催化反應

水電解制氫低/非Pt催化劑研究進展

中國科學院長春應用化學研究所邢巍研究員課題組聯合上海光源和東南大學對MoS2析氫體系聯合攻關，開創了自發界面氧化還原摻雜法，以低量的鈀原子活化二硫化鉬（MoS2）惰性表面獲得了兼具低成本、高效率的穩定HER催化材料。相關論文發表于Nature Communications。Pd摻雜后取代Mo位，同時引入硫空位并誘導MoS2相變生成穩定的1T結構。理論計算表明，位于鈀位點旁邊的硫原子表現出低的氫吸附能。最終只摻雜1wt%鈀的MoS2，表現超低的析氫過電位和高的交換電流密度，同時具有良好的穩定性，使其具有替代商業Pt/C的可能。目前，該催化劑具有文獻報道的雜原子摻雜的MoS2基材料中最高HER性能。

Pd自發摻雜MoS2的機制探索（圖片來源于中國科學院長春應用化學研究所）

電化學合成氨催化劑研究進展

中國科學技術大學教授曾杰研究團隊和中國科學院上海應用物理研究所教授司銳合作，通過構筑原子級分散的釕催化劑實現高效氮氣電還原合成氨。這種釕單原子催化劑在電催化還原氮氣反應中表現出的產氨速率是現有報道的最高值，研究論文發表于Advanced Materials。目前，在工業上通過哈伯法合成氨需要高溫高壓，這種苛刻的條件每年需要消耗全世界1%～2%的能源供應。針對這一難題，研究人員選擇金屬有機框架（ZIF-8）為基體，通過在反應前驅體中加入釕基化合物，調控釕在金屬有機框架中的存在形式；開辟了單原子催化劑在電化學合成氨反應中的新途徑。

生物電化學合成系統構建研究

中國科學院天津工業生物技術研究所體外合成生物學中心朱之光研究團隊，構建了一個自供能生物電化學合成系統，研究論文發表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。生物電化學合成是由生物催化劑催化的在電能驅動下進行的化學品合成。酶燃料電池是一種新型的燃料電池，可通過生物酶在電極上的催化，將廉價底物中的化學能直接轉化為電能。新系統將酶燃料電池和生物酶電合成池二者結合，既解決了生物電化學合成中移動電能的來源，同時也為酶燃料電池找到了新的產品出口。以左旋多巴電化學合成為例，酪氨酸經過酪氨酸酶的氧化生成多巴醌，由葡萄糖氧化產生的電能可成為驅動力，用于多巴醌到左旋多巴的還原。

納米碳負載單位點金屬催化劑用于乙炔氫化反應

中國科學院金屬研究所催化材料研究部劉洪陽副研究員等人組成的納米碳材料負載金屬催化劑研究小組與北京大學馬丁教授合作，通過調控金屬鈀（Pd）原子與碳載體之間的相互作用，在納米金剛石/石墨烯碳載體上制備出原子級分散的單位點Pd催化劑，進一步地研發發現該催化劑在催化乙炔高效選擇性加氫應用中作用顯著。相關研究成果發表于JACS。負載型Pd催化劑具有很高的乙炔加氫反應活性，但乙烯選擇性很低。目前，工業上廣泛使用的加氫催化劑是經過適當修飾的Pd基催化劑，但仍然存在Pd的原子利用率較低等問題。因此，設計開發兼具高活性，高穩定性和經濟實用的加氫催化劑具有重要意義。

單核錳催化劑的水氧化活性可媲美自然光合作用催化劑

中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室、太陽能研究部李燦院士和管景奇博士等人發現由氮化石墨烯做基體穩定的單核錳活性中心化學水氧化活性轉化頻率高達200s-1以上，可與自然光合作用體系PSII多核錳（CaMn4O5）反應中心的水氧化活性相媲美，并提出單核錳反應中心上水氧化反應機理。研究論文發表于Nature Catalysis。表征和理論計算結果表明，單核錳催化劑上顯示與多核錳上不同的水氧化反應機理。該研究進展不僅為發展太陽能人工光合成高效水氧化催化劑開拓了新方向，也將引發人們在科學上對多核錳水氧化催化劑及其機理的重新認識。

單核錳催化劑的水氧化活性研究進展（圖片來源于中國科學院大連化學物理研究所）

富勒烯的新應用

中國科學技術大學教授楊上峰課題組與合作者通過將富勒烯C60選擇性地共價連接在黑磷納米片邊緣，利用富勒烯的高穩定性將其用作保護盾牌，顯著提高了黑磷納米片在水中的穩定性；該成果發表于Nature Communications。少層黑磷作為一種新型二維材料，具有帶隙隨層數可調、載流子遷移率高的特點，在能量轉換和存儲、催化、生物醫藥等領域具備應用前景。然而，少層黑磷納米片很容易被氧化降解，其在空氣及水環境中穩定性差的問題制約了黑磷的應用。如何提高黑磷的穩定性是當前黑磷材料研究急需解決的問題。該研究結果不僅為提高黑磷的穩定性提供了新的思路，而且對于開發富勒烯材料的新應用有著重要意義。

生物基易回收熱固性樹脂研究進展

中國科學院寧波工業技術研究院（籌）馬松琪研究員等人以原料豐富、可持續的木質素衍生物香草醛為原料，合成了一種生物基三醛基單體，進而通過與二胺單體之間的席夫堿反應制備了系列希夫堿熱固性樹脂TFMP-M、TFMP-P、TFMP-H。相關研究成果發表于Macromolecules。熱固性樹脂具有優異的機械性能、熱學性能、尺寸穩定性、加工性能以及化學穩定性等，在電子封裝材料、復合材料、膠粘劑及涂料等領域都具有廣泛應用。該研究制備的希夫堿熱固性樹脂具有優異的阻燃性，垂直燃燒試驗達到了V-0和V-1級別，有限氧指數在30%附近。同時解決了熱固性樹脂的回收難問題和易燃問題。

芳香硝基化合物的選擇性還原羰基化環化反應進展

中國科學院蘭州化學物理研究所羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室李福偉研究小組發展了鈀催化的CO選擇性還原—插入鄰硝基苯乙烯的反應新方法，成功實現了CO擔任還原劑和羰基源的雙重角色，具有較好的原子經濟性。研究論文發表于ACS Catalysis。通過調控反應條件可以選擇性地制備吲哚啉-2-酮和喹啉-2-酮骨架化合物，這兩類骨架化合物廣泛存在于天然產物和藥物分子中，例如褪黑素（Melatonin）衍生物、抗精神藥物阿立哌唑（Aripiprazole）等。利用該方法高效實現克級合成抗精神藥物阿立哌唑，總產率高達77%。該工作為高效制備五元環和六元環內酰胺提供了一種新方法。