1.华中科技大学&西南大学Angew：氧阴离子增强OER电催化剂的结晶度并且促进结构重构在工况催化反应过程中，催化剂将连续的发生无定形化和催化活性结构的溶解，因此阻碍了人们对OER电催化剂的稳定性和活性之间关系的认知。有鉴于此，华中科技大学刘友文副教授、西南大学何荣幸教授、王文彬副教授等报道选择性吸附NO3-策略，增强催化剂的晶化度以及表面重构，形成无定形-结晶（a-c）异质结，改善催化剂的电催化活性。1）在a-cNi掺杂Fe2O(OH)3NO3·H2O预催化剂模型，发现溶解的NO3-容易吸附在晶体表面，在OER电催化反应过程中形成a-c Fe(Ni)OOH，降低催化剂的无序态，能够活化a-c异质结中Fe(Ni)OOH晶体催化剂中的Fe和Ni。 2）Ni-FeNH催化剂在500mA cm-2电流密度的过电势仅为303mV，稳定工作的时间长达500h。构筑的工业级电解水器件能够在8000mA电流密度稳定工作100h。 Wenbin Wang, Qunlei Wen, Danji Huang, Yu Lin, Niandan Zhao, Lan Tang, Ming Li, Youwen Liu, Rongxing He, Oxyanions Enhancing Crystallinity of Reconstructed Phase for Oxygen Evolution Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415132https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024151322.电子科技大学Angew：电催化-生物酶催化CO2合成将温室气体转化为有价值的产品已成为实现碳中和经济可持续发展的一种很有前途的方法。但是，转换效率取决于基板的能量产量。有鉴于此，电子科技大学夏川教授、西安交通大学费强教授、西北大学范代娣教授等报道开发了一种电生物催化系统，通过整合电化学和微生物催化过程，利用可再生能源将二氧化碳转化为高附加值的四氢甲基嘧啶羧酸（ectoine）。1）该系统能够通过二氧化碳电催化还原为甲烷，甲烷是一种能量密集的分子，然后作为电化学燃料，为工程甲烷氧化电池工厂的生长提供能量，用于生物合成四氢嘧啶。使用配备有高性能碳负载铜催化剂的10个25cm2电化学反应器阵列验证该系统的扩展。在约-37A（~175mmolCH4 h-1）的总电流下在阴极持续产生甲烷，在约62A（~583mmolCH4 h-1）的总部分电流下在阳极持续产生O2。即使在最大CH4和O2消耗量下，该产量也能满足3 L生物反应器的要求，从而将CO2高效转化为四氢甲基嘧啶羧酸（1146.9mg L–1）。 2）这项工作强调了二氧化碳能够电催化合成有价值产品的生物合成的潜力，为生物制造和能源储存提供了可持续的途径。Shuqi Guo, Chengbo Li, Xiaohan Huang, Yuehang Su, Chenyue Zhang, Yizhou Dai, Yuan Ji, Rongzhan Fu, Tingting Zheng, Qiang Fei, Daidi Fan, Chuan Xia, Scalable Electro-Biosynthesis of Ectoine from Greenhouse Gases, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415445https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024154453.华东理工Angew：普鲁士蓝的Co-O-Fe结构促进碱性OER 在OER催化反应中，高价态过渡金属产生的晶格氧OER机理是克服传统吸附转化导致OER反应动力学缓慢问题的关键。但是，OER催化反应过程中的晶格氧动态变化对于高价态金属原子的稳定性造成挑战，尤其是在大电流密度电催化反应中。有鉴于此，华东理工大学杨化桂教授、刘鹏飞副教授、袁海洋副研究员等通过氧plasma轰击策略，在Co-Fe普鲁士蓝类似物中构筑Co-O-Fe催化活性位点，因此能够活化晶格氧，并且同时保证结构稳定。1）光谱表征和理论计算结果说明Co-O-Fe桥式结构产生独特的Co-Fe双交换相互作用，促进形成高价态Co作为OER活性位点，而且将Fe稳定在低价态，阻止Fe原子溶解。生成的CoFe-PBA-300催化剂在1000mA cm-2电流密度的过电势仅为276mV。 2）组装的碱性离子交换膜电解槽在1.76V就能够达到1A cm-2电流密度，而且在250h过程中没有明显的性能衰减。这项研究工作展示了开启晶格氧的氧化还原并且不影响催化剂的结构稳定性，是得到性能优异电解槽的关键。
