1. Nature：CPET介質助力電催化生成金屬氫化物
過渡金屬氫化物（metal hydrides, M-H）是各種酶促反應和催化反應中普遍存在的中間體，在H+/H2相互轉化、CO2還原為甲酸（HCOOH）和加氫反應中發揮着核心作用。其中，M-H的簡單形成是進一步提高這些反應的能量效率的關鍵挑戰。因此，使用溫和質子源容易電化學生成M-H是在CO2電還原為HCOOH中實現高選擇性而不是競爭性CO和H2形成的關鍵。基於此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Victor Mougel（通訊作者）等人報道了一種使用協同質子-電子轉移（concerted proton–electron transfer, CPET）介質的電催化生成M-H的策略。作為原理證明，作者研究了一系列CPET介質與CO2電還原催化劑[MnI(bpy)(CO)3Br]（bpy = 2, 2'-聯吡啶）的組合，探討了從CO轉化為HCOOH的產物選擇性以評估氫化錳（Mn-H）生成步驟的效率。在[MnI(bpy)(CO)3Br]（MnI-cat）存在下，利用鐵硫團簇[Fe4S4(SPh)4]2-（Fe-S）作為CPET介質可以促進電催化生成Mn-H物種。作者證明了這種策略能夠將MnI-cat的CO2還原反應（CO2RR）選擇性從CO轉化為HCOOH，確定了一種最活躍的CO2選擇性還原到HCOOH的催化體系。通過原位光譜技術證明了Mn-H物種的形成，並確定了這種機制發生的熱力學邊界條件。合成Fe-S被確定為該系統的最佳CPET介質，能夠製備HCOOH生成的基準催化系統。該研究驗證了CPET介質選擇的邊界條件適用於金屬氫化物的電化學生成。2. Joule：PbTiO3基Z-型光催化劑助力整體水分解儘管模仿自然光合作用的人工Z-型系統在光催化水分解中顯示出廣闊的應用前景，但它經常遭受氧化還原介體的副反應，這極大削弱了光載體利用的功效。基於此，中科院金屬研究所劉崗研究員（通訊作者）等人報道了通過使用鐵電極化來抑制副反應，不僅提供了強大的驅動力將光載流子空間分離到相反極性的表面，而且還誘導了氧化還原離子的空間選擇性吸附。單疇鐵電PbTiO3納米板被用作模型鐵電體，以構建具有BiVO4顆粒和陽離子氧化還原介質的Z-型系統。單疇PbTiO3具有內置電場，可將光載流子空間分離到相反極性的表面，即電子到正極表面（00¯1）和空穴到負極表面（001）。此外，單疇PbTiO3還表現出對氧化還原介質的空間選擇性吸附。由於有效抑制了介體副反應，這兩個重要特徵使得單疇PbTiO3在Z-型光催化整體水分解中有希望的應用。作者研究了兩種不同類型的基於陽離子的氧化還原介質，即Fe2+/Fe3+和Co(bpy)32+/Co(bpy)33+。其中，後者不僅有助於高活性，而且對Z-型光催化水分解保持良好的穩定性。與非活性多疇鐵電PbTiO3基系統相比，形成的Z-型體系在可見光和模擬太陽照射下均提供穩定的高活性光催化整體水分解。考慮到單疇鐵電半導體的多樣性，特別是具有窄帶隙（即SrTaON2和BiFeO3）的寬光譜可見光吸收和成熟的晶面工程策略，氧化還原介質在空間上的選擇性吸附具有內置電場的多面光催化劑可能有助於設計更有效的Z-型系統。3. Energy Environ. Sci.：多孔PtTeRh NRs/C助力實用燃料電池在電催化劑中，設計高效的表面/界面對於燃料電池的商業化至關重要。基於此，廈門大學黃小青教授和卜令正、香港理工大學黃勃龍教授（共同通訊作者）等人報道了一類新型多孔鉑碲銠納米棒（PtTeRh NRs），其具有一維（1D）構件和三維（3D）開放表面/界面，作為質子交換膜燃料電池（PEMFC）在自呼吸和運行燃料電池介質中的高效正極氧還原反應（ORR）電催化劑。優化後的多孔Pt61Te8Rh31 NRs/C在0.90 V vs. RHE時顯示出最高的ORR比活度和質量活度，分別為4.4 mA cm-2和2.4 A mg-1Pt，比最先進的商業Pt/C分別高出17.7和14.1倍。多孔Pt61Te8Rh31 NRs/C在腐蝕ORR條件下，經過30000次加速耐久性試驗（ADT）循環後，仍可保持92.5%的原始質量活度。