西湖大学院士团队，一天两顶刊

配景先容

近日，西湖年夜学孙立成院士团队在J. Am. Chem. Soc.和Nat. Commun.上持续颁发最新结果，分离是“Cluster-Level Heterostructure of PMo12/Cu for Efficient and Selective Electrocatalytic Hydrogenation of High-Concentration 5-Hydroxymethylfurfural”和“A high-performance watermelon skin ion-solvating membrane for electrochemical CO2reduction”。下面，对这两篇结果进行扼要的先容。

结果展现

1.JACS：PMo12/Cu高效选择性电催化高浓度5-羟甲基糠醛加氢

以5-羟甲基糠醛（HMF）为代表的醛分子的电化学加氢反响，为合成高附加值醇提供了一条可连续的道路。然而，严重的偶联副反响阻碍了其在高浓度下的现实利用。基于此，西湖年夜学孙立成院士（通信作者）等人报道了经由过程将keggin型磷钼酸（H3PMo12O40, PMo12）团簇加载到Cu纳米线（Cu）外面，制备了具有优越界面布局的PMo12/Cu催化剂的团簇级异质布局。

该催化剂明显低落了析氢反响（HER）和HMF加氢的过电位，紧张的是该催化剂表示出高2, 5-双羟甲基呋喃（BHMF）临盆率和底物浓度耐受性。在-0.3 V和1.0 M HMF前提下，经由过程理论完全转化电荷后，转化率高达93%，选择性为97%，法拉第效力（FE）为86%。机理研讨和密度泛函理论（DFT）计算注解，催化活性位点位于PMo12和Cu之间的界面。此外，PMo12的参加不仅进步了H*天生的Volmer步调，更紧张的是其发明了一个奇特的界面，为羰基加氢提供了更有利的设置装备摆设，明显低落了能量势垒。是以，该催化剂在不牺牲收率和选择性的环境下，对底物浓度表示出很高的机动性。

图文解读

图1-1. PMo12/Cu的合成示意图与形貌表征

图1-2. PMo12/Cu的布局表征

图1-3. PMo12/Cu的催化机能

图1-4.准原位EPR和原位拉曼光谱表征

图1-5.机理研讨

图1-6.布局-活性关系阐发

总之，作者开发了一种具有Cu衬底和负载PMo12团簇之间反响界面的PMo12/Cu非均相催化剂。具有内部电荷转移和特定几何外形的奇特团簇级异质界面为加强吸赞同水分子活化提供了场合，以匆匆进H*的发生。此外，PMo12和Cu之间的协同作用匆匆进了碳基自由基的吸附，导致第二加氢步调的几何构型更有利，反响势垒明显低落。PMo12/Cu催化剂显示HMF的ECH过电位低落，纵然在1.0 M的高HMF浓度下也能坚持优越的BHMF选择性。本发现为进一步的利用提供了新的办法，同时也为电催化剂的异质界面工程提供了更深刻的懂得，以调节催化活性和选择性。

文章信息

Cluster-Level Heterostructure of PMo12/Cu for Efficient and Selective Electrocatalytic Hydrogenation of High-Concentration 5-Hydroxymethylfurfural. J. Am. Chem. Soc.,2024,

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c08205.

2.Nat. Commun.：受西瓜皮启迪。离子溶剂化膜助力CO2还原

离子溶剂化膜（Ion-solvating membranes, ISMs）作为电化学能量转换和存储装配的焦点部件，越来越受到科研职员的存眷。然而，开发低离子阻力、高离子选择性的离子溶剂化膜还面对挑战。基于此，西湖年夜学孙立成院士（通信作者）等人报道了经由过程试验研讨和分子动力学模拟相联合的办法对西瓜皮膜进行了周全的研讨。为得到含有高效离子运输通道的年夜而完备的皮膜，作者选择了高含水量生果西瓜作为潜在的候选生果。本研讨以冷冻去角质法得到的西瓜皮ISMs为试验工具，经由过程一系列的试验验证，发如今纤维素纤维和果胶的协同作用下（高吸生果胶平均添补在纤维素纤维构成的有序空间框架中），西瓜皮膜内形成了微孔和持续的氢键收集。

微孔的耦合和持续的氢键收集可以分离经由过程载体机制和Grotthuss机制有用地加快氢氧化物的输运。此外，具有组织羟基和其他带负电荷基团的微孔通道经由过程负电荷斥力和氢键阻力限定酸离子（如甲酸离子）的迁徙，同时WSM还可以防止酒精物资（如乙醇和丙醇）的渗入渗出。WSM对氢氧离子和酸自由基的选择性渗入渗出性以及对醇类物资的阻隔性，对CO2电还原中离子传输膜的设计具有紧张的启迪意义。是以，在三维（3D）框架系统中限定富含质子供体和负电荷基团的微孔聚合物有望成为新一代ISMs的设计谋略

图文解读

图2-1. WSM的布局和构成

图2-2.细胞壁中的离子传输通道

图2-3. WSM1的离子选择性渗入渗出

图2-4. WSM1作为ISM的CO2RR体系的机能

总之，作者研讨了自然WSM的构效关系。对照传统AEM体系，WSM作为一种ISM不再依附于外面跳位机制，而是应用碱性水溶液的吸收来运输氢氧化物。高吸生果胶收集平均地添补在纤维素纤维组成的有序空间通道（2~5 nm）中。含有有组织羟基的微孔（~5 Å）形成持续的氢键收集，经由过程Grotthuss机制匆匆进氢氧根降服羧基的排挤。带负电荷的官能团经由过程电荷斥力和氢键阻力，限定了其他酸离子的迁徙。这些特征使得WSM1和Hypodermis@WSM具有优异的离子电导率（在饱和1 M KOH和RT前提下高达282.3 mS cm-1）和阴离子选择性。当CO2RR液流电池的均匀电压分离为2.98 V和2.55 V时，两种膜的电流密度均到达500 mA cm-2。此外，WSM1的甲酸交叉率分离比Fumasep和Sustainion低~12.8和9.6倍。

文章信息

A high-performance watermelon skin ion-solvating membrane for electrochemical CO2 reduction. Nat. Commun.,2024,

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51139-6.

作者信息

孙立成，中国科学院院士，欧洲化学会会士（Chemistry Europe Fellow），英国化学会会士（FRSC），人工光互助用范畴专家。2020年3月全职返国加盟西湖年夜学讲席传授。历久从事太阳能燃料与太阳能电池科学前沿范畴利用根基研讨，在人工光互助用症结科学问题既高效水氧化催化剂设计合成、氧-氧键形成机理、光解水制氢功效器件设计、光电催化二氧化碳/氮气还原、新型钙钛矿太阳能电池空穴传输资料设计与制备等范畴具有深挚研讨根基。其他详见课题组网页：https://cap.westlake.edu.cn.

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