1.中科大JACS：光催化甲烷轉化通過質子電子協同合成甲酸光驅動甲烷直接轉化為甲酸是一種將甲烷轉化為高附加值化學品并促進可持續發展的有前景的方法。但是，該反應過程具有多個質子和電子的復雜需求，因此仍然具有非常大的挑戰。有鑒于此，中國科學技術大學熊宇杰教授、劉東教授等報道設計Pt活性位點修飾WO3的光催化劑用于光催化選擇性合成甲酸。1）研究結果表明，調節 Pt 在 WO3載體上的維度效應是提高甲烷選擇性轉化為甲酸（HCOOH）催化性能的關鍵。與不含 Pt 的樣品以及用 Pt 單原子修飾的 WO3相比，WO3修飾的Pt 納米顆粒在生產 HCOOH 方面表現出更高的轉化率、選擇性和耐久性。最優的 PtNPs-WO3（PtNPs-WO3）催化劑實現了 17.7 mmol g?1 的 HCOOH 轉化率，選擇性達 84%，且穩定性可維持長達 48 h。2）機理研究表明，氧氣質子化形成羥基自由基是 HCOOH 產率的限制步驟。Pt 納米顆粒可促進電子轉移并推動氧氣解離，通過質子耦合電子轉移過程產生羥基自由基。該過程提供足夠的質子降低形成·OH 自由基的能壘，從而促進甲烷的活化。此外，Pt 納米顆粒調節含氧烴中間體的吸附，提高反應的選擇性。 這項工作加深對于甲烷轉化催化劑設計以及復雜反應路徑有效調控的理解。Guangyao Zhai, Siyuan Yang, Yihong Chen, Junchi Xu, Shenghe Si, Honggang Zhang, Yuanyuan Liu, Jun Ma, Xiao Sun, Weixin Huang, Chao Gao, Dong Liu*, Yujie Xiong*, Direct Photocatalytic Oxidation of Methane to Formic Acid with High Selectivity via a Concerted Proton–Electron Transfer Process, J. Am. Chem. Soc. 2025DOI: 10.1021/jacs.4c12758https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c127582.上海有機所&匹斯堡大學JACS：Fe催化甲烷有氧羰基化合成乙酸 配體到金屬電荷轉移（LMCT）催化范式與自由基中間體的整合改變了惰性碳氫鍵的選擇性功能化，促進了非貴金屬催化劑在苛刻轉化中的使用。值得注意的是，由于甲基自由基的快速氧化，甲烷的有氧C-H羰基化到乙酸仍然是難以實現的過程，容易產生不希望生成的C1氧化衍生物。有鑒于此，中國科學院上海有機所左智偉研究員、匹斯堡大學劉鵬教授等提出了一種利用LMCT的三聯吡啶鐵催化劑，通過協同光激發、甲基自由基生成和羰基化實現了優異的C2/C1選擇性。1）這項研究開發一種高選擇性的光催化甲烷有氧羰基化反應的策略。在室溫LED光照射，Fe催化劑具有既能產生·CH3以及隨后捕獲·CH3的優異能力，克服了甲烷的快速有氧氧化，實現了羰基化反應的特殊選擇性。重要的是，通過光誘導Fe-LMCT體系和自由基-金屬組合的策略，有可能不斷提高溫和條件的開殼催化轉化的機會。2）這項機理展示了Fe(II)和鐵羰基配合物通過自由基反彈路徑反應，這種反應過程避免了甲基自由基氧化的關鍵問題，在甲烷的有氧羰基化反應中取得前所未有的反應效率。 Hui Pan, Qing An, Binh Khanh Mai, Yuegang Chen, Peng Liu*, and Zhiwei Zuo*, Iron-Catalyzed Aerobic Carbonylation of Methane via Ligand-to-Metal Charge Transfer Excitation, J. Am. Chem. Soc. 2025DOI: 10.1021/jacs.4c16449https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c16449盡管單原子催化劑在現代多相催化中有著巨大的影響，但是仍然困擾著催化領域，導致單原子催化反應通常難以得出正確的結論。在許多情況下，這種不確定性的產生原因來自缺乏對單原子在工況下的結構變化的明確認識，并且缺乏催化機制有關的控制單原子的基本因素的理解。這導致人們對于正確定義和術語的混淆，特別是對催化劑的真正活性物種的定義，以及獲得遠程有序的均相載體方面的非常困難[Chi S. et al., J. Catal. 2023, 419, 49-57. DOI: 10.1016/j.jcat.2023.02.003]。最近的大多數研究都關注于弄清楚SAC在催化反應中的幾個關鍵作用。但是，一個嚴重受到忽視的問題是，如何考慮SAC金屬位點上所有的動態現象，并且將傳統催化劑轉變為在工況下具有智能、刺激響應、結構可控變化的單原子催化劑。