中国学者《Science》三连发！天津大学、安徽大学、西北工业大学

2023年07月20-27日，Science期刊上，中国学者先后在线刊发3篇Science。

1、 天津大学巩金龙：选择性丙烯合成的串联丙烷脱氢和表面氧化催化剂

丙烷直接脱氢(PDH)制丙烯是一种理想的商业反应，但吸热性高，且受到热力学平衡的严重限制。以水形式氧化去除氢的氧化途径存在安全性和成本方面的挑战。

在此，来自天津大学巩金龙等研究者，将化学环选择性H₂燃烧和PDH与多功能FeVO₄VO_x氧化还原催化剂相结合。分散在Al₂O₃上的VO_x提供了脱氢位点，而邻近的纳米级FeVO₄则作为随后的H₂燃烧的氧载体。在550°C条件下，通过200个化学环循环对FeVO₄进行再氧化，丙烯选择性为81.3%，丙烷转化率为42.7%。基于催化实验、光谱表征和理论计算，研究者提出了氢溢出介导的耦合机制。在VO_x位点产生的氢迁移到邻近的FeVO₄进行燃烧，使PDH向丙烯转移。这种机制是有利的催化和燃烧位点之间的接近。相关论文以题为“Tandem propane dehydrogenation and surface oxidation catalysts for selective propylene synthesis”发表在Science上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh5331

图1：30FeV-3V/Al串联催化剂的表征。

图2：串联催化剂的催化性能。

图3：氢溢出介导的PDH与CL-SHC耦合。

综上所述，研究者证明了氢溢出介导的PDH和CL-SHC在纳米尺度上通过多功能串联氧化还原催化剂偶联。研究了从毫米尺度到纳米尺度的不同位点邻近的串联模式，验证了丙烯生产的选择性在亲密依赖的方式下。实验和理论分析表明，在VO_x位点形成的氢中间体迁移到邻近的FeVO₄氧载体上燃烧，完善了PDH与CL-SHC的串联过程。考虑到许多工业相关的化学转化过程是吸热的和平衡限制的，研究者预计氢溢出辅助CL-SHC的概念和这里确定的串联催化的耦合机制为指导过程强化开辟了新的途径。

2.安徽大学陈爽&朱满洲：配体保护的金属纳米团簇作为光波导的低损耗、高偏振发射体

光致发光分子和纳米材料作为有源波导具有潜在的应用前景，但往往受到高光学损耗和复杂制造工艺的限制。

在此，来自安徽大学陈爽和朱满洲等研究者，探索了配体保护的金属纳米团簇，它可以作为波导具有强、稳定和可调谐的发射。研究者合成了两个合金配体保护金属纳米团簇Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x(7≤x≤9)，并对其结构进行了确定。两种纳米团簇的晶体表现出优异的光波导性能，光损耗系数分别为5.26×10⁻³和7.77×10⁻³分贝/微米(dB μm⁻¹)，低于大多数无机、有机和杂化材料的光损耗系数。Pt₁Ag₁₈化合物的晶体排列和分子取向导致了极高的极化比，达到0.91。聚集使Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x纳米团簇的量子产率分别提高了115倍和1.5倍。这种低损耗、高极化的光子团簇为有源波导和极化材料提供了一个通用的、通用的平台。相关论文以题为“Ligand-protected metal nanoclusters as low-loss, highly polarized emitters for optical waveguides”发表在Science上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh2365

图1：Pt₁Ag₁₈的晶体结构。

图2：Au_xAg_19-x的晶体结构。

图3：Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x光波导。

图4： Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x的偏振光学性能。

图5：Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x的光致发光。

综上所述，研究者合成并表征了配体保护的Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x纳米管，并对其光波导特性进行了研究。两种NCs均由一个二十面体M₁₃核、两个冠状M₃Cl₃(SR)₁短链基序和6个DPPP配体组成。Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x纳米晶体具有优异的光波导性能，光损耗系数分别为5.26×10⁻³和7.77×10⁻³ dB μm⁻¹，这主要归功于它们抑制了非辐射跃迁、致密的晶体堆积和大的Stokes位移。此外，对其他原子精密纳米管的光波导性能进行了研究，揭示了配体保护原子精密纳米管的通用性。Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x不同的晶体结构和封装方式决定了它们不同的极化波导性能。Pt₁Ag₁₈微棒的极化比为0.91，而Au_xAg_19-x微棒的极化比为0.17，极化发射较弱。此外，Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x表现出AIEE效应，从固态到溶液，Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x的QY分别提高了115倍和1.5倍(28.9%比0.25%)和6.91%比4.66%。总的来说，这些结果表明Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-xNCs在光通信和小型化光电器件中具有潜在的应用前景。

3. 西北工业大学李炫华：用于发电和制氢的原位光催化增强型热原电池

高性能热电电池具有将热能转化为电能的潜力，但其效率受到氧化还原离子浓度差低的限制。

在此，来自西北工业大学李炫华等研究者，报道了一种原位光催化增强氧化还原反应，该反应产生氢和氧，以实现热电器件中氧化还原离子的连续浓度梯度。热功率与产氢率之间的线性关系是装置设计的基本原则。该系统的热功率为8.2毫伏/开尔文，太阳能制氢效率高达0.4%。由36个单元组成的大面积发电机(112平方厘米)在室外运行6小时后，产生了4.4伏的开路电压和20.1毫瓦的功率，以及0.5毫摩尔的氢气和0.2毫摩尔的氧气。相关论文以题为“In situ photocatalytically enhanced thermogalvanic cells for electricity and hydrogen production”发表在Science上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0164

图1：原位光催化增强TGC中氧化还原离子浓度梯度。

图2：TGC和O_v-WO_3/TGC/S_v-ZIS的热电性能。

图3：验证光催化增强型TGCs的工作原理。

图4：大面积光催化增强TGC。

综上所述，研究者通过原位诱导的光催化过程，在热侧和冷侧产生连续的FeCN^4-和FeCN^3-离子浓度梯度ΔC，证明了光催化增强的热电偶极器件。该系统显示出8.2 mV K⁻¹的光催化增强热功率，同时伴有太阳能驱动的水分解，STH效率高达0.4%。这个开创性的系统通过利用太阳辐射的能量，将发电与H₂和O₂生产结合起来。这项工作也证明了该技术在更大规模和自然条件下的可行性，使其成为利用太阳能热能进行多种环境能源转换的有前途的方法。（文：水生）

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。