1.Angew：Fe2O3簇和Fe单原子协同光催化甲烷选择性合成甲醇光催化CH4氧化为CH3OH是具有前景的可再生天然气利用技术，能够缓解温室效应。但是目前在低温使用O2作为氧化剂进行CH4合成甲醇仍具有非常大的挑战。有鉴于此，浙江大学谢鹏飞教授、中国科学院煤化学研究所Kuan Lu、华东理工大学戴升教授等报道受到可溶的甲烷单加氧酶的结构以及反应机理，制备了一种模拟生物的光催化剂，在氮化碳载体上修饰Fe卫星单原子和Fe2O3纳米簇。1）这种模拟生物的催化剂在光催化转化甲烷的反应中实现了98.5%的甲醇选择性，CH3OH的产量达到5.02mmol gcat-1 h-1。反应机理研究发现Fe2O3团簇和Fe单原子之间的协同作用能够作为O2活化和CH4部分氧化的双位点。2）Fe2O3纳米簇光激发的能带比较窄，能够将电子和质子输送到Fe原子位点，因此促进ORR反应合成甲醇的反应动力学。Yueyuan Xu, Xianfeng Shen, Shuai Guo, Yao Lv, Ke Wang, Yao Shi, Yukun Li, Mi Yan, Peng Zhang, Sheng Dai, Kuan Lu, Pengfei Xie, Iron Oxide Clusters as Electron Donors Under Light Enhance Oxygen Reduction Kinetics at Atomically Dispersed Fe for Photocatalytic CH4 Partial Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202419075https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024190752.宁波材料技术与工程研究所Angew：Sr掺杂IrOx促进酸性OER电催化性能在酸性条件下高效稳定的析氧反应（OER）电催化剂对于质子交换膜水电解槽的商业化至关重要。有鉴于此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陆之毅研究员、王宇楠研究员等报道一种Sr(OH)2辅助制备（200）面高度暴露的掺锶IrOx催化剂，以提供具有较低Ir-O共价性的相邻铱位点。1）这种催化剂的设计促进了酸性水氧化过程中的直接O-O偶联，绕过了*OOH中间体的高能垒。由于这一优势，在0.5M H2SO4中，在10mA cm-2的电流密度下，所得Sr-IrOx催化剂的过电势仅为207mV。此外，使用Sr-IrOx作为阳极催化剂的PEMWE装置在1A cm-2显示出1.72V的电池电压，并在500h保持优异的稳定性。2）这项工作不仅为改进酸性OER催化剂的设计提供指导，而且有助于开发具有其他电催化反应新机制的Ir电催化剂。
Zhiyi Lu, Wuyong Zhang, Caihan Zhu, Yingjie Wen, Minli Wang, Yunan Wang, Strontium Doped IrOx Triggers Direct O-O Coupling to Boost Acid Water Oxidation Electrocatalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202418456https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024184563.Angew：亲氧Cr4+构筑Cr-Cu2O纳米片电催化还原硝酸盐合成氨氧化亚铜（Cu2O）基催化剂在硝酸盐（NO3-）电化学还原为氨（eNO3RA）方面表现出有前景的活性，但是Cu+物种的电化学不稳定性可能导致耐久性不好，阻碍了对结构性能关系的探索。 有鉴于此，中国科学院生态环境研究中心俞文正研究员等提出了一种有效的策略，通过将Cr4+掺入Cu2O，构建Cr4+-O-Cu+结构来稳定Cu+，在电催化还原硝酸盐合成氨的反应中表现优异性能。 1）原位和准原位表征的结果说明，通过强烈的Cr4+-O-Cu+相互作用保持Cu+物种，这种相互作用抑制晶格氧的溶解。确定了Cr4+-O-Cu+原位生成的Cr3+-O-Cu+是eNO3RA的双活性位点，其中Cu+位点活化含氮中间体，Cr3+中心作为快速水解离的电子质子介质。2）理论研究进一步表明，亚稳态Cr3+-O-Cu+有利于关键*ON中间体从吸热氢化反应变成ONH途径的放热反应，并促进随后以低能垒NH3脱附。具有最高91.6%法拉第效率的优异eNO3RA性能，而且通过与阳极硫化氧化反应结合，能够制备NH3和硫回收。 