個人簡介
李亞棟院士主要從事無機功能納米材料的合成、結構、性能及其應用研究，緻力于挑戰金屬團簇、單原子催化劑以期實作非貴金屬替代貴金屬催化劑、探索實作催化新反應，解決催化劑均相催化異項化實驗室與工業化技術難題 。今天，我們列舉一下李亞棟院士團隊在2023年取得的重要研究成果（備注：本文僅列舉部分以李亞棟院士為通訊作者的論文）。
1Nature：工業條件下CO2介導的有機催化析氯
自19世紀以來，氯堿工藝一直在生産氯和氫氧化鈉，這兩種物質對化工生産至關重要。然而，該工藝耗能巨大，全球電力生産的4%（約150太瓦時）都用于氯堿工業。是以，提高氯堿工藝的效率可以節省大量成本和能源。析氯反應是氯堿工藝中一個關鍵的步驟，其最先進的電催化劑仍然是幾十年前開發的尺寸穩定的陽極。盡管已經報道了一些新型的析氯反應催化劑，但它們主要由貴金屬組成。該研究展示了一種具有酰胺官能團的有機催化劑，可以實作高效的析氯反應。在存在二氧化碳的條件下，該催化劑表現出10 kA m-2的電流密度和99.6%的選擇性，僅需89 mV的過電位，與尺寸穩定的陽極相媲美。研究人員發現，CO2與酰胺氮的可逆結合促進了自由基的形成，這對于Cl2的生成過程至關重要，并且在Cl-電池和有機合成中可能具有重要作用。盡管有機催化劑通常被認為在苛刻的電化學應用中無望，但這項研究展示了它們更廣泛的潛力，以及它們為開發與工業相關的新工藝和探索新的電化學機制提供的機會。這項研究為氯堿工藝的改進和可持續發展提供了新的思路，同時也為有機催化劑在電化學領域的應用提供了新的視角和機會。
DOI : 10.1038/s41586-023-05886-z
JACS：利用高穩定性單原子 Ru 催化劑實作混合塑膠廢料的更新再循環
該工作通過使用創新的單原子催化劑，取得了突破性進展，将混合塑膠垃圾轉化為單一化學産品。混合塑膠垃圾的處理一直是一項具有重大挑戰性的任務，因為其成分複雜且分揀成本高昂。然而，在這項研究中，研究人員首次利用創新的單原子 Ru 催化劑，在将混合塑膠垃圾轉化為單一化學産品方面取得了突破性進展。單原子 Ru 催化劑能夠将90%的實際混合塑膠廢物高效轉化為甲烷産品，并且其選擇性超過99%。這是由于 Ru 位點的獨特電子結構調節了混合塑膠中間體的吸附能，實作了混合塑膠的快速分解。此外，與傳統的納米催化劑相比，單原子催化劑具有更高的循環穩定性。研究人員還對整個過程的全球變暖潛能進行了評估，證明了該方法的環境可持續性。通過提出利用單原子催化劑的碳還原工藝，這項研究開創了混合塑膠廢物價值化的新紀元。這項創新的研究為解決混合塑膠垃圾處理問題提供了新的途徑，有望推動可持續的廢物管理和資源回收。
DOI : 10.1021/jacs.3c09338
JACS：一種通用的雙金屬納米晶解離政策用于生成堅固的高溫穩定的鋁負載單原子催化劑
這項工作提出了一項關于設計高耐熱性貴金屬單原子催化劑（SAC）的研究。研究人員提出了一種通用政策，利用雙金屬納米晶體（NCs）作為促進劑，在氧化鋁表面上自發地将一系列貴金屬轉化為單個原子。在這個過程中，金屬單原子被反尖晶石（AB2O4）結構表面的陽離子缺陷捕獲，提供了錨定位點，促進了孤立金屬原子的生成，并為其提供了非凡的熱力學穩定性。研究人員通過這種方法成功制備了Pd1/AlCo2O4-Al2O3催化劑，該催化劑不僅提高了低溫活性，而且在苛刻的老化條件下對CO和丙烷氧化表現出前所未有的（水）熱穩定性。此外，通過将商用金屬氧化物聚合體與Al2O3進行簡單的實體混合，研究人員展示了較小的放大效應。這些離子钯在氧化氣氛和還原氣氛之間具有良好的再生性，使得這種催化劑系統在排放控制方面具有潛在的意義。這項研究為制備高耐熱性貴金屬單原子催化劑提供了一種通用政策，并展示了其在活性和熱穩定性方面的優越性。這一發現對于開發更高效的催化劑系統以及在環境保護和排放控制方面具有潛在意義。
DOI : 10.1021/jacs.3c02909
4JACS：MOF 衍生的 Ru1Zr1/Co 雙原子位點催化劑提高費托合成的性能
