1.李玉良院士JACS：SO3H修饰石墨炔用于Li-S电池隔膜Li-S电池是具有前景的高能量存储电池体系，但是Li-S电池体系面临着一些挑战性的问题亟待解决，尤其是Li枝晶和多硫化锂穿梭的难题。 有鉴于此，中国科学院化学所李玉良院士、山东大学刘泰峰教授等报道将SO3H修饰在石墨炔上，从而得到SO3H官能团化修饰石墨炔，这种材料能够用于Li-S电池隔膜。 1）在材料转变的过程中结构能够保留，不仅全碳都保持晶化，而且成功的修饰亚纳米孔。丰富的SO3H官能团和均匀的孔道实现快速Li+离子传输层中继(Transport Relay)作用，有助于Li+传输和Li沉积，并且阻止了Li枝晶生长。2）由于SO3H的强极性吸附作用和空间位阻效应，从而阻碍Li多硫化物穿梭。这种SOGFY/PP隔膜材料在构筑的Li||Li对称电池中能够在1 mA cm-2稳定工作3500 h，从而实现了优异的低温工作和高倍率性能，起始比容量达到804.5 mAh g-1，在3C倍率和-10 ℃进行500圈循环后的容量达到504.9 mAh g-1。这项工作展示了一种修饰纳米孔的全碳稳定隔膜材料，发展了一种具有前景的改善Li-S电池隔膜的技术。
Yang Kong, Xuming Qiu, Yurui Xue, Guoxing Li, Lu Qi, Wenlong Yang, Taifeng Liu*, and Yuliang Li*, Sulfonic Acid-Functionalized Graphdiyne for Effective Li–S Battery Separators, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c05107https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c051072.李亚栋院士JACS：Pd单原子/ZSM-5选择性炔烃半加氢Pd单原子催化剂在炔烃的半加氢催化反应中具有优异的性能，但是大多数Pd单原子通常与载体的电负性较强的原子配位（N、O、S），这降低了反应物的吸附，降低催化剂的催化活性。如何通过调节配位环境的方式构筑高电子浓度的Pd单原子位点能够为发展催化活性优异的单原子Pd催化剂。 有鉴于此，清华大学李亚栋院士、Jialu Li、中国石油大学(华东)杨妲教授等提出了通过一锅晶种合成策略，将Pd位点原位方法组装在Al/Si含量高的ZSM-5分子筛内，得到了迄今为止产物选择性最好的异相炔烃半加氢催化剂。 1）Pd1@ZSM-5分子筛具有Pd-O-Al/Si配位化学键，从而能够增加Fermi能级附近的d轨道电子，从而改善反应物在Pd位点的吸附作用，降低炔烃的半加氢催化反应能垒。2）在苯乙炔的半加氢催化反应中，Pd1@ZSM-5催化剂的TOF达到33582 molC=C-1 molPd-1 h，苯乙烯产物的选择性达到96 %，是目前各类报道的催化剂选择性最好的结果。催化活性是Lindlar催化剂（1992 molC=C molPd-1 h-1）的17倍。Pd1@ZSM-5催化剂的优异催化活性在6个月后仍得到保留。Pd1@ZSM-5通过4.3 Å的孔结构实现优异的择形产物选择性。 Huan Liu, Jialu Li*, Xiao Liang, Hongyuan Ren, Hang Yin, Ligang Wang, Da Yang*, Dingsheng Wang, and Yadong Li*, Encapsulation of Pd Single-Atom Sites in Zeolite for Highly Efficient Semihydrogenation of Alkynes, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c07674https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07674福州大学龙金林教授、东南大学黄皓玮博士、华东理工大学贾艳艳博士等报道构筑多个空间靠近的单原子，从而设计了一种新型单原子巢催化剂（single-atom nest catalyst）。1）这种“单原子巢”催化剂的设计目的是充分的利用单原子催化剂，同时能够避免立体位阻效应影响偶联反应。设计的Pt单原子巢催化剂的相邻Pt原子间距4 Å，精确的修饰在TiO2载体表面用于光催化甲烷非氧化偶联。 2）Pt单原子巢催化剂在光催化甲烷偶联反应中表现了优异的活性，生成C2H6的产率达到251.6 μmol g-1 h-1，TOF达到20 h-1，比Pt单原子催化剂的性能高3.2倍。DFT理论计算结果说明Pt单原子巢能够降低活化CH4分子的活化能能垒，因此改善偶联反应。Pu Zhang, Junwei Li, Haowei Huang*, Xiaoyu Sui, Haihua Zeng, Haijiao Lu, Ying Wang, Yanyan Jia*, Julian A. Steele, Yanhui Ao, Maarten B. J. Roeffaers, Sheng Dai, Zizhong Zhang, Lianzhou Wang, Xianzhi Fu, and Jinlin Long*, Platinum Single-Atom Nests Boost Solar-Driven Photocatalytic Non-Oxidative Coupling of Methane to Ethane DOI: 10.1021/jacs.4c08901https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c089014.