1.Nature Commun：晶界工程增强Au的电催化ORR性能
人们研究发现，在ORR等电催化反应中，贵金属的晶界是增强催化活性的关键位点。但是传统修饰晶界的方法通常不可避免的改变晶体的尺寸或形貌，这影响了研究晶界对催化性能的特定作用。有鉴于此，马克斯·普朗克可持续材料研究所Xin Geng、Zhenyu Wang、Baptiste Gault等报道通过研究Au纳米组装体，调节合成过程中Au纳米粒子的碰撞频率的方式控制形成晶界的密度，解决了研究晶界在电催化反应性能中的作用的挑战。1）研究弄清了随着晶界密度的增加，2e- ORR电催化活性的增强情况，发现晶界密度增加比活性和质量活性都显著增强。 2）由于晶界处的硼发生偏析，阻碍了结构坍塌，因此具有丰富晶界的Au纳米粒子组装体具有优异的电化学稳定性。这项研究为优化贵金属催化剂的活性、反应选择性、稳定性提供了晶界边界工程策略。
Geng, X., Vega-Paredes, M., Wang, Z. et al. Grain boundary engineering for efficient and durable electrocatalysis. Nat Commun 15, 8534 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-52919-whttps://www.nature.com/articles/s41467-024-52919-w2.Nature Commun：无膜配位电催化体系处理废水合成NH3和Cl2并且同时分离产物电化学合成技术是化学工业实现脱碳的路径，电化学合成能够在温和反应条件生产高附加值的化学品。有鉴于此，新泽西理工学院张文教授等报道没有膜的流动相电解槽进行配对电催化反应，将硝酸盐（NO3-）和氯（Cl-）废品物质转化为NH3和Cl2。1）这种电解槽通过将电化学合成和气体产物分离结合，减少了非必要的NH3和Cl2的氧化还原反应，以及产物损失。2）当使用3个电解槽堆栅模组，能够高效率的进行反渗透废物流处理。从而能够生成浓度为83.8mM (NH4)2SO4和243.4mM NaClO，生成固体产物的单位用电量达到7.1kWh kg-1。处理后废水中的NH3/NH4+浓度为0.3mM，NO2-浓度为0.2mM，Cl2/HClO/ClO-浓度为0.1mM，达到了废水排放污染物含量的标准。这项研究展示了通过选择合适的半反应搭建的配对电催化反应体系，能够利用废水代替电解液，并且将合成过程与分离过程结合，完善了电化学合成平台。 Gao, J., Ma, Q., Wang, Z. et al. Direct electrosynthesis and separation of ammonia and chlorine from waste streams via a stacked membrane-free electrolyzer. Nat Commun 15, 8455 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-52830-4https://www.nature.com/articles/s41467-024-52830-4 3.Angew：Cu11Ag3针尖增强效应促进电催化还原硝酸盐合成氨电化学还原硝酸盐合成氨是一条符合可持续发展要求的消除NO3-和合成氨路线。有鉴于此，苏州科技大学杨鸿斌教授、马汝广教授、郭春显副教授等报道双金属Cu11Ag3纳米针催化剂通过调节局部环境和针尖增强作用，实现了优异的电催化还原硝酸盐合成氨性能。1）双金属Cu11Ag3纳米针催化剂在低过电势（-0.33V vs RHE）具有超高的NH3产率（2.36mmolh-1cm-2），法拉第效率达到98.8%。在1800mg-NL-1 NO3-具有长期稳定性，法拉第效率达到86.9%，产物中的NH3选择性达到93.8%。2）有限元计算和DFT理论计算结果说明Cu11Ag3能够降低*N中间体的吸附能能垒，有助于水分子解离生成*H，并且导致生成H2的高能垒，通过针尖增强促进NO3-聚集。 Chunxian Guo, Changhong Wang, Zhengyang Liu, Quanxiao Peng, Dandan Xing, Tao Hu, Feng Du, Changming Li, Ruguang Ma, Hongbin Yang, Bimetallic Cu11Ag3 Nanotips for Ultrahigh Yield Rate of Nitrate-to-Ammonium, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415259https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024152594.