同時，選擇性引入具有自修復特性的Te和親氧的Rh，有利於電子結構修飾並優化Pt-O結合強度，使得多孔Pt61Te8Rh31 NRs/C顯著的自呼吸膜電極組件（MEA）性能（功率密度的2.3倍）增強，在單一自呼吸H2-空氣燃料電池介質中以200 mA cm-2恆定電流放電240 h後，電池電壓損失僅為1.3%。更重要的是，具有多孔Pt61Te8Rh31 NRs/C的MEA可以在H2/空氣和H2/O2介質中分別在150 kPa時實現743.4和1976.1 mW cm-2的最高功率密度，遠高於相同測試條件下具有商用Pt/C的MEA（555.4和1338.8 mW cm-2）。此外，在經過30000次加速應力測試（AST）循環後，在H2/空氣和H2/O2介質中，在150 kPa背壓（BP）下，多孔Pt61Te8Rh31 NRs/C MEA的峰值功率密度損失分別為13.2%和14.2%，而在相同情況下具有商用Pt/C的MEA的峰值功率密度損失分別為20.1%和25.7%。密度泛函理論（DFT）計算證實，多孔Pt61Te8Rh31 NRs/C的高電活性源於Pt和Rh位點的補償電子結構，這保證了ORR過程的快速電子轉移。XPS、XAS和DFT計算共同證明，即使在複雜的單燃料電池條件下，多孔Pt61Te8Rh31 NRs/C可以輕鬆實現更高的燃料電池功率密度和優於商用Pt/C的壽命，也證明了一種用於實際燃料電池催化的高效Pt基正極納米催化劑。4. Nano-Micro Lett.：MgH2/TiO2異質結實現高穩定性和快速儲氫氫化鎂（MgH2）作為一種最有前途的儲氫材料引起了廣泛的關注，但是高解吸溫度、緩慢的動力學和快速的容量衰減阻礙了其商業應用。基於此，上海交通大學鄒建新教授（通訊作者）等人報道了一種由具有豐富氧空位的二維（2D）TiO2納米片製備的具有增強儲氫性能的花狀MgH2/TiO2異質結。特別是，MgH2/TiO2異質結的起始氫解吸溫度降至180 °C（空白MgH2的起始氫解吸溫度為295 °C）。MgH2/TiO2的初始解吸率在300 ℃時達到2.116 wt% min-1，是相同條件下空白MgH2的35倍。此外，在300 °C下，MgH2/TiO2在循環100次後容量保持率高達98.5%，顯著高於先前報道的MgH2-TiO2複合材料。原位HRTEM觀察和非原位XPS分析均證實，Ti物種的多價態、氧空位引起的加速電子傳輸、催化Mg-Ti氧化物的形成以及由TiO2納米片限制的穩定MgH2 NPs的協同效應有助於複合材料的高穩定性和動力學加速的儲氫性能。因此，使用具有豐富缺陷的2D襯底來支持納米級儲能材料構建異質結構的策略對於高性能能源材料的設計很有前景。5. Angew. Chem. Int. Ed.：單原子Mo-N3位點選擇性催化CO2加氫生成CO研究人員一直希望設計出一種高效非貴金屬催化劑用於CO2加氫製取燃料和化學品，但是仍然具有挑戰性。基於此，北京化工大學孫振宇教授、韓國科學技術院Yousung Jung和北京理工大學Xinyi Tan（共同通訊作者）等人報道了一種具有MoN3（吡咯酸）部分的單原子Mo能夠顯著吸附CO2和加氫生成CO。正如密度泛函理論（DFT）計算預測的那樣，在500 °C和非常低的H2分壓下具有30.4%的高且穩定的CO2轉化率、CO選擇性為近乎100%。DFT計算表明，原子分散的MoN3可以促進CO2活化，並通過直接解離路徑將CO2還原為CO*。此外，CO形成中的最高過渡態能量為0.82 eV，大大低於CH4形成的過渡態能量（2.16 eV），這是CO生成的主要產率。此外，Mo/NC催化劑的催化性能增強源於藉助幫助Mo/NC中缺乏原子系綜導致CO容易脫附，從而提高了Mo/NC的催化性能。即使在連續反應68 h後，所得催化劑仍保持良好的穩定性而不會降低CO2轉化率。該發現為構建用於逆水煤氣變換反應（reverse water gas shift, RWGS）的高活性、選擇性和穩健的單原子非貴金屬催化劑提供了一條有前景的途徑。6. Nat. Commun.：AC-Ir NSs助力電催化HER應變（Strain）可以調節貴金屬納米材料的電子結構，並改變其催化性能。