1.Nano Research综述：理解原子尺度活性位点的构效关系
催化活性位点的结构与性能关系是当前催化领域的研究热点，但在原子尺度上对此进行全面系统的理解仍然存在挑战。在这篇文章中，清华大学王定胜教授及其团队系统总结了金属基原子分散催化剂的结构-性能关系。首先，文章讨论了通过配位效应设计活性位点的有效性，接着探讨了化学键在活性位点中的作用，然后分析了金属间化合物中活性原子间距对催化性能的影响，同时进一步探讨了催化剂设计中的协同效应。最后，文章总结了影响催化性能的关键因素，并提出了未来原子尺度催化剂研究的挑战和发展前景。Li, R., Wang, D. Understanding the structure-performance relationship of active sites at atomic scale.Nano Res. 15, 6888–6923 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4371-x
2.Nano Research综述：电催化剂的设计理念
金属基电催化剂不同尺寸（单原子、纳米团簇和纳米颗粒）展现出不同的催化行为，对于各种电催化反应而言，精确调控活性位点的配位环境，对合理设计高效电催化剂具有重要意义。清华大学王定胜教授及其团队在这篇综述中总结了近期关于多相负载单原子催化剂、纳米团簇和纳米颗粒催化剂在电催化反应中的应用过程，并根据它们的优缺点提出了构建策略和设计理念。具体而言，提出了四个增强电催化性能的关键因素，包括电子结构、配位环境、载体性质和界面相互作用，为该领域的读者提供了全面的理解。最后，对目前的挑战和未来机遇进行了一些深入探讨。Wang, Y., Zheng, X. & Wang, D. Design concept for electrocatalysts.Nano Res. 15, 1730–1752 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-021-3794-0
3.Nano Research：硫缺陷Bi2S3与Ti3C2Tx-MXene协同促进电催化N2还原
电催化还原氮气（NRR）是可持续氨合成的有效途径，然而开发高效持久的NRR催化剂仍然是实现高效N2到NH3电催化的关键。在此，来自兰州交通大学褚克教授及其团队通过有针对性地结合空位和界面工程，设计了硫缺陷Bi2S3纳米颗粒修饰的Ti3C2Tx-MXene作为有效的NRR催化剂。所开发的Bi2S3纳米颗粒修饰的Ti3C2Tx-MXene（Bi2S3−x/Ti3C2Tx）天然地含有丰富的S空位，并极大提升了NRR活性，其NH3产率为68.3 µg·h−1mg−1（-0.6 V），法拉第效率为22.5%（-0.4 V），远优于纯Bi2S3和Ti3C2Tx，并超过几乎所有先前报道的Bi和MXene基NRR催化剂。理论研究揭示了Bi2S3−Ti3C2Tx的异常NRR活性源自其双活性中心系统，涉及S空位和界面Bi位点，能够协同促进N2吸附和N2H形成，从而导致能量有利的NRR过程。 Luo, Y., Shen, P., Li, X. et al. Sulfur-deficient Bi2S3−x synergistically coupling Ti3C2Tx-MXene for boosting electrocatalytic N2 reduction.Nano Res. 15, 3991–3999 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4097-9
4.Nano Research：B、N共掺杂碳网络中钌催化剂的尺寸控制和电子调控用于高性能氢析出反应
寻找高效的铂替代催化剂用于氢析出反应（HER）对于氢（H2）生产具有重要意义。来自澳大利亚昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授及其团队构建了一种新型HER电催化剂，其中超小（2-3纳米）的钌颗粒被B、N共掺杂的极性碳表面（Ru/(B-N)-PC）电子固定。Ru/(B-N)-PC催化剂表现出较低的过电位（15毫伏，在电流密度为10毫安/厘米^2时）、较低的Tafel斜率（22.6毫伏/十倍）、以及优越的耐久性，优于参比Pt/C催化剂。实验表征和理论计算均表明，B、N共掺杂的碳表面与超小的钌纳米颗粒之间建立了电子通信，电子从N原子转移到钌，然后从钌返回到B原子，从而对钌进行了适度的电子修饰。这进而产生了适度的H吸附能和较低的H2O解离势垒，导致了高性能的氢析出反应。这项工作为改善铑催化剂的固有HER活性提供了有意义的见解。 Xu, S., Niu, M., Zhao, G. et al. Size control and electronic manipulation of Ru catalyst over B, N co-doped carbon network for high-performance hydrogen evolution reaction.Nano Res. 16, 6212–6219 (2023).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5250-1
5.Nano Research综述：单原子催化剂的应用及构效关系
