1.唐智勇院士JACS：Pd/WO3光催化甲烷氧化制备甲酸高效率的将甲烷光催化转化为甲酸是一种符合可持续发展要求的技术以及利用可再生能源制备高附加值化学品的技术。但是，光催化甲烷转化制备甲酸面临的挑战问题是如何实现高产率和较高的甲酸选择性。这个困难是因为需要调节甲烷活化后生成的中间体物种的转化和产物脱附。有鉴于此，国家纳米科学中心唐智勇院士等报道通过第一性原理计算指导调控在贵金属表面活化O2过程，以及调控金属氧化物载体表面吸附的含碳中间体物种的吸附强度，因此实现调节甲烷光催化氧化反应产物的选择性。1)发现Pd纳米粒子和WO3构筑的光催化剂能够优化O2活化的动力学过程以及中间体氧化/脱附的能垒，因此促进光催化反应生成甲酸。Pd/WO3光催化剂在室温全光谱光照条件下进行光催化反应，当使用O2作为氧化剂，实现了高达4.67 mmol gcat-1 h-1的HCOOH产率和62 %的选择性。2)这个光催化甲烷转化的结果比相同条件报道的光催化甲烷转化体系更好。Yuheng Jiang, Yingying Fan, Xiaolong Liu, Jun Xie, Siyang Li, Kefu Huang, Xiaoyu Fan, Chang Long, Lulu Zuo, Wenshi Zhao, Xu Zhang, Juehan Sun, Peng Xu, Jiong Li, Fan Dong, Ting Tan, and Zhiyong Tang*, Steering Photooxidation of Methane to Formic Acid over A Priori Screened Supported Catalysts, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c03083https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03083塑料废弃物对公共健康和自然生态环境造成损害，因此将塑料废弃物回收再利用，从而将其中的碳物种转化为高附加值化学品能够最大化的将塑料废弃物重复利用。但是传统的塑料废弃物回收技术通常需要大量的能量，而且塑料处理导致产生有毒性的产品。 有鉴于此，江南大学焦星辰教授、陈庆霞副教授，中国科学技术大学谢毅院士等综述报道通过温和的电催化、光催化、光电催化等方式的塑料废弃物回收处理进展。1)在各种塑料氧化处理技术中，通常包含伴随的还原反应，还原反应的情况影响转化塑料的能力。这项综述讨论了半反应的设计，包括水还原、CO2还原、硝酸盐还原等。2)对未来可能发展的塑料处理技术的发展进行展望，而且讨论有机催化半反应，对如何通过原位研究和理论研究理解塑料转化的机理，而且讨论了塑料转化技术如何实用化面临的问题。Qinyuan Hu, Zhixing Zhang, Dongpo He, Jiacong Wu, Jinyu Ding, Qingxia Chen*, Xingchen Jiao*, and Yi Xie*, Progress and Perspective for “Green” Strategies of Catalytic Plastics Conversion into Fuels by Regulating Half-Reactions, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c04848https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c048483.JACS：基于吡啶酮-吡啶互变异构体工程的可编程单线态氧电池用于实现自动化光动力治疗光动力疗法的疗效会受到肿瘤内乏氧环境和光穿透深度不足等问题的限制。单线态氧电池(SOB)可以实现不依赖于氧和光的1O2释放，有望能够解决上述挑战。然而，传统的SOB系统往往具有"always-ON"的1O2释放性能，由此会导致潜在的1O2泄漏，进而严重影响治疗结果，并且会同时造成重大的生物安全性问题。有鉴于此，新加坡国立大学刘斌教授和浙江大学平渊教授开发了一种可编程的新型SOB。1）研究者通过开发对肿瘤微环境响应的吡啶酮-吡啶开关(PyAce)而构建了该SOB。研究发现，PyAce会以两种互变异构体的形式存在：PyAce-0(吡啶)和PyAce(吡啶酮)，它们分别具有不同的1O2储存半衰期。在初始状态下，PyAce为吡啶酮形式，可储存1O2(t1/2 = 18.5 h)。 2）到达肿瘤微环境后，PyAce会转变为吡啶形式，进而能够快速、彻底地释放1O2(t1/2 = 16 min)，并且可以在治疗后淬灭1O2的释放。