這種“智能特點”可能會發展一些能夠解決SAC常見缺點的途徑（比如選擇性和穩定性）。 有鑒于此，意大利的里亞斯特大學Paolo Fornasiero教授、Michele Melchionna副教授等綜述報道提出了我們對這些尚未探索的利用SAC動態的機會的看法，討論了開發“智能”單原子催化劑的前景。1）這項綜述的內容包括智能催化劑的產生和發展、SAC催化劑未曾深入研究的現象、智能催化劑的挑戰和展望。2）討論可能成為下一代SAC催化劑的各種例子，這項研究將其稱為“智能”單原子催化劑（SSAC）。盡管目前遠遠未達到智能行為SAC的可能，但是本綜述為實現這一智能單原子催化劑的目標提供了途徑。 Michele Melchionna* and Paolo Fornasiero*, On the Tracks to “Smart” Single-Atom Catalysts, J. Am. Chem. Soc. 2025DOI: 10.1021/jacs.4c15803https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c158034.化學所Angew：聚乙烯醇調節表面微環境增強電催化還原CO2制備多碳產物調控電極的表面微環境是提升二氧化碳電還原電催化性能的關鍵一環。有鑒于此，中國科學院化學所韓布興院士、康欣晨研究員等報道提出了一種創新方法，在制備CuPEG電極時，將少量線性低聚性的聚乙二醇（PEG）摻入到氧化亞銅（Cu?O）催化劑中。 1）在流動電催化反應器，1 M 氫氧化鉀溶液里，電流密度為500 mA cm-2 時，多碳產物（C2+）的法拉第效率（FE）從的69.3%（未添加PEG的銅電極）提升至90.3%（添加PEG的CuPEG電極）。2）原位研究和理論計算表明，PEG分子通過氫鍵相互作用顯著改變了銅表面的微環境，使得全氟磺酸樹脂（Nafion）變得松弛，增加了活性位點的可接觸性，增強了CO和OH的吸附，因此增強C-C偶聯。而且，重構的氫鍵網絡減少活性氫物種，抑制HER副反應。Yiyong Wang, Yingying Cheng, Shiqiang Liu, Yaoyu Yin, Jiahao Yang, Hengan Wang, Ke Li, Meng Zhou, Jiapeng Jiao, Pei Zhang, Qingli Qian, Qinggong Zhu, Xiaofu Sun, Yi Xu, Xinchen Kang, Mingchuan Luo, Buxing Han, Enhancing CO2 Electroreduction to Multicarbon Products by Modulating the Surface Microenvironment of Electrode with Polyethylene Glycol, Angew. Chem. Int. Ed. 2025DOI: 10.1002/anie.202420661https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.2024206615. 福州大學Angew：精確調控缺陷的結構增強氮化碳光催化全解水以碳氮化物聚合物（PCNs）為代表的共軛聚合物，成為新一代用于全水分解（OWS，overall water splitting）的優秀光催化劑。雖然人們進行許多努力，但是如何制備缺少結構缺陷的高結晶度PCNs仍然具有非常大的挑戰，而且很難深入研究復雜缺陷結構對于OWS過程的明確影響，這嚴重的限制了PCN催化劑的量子效率。有鑒于此，福州大學王心晨教授、張貴剛教授等報道設計了一種“原位鹽熔”（in-situ salt flux）輔助的共聚合反應策略，分別使用富含氮和缺少氮的單體分子，精確調控聚（三嗪酰亞胺）（PTI）單晶的結構缺陷。兩種共聚單體之間的化學計量控制能夠連續調節PTI的C空位和N空位，構筑了一系列具有不同缺陷態的PTI晶體。 1）理論和實驗結果表明，C空位對應于激子的輻射淬滅，N空位產生非輻射淬滅。通過抑制輻射損失和非輻射損失，合成的PTI通過一步激發OWS催化反應，實現了37.8 %的表觀量子效率新紀錄。2）這項工作展示了合理控制結構缺陷的重要性，闡述了結構明確的PTI光催化劑的結構-性質-活性之間的關系，這項研究為開發生產太陽能燃料的聚合光催化劑提供了指導和幫助。Hangyu Zhuzhang, Xiaocong Liang, Jiaxiang Li, Sikang Xue, Yifan Lin, Baisheng Sa, Sibo Wang, Guigang Zhang, Zhiyang Yu, Xinchen Wang, Precise Manipulation on the Structural Defects of Poly (Triazine Imide) Single Crystals for Efficient Photocatalytic Overall Water Splitting, Angew. Chem. Int. Ed. 2025DOI: 10.1002/anie.202421861https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.2024218616.