Kai Zhang, Bo Li, Fengchen Guo, Nigel Graham, Wenhui He, Wenzheng Yu, Unveiling the Dual Role of Oxophilic Cr4+ in Cr‐Cu2O Nanosheet Arrays for Enhanced Nitrate Electroreduction to Ammonia, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202411796https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202411796氮掺杂碳催化剂上原子分散的过渡金属位点因其令人鼓舞的选择性，在电化学CO2还原反应（CO2RR）中具有巨大的潜力。但是由于标度关系，内在活性受到*COOH形成或*CO脱附的高能势的局限。有鉴于此，北京化工大学刘军枫教授、Bingqing Wang、中国科学院上海高等研究院王宇研究员等报道一种p区铝单原子催化剂（Al-NC），具有Al-N4位点，为形成*COOH和*CO脱附提供了适度的反应动力学阻碍，并且通过原位ATR-FTIR和DFT理论计算模拟进行验证。 1）开发Al-NC在-0.65 V vs RHE下的CO法拉第效率（FECO）高达98.76 %，在-0.99 V vs RHE下的固有催化转换频率为3.60 s-1，超过了最先进的Ni-NC和Fe-NC对应物。此外，它还在流动池和膜电解槽（MEA）中分别在93.65%的FECO和>85%的FECO提供309mA·cm-2的部分电流密度和605mA的部分CO电流。 2）当使用低浓度CO2（30%）作为原料，该催化剂在MEA中>80%的FECO下仍能提供240mA的部分CO电流。考虑到Al元素的储量高，而且Al-NC催化剂的高本征活性，因此Al是具有前景的过渡金属单原子催化剂替代催化材料。 Zhanshuai Ma, Bingqing Wang*, Xiang Yang, Chao Ma, Weibo Wang, Chengjin Chen, Fangkui Liang, Nian Zhang, Hui Zhang, Yongheng Chu, Zhongbin Zhuang, Haijun Xu, Yu Wang*, and Junfeng Liu*, P-Block Aluminum Single-Atom Catalyst for Electrocatalytic CO2 Reduction with High Intrinsic Activity, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c11326https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c113265.东南大学JACS：单原子催化剂CO2还原的活性-稳定性描述符单原子催化剂（SAC）在各种反应中表现出优异的原子效率和催化性能，但稳定性较差。理解结构-稳定性关系是稳定性优化的先决条件，但由于降解过程和反应环境的复杂性，很少被探索。 有鉴于此，东南大学王金兰教授、凌崇益副教授等利用先进的恒电位密度泛函理论计算，成功建立了氮掺杂碳载体SACs（MN4 SACs）在CO2还原反应的结构-稳定性关系。1）考虑不同因素的系统机制研究确定了初始氢吸附在配位N原子上在催化稳定性中的关键作用，其中吸附的可行性最终决定了金属原子的溶解。在此基础上，构造了一个由电子数目和电负性构成的简单描述符，能够对SAC的稳定性准确快速的预测。2）提出了通过调控局部几何结构提高稳定性，同时不改变活性中心的策略，并得到了相关实验的验证。这些研究发现填补了目前理解SAC电催化条件中稳定性的空白，有助于推动SAC应用于可持续能源转换。
Structure–Stability Relation of Single-Atom Catalysts under Operating Conditions of CO2 Reduction, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c11516https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c115166.新加坡国立JACS：光+Ni协同催化氢胺基化合成有机叔胺叔烷基胺是广泛存在于天然产物、药物和生物活性分子中的特权结构基序，其高效合成一直是有机化学的长期目标。由于丰富前体，α-氨基基团官能化成为生成烷基胺的新方法，但将这种策略对于合成叔烷基胺仍具有挑战性。 有鉴于此，新加坡国立大学的许民瑜（Ming Joo Koh）教授、南昌大学杨涛教授等报道光氧化还原/镍催化双重催化体系，实现了有机卤化物（sp2和sp3）与仲烷基胺和醛的三组分氨基烷基化。 1）多组分过程是通过光氧化还原原位生成的亚胺离子选择性生成α-氨基自由基，然后通过镍催化的交叉偶联构建各种功能多样的叔烷基胺。该策略还可以扩展到前所未有的四组分反应及其不对称变体，合成对映体富集的α-芳基取代γ-氨基酸衍生物。
