張鐵銳，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、博士生導(dǎo)師。中國(guó)科學(xué)院光化學(xué)轉(zhuǎn)換與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要從事能量轉(zhuǎn)換納米催化材料方面的研究，在Nat. Catal., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., JACS等期刊上發(fā)表SCI論文300余篇，被引用30000多次，H指數(shù)96，入選2018-2021科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”榜單；授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利39項(xiàng)，在國(guó)際會(huì)議上做特邀報(bào)告40余次。2017年當(dāng)選英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士。曾獲國(guó)家基金委“杰青”、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)高級(jí)牛頓學(xué)者、德國(guó)“洪堡”學(xué)者基金等資助、以及Nano Research Young Innovators Award in Nano Energy 2019和中國(guó)感光學(xué)會(huì)青年科技獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

兼任Science Bulletin副主編以及Advanced Energy Materials, Advanced Science, Solar RRL, Scientific Reports, Materials Chemistry Frontiers, Chem Phys Chem, Carbon Energy, Innovation, Smart Mat等期刊編委。現(xiàn)任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)常委，中國(guó)化學(xué)會(huì)能源化學(xué)專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)，中國(guó)感光學(xué)會(huì)光催化專業(yè)委員會(huì)副主任委員等學(xué)術(shù)職務(wù)。（發(fā)表文章數(shù)據(jù)來(lái)源于課題組網(wǎng)頁(yè)）

課題組主頁(yè)：http://zhanglab.ipc.ac.cn/.

2022年，張鐵銳研究員團(tuán)隊(duì)在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際頂級(jí)期刊連續(xù)發(fā)表多篇高水平文章。下面小編為大家逐一解讀部分最新成果。

Adv. Mater.：Ni SACs/Ti₃C₂T_x作為肼氧化反應(yīng)的高性能電催化劑

單原子催化劑（SACs）由于其突出的催化潛力，是目前多相催化領(lǐng)域新興的高性能材料，其在單個(gè)原子與其支持矩陣之間構(gòu)建強(qiáng)相互作用起著關(guān)鍵作用?；诖?，瑞典斯德哥爾摩大學(xué)袁家寅教授和中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種Ti₃C₂T_x MXene負(fù)載的Ni SACs，該SACs通過Ti₃C₂T_x MXene表面富Ti空位的輔助使用自還原策略，這些空位充當(dāng)單個(gè)Ni原子的陷阱和錨定位點(diǎn)。

在文中，作者報(bào)道了在環(huán)境條件下通過“自還原”策略構(gòu)建Ni單原子催化劑，將富含空位的Ti₃C₂T_x MXene同時(shí)作為載體和還原劑，其中Ti空位作為結(jié)構(gòu)缺陷捕獲和錨定Ni原子。同步輻射X射線吸收光譜（XAS）分析證實(shí)，Ni原子占據(jù)了Ti空位，并與三個(gè)相鄰的C原子形成了強(qiáng)大的Ni-C鍵，從而在Ti₃C₂T_x MXene納米片中形成了穩(wěn)定的錨定結(jié)構(gòu)。

當(dāng)用于催化HzOR時(shí)，最優(yōu)Ni單原子催化劑負(fù)載在Ti₃C₂T_x MXene上（Ni SACs/Ti₃C₂T_x），在24000 s的穩(wěn)定性測(cè)試中表現(xiàn)出-0.03 V的超低起始電位和可忽略不計(jì)的活性損失，是HzOR的頂級(jí)單原子電催化劑之一。這種性能明顯優(yōu)于由Ti₃C₂T_x MXene支撐的Ni納米顆粒（Ni NPs/Ti₃C₂T_x）。密度泛函理論（DFT）計(jì)算，由于Ni單原子與周圍C原子之間的強(qiáng)耦合，改善了肼的吸附，降低了反應(yīng)能壘，從而重新分布態(tài)電子密度，揭示了HzOR活性增強(qiáng)的起源。

Vacancy-Rich MXene-Immobilized Ni Single Atoms as a High-Performance Electrocatalyst for the Hydrazine Oxidation Reaction. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202204388.

https://doi.org/10.1002/adma.202204388.