新加坡國立大學Angew：Zr-MOC（金屬有機籠）結構工程增強CO2/CH4分離 金屬有機籠（MOCs）被視作新興的0 D多孔填充劑，用于制備分子均勻的基于金屬有機籠的膜材料。但是，不連續的孔隙連通性和較低的填充濃度限制了提高膜的分離性能。有鑒于此，新加坡國立大學趙丹副教授等在膜內利用三維（3D）超分子金屬有機籠網絡作為混合基質膜（MMMs）的填充材料，增強金屬有機籠的維度。1）作者進一步探索了MOC的結構工程，生成了不同的多晶型（α和β相）研究膜的性能。同步輻射XAS吸收光譜和正電子湮沒壽命譜能夠區分不同結構MOC的多晶型網絡。2）氣體滲透測試表明，相應的混合基質膜展現出卓越的CO2/CH4分離性能，突破了羅伯遜（Robeson）上限。這項研究提出的方法有望豐富分子網絡結構材料。Ziqi Yang, Shing Bo Peh, Shibo Xi, Yanqiu Lu, Qixing Liu, Dan Zhao, Packing Engineering of Zirconium Metal-Organic Cages in Mixed Matrix Membranes for CO2/CH4 Separation, Angew. Chem. Int. Ed. 2025 DOI: 10.1002/anie.202418098https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.2024180987.大連化物所Nature Commun：MoS2和Rh-Zn原子對光催化CH4羰基化合成乙酸甲烷直接羰基化制乙酸為將天然氣升級轉化為便于運輸的液態化學品提供了一條很有前景的途徑，其中高效的甲烷活化和可控的C-C偶聯都至關重要，但是具有非常大的挑戰。有鑒于此，中國科學院大連化物所鄧德會研究員、于良研究員、崔曉菊副研究員等報道MoS2限域的Rh-Zn原子對與TiO2協同，實現了CH4與CO和O2高效光催化羰基化合成乙酸。1）該過程得到高達152.0μmol gcat-1 h-1的乙酸產率，62.0h-1的TOF頻率，選擇性高達96.5%，性能比以往的光催化甲烷羰基化過程更好。2）機理研究揭示Rh-Zn的協同作用于TiO2的光激發電子在生成乙酸產物起到的關鍵作用。O2在Zn位點通過質子耦合電子轉移(PCET)發生光還原，生成活性羥基物種，促進甲烷解離為CH3，之后CH3物種容易與相鄰Rh位點的吸附CO偶聯，生成乙酸的關鍵中間體（乙酰基）。 Li, Y., Liu, H., Mao, J. et al. MoS2-confined Rh-Zn atomic pair boosts photo-driven methane carbonylation to acetic acid. Nat Commun 16, 487 (2025).DOI: 10.1038/s41467-024-54061-zhttps://www.nature.com/articles/s41467-024-54061-z8.Nature Commun：專為在極寒條件下運行而設計的全固態電池迫切需要提高鋰離子電池(LIB)的性能，特別是在確保極端寒冷條件下的可靠運行。全固態電池(ASSB)為傳統LIB在低溫環境下使用液體電解質所帶來的挑戰提供了一種有希望的解決方案。近日，南方科技大學朱金龍，韓松柏，北京大學深圳研究生院鄒如強，Lei Gao等人利用非晶態固態電解質（SSEs）xLi3N-TaCl5(1≤3x≤2)的優勢，開發出能夠在極端寒冷條件下有效運行的ASSB。 1）設計的ASSB采用質量負載為4.46 mg cm-2的LiCoO2正極和Li-In負極，在18 mA g-1和10、30和40°C下首次放電容量分別為183.19、164.8和143.78 mAh g-1，在18 mA g-1和30°C下第100次循環的最終放電容量為137.6 mAh g-1。此外，ASSB在18 mA g-1和60°C下循環200小時后首次放電容量為51.94 mAh g-1。
Hong, B., Gao, L., Li, C. et al. All-solid-state batteries designed for operation under extreme cold conditions. Nat Commun 16, 143 (2025).DOI：10.1038/s41467-024-55154-5https://doi.org/10.1038/s41467-024-55154-5