实验结果表明，这一机制可确保该SOB能够在治疗前和治疗后抑制1O2的产生，并可在肿瘤部位实现选择性、快速的1O2释放，从而最大限度地提高治疗效果和减少治疗副作用。综上所述，该研究开发的可编程SOB能够实现"OFF-ON-OFF"的1O2治疗，具有高度的时空选择性，并且不依赖于肿瘤内部的氧气供应和外部光照。Jianwu Tian. et al. Programmable Singlet Oxygen Battery for Automated Photodynamic Therapy Enabled by Pyridone−Pyridine Tautomer Engineering. Journal of the American Chemical Society. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c02500https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c025004.Angew：Cu(110)晶面表面Cu氧化物和吸附Cu原子电催化CO2奥胡斯大学Jeppe Vang Lauritsen等通过近常压扫描隧道显微镜（NAP-STM）表征和理论计算进行结合，研究CO2与Cu(110)金属之间的相互作用以及CO2与氧化的Cu(110)之间的相互作用。1)研究结果显示Cu(110)或者完整的CuO都是惰性，但是Cu(110)和CuO的界面能够与10 mbar CO反应。观测结果说明CuO/Cu(110)界面位点发生该反应。当CuO/Cu(110)界面与CO2反应时，CuO/Cu(110)释放Cu吸附原子与CO3结合，生成一系列Cu-CO3物种，这些物种的稳定性取决于CO2气体的压力。Cu(110)产生反应性的原因来自Cu吸附原子以及Cu(110)表面与CO2反应生成的配位高度不饱和的CuO位点能够作为引发反应的催化活性位点。2)通过理论计算研究CO2加氢催化反应制备CH3OH的过程，说明这些位点显著促进催化反应生成CH3OH。这项研究结果说明CuO/Cu(110)界面在存在CO2的情况时表现非常强的动态变化，而且这个结果说明反应形成的Cu位点和CuO位点对于Cu(110)晶面催化CO2反应非常重要。 Sigmund Jensen, Raffaele Cheula, Martin Hedevang, Mie Andersen, Jeppe Vang Lauritsen, The Role of Cu-oxide and Cu adatoms in the Reactivity of CO2 on Cu(110), Angew. Chem. Int. Ed. 2024 DOI: 10.1002/anie.202405554https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024055545.余家国院士Nature Commun：In2O3/Nb2O5 S型异质结光催化还原CO2人们发现S型异质结有助于光生载流子的分离以及发生光催化反应。但是，通常构筑S型异质结的两相缺乏足够的接触面积，这导致界面电荷难以充分分离，光催化反应的动力学比较缓慢。有鉴于此，中国地质大学余家国院士、徐飞燕副教授等通过一步静电纺丝方法合成In2O3/Nb2O5 S型异质结，在两相材料之间构筑紧密接触，促进界面超快速（<10 ps）的电子转移，因此在光催化CO2转化反应中表现优异性能。(1)通过飞秒瞬态光吸收光谱表征结果验证S型异质结光催化剂具有超快的界面电子转移。由于快速的界面电荷转移，因此光电子和光生空穴能够分别聚集在Nb2O5导带和In2O3价带，因此增强光生电荷寿命，有助于光化学反应的进行。2)由于Nb2O5能够有效的吸附和活化CO2，因此这种In2O3/Nb2O5异质结纤维在CO2光催化转化表现优异的光催化活性。 Deng, X., Zhang, J., Qi, K. et al. Ultrafast electron transfer at the In2O3/Nb2O5 S-scheme interface for CO2 photoreduction. Nat Commun 15, 4807 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-49004-7https://www.nature.com/articles/s41467-024-49004-76.Nature Commun：利用碘氧化还原化学和电场效应解决氮化碳上 H2O2 光合作用的瓶颈问题利用氮化碳（g-C3N4）进行人工光合作用对于可持续且经济高效的H2O2生产具有重要意义，但高载流子复合率阻碍了其效率。