該工作提出了一個關于費托合成（FTS）催化劑設計的研究。钴基催化劑在工業領域的FTS中得到廣泛應用，但如何在原子水準上設計催化劑以實作更高的活性和更多的長鍊烴類産品仍然是一個具有吸引力但困難重重的挑戰。研究人員通過金屬有機架構介導的合成政策設計了一種Ru1Zr1/Co催化劑，該催化劑在钴納米粒子（NP）表面具有Ru和Zr雙原子位點。這種設計顯著提高了FTS的活性（在200°C時具有較高的轉換率為3.8 × 10-2 s-1）和C5+選擇性（80.7%）。對比實驗表明，Ru和Zr單原子位點在钴納米粒子上之間存在協同效應。進一步的密度泛函理論計算揭示了從C1到C5的鍊增長過程。設計的Ru/Zr雙原子位點通過顯著削弱C-O鍵大大降低了限速障礙，促進了鍊增長過程，進而顯著提高了FTS性能。是以，這項研究證明了雙原子位點設計在促進FTS性能方面的有效性，并為開發高效的工業催化劑提供了新的機遇。這一發現有望推動FTS領域的進一步發展，為合成更多長鍊烴類産品提供了新的方法和政策。DOI : 10.1021/jacs.2c09168
5Angew：通過 p-n 結整流持續調節單原子催化劑的電催化氧還原活性
這項工作提出了一項關于超越原子尺度活性極限的單原子催化劑（SAC）微調的研究。研究人員利用具有金屬中心與氮供體（MeNx）配位的單原子催化劑的p型半導體特性，并通過n型半導體支援物來校正其局部電荷密度。以鐵酞菁（FePc）為模型的SAC，在結界面引入具有低功函數的n型單硫化镓，形成一個空間電荷區，導緻FeN4分子的變形和FeII中心的自旋态轉變。這種催化劑的氧還原活性比原始的FePc高出兩倍以上。研究人員進一步采用了其他三種具有不同功函數的n型金屬鉻化物作為支援物，并發現支援物FeN4的活性與整流度之間存線上性關系。這清楚地表明SAC可以通過這種整流政策進行持續調整。這項研究展示了利用p型和n型半導體特性以及不同功函數的支援物來微調單原子催化劑的活性的方法。通過調整局部電荷密度和自旋态轉變，研究人員成功提高了催化劑的比氧還原活性。這一發現為開發更高效的SAC催化劑提供了新的思路和政策，并為超越原子尺度的催化活性極限提供了一種可行的途徑。
DOI : 10.1002/anie.202212335
6Angew：雙原子支撐促進鎳催化尿素電氧化
尿素氧化反應是一種重要的電催化反應，而鎳基催化劑被認為是其中最有前途的電催化劑之一。然而，鎳基催化劑的活性在很大程度上受到尿素氧化反應過程中不可避免的鎳物種自氧化反應（NSOR）的限制。為了解決這一問題，研究人員提出了一種界面化學調控政策。他們建構了一個由超薄NiO錨定的Ru-Co雙原子支撐（Ru-Co DAS/NiO）組成的2D/2D異質結構，該結構在NSOR之前觸發尿素氧化反應的發生。工況光譜表征證明了Ru-Co DAS/NiO表面的這種獨特觸發機制。通過這種調制政策制備的催化劑表現出出色的尿素氧化反應活性。在10 mA cm-2下，催化劑具有低電位（1.288 V），并且具有超過330小時的長期耐用性。密度泛函理論計算和光譜表征結果表明，這種獨特的異質界面誘導的有利電子結構使催化劑在能量上比NSOR更有利于尿素氧化反應。這項研究展示了一種通過建構特殊的2D/2D異質結構來改善尿素氧化反應催化劑活性的界面化學調制政策。通過觸發尿素氧化反應的發生，并抑制鎳物種自氧化反應，制備的催化劑表現出優異的活性和長期耐用性。這一發現為開發更高效的尿素氧化反應催化劑提供了新的思路和政策，并為電催化領域的研究提供了有價值的貢獻。。
DOI : 10.1002/anie.202217449
7Adv. Mater.：具有碳空位的Fe-N-C單原子催化劑在堿性媒體中氧還原反應的高持久性
該研究提出了碳空位修飾的單原子催化劑（SACs）在氧還原反應（ORR）中的應用。SACs在燃料電池和金屬-空氣電池中催化ORR引起了廣泛的關注，但開發具有高選擇性和長期穩定性的SACs是一個巨大的挑戰。本研究通過微環境調制，成功地設計合成了碳空位修飾的Fe-N-C SACs（FeH-N-C），實作了活性位點的高效利用和電子結構的優化。FeH-N-C催化劑的半波電位（E1/2）為0.91 V，具有10萬次電壓循環的耐久性，E1/2損耗為29 mV。密度泛函理論（DFT）計算證明，金屬-N4位點周圍的空位降低了OH*的吸附自由能，阻礙了金屬中心的溶解，顯著提高了ORR動力學和穩定性。是以，FeH-N-C SAC在可充電鋅空氣電池（ZABs）中展現出高功率密度和超過1200小時的長期穩定性。這項研究的結果不僅将指導通過合理調制金屬-N4位點來開發高活性和穩定的SACs，而且還為優化電子結構以提高電催化性能提供了重要見解。這一發現對于推動SACs在能源領域的應用具有重要意義，并為相關領域的研究提供了新的思路和方法。 DOI : 10.1002/adma.202210714
