【本站讯】近日，我校鲁效庆教授团队在能源小分子吸附催化转化方面取得系列进展，相关成果在Nature Communications《自然通讯》、Chemical Engineering Journal《化学工程杂志》、Nano Research《纳米研究》、Green Chemistry《绿色化学》和Journal of Colloid and Interface Science《胶体与界面科学》等材料和化工领域重要学术期刊上发表。该系列成果得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和中央高校基本科研业务费等资助。

传统化石能源过度开发利用导致能源短缺和CO₂过度排放等问题，由此引发的气候变暖、海平面上升及生态系统失衡直接威胁人类社会的生存与发展。CO₂的捕获分离及CO₂、H₂O等小分子转化利用是解决相关能源和环境问题的关键技术，已成为当今国际社会研究的难点与热点之一。利用高性能的膜分离材料捕获分离CO₂，结合高性能CO₂还原催化材料，通过电催化技术将CO₂还原成具有高附加值的工业产品（甲醇、甲烷、乙烯等），能够实现CO₂的高效利用转化。发展电解水高性能催化材料，耦合光伏、风电发电，通过“电-氢-电”的方式实现对可再生能源的高效利用，以清洁无污染且热量高的氢能为能源载体，能够实现无碳能源的循环利用。鉴于此，团队从材料的理性设计出发，通过仿生系统模拟、界面工程、活性位点设计、吸附构型调控等策略，调节材料电子结构和空间构型，揭示材料微观结构与性能之间的关系，为能源小分子电催化转化、碳捕获分离材料的设计与合成提供了实验和理论依据。

论文“Bioinspired trimesic acid anchored electrocatalysts with unique static and dynamic compatibility for enhanced water oxidation”（仿生设计具有独特动静相容特性的均苯三甲酸锚定电催化剂促进电催化水氧化）发表在Nature Communications（2023, 14, 6714）。该论文第一作者为2020级博士生林小靖，通讯作者为王兆杰副教授、刘思远副教授和鲁效庆教授。

层状双金属氢氧化物（LDHs）是当前电催化水氧化领域中极具发展前景的催化剂之一。根据吸附演化机制，在水氧化过程中NiFe-LDH催化剂的过电位受到*O、*OH和*OOH结合能间比例关系限制，传统策略很难突破动力学瓶颈。更严重的是，在长期运行过程中，能量学有利的金属偏析会导致过渡金属连续浸出，阻碍规模化商业应用。为解决上述难题，团队受光系统II启发，提出静态-动态相容策略。通过电化学沉积技术成功制备高稳定性、高性能均苯三甲酸配位的亚尺寸镍铁层状氢氧化物催化剂（SU-NiFe-LDH(TA)），219 mV过电位即可达到10 mA cm^-2，Tafel斜率低至31.1 mV dec^-1。此外，该催化剂在1500 mA cm^-2高电流密度下具有长达1300 h的OER稳定性，在工业测试环境（6 M KOH, 60^oC）可稳定运行800 h以上，不会发生明显的性能衰减或结构塌陷。机理研究表明，层状双金属氢氧化物中的Fe和配位羧基之间通过C‒O‒Fe键的偶联可防止金属组分的溶解，从而通过静态配位稳定电子结构。通过动态演化形成的未配位羧基可作为质子摆渡促进OER中间体质子转移，以加速反应动力学。本工作通过引入具有静态和动态相容的功能配体，为突破析氧反应稳定性和动态性能方面提供了一条很有前景的途径。

论文“MXene-based single atom catalysts for efficient CO₂RR towards CO: A novel strategy for high-throughput catalyst design and screening”（MXene基单原子催化剂用于高效二氧化碳还原产一氧化碳：一种用于高通量催化剂设计与筛选的新策略）发表在Chemical Engineering Journal (2023, 461, 141936)。该论文第一作者为2020级博士生曹守福，通讯作者为刘思远副教授和鲁效庆教授。

传统金、银基材料是目前二氧化碳还原中最优异的催化剂，然而高成本和低原子利用率限制了其工业化应用。单原子催化剂具有近100%的金属原子利用率和高催化活性，但电流密度仍低于工业化要求。MXene材料具有优异的导电性、大催化活性基面及比表面积，有望作为单原子催化剂的基底提高催化电流密度。针对以上研究现状，团队以Ti₃C₂O₂作为MXene材料的典型代表，系统地研究了一系列MXene基单原子催化剂。从催化剂的稳定性、催化活性、产物选择性以及电场响应性进行了大规模筛选，确定了MXene基钌单原子催化剂作为优异的催化剂，其在低电位下表现出超高的催化活性，并有效抑制其他竞争反应的发生，性能超越目前报道的大部分材料。该工作为电催化催化剂的理性设计和筛选提供了有效的策略。

论文“Construction of pH-universal hydrogen evolution freeway in MoO₃-MoNi₄@Cu core–shell nanowires via synergetic electronic and geometric effect”（协同电子和几何效应构建析氢高速通道）发表在Nano Research（2023，16，12253）。该论文第一作者为2021级博士生陈晓东，通讯作者为王兆杰副教授、刘思远副教授和鲁效庆教授。

