樓雄文教授第50篇AM：復(fù)合催化劑，高效OER
復(fù)合材料集各組分的優(yōu)點(diǎn)于一體，是高效析氧反應(yīng)(OER)的理想催化劑。然而，合理構(gòu)建具有良好物理/電化學(xué)性能的雜化復(fù)合結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。
新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文教授、Luan Deyan等人精心設(shè)計(jì)了一種有應(yīng)用前景的OER電催化劑，由含三種金屬的金屬有機(jī)框架(MOF)組成，通過(guò)陽(yáng)離子交換策略負(fù)載在S/N摻雜碳大孔纖維上，記為S/N-CMF@FexCoyNi1-x-y-MOF。得益于由三金屬組分帶來(lái)的高本征活性，以及空心S/N-CMF基底有利于活性位點(diǎn)的暴露，通過(guò)集成各組分的優(yōu)點(diǎn)，使所得到的S/N-CMF@FexCoyNi1-x-y-MOF電催化劑對(duì)堿性O(shè)ER具有出色的活性和穩(wěn)定性。
相關(guān)工作以《Supporting Trimetallic Metal-Organic Frameworks on S/N-Doped Carbon Macroporous Fibers for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution》為題在《Advanced Materials》上發(fā)表論文。值得注意的是，這也是樓雄文教授在《Advanced Materials》上發(fā)表的第50篇研究論文。
研究表明，最優(yōu)的復(fù)合催化劑在10 mA cm-2下的過(guò)電位為296 mV，并具有低至53.5 mV dec?1的Tafel斜率。結(jié)合X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜和DFT計(jì)算，作者揭示了在OER運(yùn)行過(guò)程中后形成的Fe/Co摻雜γ-NiOOH是S/N-CMF@FexCoyNi1-x-y-MOF的高OER性能的起源。
Supporting Trimetallic Metal-Organic Frameworks on S/N-Doped Carbon Macroporous Fibers for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution，Advanced Materials，2023.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202207888
氣-液-固三相界面（TPI）對(duì)于促進(jìn)電化學(xué)CO2還原至關(guān)重要，但在整合其他有利于電解的理想性能的同時(shí)，最大化其效率仍然具有挑戰(zhàn)性。
在此，香港城市大學(xué)樓雄文教授等人經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和制造了一種超疏水、導(dǎo)電和分層金屬絲膜，其由核殼CuO納米球、碳納米管（CNT）和聚四氟乙烯（PTFE）集成到導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)中（CuO/F/C(w)），以最大限度地發(fā)揮各自的功能。
相關(guān)文章以“Superhydrophobic and Conductive Wire Membrane for Enhanced CO2?Electroreduction to Multicarbon Products”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
結(jié)果表明，本文所制備結(jié)構(gòu)中幾乎所有的CuO納米球都能實(shí)現(xiàn)有效的TPI和與導(dǎo)電CNT良好的接觸，這也為保證CuO納米球表面富集CO2和實(shí)現(xiàn)快速的電子/傳質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。因此，在H型電池中，在-1.4V時(shí)該膜的法拉得效率為56.8%，部分電流密度為68.9 mA cm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)裸CuO的10.1%和13.4 mA cm-2。
Yunxiang Li, Zhihao Pei, Deyan Luan, and Xiong Wen (David) Lou*, Superhydrophobic and Conductive Wire Membrane for Enhanced CO2?Electroreduction to Multicarbon Products,?Angew. Chem. Int. Ed.,?2023, https://doi.org/10.1002/anie.202302128
二氧化碳（CO2）激活和載流子分離/遷移的精細(xì)調(diào)控具有挑戰(zhàn)性，提高CO2的光還原效率勢(shì)在必行。
在此，福州大學(xué)汪思波教授和香港城市大學(xué)樓雄文教授等人通過(guò)在中空Co9S8多面體的外表面修飾二乙烯三胺（DETA）功能化Cd0.8Zn0.2S納米線(xiàn)，制備了分層Co9S8@Cd0.8Zn0.2S-DETA納米籠作為S型光催化劑，用于還原CO2和質(zhì)子以產(chǎn)生CO和H2。
其中，胺基增強(qiáng)了CO2的吸附和活化，而具有S型界面的“納米線(xiàn)-on-納米籠”分層空心異質(zhì)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了光誘導(dǎo)電荷的分離和轉(zhuǎn)移。采用Co(bpy)32+作為輔催化劑，具有最佳的光催化劑效率，在420 nm處的表觀(guān)量子效率為9.45%，這是可比條件下的最高值。
此外，紫外光電子能譜、開(kāi)爾文探針和電子自旋共振證實(shí)了光催化劑中的S型光催化劑電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。更加重要的一點(diǎn)是，本文通過(guò)原位漫反射紅外傅里葉變換光譜檢測(cè)了CO2-to-CO還原的關(guān)鍵COOH*物質(zhì)，并得到了密度泛函理論計(jì)算的支持，從而提出了一種可能的CO2還原機(jī)制。
相關(guān)文章以“S-Scheme Co9S8@Cd0.8Zn0.2S-DETA Hierarchical Nanocages Bearing Organic CO2?Activators for Photocatalytic Syngas Production”為題發(fā)表在Adv. Energy Mater.上。
