1.包信和院士&傅強(qiáng)研究員Angew：動態(tài)限域Ag納米簇具有寬溫區(qū)CO催化氧化擔(dān)載金屬納米簇催化劑在許多催化反應(yīng)中都具有高活性，但是通常無法在苛刻反應(yīng)條件穩(wěn)定。有鑒于此，中國科學(xué)院大連化物所包信和院士、傅強(qiáng)研究員等報道通過設(shè)計擔(dān)載金屬催化劑的微環(huán)境，具體通過氣體吸附覆蓋層和對載體表面化學(xué)進(jìn)行設(shè)計，打破催化劑的“活性-穩(wěn)定性制衡”問題。1）研究結(jié)果揭示了通過Ag納米粒子自發(fā)重新分散和高活性Ag納米簇的穩(wěn)定作為驅(qū)動力，Ag表面化學(xué)吸附氧和氧化物載體的表面羥基在催化反應(yīng)過程中得到動態(tài)的消耗，并且通過反應(yīng)環(huán)境（O2和H2O）得到補(bǔ)充。2）這種氣體-催化劑-載體的動態(tài)限域相互作用使得Ag納米簇在比較寬的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行CO催化氧化，在干燥氣氛的溫度區(qū)間為25-500℃，在潮濕氣氛的溫度區(qū)間為200-800℃，而且在300℃能夠穩(wěn)定工作1000h。
Rongtan Li, Rentao Mu, Kun Li, Yamei Fan, Conghui Liu, Yanxiao Ning, Mingrun Li, Qiang Fu, Xinhe Bao, Dynamically Confined Active Silver Nanoclusters with Ultrawide Operating Temperature Window in CO oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2024DOI: 10.1002/anie.202416852https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2024168522.蘇州大學(xué)JACS：CO2作為唯一碳原料合成乙烯碳酸酯碳酸乙烯酯（EC）是最簡單的環(huán)狀碳酸酯，具有重要工業(yè)意義，其中最重要的是鋰離子電池的重要電解質(zhì)。通常合成碳酸乙烯酯的過程包括有毒性的原料，合成過程在更高的溫度和壓力。有鑒于此，蘇州大學(xué)李彥光教授、韓娜副教授等報道提出了一種在環(huán)境條件下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸乙烯酯(EC)的級聯(lián)催化路線。 1）這個反應(yīng)方案包括膜電極組裝反應(yīng)器進(jìn)行銅催化CO2電化學(xué)還原為乙烯，在碳布上生長WO3納米陣列進(jìn)行催化溴介導(dǎo)乙烯轉(zhuǎn)化為溴乙醇，并且進(jìn)行溴乙醇和CO2生成碳酸乙烯酯(EC)。
2）通過分別對各個催化步驟進(jìn)行優(yōu)化，隨后串聯(lián)，能夠在室溫和大氣氣壓以良好的收率制備碳酸乙烯酯(EC)。這項(xiàng)研究首次證明，二氧化碳能夠作為唯一的碳源，合成有機(jī)碳酸酯。
Zhaoyu Wen, Mengjing Wang, Chenglin Liang, Baojie Fan, Yuchen Yan, Jia Fan, Na Han*, Yuhang Wang, and Yanguang Li*, Cascade Conversion of CO2 to Ethylene Carbonate under Ambient Conditions, J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c11390https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c113903．JACS：機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)水煤氣制氫高熵氧化物催化劑高熵氧化物（HEO）是一種多元素構(gòu)成的固溶體，具有重要的科學(xué)發(fā)展前景。由于各種元素帶來豐富的組成方式，因此設(shè)計具有特定性質(zhì)的HEO材料通常依賴大量嘗試。有鑒于此，清華大學(xué)王訓(xùn)教授、劉清達(dá)、上海交通大學(xué)吳量、普渡大學(xué)林光教授等報道通過閉環(huán)的“訓(xùn)練-預(yù)測-實(shí)驗(yàn)”迭代循環(huán)方法發(fā)展制氫能力強(qiáng)的高熵氧化物催化劑。1）通過多輪主動學(xué)習(xí)迭代過程，從大量具有可能的材料組成中篩選，合成了4個新穎的HEO材料。這些發(fā)現(xiàn)的新型材料具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在水煤氣變換反應(yīng)制氫催化反應(yīng)中表現(xiàn)優(yōu)異的制氫性能（251μmol gcat-1 h-1），比目前的標(biāo)桿催化劑Pt/γ-Al2O3（135μmol gcat-1 h-1）或者Cu/Al2O3（81μmol gcat-1 h-1）性能更好。