中科院化学所JACS：共轭聚合物光催化还原CO2以及巨噬细胞转化光能量在疾病治疗领域具有非常重要的意义，开发具有优异活性的光催化剂能够促进生物医药领域的发展。有鉴于此，中国科学院化学所王树研究员、白昊天研究员等报道共轭聚合物用于光催化还原CO2的设计和合成新方法，基于理论计算描述符进行线性回归发展高性能光催化还原CO2的共轭有机光催化剂。1）通过分子结构和CO产量之间建立线性关系，因此发现聚芴-噻吩共聚物（PFT）是最好的共轭有机光催化剂。PFT在乙腈或者溶液相生成CO的速率分别为231 nmol h-1和46 nmol h-1，选择性达到88 %。2）通过脂质体包封处理的PFT光催化剂能够用于靶向巨噬细胞递送。将PFT修饰在脂质体的膜上，构筑的光催化体系能够高效率的从周围的CO2转化为CO。生成的CO能够作为外源性信号分子，促进巨噬细胞（macrophages）从M1变成M2。M2细胞能够减少炎症细胞因子（TNF-α、IL-6和IL-1β）的分泌。此外，作者展示了这个体系能够高效率在可见光照射下治疗脂多糖诱导的心肌细胞炎症。 这项研究通过超快光谱、原位红外、瞬态吸收等表征技术研究和深入理解CO2还原的过程。这项研究有助于发展共轭聚合物光催化剂以及将其应用于生物医药领域。
Chuanwei Zhu, Junjie Cheng, Hongrui Lin, Zhiwen Yang, Yiming Huang, Fengting Lv, Haotian Bai*, and Shu Wang*, Rational Design of Conjugated Polymers for Photocatalytic CO2 Reduction: Towards Localized CO Production and Macrophage Polarization, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c04980https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c049805.JACS：水热合成高活性Ir1-xRuxO2用于OERIrO2和RuO2以及固溶体是高活性OER电催化剂，高效率的简单合成这种纳米晶催化剂对于电催化转化非常重要，有鉴于此，奥胡斯大学Bo Brummerstedt Iversen等报道通过原位XAS表征技术研究，不同Ir和Ru的前体化合物（IrCl3和KRuO4）通过简单的水热合成过程生成纯相Ir1–xRuxO2 纳米催化剂。 1）合成的固溶体具有调节性，其中0.2 <x<1.0，而且具有超小相干散射晶畴（尺寸为1.3~2.6 nm）。原位xas表征结果说明晶体的生成机理包括两个步骤：首先失去氯配体，生成含有ir和ru的金属氧八面体。这种八面体能够组装生成长程有序的金红石结构。< span> </x<1.0，而且具有超小相干散射晶畴（尺寸为1.3~2.6>2）在晶体生成过程中金属能够发生混合，因此形成固溶体而不是异相混合物。通过控制和合成的温度能够调节生成产物的颗粒粒径。这种简单方便的水热合成方法得到了超小尺寸的纳米粒子，并且其酸性OER催化活性能够达到了目前文献报道最好的催化剂性能。这项研究有助于研究如何优化催化剂的组成从而实现低过电势、高质量活性、提高稳定性。
Andreas Dueholm Bertelsen, Magnus Kløve, Nils Lau Nyborg Broge, Martin Bondesgaard, Rasmus Baden Stubkjær, Ann-Christin Dippel, Qinyu Li, Richard Tilley, Mads Ry Vogel Jørgensen, and Bo Brummerstedt Iversen*, Formation Mechanism and Hydrothermal Synthesis of Highly Active Ir1–xRuxO2 Nanoparticles for the Oxygen Evolution Reaction, J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c04607https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c046076.JACS：Au电催化CO2还原生成CO的负反应级数俄亥俄州立大学Anne C. Co教授、宾夕法尼亚州立大学Michael J. Janik教授等报道在传质控制条件下，使用旋转环盘电极测试Au催化剂的CO2电化学还原反应的CO分压与过电势的依赖性负分数反应级数。