Adv. Mater.：Fe-N-C催化劑在堿性介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)顯著的ORR性能

Fe-N-C催化劑在堿性介質(zhì)中具有優(yōu)異的氧還原反應(yīng)（ORR）性能，但為提高Fe-N-C催化劑中Fe單原子位點(diǎn)的固有ORR活性，必須微調(diào)Fe位點(diǎn)的局部配位以優(yōu)化ORR中間體的結(jié)合能。基于此，新西蘭奧克蘭大學(xué)Geoffrey I.N. Waterhouse和中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了負(fù)載在N摻雜碳納米棒（NCR）上的多孔FeN4-O-NCR電催化劑，其富含可催化接近的FeN₄-O位點(diǎn)（其中Fe單原子與四個(gè)面內(nèi)氮原子和一個(gè)次表面軸向氧原子配位）。

作者首先制備了O, N-共摻雜的碳棒（O-NCR），然后使用微波輔助熱解方法用表面Fe-N₄位點(diǎn)進(jìn)行功能化，形成了穩(wěn)定的FeN₄-O-NCR異質(zhì)結(jié)構(gòu)。所獲得FeN₄-O-NCR的催化劑具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積（1159 m² g^?1）和大量FeN₄-O活性位點(diǎn)，以優(yōu)化氧吸附和活化。所獲得的FeN₄-O-NCR催化劑在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出顯著的ORR活性和穩(wěn)定性（E_onset，1.050 V；E_1/2，0.942 V；J_k 39.56 mA cm^-2，0.9 V），是SAC的最先進(jìn)性能。

此外，使用FeN₄-O-NCR作為正極催化劑構(gòu)建的一次Zn-空氣電池提供了非常高的密度（214.2 mW cm^?2），極大超過了使用商用Pt/C催化劑（104.2 mW cm^–2）或其他最近報(bào)道的單原子催化劑構(gòu)建的電池的性能。通過理論密度泛函理論（DFT）計(jì)算，作者研究了FeN₄-O-NC的優(yōu)點(diǎn)，其中發(fā)現(xiàn)Fe陽(yáng)離子的d-軌道電子結(jié)構(gòu)的精確剪裁可以降低ORR的熱力學(xué)勢(shì)壘。結(jié)果證實(shí)，軸向配體調(diào)節(jié)是微調(diào)金屬單原子位點(diǎn)以獲得最佳電催化活性的有效策略。

Mesopore-Rich Fe-N-C Catalyst with FeN₄-O-NC Single-Atom Sites Delivers Remarkable Oxygen Reduction Reaction Performance in Alkaline Media. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202202544.

https://doi.org/10.1002/adma.202202544.

Angew. Chem. Int. Ed.：Ag-TiO₂在氣-水邊界上的三相光催化CO₂還原

光催化CO₂還原反應(yīng)（CO₂RR）是一種將CO₂轉(zhuǎn)化為有價(jià)值化學(xué)品的方法，但其往往受到CO₂在液相中傳質(zhì)差的限制?；诖?，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員和司銳研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種三相光催化CO₂RR體系，將Ag修飾的TiO2納米顆粒（Ag-TiO₂ NPs）負(fù)載在具有疏水-親水突然界面潤(rùn)濕性的氣-水邊界。

在文中，作者選擇Ag修飾的TiO₂納米顆粒（Ag-TiO₂ NPs）作為模型光催化劑，在氣-水邊界處以氣體擴(kuò)散層（GDL）為載體，形成三相光催化CO₂RR體系。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，三相CO₂還原率為305.7 μmol g^-1 h^-1，碳產(chǎn)物選擇性為97.8%，且HER副反應(yīng)被很好的抑制。

在氣-水邊界負(fù)載的Ag-TiO₂ NPs的光催化活性比分散在水相的Ag-TiO₂ NPs高8倍，在純水中循環(huán)20次以上（照射40 h）均表現(xiàn)出良好的光穩(wěn)定性，且無(wú)明顯下降。進(jìn)一步的研究表明，CO₂在三相體系中的傳質(zhì)不再是決定速率的步驟。即使以稀釋后的CO₂（10%）為氣源，該體系的CO₂還原率仍為81.1 μmol g^-1 h^-1，碳產(chǎn)物選擇性為90.8%，優(yōu)于大多數(shù)純CO₂的Ag-TiO₂基CO2RR體系。該研究結(jié)果提供了促進(jìn)CO₂界面?zhèn)髻|(zhì)以提高光活性和選擇性的一般策略。

Triphase Photocatalytic CO₂ Reduction over Silver-Decorated Titanium Oxide at a Gas-Water Boundary. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202200802.

https://doi.org/10.1002/anie.202200802.

Angew. Chem. Int. Ed.：fct-PtFeIr/C助力ORR

開發(fā)高效穩(wěn)定的鉑（Pt）基氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑是一種促進(jìn)燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的途徑。Pt基合金納米線是一種很有前途的ORR催化劑，但其應(yīng)用受到長(zhǎng)期循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的活性損失的阻礙?；诖?，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員和尚露副研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了他們首次成功制備了直徑為2.6 nm的fct-相PtFeIr納米線，以商業(yè)碳為載體（記為fct-PtFeIr/C）。