2）通過XPS表征和DFT理論計算結(jié)果說明這些HEO材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這種通過機(jī)器學(xué)習(xí)加快發(fā)展性質(zhì)獨(dú)特新型HEO催化劑材料的方法能夠從非常有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析得到有用的信息。
Siyang Nie, Yan Xiang, Liang Wu*, Guang Lin*, Qingda Liu*, Shengqi Chu, and Xun Wang*, Active Learning Guided Discovery of High Entropy Oxides Featuring High H2-production, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c06272https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c062724.西湖大學(xué)JACS：結(jié)構(gòu)鎖定策略合成共價三嗪CTF光催化合成H2O2發(fā)展綠色高效率光催化合成H2O2的光催化劑受到廣泛關(guān)注，但是具有非常大的困難和挑戰(zhàn)。有鑒于此，西湖大學(xué)徐宇曦等報道開發(fā)了一種新型簡單鎖定共面（locking the coplanarity）策略制備高晶化度的CTF光催化劑，能夠從O2和H2O合成H2O2。 1）剝離的超薄2D-CTF納米片具有優(yōu)異的光催化合成H2O2性能，太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率達(dá)到0.91%，420nm的表觀量子效率達(dá)到16.8%，比以往所有的CTF材料都更好，比大多數(shù)非金屬光催化劑更好。2）通過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論計算研究，說明晶化CTF光催化劑不僅能夠通過增強(qiáng)光激發(fā)載流子的分離和轉(zhuǎn)移的方式促進(jìn)光催化合成H2O2，而且通過改變局部電子結(jié)構(gòu)，將4電子氧化路徑變成2電子氧化路徑，得到100%的原子利用效率。這項(xiàng)工作為設(shè)計高效率的非金屬光催化劑提供幫助，而且展示了精確控制有機(jī)光催化劑的反應(yīng)路徑的策略。
Ling Zhang, Congxu Wang, Qike Jiang, Pengbo Lyu, and Yuxi Xu*, Structurally Locked High-Crystalline Covalent Triazine Frameworks Enable Remarkable Overall Photosynthesis of Hydrogen Peroxide, J. Am. Chem. Soc. 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c12339https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c123395.熊宇杰等Nature Commun：Cu團(tuán)簇-納米酶-輔酶構(gòu)筑天然光合成體系還原CO2自然界的光催化合成利用太陽能，以酶和輔酶催化的方式將水和大氣氣氛CO2轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔铮@促進(jìn)發(fā)展人工光合成技術(shù)。但是發(fā)展不含貴金屬的高效率光合成體系以及對功能結(jié)構(gòu)理性設(shè)計構(gòu)筑分子催化劑體系仍然具有非常大的困難和挑戰(zhàn)。有鑒于此，安徽師范大學(xué)/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授、陸洲教授、利莫瑞克大學(xué)Mei-Yan Gao等報道將Cu6簇和Co-三卟啉組裝構(gòu)筑人工光催化體系，并且精確的將納米酶和輔酶Q修飾在Cu6簇，能夠模擬自然界光化學(xué)合成過程。1）這種模擬生物體系能夠高效率的將CO2還原為CO，產(chǎn)率達(dá)到740.7μmol g-1 h-1，能夠持續(xù)188h。這個體系能夠通過輔酶Q的電子存儲作用，將光反應(yīng)和暗反應(yīng)解耦。通過調(diào)節(jié)輔酶Q的穩(wěn)定性，暗反應(yīng)的時間能夠達(dá)到8.5h。2）構(gòu)筑的人工光催化合成體系能夠滿足自然界的白天/黑夜循環(huán)。這項(xiàng)研究拓展了人工光催化劑的設(shè)計，重現(xiàn)了自然界光合成體系的復(fù)雜功能。
Cui, X., Bai, H., Zhang, J. et al. A cluster-nanozyme-coenzyme system mimicking natural photosynthesis for CO2 reduction under intermittent light irradiation. Nat Commun 15, 9048 (2024)DOI: 10.1038/s41467-024-53377-0https://www.nature.com/articles/s41467-024-53377-06.Nature Commun：Pt-Co協(xié)同催化劑的活性位點(diǎn)重構(gòu)理論計算揭示催化劑的金標(biāo)是火山型規(guī)律，這種火山型變化規(guī)律通常用于揭示催化活性位點(diǎn)的組成或者尺寸。