Bo Su, Mei Zheng, Wei Lin, Xue Feng Lu, Deyan Luan, Sibo Wang,* Xiong Wen (David) Lou*, S-Scheme?Co9S8@Cd0.8Zn0.2S-DETA Hierarchical Nanocages Bearing Organic CO2?Activators for Photocatalytic Syngas Production,?Adv. Energy Mater.,?2023, https://doi.org/10.1002/aenm.202203290
Sci. Adv.綜述：用于穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極的界面工程
鋰金屬負(fù)極（LMAs）由于不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI），容易引起鋰枝晶生長(zhǎng)而導(dǎo)致電池失效。其中，具有優(yōu)化后的物理化學(xué)和機(jī)械性能的人工SEI已被證明對(duì)于穩(wěn)定LMAs至關(guān)重要。
在此，浙江工業(yè)大學(xué)陶新永教授和佴建威教授，香港城市大學(xué)樓雄文教授總結(jié)了目前基于表面工程構(gòu)建保護(hù)層作為人工SEI的有效策略和關(guān)鍵進(jìn)展，包括使用不同初始狀態(tài)（固體、液體和氣體）的試劑或使用一些特殊途徑（例如等離子體）對(duì)LMAs進(jìn)行預(yù)處理，還簡(jiǎn)要介紹了用于研究LMAs保護(hù)層的基本表征工具。
最后，基于現(xiàn)有的鋰金屬表面工程策略，討論其在實(shí)際中進(jìn)一步應(yīng)用的可能性，以及應(yīng)用可能面臨的挑戰(zhàn)、機(jī)遇和可能的未來(lái)發(fā)展方向。
相關(guān)文章以“Surface engineering toward stable lithium metal anodes”為題發(fā)表在Sci. Adv.上。
Gongxun Lu?, Jianwei Nai?*, Deyan Luan, Xinyong Tao*, Xiong Wen (David) Lou*,?Surface engineering toward stable lithium metal anodes, Sci. Adv., 2023. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1550
樓雄文&張華彬，最新Nature Synthesis評(píng)論！
由于最大化的原子效率和提高的固有催化活性，單原子催化劑（SACs）被廣泛的研究。目前，制備SACs的傳統(tǒng)合成策略主要基于金屬物種在載體或載體前體上的預(yù)吸附，以及熱化學(xué)處理或還原過(guò)程。
通常涉及復(fù)雜和高成本的濕化學(xué)合成程序、復(fù)雜的宿主材料制備以及錨定位點(diǎn)的復(fù)雜生成和操作。因此，亟需開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、低成本且通用的合成方法來(lái)構(gòu)建定義明確的SACs。
近日，澳大利亞阿德萊德大學(xué)喬世璋教授等人在Nature Synthesis上發(fā)表了題為“A general approach to 3D-printed single atom catalysts”的文章。
作者開(kāi)發(fā)了一種3D打印策略，以高產(chǎn)率制備SACs。該策略適用于各種合成參數(shù)，包括過(guò)渡金屬原子、金屬負(fù)載、配位環(huán)境和材料的空間幾何結(jié)構(gòu)。這種3D打印技術(shù)能夠制造具有所需幾何形狀的SACs，并為SACs的可擴(kuò)展生產(chǎn)提供了可能性。
詳見(jiàn)：重磅！喬世璋Nature Synthesis！單原子制備規(guī)?；?！
基于此，新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文教授和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)張華彬教授聯(lián)合在上Nature Synthesis上發(fā)表了題為“3D printing of single-atom catalysts”的評(píng)論文章！該策略利用天然聚合物（明膠、明膠甲基丙烯酰（GelMA）等）作為油墨，成本低且易獲得，因此該3D打印方法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且簡(jiǎn)單。厘米級(jí)的3D前驅(qū)體通過(guò)3D打印直接自動(dòng)構(gòu)建，然后冷凍干燥去除殘留水分。
接著，冷凍干燥的樣品被熱裂解，以得到明膠或GelMA88衍生碳負(fù)載的3D打印SACs。SEM顯示，通過(guò)3D打印技術(shù)生成的材料的結(jié)構(gòu)，在熱解過(guò)程后被很好的保留。通過(guò)HAADF-STEM表征，可直接觀(guān)察到孤立的反應(yīng)中心，證明了成功地制備了SACs。
本研究通過(guò)調(diào)整過(guò)渡金屬原子類(lèi)型、負(fù)載量、配位環(huán)境等參數(shù)，都可在對(duì)金屬物種的原子彌散變化最小的情況下進(jìn)行控制。通過(guò)改變油墨中相應(yīng)的金屬（Co、Ni）乙酰丙酮前驅(qū)體的濃度，分離反應(yīng)中心的金屬負(fù)載含量由3.9%提高到20.8%。
此外，作者還開(kāi)發(fā)了一種后合成處理，可以改變金屬中心的配位環(huán)境。通過(guò)改變打印參數(shù)，還可控制3D打印前體的孔尺寸、3D打印材料的圖案和制備樣品的尺寸。
其中，3D打印的Fe-SAC催化硝酸鹽還原反應(yīng)時(shí)，表現(xiàn)出顯著增加的氨產(chǎn)量。SACs的最終研究目標(biāo)是：確定其與傳統(tǒng)顆?；呋瘎┫啾鹊膬?yōu)勢(shì)；實(shí)現(xiàn)催化劑的規(guī)模化生產(chǎn)；實(shí)現(xiàn)其在各種研究和工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用。
然而，該技術(shù)目前還不適用于具有不同載體的SACs的合成，如半導(dǎo)體和沸石，因此還需要進(jìn)行更多的工作。SACs的大規(guī)模制備可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使有價(jià)值的燃料和化學(xué)品能夠以非常理想的方式可持續(xù)生產(chǎn)。但是，還需要進(jìn)一步發(fā)展不同納米材料的標(biāo)準(zhǔn)
3D printing of single-atom catalysts.?Nature Synthesis,?2023, DOI: 10.1038/s44160-022-00207-0.
https://doi.org/10.1038/s44160-022-00207-0.
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