8Nano Letters：高效選擇性光氧化的原子應變金屬位
應變工程在非均相催化劑中具有廣泛的應用。應變工程是一種提高催化劑本征催化性能的有吸引力的政策，但在短程原子尺度上控制應變以調控催化位點的局部結構仍然具有挑戰性。該研究采用了巧妙的插層化學方法，成功實作了超薄層狀氧化釩納米帶的原子應變調制。通過在V2O5層之間引入微量鈉離子（Na+-V2O5），V-O鍵被原子應變的釩位拉伸，重新配置設定了局部電荷。Na+-V2O5表現出優異的光氧化性能，相較于原始V2O5和VO2，其性能分别提高了約12倍和14倍。通過互補的光譜分析和理論計算，研究人員證明了經過原子應變的Na+-V2O5具有較高的表面電荷密度，進而提高了氧分子的活化能力，表現出優異的光催化性能。這項研究為合理設計用于選擇性光氧化反應的應變型催化劑提供了新的途徑。通過巧妙地調控催化劑的局部結構，特别是在短程原子尺度上實作應變調控，研究人員成功地提高了氧化釩納米帶的光氧化性能。這一發現對于開發高效的光催化劑以及其他應變型催化劑具有重要意義，并為相關領域的研究提供了新的思路和方法。 DOI : 10.1021/acs.nanolett.3c00256
9Sci. Adv.：Ir-Sn原子對位點觸發有效酸性水氧化的關鍵氧自由基中間體
該研究通過建構異質結構的Ir-Sn原子對位點催化劑來減輕陽極腐蝕。在這種催化劑中，通過形成Ir-Sn雙位點和引發強電子互相作用，成功減少了Ir在合成和析氧反應過程中的d帶空穴，抑制了過度氧化，進而顯著提高了催化劑的耐腐蝕性。優化後的催化劑在過電位為320 mV時表現出高品質的活性，達到了4.4 A mgIr-1，并且具有良好的長期穩定性。使用這種催化劑的質子交換膜水電解槽在1.711 V時具有2 A cm-2的電流密度，并且在加速老化試驗中表現出低的降解率。理論計算表明，Ir-5d-O-2p之間通過π*互相作用誘導的氧自由基可能是提高活性和耐久性的原因。這項研究為解決催化劑在惡劣酸性和氧化環境下的腐蝕問題提出了一種新的政策。通過建構異質結構和利用強電子互相作用，研究人員成功地減輕了催化劑的溶解和過度氧化，進而顯著提高了其耐腐蝕性能。這一發現對于開發具有高活性和耐久性的催化劑，在水電解等領域具有重要意義，并為相關領域的研究提供了新的思路和方法。 DOI : 10.1126/sciadv.adi8025
10Energy Environ. Sci.：單原子催化劑在二氧化碳轉化方面的最新進展
二氧化碳催化轉化為有價值的燃料或化學品具有廣闊的前景和經濟利益。這個過程可以替代化石原料，并且可以實作二氧化碳的大規模轉化和循環利用。經濟高效的催化劑對于降低二氧化碳利用的成本非常重要，是以進行了大量的催化劑設計研究。傳統的金屬納米顆粒催化劑仍然需要提高活性金屬的利用效率、催化活性和選擇性。單原子催化（SACs）以其最大的原子使用率、獨特的電子結構和強的金屬-載體互相作用，成為提高催化效率和長期穩定性的有前途的政策，引起了研究人員的極大興趣。SACs的設計獨特且結構良好，為揭示CO2利用過程中的潛在機制和活性位點提供了必要的研究優勢。在這篇綜述中，總結并強調了用于電催化、光催化和熱催化将CO2轉化為多種産品（如CO、CH4、CH3OH、HCOOH和C2+産品）的先進SACs的最新進展。此外，對SAC設計的一般原則和結構-性能關系也進行了系統和建設性的研究，為探索決定催化性能的關鍵參數提供了途徑。同時，展示了最近發表的不同SAC對CO2轉化的催化效率，以對這些催化劑進行深入評估。最後，展望了SAC在CO2轉化方面的主要挑戰和未來應用前景。這篇綜述提供了關于将CO2轉化為有價值産品的催化劑設計的最新進展，并強調了SACs在這一領域的潛力。通過研究SACs的結構和性能關系，可以為開發高效的CO2轉化催化劑提供指導，并為實作可持續能源和化學品生産提供新的途徑。 DOI : 10.1039/D3EE00037K