水分子吸附/解离和氢中间体吸附是碱性析氢反应的主要限制因素。钼镍合金被认为是工业应用中取代Pt基催化剂最可行的候选者之一。然而过强的氢中间体吸附限制了钼镍合金催化剂析氢活性的进一步提升，导致了更高的产氢能耗。受氢溢流现象促进吸附氢中间体转移的启发，团队将非晶三氧化钼掺入钼镍合金中，并负载于低功函数值的铜纳米线以应用于电催化析氢反应。机理研究表明，低功函数值铜载体作电子供体诱使钼镍合金d带中心上移，增强钼镍合金对水分子的吸附和解离；非晶三氧化钼掺杂引起的钼镍合金的独特几何构型加速氢中间体通过氢键和氢溢出转移，促进氢的生成，该电催化剂的析氢活性优于商用Pt/C催化剂，具有出色的长效稳定性。该研究为基于电子效应和几何效应的多步反应催化剂的设计提供了有价值的启示。

论文“Selectivity switching between CO and formate for CO₂reduction on Sb modified amorphous ZnO by electronic effect”（电荷效应下锑掺杂无定型氧化锌用于二氧化碳还原一氧化碳和甲酸盐的选择性开关）发表在Nano Research（2023，16，12144-12152）。该论文第一作者为2021级博士生陈红宇，通讯作者为王兆杰副教授和魏宝君教授。

电催化转化二氧化碳在人工碳循环中发挥着重要作用。在工业生产中，CO和甲酸盐以其优异的生产经济性和工业价值性备受关注。过去几十年，大量研究致力于CO和甲酸盐生产，然而，催化剂高昂的成本、繁琐的合成和低产阻碍了扩大应用。同时，同步实现CO和甲酸盐高选择性生产的报道相对较少。鉴于此，团队开发了一种一步法合成无定型氧化锌的方法，告别了以往无定型氧化锌合成繁琐、耗时长的问题。通过引入杂原子，探究了其在电催化二氧化碳转化过程中间体的吸附对产物选择性的影响，实现了产物的选择性开关。进一步机理揭示了杂原子与氧化锌之间的电荷效应，削弱了CO和甲酸盐生产中间体的吸附，促进了产物选择性由CO到甲酸盐的转变。

论文“Research status, opportunities, and challenges of cobalt phosphate based materials as OER electrocatalysts”（磷酸钴基材料作为OER电催化剂的研究现状、机遇与挑战）发表在Green Chemistry (2023, 25, 7883)。该论文第一作者为2022级博士生张兴恒，通讯作者为王兆杰副教授和鲁效庆教授。

电解水制氢技术是一种大规模制备绿氢的有效方式，然而四电子OER动力学的缓慢性阻碍了整体催化效率。因此，高性能OER电催化剂是提升电解水催化效率的关键一环。磷酸钴基催化剂由于其优越的OER催化活性、自恢复性以及合成便捷的特点处于研究前沿。为此，团队总结了磷酸钴基催化剂的组成、合成方法、活性调控策略，以及未来的挑战和应用前景。磷酸钴的电子结构和配位环境调控策略优化了Co-O键的共价性，加速了质子耦合电子转移过程速率，降低了析氧反应中间体反应能垒，是提升催化活性的有效手段。深入了解磷酸钴基催化剂的催化机理和表面催化过程有助于实现高性能磷酸钴基催化剂的制备。未来，磷酸钴基催化剂在中性电解水以及中性电解海水中具有巨大的工业应用价值和前景。

论文“Enhanced CO₂capture in partially interpenetrated MOFs: Synergistic effects from functional group, pore size, and steric-hindrance”（局部互穿MOF中的CO₂捕获：官能团，孔径尺寸，空间位阻间的协同作用）发表在Journal of Colloid and Interface Science (2023, 650, 1361-1370)。该论文第一作者为2021级硕士生刘森，通讯作者为魏淑贤副教授。

过量的二氧化碳排放导致了严重的全球性环境问题，刺激了二氧化碳吸附剂材料的发展。在众多吸附剂材料中，金属-有机框架（MOFs）因其独特的微孔结构而被认为是最有前途的候选材料之一。为此，团队构建了一系列UPC-XX部分互穿MOFs，通过理论计算研究了通过官能团、孔径和空间位阻的协同效应持续增强二氧化碳捕获性能，并成功将以上各调控策略和Sc基部分互穿MOF结构进行结合，开发了高效的二氧化碳吸附材料。通过孔隙特征分析、气体分布、等温吸附热和van der Waals/Coulomb相互作用等的理论计算，阐明了官能团、结构尺寸和位阻的协同效应机制。

鲁效庆教授团队长期致力于气体吸附/分离材料设计、电催化剂的设计合成、电化学储能器件等方面的研究工作，先后承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金重点项目等国家及省部级科研项目30余项，在Nature Communications、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Applied Catalysis B: Environmental、Angewandte Chemie International Edition等材料、化学领域权威期刊发表SCI论文200余篇，授权国家发明专利20余项，在新能源与环境领域形成了一定的影响力。

相关链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42292-5

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141936

https://doi.org/10.1007/s12274-023-5826-4

https://doi.org/10.1007/s12274-023-5570-9

https://doi.org/10.1039/D3GC02416D

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.07.058