1）在高过电位下，由于CO在Au上的吸附增强，CO反应级数接近-1，动力学分析和密度泛函理论（DFT）模拟验证这个现象。这项研究结果说明，即使在电化学环境中的Au等弱CO结合金属上，CO位点阻碍催化反应的现象同样非常严重。CO位点阻碍效应能够非常强的阻碍CO2RR反应产物的CO选择性。2）这个研究结果有助于CO2RR反应机理的认识，包括对CO2RR的理论建模以及实际的电流密度以及较高的转化反应时，研究CO2RR活性都具有重要的帮助。 Zhihao Cui, Andrew Jark-Wah Wong, Michael J. Janik*, and Anne C. Co*，Negative Reaction Order for CO during CO2 Electroreduction on Au，J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c06232https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c06232NH2CH3、NH(CH3)2、N(CH3)3是工业上作为共沸混合物的重要化学原料，通常需要热蒸馏技术进行分离。目前人们提出了使用固体吸附剂方法能够替代高耗能的热蒸馏，但是对于甲胺的分离研究还非常少见。有鉴于此，加州大学伯克利分校Jeffrey R. Long教授等报道框架结构相同的两种Cu(cyhdc)材料(其中cyhdc=反式-1,4-环己烷二甲酸酯)和Cu(bdc)（其中bdc=1,4-苯二甲酸酯）。 1）作者发现Cu(cyhdc)和Cu(bdc)是具有甲胺分离前景的材料。最近人们发现Cu(cyhdc)能够通过独特的骨架结构相变方式捕获NH3。作者基于气体吸附和XRD，发现Cu(cyhdc)和Cu(bdc)能够可逆的通过“框架结构-配位聚合物相变”机理吸附大量的甲胺、二甲胺，对三甲胺的吸附比较少。2）单晶XRD分析吸附甲胺或二甲胺的结构，结果显示，提供氢键的数量以及结合配体的强度是影响有机胺吸附数量的关键。通过吸附有机胺的行为进行研究，发现Cu(cyhdc)材料在甲胺、二甲胺、三甲胺混合物的过程表现了对甲胺具有一定选择性。
Katerina I. Graf, Adrian J. Huang, Katie R. Meihaus, Jeffrey R. Long*，Methylamine Separations Enabled by Cooperative Ligand Insertion in Copper–Carboxylate Metal–Organic Frameworks，J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c06718https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c067188.JACS：机械合成结构独特的Pd-iC-CeO2实现甲烷选择性制备甲醇为了发展甲烷液相直接选择性转化为甲醇的技术，人们面临的主要挑战是甲烷转化反应过程持续生成液相氧化产物或者燃烧生成的副产物。有鉴于此，西班牙催化与石油化学研究所M. Verónica Ganduglia-Pirovano教授、美国布鲁克海文国家实验室Sanjaya D. Senanayake教授等报道发现通过非常简单的机械研磨方法，将Pd/CeO2催化剂修饰碳材料，得到独特的Pd-iC-CeO2催化剂，在甲烷转化反应中能够于75 ℃选择性的生成甲醇。1）在机械研磨处理过程中能够形成独特的Pd-iC-CeO2界面结构，催化剂中的界面碳物质iC（interfacial carbon）调节金属-氧化物的界面相互作用，从而促进甲烷氧化反应和之后的过氧化物分解。因此在75 ℃进行催化反应能够以117 μmol/g的产率选择性的生成甲醇。2）通过DFT理论计算，研究发现H2O2溶液的相互作用对于甲醇的高选择性非常重要，反应的机理为Eley-Rideal反应机理。这种独特的机理能够通过固-液-气过程将甲烷直接转化为甲醇。
Juan D. Jiménez, Pablo G. Lustemberg*, Maila Danielis, Estefanía Fernández-Villanueva, Sooyeon Hwang, Iradwikanari Waluyo, Adrian Hunt, Dominik Wierzbicki, Jie Zhang, Long Qi, Alessandro Trovarelli, José A. Rodriguez, Sara Colussi, M. Verónica Ganduglia-Pirovano*, and Sanjaya D. Senanayake*, From Methane to Methanol: Pd-iC-CeO2 Catalysts Engineered for High Selectivity via Mechanochemical Synthesis, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c04815https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c04815