上海交大Angew：Ag-异氰配位构筑2D MOF电催化还原CO2由于MOF具有广泛的应用和易调节的结构，因此得到广泛研究，但是通常MOF的研究主要关注于杂原子配位结构，如何理性的设计C-金属配位MOF仍然是个挑战。有鉴于此，上海交通大学庄小东研究员等报道设计了Ag-C配位的2DMOF材料，通过Ag(I)盐和异氰化物在温和条件的配位合成这种2D MOF。1）合成的2D MOF材料具有明确的晶体结构，交错的AB堆叠，而且由于缺少层间π-π相互作用，因此能带仅为1.42eV。在电催化还原CO2制备CO中，法拉第效率达到92%。2）因为异氰根的σ供体作用和配体-金属电荷转移，MOF的碳原子位点能够促进吸附CO2和*COOH（而不是在Ag位点），因此改善CO2催化还原性能。这项工作不仅开发了新型金属-异氰配位结构的MOF，而且有助于理解强极性碳物种的电催化反应。 Kaiyue Jiang, Pu Yan, Pengfei Shi, Jichao Zhang, Xinyu Chai, Yunfei Wang, Chenhui Zhu, Chongqing Yang, Chenbao Lu, Yi Liu, Kecheng Cao, Xiaodong Zhuang, Two-Dimensional Silver–Isocyanide Frameworks, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202417658https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024176585.Angew：新型NaNbCl6-2xOx固态钠离子电池由于钠的储量高，而且比锂的成本更低，因此钠基电池的相关研究受到关注。固态钠电池还可以提供进一步的安全优势。然而，现有的钠基固态电解质（SSE）存在缺点，比如高离子电导率、阴极的氧化稳定性和易加工性。 有鉴于此，得克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram等报道一种新型的钠基卤氧化物电解质NaNbCl6-2xOx。1）其合成过程使用简单的机械化学合成，与卤化物对应物NaNbCl6（3x10-6Scm-1）相比，氧卤化物NaNbCl4O在环境温度下的钠离子电导率（1.03x10-4 Scm-1）高出近两个数量级。通过23Na和93Nb魔角自旋核磁共振（MAS NMR）光谱和XRD鉴定NaNbCl6-2xOx的氧含量结构。2）使用NaNbCl4O电解质和无钴和无镍层状Na0.70Fe0.3Mn0.65Al0.05O2阴极组装的固态钠电池在环境温度下具有155mA h g-1的最大放电容量和良好的循环寿命。 Steven Kmiec, Erick Ruoff, Arumugam Manthiram, A New Class of Oxyhalide Solid Electrolytes NaNbCl6-2xOx for Solid-state Sodium Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202416979https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024169796.JACS：局部配位结构调控增强Pd单原子催化剂的CO催化氧化稳定性和催化活性开发用于CO氧化的高活性Pd单原子催化剂对于环境保护和基础研究都非常重要，但是单原子Pd催化剂面临着非常有限的催化反应活性和热稳定性。有鉴于此，华盛顿州立大学化学工程和生物工程系、西北太平洋国家实验室王勇教授、王化民等报道一种热力学稳定的以TiO2作为载体的Pd单原子催化剂，通过H2处理调节Pd原子的配位，在CO催化氧化反应中表现增强的催化活性。1）作者通过详细的表征技术研究发现H2处理的Pd单原子催化剂减少了最近的Pd-O配位数目，形成短程Pd-Ti配位结构，因此显著的改善Pd单原子的稳定性，甚至是高温稳定性。2）在CO催化氧化反应中，发现一部分Pd-Ti配位变成与O或CO配位。独特的Pd局部配位环境能够促进CO吸附，改善相邻氧物种的活性，因此产生优异的催化活性。 发现H2处理的Pd单原子催化剂在120℃的TOF比O2处理的Pd单原子催化剂或者其他Pd/Pt单原子催化剂高1个数量级。这些研究结果有助于设计工业应用以及环境领域的高性能单原子催化剂。