单原子催化剂（SACs）因其独特的不饱和配位环境、量子尺寸效应和金属-载体相互作用，在多种领域具有广泛的应用前景。然而，SACs的构效关系仍然是一个困扰研究者的难题，因为活性位点的多样性带来了结构鉴定和理论模拟方面的挑战。为此，来自吉林大学管景奇教授及其团队对SACs的应用进行了综述，重点关注了活性位点的识别以及结构与性能之间的关系。最新研究结果表明，SACs在多种氧化还原反应、有机合成、环境修复、能源转化和生物医学等领域展现出卓越的催化性能。然而，如何准确理解SACs的结构特征，并将其与催化性能相联系仍然具有挑战性。本综述提出了一些结构设计的策略，以帮助解决这一问题，并指出了SACs在未来研究中的挑战和机遇。 Zhang, Q., Guan, J. Applications of single-atom catalysts.Nano Res. 15, 38–70 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-021-3479-8
6.Nano Research：N，O掺杂碳泡沫作为无金属电催化剂用于高效海水制氢
海水电解是由于海水的丰富和低成本而被认为是大规模制氢的最有前景的技术。然而，与传统的淡水电解相比，在海水电解过程中会出现电极中毒和腐蚀等问题，因此急需活性稳定的电催化剂来促进产氢反应（HER）。在这项工作中，电子科技大学孙旭平教授及其团队提出了一种从商业三聚氰胺泡沫原位衍生的N，O掺杂碳泡沫作为一种高活性的无金属HER电催化剂，用于海水分解。在酸性海水中，他们的催化剂表现出很高的产氢性能，其在10 mA·cm−2电流密度下具有小的过电位（161 mV），低的Tafel斜率（97.5 mV·dec−1）以及出色的稳定性。 Liu, Q., Sun, S., Zhang, L. et al. N, O-doped carbon foam as metal-free electrocatalyst for efficient hydrogen production from seawater.Nano Res. 15, 8922–8927 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4869-2
7.Nano Research：N掺杂碳纳米片锚定的MoC纳米晶体用于高选择性电催化硝酸气还原生成氨
电化学还原硝酸气（NORR）在环境条件下生产氨（NH3）是能源和碳密集型哈勃-博施法的一种有前景的替代方法，但其性能仍有待改进。在这项工作中，广西大学刘熙俊教授及其团队首次设计了由氮掺杂碳纳米片锚定的钼碳化物（MoC）纳米晶体作为高效持久的电催化剂，用于催化NO向NH3的还原，其最大法拉第效率为89% ± 2%，在应用电位为−0.8 V vs. 可逆氢电极（RHE）时，产率为1,350 ± 15 µg·h−1·cm−2，而且在持续30小时的测试中表现出高稳定活性，电流密度和NH3产率衰减可以忽略不计。此外，作为Zn−NO电池的概念验证，它实现了1.8 mW·cm−2的峰值功率密度和782 ± 10 µg·h−1·cm−2的大型NH3产率，与最佳报告结果相媲美。理论计算揭示了MoC(111)与NO分子的强电子相互作用，从而降低了电位确定步骤的能垒，并抑制了氢析出动力学。这项工作表明，基于钼的材料是一个强大的平台，为探索高选择性和活性的NH3生产催化剂提供了巨大机会。 Meng, G., Jin, M., Wei, T. et al. MoC nanocrystals confined in N-doped carbon nanosheets toward highly selective electrocatalytic nitric oxide reduction to ammonia.Nano Res. 15, 8890–8896 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4747-y
8.Nano Research：不锈钢上原位生长的Fe3O4颗粒：一种高效的硝酸盐还原制氨的电催化剂
氨（NH3）是合成化肥的重要原料。工业规模的NH3合成主要依赖于哈勃-博施法，然而，这种方法存在大量的CO2排放和高能耗的问题。在温和条件下，电催化NO3−还原是合成NH3的一种有吸引力的替代方法。由于这种反应会产生多种产物，因此非常需要高效且选择性高的电催化剂来产生NH3。在这项工作中，电子科技大学孙旭平教授及其团队报道了原位生长的Fe3O4颗粒在不锈钢上（Fe3O4/SS）作为高效的NO3−还原至NH3的电催化剂。在0.1 M NaOH和0.1 M NaNO3的条件下，Fe3O4/SS在−0.5 V vs. 可逆氢电极（RHE）时表现出显著的法拉第效率达到91.5%，NH3产率高达10,145 µg·h−1·cm−2。此外，它具有稳健的结构和电化学稳定性。这项工作为扩展金属氧化物电催化剂在NH3合成中的应用范围提供了有用的指导。通过理论计算揭示并进一步讨论了催化机理。 Fan, X., Xie, L., Liang, J. et al. In situ grown Fe3O4 particle on stainless steel: A highly efficient electrocatalyst for nitrate reduction to ammonia.Nano Res. 15, 3050–3055 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-021-3951-5
