1.Nature Nanotech.：机器智能加速全天然塑料替代品的发现防止石化塑料在自然环境中积累的一个解决方案是使用天然成分开发可生物降解的塑料替代品。然而，发现符合特定特性的天然替代品仍极具挑战性，如光学透明性、阻燃性和机械弹性。在这里，马里兰大学Po-Yen Chen、胡良兵、李腾等人报道了一个集成的工作流程，它结合了机器人和机器学习，以加速发现具有可编程光学、热学和机械性能的天然塑料替代品。1) 作者首先命令自动移液机器人制备286种具有各种性质的纳米复合薄膜，以训练支持向量机分类器。接下来，作者通过14个具有数据扩充的主动学习循环，分阶段制备135种全天然纳米复合材料，并建立人工神经网络预测模型。2) 该预测模型可以进行双向设计任务：（1）从全天然纳米复合材料的组成预测其物理化学性质；（2）自动满足各种可生物降解塑料的逆向设计。通过利用该模型的预测能力，作者制备了几种全天然替代品，这些替代品可以取代不可生物降解的替代品。Tianle Chen et.al Machine intelligence-accelerated discovery of all-natural plastic substitutes Nature Nanotechnology 2024DOI: 10.1038/s41565-024-01635-zhttps://doi.org/10.1038/s41565-024-01635-z2.Nature Commun.：脉冲电位介导的甘油电催化氧化制甘油酸的选择性 防止贵金属基催化剂由于自氧化和有毒吸附而失活是有机电氧化中的一个重大挑战。鉴于此，来自湖南大学邹雨芹和扬州大学庞欢等人研究发现，通过采用脉冲电位电解方案，可以在Pt基催化剂上选择性电催化甘油氧化为甘油酸。1) 该研究证实，通过原位傅立叶变换红外光谱、准原位X射线光电子能谱和有限元模拟表明，脉冲电势可以调节催化剂的氧化和表面微环境，这防止了中毒中间物质的过度积累，并为OH吸附物和甘油的重新吸附腾出了活性位点；2) 该研究表明，脉冲电位电解策略的甘油酸选择性（81.8%）高于0.7VRHE的恒电位电催化（37.8%），该研究提供了一种有效的方案来降低贵金属基电催化剂的失活。Chen, W., Zhang, L., Xu, L. et al. Pulse potential mediated selectivity for the electrocatalytic oxidation of glycerol to glyceric acid. Nat. Commun. (2024).10.1038/s41467-024-46752-4https://doi.org/10.1038/s41467-024-46752-4
人们研究发现芬顿反应生成的活性氧物种驱动的非生物生产CH4是导致大气环境CH4的重要原因。虽然通过非芬顿化学过程生成活性氧物种的过程在自然界是非常常见的现象，但是人们并不清楚活性氧物种是否能够驱动非生物过程生成CH4。有鉴于此，福建农林大学周顺桂、中国科学技术大学熊宇杰等首次报道土壤-水的界面在光照射条件下能够通过非生物过程生成CH4。1）作者使用氮化碳模拟自然界的材料，使用DMSO模拟自然界的甲基供体，研究自然界非生物过程生成甲烷的机理。研究结果显示CNx通过光催化反应生成的ROS活性氧能够将DMSO氧化为CH4，选择性高达91.5 %。作者进一步的将这种非生物生成甲烷的过程拓展到其他的非芬顿反应体系，比如电催化、压电催化、超声催化等。2）这项工作有助于理解CH4的非生物循环过程，而且提出了制备CH4的新途径。Jie Ye, Andong Hu, Chao Gao, Fengqi Li, Lei Li, Yulin Guo, Guoping Ren, Bing Li, Christopher Rensing, Kenneth H. Nealson, Shungui Zhou, Yujie Xiong, Abiotic Methane Production Driven by Ubiquitous Non-Fenton-Type Reactive Oxygen Species, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202403884https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024038844.JACS：调控单原子Ir配位结构增强电催化制氯性能 产氯反应CER（chlorine evolution reaction）是工业制备氯气的过程，但是产氯反应非常依赖于在Ti基底修饰大量Ru/Ir氧化物并构成结构稳定的阳极。