Hao Guan Xu, Chen Zhu, Hao Yang Lin, Ji Kai Liu, Yi Xiao Wu, Huai Qin Fu, Xin Yu Zhang, Fangxin Mao, Hai Yang Yuan, Chenghua Sun, Peng Fei Liu, Huagui Yang, Oxygen Plasma Triggered Co-O-Fe Motif in Prussian Blue Analogue for Efficient and Robust Alkaline Water Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202415423https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024154234.JACS：具有内部电子转移增强催化能力的Wurster型共价有机框架用于肿瘤治疗肿瘤的低免疫原性、肿瘤相关血管的异常结构和生化屏障等因素会严重阻碍效应T细胞在肿瘤部位的浸润和功能，从而显著抑制抗肿瘤免疫治疗的效果。有鉴于此，南洋理工大学赵彦利教授、中国科学院长春应化所张洪杰院士和云南大学王世怀教授开发了一种具有内部电子转移增强催化能力、共负载钴肟催化剂和STING激动剂(MSA-2)的Wurster型共价有机框架(Co-TB COF-M)，并将其作为COF基免疫激活剂。1）共价锚定的钴肟可调节TB COF的能带结构，为其提供良好的底物吸附位点，使其能够在质子还原催化反应中充当COF与底物之间的电子传输桥梁。研究发现，该特性可显著提高声动力催化性能。在超声作用下，Co-TB COF-M可产生大量活性氧(ROS)以诱导由Gasdermin D介导的促炎性焦亡，从而有效增强肿瘤的免疫原性。2）此外，MSA-2能够在肿瘤部位通过响应ROS而被特异性释放，从而最大限度地减少脱靶副作用。实验结果表明，Co-TB COF诱导的STING激活可使肿瘤血管系统正常化，并增加内皮T细胞粘附分子的表达，从而有效增强效应T细胞的浸润和功能。综上所述，该研究构建的Co-TB COF-M可作为免疫激活剂以重塑肿瘤微环境，显著增强T细胞的浸润和改善免疫治疗的疗效。Yang Liu. et al. A Wurster-Type Covalent Organic Framework with Internal Electron Transfer-Enhanced Catalytic Capacity for Tumor Therapy. Journal of the American Chemical Society. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c05555https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c055555.湖南大学Nature Commun：设计CuPc电催化剂的结构增强电催化合成尿素通过CO2和硝酸盐的电催化C-N偶联反应能够为传统高耗能的尿素合成过程提供替代路线，而且能够回收废物，制备高附加值产品。设计高效稳定电催化剂是增强电催化合成尿素的关键。有鉴于此，湖南大学王双印教授、陈晨、陈大伟等报道由于CuPc催化剂具有结构明确和可调控的结构，使用Cu-酞菁（CuPc）作为模型催化剂，研究电催化合成尿素。1）通过实验和理论计算的结合，发现氨基取代基能够优化电子结构从而增强Cu-N配位作用，因此CuPc-Amino的电化学脱金属被抑制，因此这种催化剂具有优异的活性和稳定性。2）与CuPc催化剂相比（10圈电催化反应过程，最大的尿素产量达到39.9±1.9mmol h-1 g-1，10圈循环后的性能衰减为67.4%），CuPc-Amino催化剂的产量达到103.1±5.3mmol h-1 g-1，而且具有优异的持久性。通过同位素标记和原位电化学光谱表征说明反应机理，验证了C-N偶联反应的发生。这项工作展示了通过设计分子催化剂，实现了独特的合成尿素机理。
Li, H., Xu, L., Bo, S. et al. Ligand engineering towards electrocatalytic urea synthesis on a molecular catalyst. Nat Commun 15, 8858 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-52832-2https://www.nature.com/articles/s41467-024-52832-26.南方科技大学&天津大学Nature Commun：电催化-热催化串联空气捕碳合成CH4直接空气捕碳（DAC）和制备甲烷之间的结合具有直接从空气制备燃料化学品的前景，有鉴于此，天津大学邓帅教授、南方科技大学林蒙助理教授等报道电化学-热化学结合的器件，能够直接从空气作为原料制备CH4。 