9.Nano Research：封装在导电纳米线阵列中的Ni(OH)2纳米颗粒用于高性能碱性海水氧化
海水分解产生氢气，设计和开发高效耐用的氧进化反应（OER）电催化剂至关重要。在这项工作中，山东师范大学孙旭平教授及其团队报道了一种在石墨纸上将Ni(TCNQ)2（TCNQ = 四氰基喹啉二甲酰胺）纳米阵列原位电化学转化为封装在导电TCNQ纳米阵列中的Ni(OH)2纳米颗粒（Ni(OH)2-TCNQ/GP）。Ni(OH)2-TCNQ/GP表现出高效的OER性能，在碱性淡水和碱性海水中分别需要过电位分别为340 mV和382 mV才能提供100 mA·cm−2的电流密度。同时，Ni(OH)2-TCNQ/GP在碱性海水中还表现出稳定的长期电化学耐久性，至少能持续80小时。 Zhang, L., Wang, J., Liu, P. et al. Ni(OH)2 nanoparticles encapsulated in conductive nanowire array for high-performance alkaline seawater oxidation.Nano Res. 15, 6084–6090 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4391-6
10.Nano Research：通过Ni掺杂调控畸变1T′相MoS2的活化位点以增强其产氢性能
异质原子掺杂是增强催化活性的一种有前景的方法，通过调节物理性质、电子结构和反应途径。在这项工作中，南京邮电大学赵强教授及其团队展示了适量的Ni掺杂可以通过诱导晶格畸变和硫空位（SV）触发基面的优先从2H（三棱柱）向1T′（聚集的Mo）转变，从而显著促进其催化产氢活性。值得注意的是，这种独特的催化剂具有优越的产氢性能。光催化产氢速率可达20.45 mmol·g−1·h−1，在长时间的光催化过程中仅略微降低。第一性原理计算揭示了畸变的Ni-1T′-MoS2与SV能够产生有利的水吸附能量（Ead(H2O)）和氢吸附的吉布斯自由能（ΔGH）。这项工作展示了一种简便且有前景的途径，即通过掺杂策略调节物理性质、电子结构或润湿性，从而设计产氢反应电催化剂。 Liu, M., Li, H., Liu, S. et al. Tailoring activation sites of metastable distorted 1T′-phase MoS2 by Ni doping for enhanced hydrogen evolution.Nano Res. 15, 5946–5952 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4267-9
11.Nano Research：用于高效析氧反应（OER）的低成本高熵合金 (HEA)
析氧反应（OER）是水分裂装置和可充电金属空气电池中的关键步骤，因此迫切需要一种稳定且低成本的材料用于高效的OER。在本研究中，印度理工学院坎普尔分校Krishanu Biswas教授及其团队利用Co−Fe−Ga−Ni−Zn（CFGNZ）高熵合金（HEA）作为低成本的OER电催化剂。在经过循环伏安激活后，CFGNZ纳米颗粒（NPs）被氧化表面覆盖并形成高熵（氧）羟基（HEOs），表现出低过电位370 mV，以实现10 mA/cm2的电流密度，并具有较小的Tafel斜率71 mV/dec。与最先进的RuO2电催化剂相比，CFGNZ合金具有更高的电化学稳定性，因为在长达10小时的chronoamperometry测试中没有观察到任何降解。长时间的chronoamperometry测试后的透射电子显微镜（TEM）研究显示晶体结构没有变化，证实了CFGNZ的高稳定性。基于密度泛函理论（DFT）的计算表明，d(p)-带中心与费米能级（EF）的接近在决定活性位点中起着主要作用。这项工作突显了CFGNZ HEA在水分裂中的OER中的巨大潜力。 Sharma, L., Katiyar, N.K., Parui, A. et al. Low-cost high entropy alloy (HEA) for high-efficiency oxygen evolution reaction (OER).Nano Res. 15, 4799–4806 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-021-3802-4
12.Nano Research综述：CeO2作为多重纳米酶的催化机制探究
CeO2具有可逆的Ce3+/Ce4+氧化还原对，表现出多重酶样催化性能，被认为是一种具有潜力用于疾病诊断和治疗的纳米酶。各种CeO2催化剂具有可控大小、形态和表面状态的可调节表面物理化学性质，使其能够在不同条件下与各种分子和物种发生丰富的表面化学反应，从而呈现出各种不同的催化行为。尽管在开发基于CeO2的纳米酶及其在实际应用中的探索方面取得了重大进展，但它们在生理环境下的催化活性和特异性仍然无法与天然酶相竞争。为了提供对高性能CeO2纳米酶合理设计的见解，本综述聚焦于对CeO2具有多重酶样性能的催化机制的最新探索。通过详细的讨论和提出的展望，希望本综述能够引起更多的兴趣，并激发对这一跨学科领域的更多努力。 Ma, Y., Tian, Z., Zhai, W. et al. Insights on catalytic mechanism of CeO2 as multiple nanozymes.Nano Res. 15, 10328–10342 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4666-y