Yubing Lu, Fan Lin, Zihao Zhang, Coogan Thompson, Yifeng Zhu, Nassar Doudin, Libor Kovarik, Carlos E. García Vargas, Dong Jiang, John L. Fulton, Yiqing Wu, Feng Gao, Zdenek Dohnálek, Ayman M. Karim, Huamin Wang*, and Yong Wang*, Enhancing Activity and Stability of Pd-on-TiO2 Single-Atom Catalyst for Low-Temperature CO Oxidation through in Situ Local Environment Tailoring, J. Am. Chem. Soc. 20204DOI: 10.1021/jacs.4c07861https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07861 7.JACS：生物发光共振能量转移(BRET)可介导自发光的光响应性生物材料实现蛋白质释放光可触发释放多种物质（包括可溶性蛋白因子和小分子）以纠正异常的生物事件，从而实现时空可控的局部治疗。然而，光穿透深度较差的问题仍会严重影响该策略在皮下区域的实施效果，因此研究者需要开发新型的光递送方法来实现光动力治疗药物释放。有鉴于此，华盛顿大学Cole A. DeForest和俄勒冈大学Teresa L. Rapp设计了一种利用发光的纳米荧光酶(NLuc)和光敏受体分子之间的能量转移过程（即生物发光共振能量转移(BRET)）驱动水凝胶生物材料释放生物分子的策略。1）实验通过简单、一锅、高收率(60−70%)的合成策略构建了一种含醛和叠氮化物的杂双功能钌交联剂(CHO-Ru-N3)，其在蓝绿光照射(>550nm)下能够发生含叠氮化物配体交换。通过转肽酶标签增强的蛋白连接(STEPL)与NLuc进行位点特异性偶联后，修饰的蛋白进可通过应变促进的叠氮化物-炔环加成(SPAAC)反应共价地连接到聚乙二醇(PEG)基水凝胶上。2）利用Ru化合物的高光敏性，研究者证明了表皮生长因子(EGF)可通过直接光照或基于BRET的生物光解实现快速释放。由于NLuc可以在整个身体中产生可控的发光，因此该研究设计的蛋白质释放策略有望能够在小分子全身给药后实现局部触发的药物递送。 Teresa L. Rapp. et al. Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET)-Mediated Protein Release from Self-Illuminating Photoresponsive Biomaterials. Journal of the American Chemical Society. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c03361https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c033618.华中科技大学Adv Mater：合成C15异常晶相Ir合金实现优异的HER性能由于较大的不对称性，因此如何合成不常见的密堆积金属间纳米晶体是个巨大的挑战。有鉴于此，华中科技大学李箐教授等报道熔盐还原法合成了一系列不常见的Frank-Kasper C15晶相的金属间Ir2M材料，M=La, Ce, Gd, Tb, Tm等稀土元素，这些Ir2M催化剂表现优异的HER电催化活性。 1）与无序结构对比材料（A1-Ir2Ce）相比，C15-Ir2Ce具有更高的Ir-Ce配位数，因此在Ir位点形成电子浓度更高的环境。C15-Ir2Ce催化剂具有优异的全pH HER催化活性，在酸性、中性、碱性HER达到10mA cm-2所需的过电势分别为9，16，27mV，是目前报道HER催化剂最好的之一。2）使用C15-Ir2Ce催化剂构筑质子交换膜电解水器件，在80℃仅需1.7V就达到1A cm-2电流密度，稳定工作时间达到1000h，电压衰减速率仅为50μV h-1。理论计算结果显示，C15-Ir2Ce电子浓度较高的Ir位点能够极化*H2O中间体，降低水分子解离的能垒，促进HER电催化反应动力学。Zhuhuang Qin, Jinhui Li, Qiyan Wu, Nadaraj Sathishkumar, Xuan Liu, Jiaoyang Lai, Jialun Mao, Linfeng Xie, Shenzhou Li, Gang Lu, Rui Cao, Pengfei Yan, Yunhui Huang, Qing Li, Topologically Close-Packed Frank-Kasper C15 Phase Intermetallic Ir Alloy Electrocatalysts Enables High-Performance Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer, Adv. Mater. 2024 DOI: 10.1002/adma.202412541https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412541