有鑒于此，華東理工大學(xué)段學(xué)志教授、練成教授、上海交通大學(xué)劉晰研究員等報道催化劑的載體和吸附物質(zhì)導(dǎo)致Pt-Co雙金屬結(jié)構(gòu)重構(gòu)，而且對不同的界面活性位點(diǎn)之間的相互作用，提出了火山曲線的協(xié)同效應(yīng)。 1）通過多種表征技術(shù)，以及同位素動力學(xué)，多尺度理論計算模擬，說明受到Pt-C鍵（金屬-載體界面）和Co-O鍵（金屬-吸附物界面）的作用，Co持續(xù)不斷進(jìn)入Pt催化劑內(nèi)，形成Pt富集的合金，而且形成分離的Co物種，并且Co偏析形成外延覆蓋層和Co3O4簇，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌形成無定形合金。 2）發(fā)現(xiàn)三個不同的協(xié)同作用，包括晶格氧的氧化還原效應(yīng)、Pt富集合金/CoOx覆蓋層的雙位點(diǎn)、合金內(nèi)的電子耦合，這三個效應(yīng)分別發(fā)生在CO氧化（氣相）、氨硼烷水解（液相催化）、制氫催化（電催化）。協(xié)同效應(yīng)關(guān)系火山型變化代表了傳統(tǒng)組成/尺寸火山型變化規(guī)律的拓展，為雙金屬催化劑的理論模型和實(shí)驗(yàn)研究提供幫助。
Chen, W., Shi, Y., Liu, C. et al. Restructuring the interfacial active sites to generalize the volcano curves for platinum-cobalt synergistic catalysis. Nat Commun 15, 8995 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53474-0https://www.nature.com/articles/s41467-024-53474-07.清華大學(xué)Nature Commun：Ni氫氧化物的連續(xù)“電化學(xué)氧化-電化學(xué)還原反應(yīng)”解耦產(chǎn)氧和電解水堿性電解水是具有前景的制備清潔可持續(xù)能源技術(shù)，但是堿性電解水的性能受到陽極OER反應(yīng)動力學(xué)緩慢導(dǎo)致難以平衡產(chǎn)生H2和O2的挑戰(zhàn)。 有鑒于此，清華大學(xué)甘霖助理研究員、李佳副教授等報道通過電化學(xué)氧化和之后的電化學(xué)還原處理Ni氫氧化物，能夠降低陽極氧化反應(yīng)過電勢。1）通過同位素標(biāo)記的電化學(xué)微分質(zhì)譜表征和原位Raman光譜表征，以及DFT理論計算，發(fā)現(xiàn)Ni氫氧化物電化學(xué)氧化生成NiOO-活性物種之后由于Ni-O共價鍵變?nèi)酰琋iOO-還原釋放O2。2）通過這種氧化-還原處理過程發(fā)展了電解水和能量存儲的復(fù)合體系，能夠?qū)⒅茪浞磻?yīng)和產(chǎn)氧反應(yīng)和Ni氫氧化物的電化學(xué)能量存儲結(jié)合。
Wei, J., Shao, Y., Xu, J. et al. Sequential oxygen evolution and decoupled water splitting via electrochemical redox reaction of nickel hydroxides. Nat Commun 15, 9012 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53310-5https://www.nature.com/articles/s41467-024-53310-58.北京大學(xué)Nature Commun：氧原子插入苯乙烯的C-C化學(xué)鍵對常見化學(xué)分子的骨架進(jìn)行單原子插入是一種非常有效的開發(fā)結(jié)構(gòu)衍生化分子的方法，以往的骨架編輯策略能夠插入硼、氮、碳原子。由于氧原子在生物活性化合物的重要作用，因此如何通過 Baeyer-Villiger等反應(yīng)對C-C化學(xué)鍵進(jìn)行氧化具有非常重要的意義。 有鑒于此，北京大學(xué)焦寧教授、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)秦啟學(xué)等報道O2對苯乙烯的氧原子插入反應(yīng)，這種方法能夠在溫和反應(yīng)條件合成芳基醚。1）這種氧插入反應(yīng)方法學(xué)具有廣闊的官能團(tuán)容忍性，優(yōu)異的化學(xué)選擇性和位點(diǎn)選擇性。簡單的機(jī)理研究結(jié)果說明該反應(yīng)包括1,2-芳基自由基轉(zhuǎn)移。2）反應(yīng)使用空氣或者O2提供反應(yīng)的氧原子，實(shí)現(xiàn)非金屬溫和條件合成芳基醚，為烯烴化學(xué)的研究提供幫助。
Qin, Q., Zhang, L., Wei, J. et al. Direct oxygen insertion into C-C bond of styrenes with air. Nat Commun 15, 9015 (2024).DOI: 10.1038/s41467-024-53266-6https://www.nature.com/articles/s41467-024-53266-6