为了实现可持续发展要求，减少贵金属的用量并且改善催化剂的性能非常关键。有鉴于此，上海交通大学张礼知、么艳彩、占光明等报道无定形TiO2表面结构对于调控和稳定Ir单原子的配位结构和发展高效率的耐久CER反应非常重要。1）通过实验和理论计算发现无定形TiO2和晶化的TiO2表面分别能够形成四配位的Ir1O4和六配位Ir1O6位点，而且Ir1O4位点实现优异的CER性能，Ir1O4的性能达到Ir1O6位点的质量活性的10倍，比稳定阳极的质量活性高500倍。而且Ir1O4位点催化剂能够稳定工作超200 h，显著超过了Ir1O6的稳定工作时间（2h）。2）机理研究结果显示，Ir1O4的不饱和Ir是CER反应位点，但是Ir1O6的顶配位O原子是CER反应位点。这种催化位点的变化能够影响Cl物种的吸附能，因此导致Ir1O4与Ir1O6之间表现不同的CER催化反应活性。无定形的结构和Ir1O4位点受限的水分解同时阻碍氧物种渗透到Ti基底，因此表现优异的CER长期催化稳定性。这项研究展示单原子配位结构的重要作用，为制备高活性单原子CER催化剂提供一种非常简单的表面TiO2无定形化方法。Jiaxian Wang, Long Zhao, Yunjie Zou, Jie Dai, Qian Zheng, Xingyue Zou, Lufa Hu, Wei Hou, Ruizhao Wang, Kaiyuan Wang, Yanbiao Shi, Guangming Zhan*, Yancai Yao*, and Lizhi Zhang*, Engineering the Coordination Environment of Ir Single Atoms with Surface Titanium Oxide Amorphization for Superior Chlorine Evolution Reaction, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.3c13834https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c13834氢气作为一种高效的清洁能源载体，是未来能源体系的重要一环，但是目前的储氢技术仍难以获得安全并且较高的储氢密度。MgH2是一种具有前景的固态储氢材料，MgH2具有非常大的储氢容量（7.6 wt. %）和较好的可逆储氢能力，但是目前由于缓慢的脱附动力学导致MgH2仍难以大规模的应用。人们发现催化剂能够改善MgH2的储氢动力学，但是通常可能降低储氢的容量。单原子催化剂能够最大程度上利用原子和界面位点，显著增强催化活性，但是单原子催化剂容易在高温下团聚，因此限制了单原子催化剂的发展和应用。有鉴于此，北京航天航空大学黄建媚等报道设计一种单原子Ni修饰TiO2的催化剂，实现了优异的热稳定性和催化活性。1）优化后的15wt%-Ni0.034@TiO2催化剂将MgH2脱氢温度降低至200 ℃，在300 ℃释放和吸附质量为4.6 wt %的氢气所需时间分别5 min。MgH2脱氢和加氢的表观活化能分别降低至64.35 kJ/mol和35.17 kJ/mol。在100次加氢/脱氢循环后的容量仍高达97.26 %。2）作者将优异的催化活性归功于单原子Ni、大量氧缺陷位点、多价态Tix+之间的协同催化作用。其中的Ni单原子起到关键催化作用，能够加快Mg2+和H-之间电子转移，削弱Mg-H化学键。这项工作有助于发展性能优异的储氢材料，而且将单原子催化剂的应用场景拓展到高温固态化学反应领域。 Jiyue Zhang, Wenda Wang, Xiaowei Chen, Jinlong Jin, Xiaojun Yan, and Jianmei Huang*, Single-Atom Ni Supported on TiO2 for Catalyzing Hydrogen Storage in MgH2, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.3c13970https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c139706.ACS Nano：用于锂负极的石墨烯纳米带上的固体电解质界面复合锂枝晶问题严重影响了金属锂电池的实际应用，而锂枝晶问题又严重影响了固体电解液界面的组成和结构。修饰SEI可以调节锂枝晶的形成和生长。