在PtFe納米線中加入高熔點(diǎn)金屬Ir和涂層SiO₂保護(hù)殼對(duì)提高納米線的熱穩(wěn)定性起著重要作用，從而在高溫處理（690 ℃）時(shí)實(shí)現(xiàn)了PtFeIr納米線的相變，同時(shí)很好保持了納米線的初始形態(tài)。更重要的是，電化學(xué)測(cè)試表明，fct-PtFeIr/C在0.9 V vs RHE時(shí)的質(zhì)量活度（MA）為2.03 A ?mg_Pt^?1，分別比具有面心立方結(jié)構(gòu)的無(wú)序PtFeIr（fcc-PtFeIr/C）納米線（1.11 A mg_Pt^?1）和商業(yè)Pt/C（0.21 A mg_Pt^?1）高1.8倍和9.7倍。

此外，在經(jīng)過10000個(gè)電位循環(huán)的加速耐久試驗(yàn)（ADTs）后，fct-PtFeIr/C中fct-相PtFeIr的原始納米線結(jié)構(gòu)仍被保留，但fcc-PtFeIr/C中的fcc相PtFeIr納米線斷裂成更短的納米線，甚至是更大尺寸的納米顆粒。該工作中成功地制備fct相PtFeIr納米線將為fct相Pt基合金納米線在ORR中的應(yīng)用開辟道路，同時(shí)fct相Pt基合金納米線在液體燃料電氧化、氫氧化反應(yīng)等其他重要反應(yīng)中具有很大的應(yīng)用前景。

Ordered PtFeIr Intermetallic Nanowires Prepared through a Silica-Protection Strategy for the Oxygen Reduction Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202113278.

https://doi.org/10.1002/anie.202113278.

Adv. Energy Mater.：Pd/H-TiO₂實(shí)現(xiàn)光熱輔助光催化氮氧化制硝酸

工業(yè)硝酸生產(chǎn)涉及在高溫高壓下操作的多步驟過程，其中光催化提供了一種在環(huán)境條件下直接將氮?dú)猓∟₂）轉(zhuǎn)化為含氮化合物的替代方法，但仍然面臨可見光利用和產(chǎn)物選擇性的限制。基于此，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員和司銳研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了以鈀（Pd）修飾的氫化氧化鈦（H-TiO₂）為基礎(chǔ)，制備了串聯(lián)光熱輔助光催化氮氧化體系，其中唯一的固氮產(chǎn)物為硝酸（HNO₃）。

在文中，作者制備了一種Pd納米顆粒修飾的H-TiO₂（Pd/H-TiO₂）串聯(lián)光熱輔助光催化氮氧化體系。由于氮光氧化過程與水源之間的空間分離，得到了HNO₃作為唯一在液相中不產(chǎn)生氨副產(chǎn)物的氮固定產(chǎn)物。該體系在模擬空氣作為氣源的UV-vis照射下，HNO₃的產(chǎn)率為4.58 μmol g^?1 h^?1（1.42 ppm）。

此外，Pd/H-TiO₂在350 nm處的量子產(chǎn)率達(dá)到0.99%，而在相同的反應(yīng)溫度下，在黑暗中未檢測(cè)到任何產(chǎn)物。隨時(shí)間和溫度變化的電子順磁共振（EPR）測(cè)試表明，超氧自由基是反應(yīng)的關(guān)鍵中間體，其含量隨著溫度的升高而逐漸增加，從而提高了光催化氮氧化反應(yīng)的效率。該工作為高選擇性的光驅(qū)動(dòng)合成HNO₃提供了一種新方法，有望引發(fā)更多關(guān)于光熱輔助光催化系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)可將惰性N₂選擇性轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品。

Photothermal-Assisted Photocatalytic Nitrogen Oxidation to Nitric Acid on Palladium-Decorated Titanium Oxide. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202103740.

https://doi.org/10.1002/aenm.202103740.

Adv. Energy Mater.：Fe SAC-MOF-5用于PEMFCs高效ORR

在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）中，開發(fā)具有豐富、可接近的Fe位點(diǎn)的Fe單原子催化劑（Fe SACs）是提高氧還原反應(yīng)（ORR）效率的關(guān)鍵步驟?；诖?，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員和尚露副研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了以具有三維（3D）微孔立方結(jié)構(gòu)的Zn₄O(1, 4-苯二甲酸鹽)₃（MOF-5）被用作前體，制備了具有超高比表面積（2751 m² g^-1）和高外表面積（1651 m² g^-1）的高多孔碳（表示為C-MOF-5）。

由于其優(yōu)異的分層孔隙率，C-MOF-5具有超高比表面積，以容納大量FeN_x位點(diǎn)，導(dǎo)致2.35 wt%的高Fe含量，均勻地分散在碳載體中。豐富的介孔（>2 nm）有助于C-MOF-5的高外表面積，并有利于有效的傳質(zhì)，使FeN_x活性位點(diǎn)完全暴露于ORR相關(guān)物種。測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)e SAC-MOF-5在0.5 M H₂SO₄電解質(zhì)中提供了0.83 V vs. RHE的半波電位（E_1/2）。