13.Nano Research：激活MoS2界面S位点提升氢析出电催化
氢能作为清洁可再生能源备受关注，而氢析反应的高效催化剂至关重要。然而，二硫化钼（MoS2）的氢析反应在碱性和酸性条件下受限于活性位点局限在惰性基面上的问题。为解决这一问题，北京大学侯仰龙教授团队在MoS2纳米片的惰性基面上引入了Ru纳米颗粒，激活了界面S位点。研究结果表明，这种界面S位点的激活优化了MoS2的电子结构，提高了氢在MoS2上的吸附能力。Ru- MoS2催化剂在0.5 M H2SO4和1 M KOH溶液中分别仅需110 mV和98 mV的过电位，就能实现10 mA·cm−2的电流密度。这项研究为改善氢析反应的催化性能提出了新的策略，并为其他过渡金属硫化物电催化剂的设计提供了启示。 Geng, S., Tian, F., Li, M. et al. Activating interfacial S sites of MoS2 boosts hydrogen evolution electrocatalysis.Nano Res. 15, 1809–1816 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-021-3755-7
14.Nano Research综述：二维材料在析氧反应中进展与挑战
析氧反应（OER）是许多能源转换和储存技术中的关键步骤，然而其缓慢的动力学和高过电位限制了能源效率。为了解决这一问题，吉林大学管景奇等研究者通过深入研究二维材料，如层状双金属氢氧化物、金属-有机框架及其衍生物、共价-有机框架、石墨烯和黑磷等，提出了一系列新策略，包括金属/非金属掺杂、缺陷工程、界面工程、晶格应变和异质结构的制备，用于改进OER催化性能。通过详细的结构-性能关系分析，他们深入了解了反应机理。在实验和理论计算的支持下，研究团队成功实现了高电催化活性，并提出了一些可能影响OER性能的挑战。这项工作为二维材料在氧析领域的研究提供了深刻见解，并为未来设计更高性能的2D材料催化剂指明了方向。 Tang, T., Li, S., Sun, J. et al. Advances and challenges in two-dimensional materials for oxygen evolution.Nano Res. 15, 8714–8750 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4575-0
15.Nano Research：CoP纳米阵列催化亚硝酸盐实现电催化合成氨
氨气（NH3）的工业生产主要依赖于能源密集型且环境不友好的Haber-Bosch过程。然而，电催化氮气还原虽然可以避免这些问题，但其电流效率和NH3产率有限。在此，电子科技大学孙旭平教授等研究者通过在钛网上制备的CoP纳米阵列（CoP NA/TM），展示了通过电化学硝酸盐（NO2−）还原实现环境氨气生产的可能性。在0.1 M PBS（pH = 7）中含有500 ppm NO2−的条件下，该CoP NA/TM能够在-0.2 V vs可逆氢电极处提供大量的NH3产率，达到了2260.7 ± 51.5 µg·h−1·cm−2和高的法拉第效率90.0 ± 2.3%。密度泛函理论计算揭示了NO2−在CoP（112）上还原的电位决定步骤为*NO2 → *NO2H。 Wen, G., Liang, J., Liu, Q. et al. Ambient ammonia production via electrocatalytic nitrite reduction catalyzed by a CoP nanoarray.Nano Res. 15, 972–977 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-021-3583-9
16.Nano Research综述：无碳单点催化剂在析氢析氧反应中的最新进展
析氢反应（HER）和析氧反应（OER）是水电解的关键步骤，然而，使用昂贵的铂和IrO2作为电催化剂存在成本高、资源有限等问题。近年来，单个金属原子与碳材料的结合成为一种备受关注的替代方案，但碳基底的抗氧化能力不足限制了其在OER中的实际应用。针对这一问题，吉林大学管景奇教授等研究者提出了碳-自由单位催化剂的设计策略，并探讨了其在HER和OER中的应用。通过深入讨论结构、组成和催化性能之间的关系，他们提出了合理构建高性能HER和OER电催化剂的可行性思路。该综述为解决电化学水分解中的关键问题提供了重要见解，并指明了未来研究的方向。 Guan, J., Bai, X. & Tang, T. Recent progress and prospect of carbon-free single-site catalysts for the hydrogen and oxygen evolution reactions.Nano Res. 15, 818–837 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-021-3680-9