2）总之，这项工作为脂肪族叔胺的合成提供了步骤简单的路线。Tao Yang*, Wenhui Xiong, Guangyu Sun, Weiran Yang, Mandi Lu, and Ming Joo Koh*, Multicomponent Construction of Tertiary Alkylamines by Photoredox/Nickel-Catalyzed Aminoalkylation of Organohalides, J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c11602https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c116027.Nature Commun：离子液体-MOF光催化还原浓度稀释CO2合理设计性能优异的光催化体系，直接的捕获和原位转化烟气的稀释CO2是实现碳中和的一种有前景但具有挑战性的方法。有鉴于此，华南师范大学兰亚乾教授、哈尔滨理工大学张凤鸣教授等报道一种新型的主-客体光催化剂，该催化剂将能够富集CO2的离子液体和光催化活性的金属有机框架PCN-250-Fe2M（M=Fe，Co，Ni，Zn，Mn）复合，用于光化学气-固相还原浓度稀释的CO2。1）[Emim]BF4（39.3wt%）@PCN-250-Fe2Co在纯CO2气氛下表现出创纪录高的CO2对CO的还原反应效率（313.34μmol g−1 h−1），在稀释的CO2（15%）表现约100%的CO选择性，转化率达到153.42μmol g-1 h−2。2）使用1.0g催化剂和天然太阳光照射进行放大实验，纯CO2和稀释的CO2（15%）的浓度可以分别降低到85%和10%以下，表明其工业应用潜力。进一步的实验和理论计算表明，离子液体不仅有利于CO2富集，而且与PCN-250-Fe2Co中的CO2+位点产生协同效应，因此CO2转化为CO的速率决定步骤吉布斯能垒显著的降低。
Wang, Y., Wei, JX., Tang, HL. et al. Artificial photosynthetic system for diluted CO2 reduction in gas-solid phase. Nat Commun 15, 8818 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53066-yhttps://www.nature.com/articles/s41467-024-53066-y8.南方科技大学&扬州大学AM：Fe/I单原子催化剂实现ORR和锌电池双功能 氧还原反应（ORR）电催化剂对于准固态锌空气电池（ZABs）的广泛应用至关重要，但众所周知的Fe-N-C单原子催化剂（SACs）由于对含氧中间体的强吸附不利于催化反应动力学，而且催化剂的活性和稳定性较低。有鉴于此，南方科技大学徐强教授、王启晨、扬州大学庞欢教授等报道通过金属-有机框架（MOF）介导的两步串联热解方法合成了锚定在氮掺杂碳纳米棒（Fe/I-N-CR）上的双Fe/I单原子。原子级I掺杂通过长程电子离域效应调节Fe-Nx中心的电子结构。由于双Fe/I单原子位点的协同效应和1D纳米棒的结构优点，Fe/I-N-CR催化剂显示出优异的ORR活性和稳定性，优于Pt/C和Fe或I SACs。1）当Fe/I-N-CR用作准固态ZABs的阴极时，在20mA cm-2下实现了197.9mW cm-2的高功率密度和280小时的超长循环寿命，大大超过了商用Pt/C+IrO2（119.1mW cm-1和47h）。此外，Fe/I-N-CR基准固态ZABs实现了-40至60°C的宽温度适应性和优异的稳定性。2）这项工作通过MOF介导的两步串联热解策略，设计具有金属/非金属中心的高性能双功能SAC催化剂，用于ORR和ZAB。
Meng Du, Bingxian Chu, Qichen Wang, Cheng Li, Yu Lu, Zhan Zhang, Xin Xiao, Cong-Qiao Xu, Meng Gu, Jun Li, Huan Pang, Qiang Xu, Dual Fe/I Single-Atom Electrocatalyst for High-Performance Oxygen Reduction and Wide-Temperature Quasi-Solid-State Zn-Air Batteries, Adv. Mater. 2024DOI: 10.1002/adma.202412978https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412978