为了应对这一挑战，近日，重庆大学陈飞教授，中科大俞汉青教授等人提出了一种创新的方法，涉及多物种碘介体(I−/I3−)，通过在g-C3N4框架内使用碘化钾(疑似变质的“KI”)的预光氧化过程来嵌入。此外，引入一个外电场，通过引入阳离子甲基紫精离子来建立辅助电子转移通道。1）独特的设计极大地改善了光生载流子的分离，在可见光照射下实现了优异的 46.40 mmol g−1 h−1 的 H2O2 生成率，超过了大多数可见光 H2O2 生成系统。2）结合各种先进的表征技术阐明了内在的光催化机理，并通过各种模拟场景验证了该光催化系统的应用潜力。 这项工作为制备和应用高效 g-C3N4 基催化剂进行光化学 H2O2 生产提出了有意义的策略。Bai, CW., Liu, LL., Chen, JJ. et al. Circumventing bottlenecks in H2O2 photosynthesis over carbon nitride with iodine redox chemistry and electric field effects. Nat Commun 15, 4718 (2024).DOI：10.1038/s41467-024-49046-xhttps://doi.org/10.1038/s41467-024-49046-x7.Nature Commun：Bi4Ti3O12单晶纳米片光催化全解水人工光化学合成是具有前景的清洁能源制备技术，但是通常人工光化学合成面临着两个局限性：光生载流子转移的速率非常缓慢，光生电子/空穴快速复合。而且还难以解决如何在全分解水反应中生成化学计量比为2:1的H2和O2。有鉴于此，香港中文大学余济美教授、中国科学院大连化物所范峰滔研究员、香港大学郭正晓院士等报道理性设计二维纳米片光催化剂Bi4Ti3O12，增强光催化全分解水的性能。1)通过空间区分结构，这种二维Bi4Ti3O12光催化剂纳米片克服了电荷在单晶纳米粒子的不同晶面之间转移的困难。2)这种二维维Bi4Ti3O12光催化剂纳米片能够以接近化学计量比为2:1的比例生成40.3 μmol h-1的H2和20.1 μmol h-1的O2，太阳能转化为氢的能量效率达到0.1 %。Jia, G., Sun, F., Zhou, T. et al. Charge redistribution of a spatially differentiated ferroelectric Bi4Ti3O12 single crystal for photocatalytic overall water splitting. Nat Commun 15, 4746 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49168-2https://www.nature.com/articles/s41467-024-49168-28.Nature Commun：电催化还原CO的Cu-Ag双金属催化剂结构变化揭示电催化反应过程中催化剂的结构变化情况对于设计催化剂以及建立催化剂结构-性能关系非常重要。有鉴于此，新加坡国立大学汪磊教授、何迁教授、新加坡科学技术研究局席识博研究员、韩国西江大学Seoin Back等报道在电催化反应过程中揭示Cu-Ag氧化物电催化剂的结构变化过程。1)通过原位表征和离线表征技术，说明均匀的氧化物催化剂前体转化为封装在薄层无定形Cu内的Ag纳米粒子的双金属结构。作者发现其中的无定形Cu外层的配位不饱和特点导致增强催化活性。2)调控氧化物前体的Cu/Ag比例的过程中，作者发现，当增加Ag的浓度能够促进液相产物，并且阻碍生成氢气副产物。通过CO2/CO共同电催化反应和同位素标记实验，说明高浓度CO促进生成多碳产物。总之，作者认为通过这项Cu-Ag双金属催化剂体系的研究，有助于发展和设计性能更加优异的电催化剂。 Wang, D., Jung, H.D., Liu, S. et al. Revealing the structural evolution of CuAg composites during electrochemical carbon monoxide reduction. Nat Commun 15, 4692 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-49158-4https://www.nature.com/articles/s41467-024-49158-4