17.Nano Research：基于二维超薄纳米片的NiCo LDH/NiCoS界面构建用于析氧反应
析氧反应（OER）在水电解中扮演关键角色，然而其缓慢的动力学过程限制了整体效率。为了克服这一问题，需要开发高效且稳定的过渡金属基OER电催化剂。在此背景下，北京大学马丁教授等研究者提出了一种新颖的策略，通过将丰富的NiCo基层状双层氢氧化物（NiCo LDH）纳米片与钴镍硫化物（NiCoS）结合，构建了NiCo LDH/NiCoS混合阵列。研究结果表明，该混合阵列在1 M KOH溶液中实现了极低的OER过电位，分别为100 mA·cm−2时的308 mV，200 mA·cm−2时的378 mV和400 mA·cm−2时的472 mV，且具有更低的Tafel斜率（48 mV·dec−1）。此外，在电流密度从50到250 mA·cm−2的范围内，混合阵列表现出了稳定的运行性能，连续运行25小时而无任何降解。该研究为开发低成本高效的OER催化剂提供了新思路，为水电解技术的工业应用奠定了基础。 Li, J., Wang, L., He, H. et al. Interface construction of NiCo LDH/NiCoS based on the 2D ultrathin nanosheet towards oxygen evolution reaction.Nano Res. 15, 4986–4995 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4144-6
18.Nano Research综述：多组分过渡金属氧化物和（氧）氢氧化物用于析氧反应
析氧反应（OER）在能源相关技术中扮演着核心角色，然而现有的问题在于寻找高效、成本低廉、性能优异的OER电催化剂。为了解决这一问题，吉林大学管景奇教授及其团队提出了以多组分过渡金属氧化物和（氧）氢氧化物为催化剂的方案。通过对OER机制的简要概述和最新设计策略的全面总结，他们展示了这些催化剂在结构-功能关系方面的重要性，并详细讨论了各种策略的实施和优势。最终，他们提出了未来研究的挑战和展望。该综述为寻找理想的OER电催化剂提供了宝贵的指导，并为实现可再生能源转化提供了新的思路。 Han, J., Guan, J. Multicomponent transition metal oxides and (oxy)hydroxides for oxygen evolution.Nano Res. 16, 1913–1966 (2023).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4874-7
19.Nano Research综述：单原子催化剂用于电化学析氢反应的活性基团调控
氢能源的开发是实现碳中和未来的重要研究领域。单原子催化剂（SACs）因其高活性和优异的选择性在电催化领域备受关注，然而，其邻近载体的配位原子对其性能的影响常被忽视。为解决这一问题，清华大学王定胜教授及其团队提出了一种将SACs按照载体类型进行分类的方法，并突出了金属-载体之间的电子相互作用以及载体的配位环境对SACs的影响。在此基础上，他们提出了一些结构设计策略，包括调控中心原子、配位环境和金属-载体相互作用，以提高SACs在电化学析氢反应中的性能。最终，他们提出了SACs在此领域的挑战和未来研究展望。 Zhu, P., Xiong, X. & Wang, D. Regulations of active moiety in single atom catalysts for electrochemical hydrogen evolution reaction.Nano Res. 15, 5792–5815 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4265-y
20.Nano Research综述：新型原子分散金属催化剂的设计与应用
原子分散金属催化剂（ADMCs）在能源转化和环境保护领域具有重要应用，但单原子位点催化剂（SACs）在某些复杂反应中的表现有限。为此，来自清华大学王定胜教授及其团队提出了新型原子分散金属催化剂（NADMCs），其中包括具有两个或更多催化中心的双原子和三原子催化剂。通过深入研究多金属原子之间的协同作用和结构-性能关系，他们展示了NADMCs在提高催化活性和选择性方面的潜力。文章系统介绍了NADMCs的合成方法、表征技术以及在能源相关应用中的最新进展，并提出了未来发展中的挑战和机遇。 Zheng, X., Li, B., Wang, Q. et al. Emerging low-nuclearity supported metal catalysts with atomic level precision for efficient heterogeneous catalysis.Nano Res. 15, 7806–7839 (2022).https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4429-9