基于此，西安交通大学李磊等人实验实现了LiTFSI-乙醚电解液的Li保护层，通过它们的原位反应在石墨烯纳米带(SEI@GNRs)上接枝了天然的SEI。 1）实验结果和理论计算表明，SEI@GNRs的三维结构可以降低局域电流密度和Li+通量。2）SEI@GNRs中的天然SEI，特别是丰富的LiF、Li3N和Li2S等无机物种，降低了Li+成核过电势，使Li+离子沉积和成核均匀，隔离了电子输运。3）它们的协同作用抑制了Li枝晶的形成和生长，提高了锂金属电池的电化学性能。因此，该设计策略有利于锂金属电池的发展。Xiaowei Shi, et al, Solid Electrolyte Interphase Recombination on Graphene Nanoribbons for Lithium Anode, ACS Nano, 2024https://doi.org/10.1021/acsnano.3c117967.Adv. Mater：利用金属单原子和缺陷WO3-x纳米片之间的协同作用实现增强的癌症声动力治疗金属单原子(SA)基纳米材料能够作为声动力治疗(SDT)的声敏剂，但其往往会表现出较差的治疗活性，因此需要与其它治疗策略相结合。有鉴于此，洛阳师范学院马录芳教授、北京化工大学梁瑞政教授、香港大学谭超良教授和西北工业大学张健康教授在富含氧空位(OV)的WO3-x纳米片上沉积金属SAs，通过产生协同效应实现了高效的肿瘤SDT。1）实验首先分别在空气和N2气氛下对WO3·H2O纳米片进行简单煅烧而制备了晶态WO3和富含OV的WO3-x纳米片。随后，研究者将Pt、Cu、Fe、Co和Ni金属SAs沉积在WO3−x纳米片上，以构建金属SAs修饰的WO3−x纳米复合材料(M-WO3−x)。研究发现，Cu-WO3-x声敏剂能够表现出比WO3-x和Cu SA修饰的WO3更高的超声诱导活性氧产生的性能，并且也优于其它M-WO3−x纳米片。2）实验和理论分析结果表明，Cu-WO3−x纳米片优异的SDT性能可归因于Cu SAs与WO3−x的OVs之间的协同作用。实验结果表明，在US照射下，聚乙二醇修饰的Cu-WO3−x可在体外快速杀灭癌细胞，并且能够有效清除体内肿瘤。转录组测序分析和进一步的分子验证表明，由Cu-WO3−x介导的SDT所激活的凋亡和TNF信号通路是诱导肿瘤凋亡的潜在驱动因素。 Zhan Zhou. et al. Synergistic Interaction between Metal Single-Atoms and Defective WO3−x Nanosheets for Enhanced Sonodynamic Cancer Therapy. Advanced Materials. 2024DOI: 10.1002/adma.202311002https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2023110028.Adv Mater综述：单原子催化剂结构设计增强石油催化性能石油作为工业发展的生命线，是重要的能源和原材料。如何将石油选择性的转化为高附加值化学品非常重要，但是目前石油催化转化仍面临巨大的挑战。单原子催化剂具有100 %的原子利用效率，并且表现为均相催化活性位点，因此在石油化工处理过程具有广泛应用前景。 有鉴于此，中国石油大学潘原等系统性的总结单原子催化剂目前的研究进展情况，提出单原子催化剂结构设计如何能够改善催化活性，总结单原子催化剂在石油化工过程的催化反应机理，揭示单原子催化剂具有优异催化活性的原理。1）总结单原子催化剂进行催化石油转化所面临的挑战，对催化位点的设计、鉴定进行展望，总结人工智能技术在单原子催化剂在石油化工领域的应用前景。2）作者对单原子催化剂在烃类异构、烷烃脱氢、烃类芳构化、脱氧化、选择性加氢、甲酰化等反应的应用进行总结。总结了结构设计增强单原子催化剂催化活性的能力。 Min Li, Guangxun Sun, Zhidong Wang, Xin Zhang, Jiatian Peng, Fei Jiang, Junxi Li, Shu Tao, Yunqi Liu, Yuan Pan, Structural Design of Single-Atom Catalysts for Enhancing Petrochemical Catalytic Reaction Process, Adv. Mater. 2024DOI: 10.1002/adma.202313661https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202313661