在0.2 MPa H₂-O₂ PEMFC中，F(xiàn)e SAC-MOF-5實(shí)現(xiàn)0.84 W cm^-2的峰值功率密度。這種優(yōu)異的性能源于C-MOF-5的超高比表面積，用于形成高密度的單Fe原子，以及用于增加活性位點(diǎn)暴露的高外表面積。該工作可能會(huì)啟發(fā)從更大范圍的具有超高比面積的MOF前體衍生的金屬單原子催化劑的合理設(shè)計(jì)，以提高PEMFCs中ORR的性能。

Fe Single-Atom Catalysts on MOF-5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202102688.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102688.

Adv. Funct. Mater.：高約1100倍！NiFeAl-LDH納米片助力光熱協(xié)同DRM

甲烷與CO₂的干重整（DRM）生產(chǎn)合成氣，目前正因?qū)厥覛怏w轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品而引起人們的關(guān)注。然而，在熱催化中苛刻的反應(yīng)條件阻礙了實(shí)際應(yīng)用。基于此，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員和司銳研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了由NiFeAl層狀雙氫氧化物（NiFeAl-LDH）前體合成了一系列氧化鋁（Al₂O₃）負(fù)載的Ni_xFe_y納米合金，所獲得的催化劑用于光熱協(xié)同DRM。

在文中，作者通過NiFeAl-LDH納米片的H₂還原制備了一系列由具有不同Ni: Fe摩爾比的非晶態(tài)Al₂O₃負(fù)載的新型NiFe納米合金催化劑（Ni_xFe_y，其中x和y是Ni和Fe的摩爾量）。在氙燈照射下，Al₂O₃負(fù)載的Ni₃Fe₁納米合金催化劑在350 °C光熱條件下光驅(qū)動(dòng)DRM合成氣產(chǎn)率高達(dá)0.96 mol g^-1 h^-1，比相同催化劑在黑暗中相同溫度下的合成氣產(chǎn)率高約1100倍。

此外，使用集中的太陽(yáng)光作為光源可以獲得類似的催化性能。通過電磁場(chǎng)模擬和原位紅外光譜，Ni₃Fe₁納米合金催化劑的優(yōu)異活性是由光熱加熱和可見光和紫外區(qū)域LSPR增強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生的。協(xié)同效應(yīng)降低了甲烷的表觀活化能，并促進(jìn)了甲烷與CO₂的轉(zhuǎn)化，從而允許在低溫（低至100 °C）下生產(chǎn)合成氣，并在20 h試驗(yàn)中具有優(yōu)異的操作穩(wěn)定性。

NiFe Nanoalloys Derived from Layered Double Hydroxides for Photothermal Synergistic Reforming of CH₄ with CO₂. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202204056.

https://doi.org/10.1002/adfm.202204056.

Nano Energy：Co-BCN催化劑用于增強(qiáng)光熱CO加氫

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)費(fèi)-托合成（FTS）是一種很有前途的生產(chǎn)增值碳?xì)浠衔锾?yáng)能燃料的途徑?；诖?，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員和李振華博士、華中師范大學(xué)歐陽(yáng)述昕教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種在CN載體中B摻雜以調(diào)節(jié)Co-BCN催化劑界面電子結(jié)構(gòu)的方法，以提高光熱FTS中烴產(chǎn)物的產(chǎn)率。

在文中，作者利用浸漬法制備了B摻雜CN負(fù)載金屬Co催化劑，通過不同摻雜水平進(jìn)行調(diào)節(jié)Co與碳載體之間的電子轉(zhuǎn)移。Co-BCN在光照下的CO轉(zhuǎn)化率為44.0%（分別是Co-CN和Co-C催化劑的4.3倍和10.2倍），碳?xì)浠衔镞x擇性為96.9%。

詳細(xì)的表征表明，隨著摻雜量的增加，金屬Co與碳載體之間的電子轉(zhuǎn)移增強(qiáng)。進(jìn)一步的化學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)和原位漫反射紅外光譜證實(shí)，Co-BCN中富電子界面的形成可在H*的幫助下促進(jìn)Co活化，從而提高CO的轉(zhuǎn)化率。該研究表明通過調(diào)節(jié)碳載體中的摻雜水平，可以調(diào)節(jié)金屬Co與碳載體之間的電子轉(zhuǎn)移，并為高效催化劑的合理設(shè)計(jì)和制備提供了一種有前途的策略。

Boron-doped CN supported metallic Co catalysts with interfacial electron transfer for enhanced photothermal CO hydrogenation. Nano Energy, 2022, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107723.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107723.