这种电化学-热化学装置将CO2和H2在一侧通过双极膜电解的方式冷凝，这种方法能够避免使用单独的水电解槽，之后使用电化学甲烷化组件制备CH4。1）H2能够起到CO2抽取作用，避免使用泵压处理。体系的能耗和技术-经济分析结果说明，与单独的组件相比，DAC组件的能量减少37.8%，成本降低36.6%。生产CH4的成本因此能够降低12.6%。2）验证性的实验结果显示产生CO2和H2的能耗分别为704.0 kJ mol-1和967.4 kJ mol-1，CO2的甲烷化能够达到97.3 %，生产CH4的能量为5206.4 kJ mol-1，说明这项技术是具有前景的空气制备燃料技术路线。 Huang, Y., Xu, D., Deng, S. et al. A hybrid electro-thermochemical device for methane production from the air. Nat Commun 15, 8935 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53336-9https://www.nature.com/articles/s41467-024-53336-97.Nature Commun：铂表面碳酸盐-碳酸盐偶联促进电化学水氧化为过氧化氢 水电氧化生成H2O2是生产H2O2的重要方法，在工业上得到广泛应用。但其机理尚有争议，吸附在电极表面的羟基HO(ads)被认为是重要的中间体。近日，南京工业大学陈宇辉，南京大学闫世成等人利用原位拉曼光谱和差示电化学质谱研究了水在Pt电极上氧化成H2O2的机理，发现过氧键主要来源于两个CO32-通过C2O62-中间体的偶联。1）通过定量分析产物中的18O同位素，我们发现93%的H2O2是通过CO32-偶联途径形成的，7%的H2O2来自OH(ads)-CO3•−途径。OH(ads)-OH(ads)偶联途径的贡献可以忽略不计。2）对各种电极的比较表明，CO3(ads)在电极表面的强吸附是必不可少的。研究人员结合商用阴极催化剂在氧还原过程中产生H2O2，组装出一个流动电池，其中阴极和阳极同时产生H2O2。在1A cm−2电流密度和2.3V电池电压下，H2O2的法拉第效率为150%。
Zhu, H., Lv, X., Wu, Y. et al. Carbonate-carbonate coupling on platinum surface promotes electrochemical water oxidation to hydrogen peroxide. Nat Commun 15, 8846 (2024).DOI：10.1038/s41467-024-53134-3https://doi.org/10.1038/s41467-024-53134-38.北京科技大学Adv Mater：机器学习发展高端合金高性能金属合金中稀有、昂贵和有毒元素的广泛使用限制了其可持续发展。有鉴于此，北京科技大学谢建新院士、李卫东教授、付华栋教授等报道提出一种新的合金元素设计策略，这个策略结合了物理化学因素筛选、基于SHapley添加剂的“黑匣子”分析以及对元素的敏感性影响分析。 1）建立了能够分析合金成分和性能的“白盒”模型，该模型能够合理选择丰富的元素，并有效设计合金，以替代稀缺的合金元素。发现降低C70350合金系列（Cu-1.3Ni-1.4Co-0.56Si-0.03Mg（wt.%））中的Co含量策略，验证这种设计策略的有用。在Cu-Ni-Co-Si-Mg体系中仅用微量Cr代替Co，得到Cu-1.95Ni-0.5Co-0.6Si-0.2Mg-0.1Cr（wt.%），成分优化而获得的超低Co含量的合金。 2）虽然Co含量降低了64%（即从1.4wt%降低到0.5wt%），但是合金的性能与C70350合金相当（极限抗拉强度达到850 MPa，电导率达到47.2% IACS）。这项研究为替代金属合金中稀有和不需要的元素替代丰富的元素提供了新方法，有助于金属材料的可持续和绿色的发展。
Hongtao Zhang, Huadong Fu, Weidong Li, Lei Jiang, Wei Yong, Jingtai Sun, Long-Qing Chen, Jianxin Xie, Empowering the Sustainable Development of High-End Alloys via Interpretive Machine Learning, Adv. Mater. 2024DOI: 10.1002/adma.202404478https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404478
