中華教授、Yadan Luo、科廷大學邵宗平教授、阿德萊德大學Xiaoyong Xu、墨爾本大學Mengran Li等報道陽離子誘導相互作用能夠對235個Co基催化劑和200個Fe基催化劑的氧空位濃度進行預先推測。1）而且通過對陽離子晶格環境進行機器學習，可以預測這種趨勢。進一步研究結果表明鈣鈦礦材料的催化活性與氧空穴的濃度和工作溫度密切相關。 2）提出了機器學習指導開發氧電催化劑的方法，能夠對不同溫度適用的氧電催化劑進行節省時間的預測，并且預測結果具有比較好的準確性。
Li, Z., Mao, X., Feng, D. et al. Prediction of perovskite oxygen vacancies for oxygen electrocatalysis at different temperatures. Nat Commun 15, 9318 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53578-7https://www.nature.com/articles/s41467-024-53578-77.Nature Commun：雙磷配體實現光催化選擇性單氘代氘原子以高選擇性選擇性選擇性摻入小分子對醫學和化學研究具有很高的價值。但是，由于常用的氫同位素交換策略導致的完全氘化，這仍然具有挑戰性。有鑒于此，中國科學院有機化學研究所左智偉研究員、上海科技大學劉偉民教授、四川輕化工大學楊義教授等報道一種利用打破C-C鍵的非傳統方式，實現了光催化選擇性單氘化。 1）自由基介導的C-C鍵斷裂和氘原子轉移過程，協同反應能夠有效地構建芐基CDH，具有高選擇性的單氘化。雙膦酸鹽光催化劑、硫醇催化劑和CH3OD氘代試劑的組合，并且利用光催化的方式，使得該反應具有操作簡單的優勢。 2）通過一系列光譜實驗闡明了雙膦酸鹽光催化劑的光誘導電子轉移過程，確定了一種可以通過后續親核加成調節的特殊的反向電子轉移（back electron transfer）過程。
Xu, Y., Chen, W., Pu, R. et al. Selective monodeuteration enabled by bisphosphonium catalyzed ring opening processes. Nat Commun 15, 9366 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53728-xhttps://www.nature.com/articles/s41467-024-53728-x8.Nature Commun：聚乙烯亞胺-TiO2復合材料改善光陽極水氧化穩定性導電和耐腐蝕的保護層是改善光電化學分解水過程中光吸收材料持久性的關鍵策略。對于高性能的Si、GaAs、GaP等光陽極，使用原子層沉積技術修飾無定形TiO2保護層有助于TiO2的缺陷能帶對空穴（hole）導電。但是，無定形TiO2包覆到容易制備價格便宜的金屬氧化物光電極表面上，沒有產生電荷轉移。有鑒于此，蘇黎世大學S. David Tilley、蔚山科學技術院（UNIST）Jungki Ryu等報道聚乙烯亞胺/TiO2復合層包覆在BiVO4和Fe2O3表面，能夠實現空穴傳輸，因此能夠拓展大量存在的水氧化材料。1）在光吸收材料和聚乙烯亞胺/TiO2的界面，較薄的聚乙烯亞胺層能夠作為空穴選擇性界面，改善光陽極器件的光電性能。這種聚乙烯亞胺/TiO2復合層修飾的光陽極在太陽能水氧化催化反應表現了優異的穩定性。 2）雖然人們研究發現，聚乙烯亞胺涂層會降低半導體材料的功函，但是這項研究通過原子層沉積策略處理導致聚乙烯亞胺能夠與TiO2反應產生缺陷化PEI/TiO2層，可以透過空穴并且阻礙電子。BiVO4/PEI/TiO2光陽極的啟動電壓為0.28V vs RHE，在1.23V的光電流達到2.03mA cm-2，在pH8電解液能夠穩定400 h光催化氧化。
Bae, S., Moehl, T., Service, E. et al. A hole-selective hybrid TiO2 layer for stable and low-cost photoanodes in solar water oxidation. Nat Commun 15, 9439 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53754-9https://www.nature.com/articles/s41467-024-53754-9