由於應變是空間相關的，因此通過具有原子精度的結構工程來暴露活動的應變界面還面臨着巨大挑戰。基於此，中國科學技術大學洪勛副教授和王功名教授（共同通訊作者）等人報道了一種簡便的方法來控制超薄貴金屬納米片中的平面應變，該方法通過構建可以暴露活性應變界面的非晶-結晶相界。作者以厚度為5 nm的超薄非晶-結晶Ir納米片（amorphous-crystalline Ir nanosheets, AC-Ir NSs）為例，面內非晶-晶界可使納米片產生約4%的拉伸應變。此外，密度泛函理論（DFT）計算證實，拉伸應變可以有效地改變Ir位點的d-帶狀態，從而提高AC-Ir NSs的HER性能。幾何相分析和電子衍射圖表明，面內非晶-晶界可以在納米片中引起的表面拉伸應變，而應變Ir納米片對析氫反應（HER）電催化顯示出顯着增強的內在活性，其轉換頻率值比基準Pt/C催化劑高4.5倍。此外，面內應變工程方法被證明是提高Ru和Rh納米片HER性能的通用方法。7. Nano Lett.：無定形PdCu實現乙醇電氧化中的高效C-C裂解直接乙醇燃料電池（direct ethanol fuel cells）的大規模應用長期以來一直受到負極乙醇氧化反應（ethanol oxidation reaction, EOR）緩慢的阻礙。目前設計和製備EOR電催化劑主要集中在晶體材料上，導致催化效率的提高有限。基於此，西安交通大學金明尚教授（通訊作者）等人報道了無定形PdCu（a-PdCu）納米材料作為優異的EOR電催化劑。作者通過控制油胺-抗壞血酸（oleylamine-ascorbic acid, OAm-AA）系統中Cu的玻璃成核動力學，合成了尺寸和形狀可控的均勻無定形PdCu納米結構。關鍵是引入碘化鉀（KI）作為Cu和Pd前體的額外配位劑，這會抑制兩者的還原動力學，從而不影響Cu優先成核。基於這些優勢，作者通過將KI的量從0.02調整到0.2 mM，合成了平均尺寸在6.5-15.4 nm範圍內的均勻a-PdCu納米球。當KI的量降低到0.01 mM以下時，由於以OAm作為軟模板的微小顆粒的組裝，可以生成具有超薄直徑的a-PdCu納米線。然後將所製備的aPdCu納米粒子作為乙醇氧化的電催化劑進行評估。實驗和理論研究都表明，活化的a-PdCu納米顆粒可以有效地裂解乙醇分子的C-C鍵。因此，a-PdCu納米催化劑提供的C1途徑法拉第效率（FE）高達69.6%，遠遠超過晶體對應物和Pd/C。此外，作者還研究了催化性能的結構依賴性，通過優化尺寸和形狀生成了高活性和耐用的a-PdCu納米催化劑。最大比活性高達23.7 mA/cm2，優於大多數已報道的催化劑。該工作為燃料電池無定形貴金屬基電催化劑的合理設計和製備提供了有價值的指導。8. Nano Research：CoFe/N CNFs催化劑助力可再充電Zn-空氣電池鋅-空氣電池具有高能量密度和安全性等優點，因此受到了極大的關注，但是其實際應用卻因析氧反應（OER）和氧還原反應（ORR）的動力學緩慢而受到阻礙。基於此，西北工業大學李玉軍講師和蔣建軍教授（共同通訊作者）等人報道了一種由CoFe ZIFs衍生的（ZIF：沸石咪唑酸鹽骨架）聚合物納米纖維前體在N摻雜碳納米纖維中包含不規則中空CoFe納米球的三維（3D）富含缺陷的雙功能電催化劑（CoFe/N CNFs）。在文中，作者利用受限合成策略構建了具有可調粒度和組成的CoFe ZIFs。此外，Kirkendall擴散過程可用於形成不規則的中空CoFe納米球，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的分解導致形成有缺陷的碳納米纖維，從而提供更有效的活性位點並增強對OER和ORR的電催化性能。實驗測試發現，優化後的CoFe/N CNFs表現出優異的雙功能催化活性，優於基準Pt/C + RuO2催化劑。因此，作為空氣正極的CoFe/N CNFs使得可再充電鋅-空氣電池具有149 mW·cm-2的優異功率密度、875 Wh·kg-1的能量密度和循環穩定性。該工作為開發具有所需納米結構和可調節性能的雙功能電催化劑用於能源應用提供了一種新策略。
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