湖南大学周一歌&南京大学魏辉Angew.：整体、单颗粒碰撞电化学可改变反应选择性！

 1

研究内容

电化学生产方法生产有价值化学品极为重要，但目前仍面临着巨大的挑战。大量的研究工作主要集中在具有高反应选择性的催化剂本身的设计和改进上。

LaNiO3纳米立方体(LaNiO3 NCs)是钙钛矿氧化物的成员，对HPRR表现出高电催化活性，这很可能通过H2O2的直接电化学反应机制（直接HPRR）和包括H2O2化学分解成O2及电化学氧还原反应(ORR)的化学电化学反应机制发生。在HPRR中不需要ORR涉及的间接反应途径，因为与直接HPRR的更快的二电子还原相比，它是一个缓慢的四电子转移过程。此外，在燃料电池应用的背景下，氧气泡的产生可能会减少电极的活性表面积并加剧燃料交叉问题。

基于此，湖南大学周一歌教授课题组、南京大学魏辉教授和新加坡南洋理工大学Chuhong Lin使用纳米碰撞电化学(NIE)系统地研究了LaNiO3纳米立方体(LaNiO3 NCs)催化过氧化氢还原反应(HPRR)，进一步探究了该反应在整体和单个纳米粒子水平上的反应动力学和传质行为。相关工作以“From Ensemble Electrochemistry to Nano-Impact Electrochemistry: Altered Reaction Selectivity”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

 2

研究要点

要点1. 作者首先通过使用LaNiO3纳米立方体(NCs)催化过氧化氢还原反应(HPRR)作为模型反应，探究NIE的单纳米颗粒电化学也可以改变反应选择性。通过结合实验和理论模拟，利用纳米冲击电化学在整体水平和单纳米粒子水平上系统地研究了LaNiO3 NCs催化HPRR的反应动力学和传质行为。

要点2. 研究表明，在不改变反应动力学参数的情况下，与整体电化学相比，单个纳米颗粒碰撞的直接HPRR与ORR的电流比增加了4倍，表明在单个纳米颗粒上该反应选择性可大大提高。

要点3. 单颗粒碰撞提高了反应的选择性归因于单个纳米粒子相对于它们的整体对应物显着增强的质量传输。

该研究工作突出了单个随机游走纳米粒子能够提高反应选择性，并为电化学系统中催化剂工作模式的设计提供了新的见解。

 3

研究图文

图1. LaNiO3 NCs的表征。

图2. LaNiO3 NCs集合催化的HPRR。

图3. 选择性(IHPRR/IORR)作为组合动力学参数的函数。

图4. HP传质对LaNiO3 NCs改性GC电极的影响。

图5. 单个LaNiO3 NC的纳米碰撞信号。

 4

文献详情

From Ensemble Electrochemistry to Nano-Impact Electrochemistry: Altered Reaction Selectivity

Rui Zhong, Xiaoyu Wang, Qianqian Tao, Jianhua Zhang, Chuhong Lin,* Hui Wei,* Yi-Ge Zhou*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202207270

 

扫描下方二维码，可直达阅读原文。

 5

作者简介

周一歌教授，湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室、化学生物学与纳米医学研究所。2005年与2009年分别于南京大学获得本科、硕士学位，2013年于牛津获得博士学位。2013-2017年先后在多伦多大学与美国西北大学从事博士后研究，2017年底加入湖南大学。已在Angew. Chem. Int. Ed.，CCS Chemistry，Chem. Sci.，Small等期刊上发表论文30余篇。曾获教育部国家优秀自费留学生奖学金、英国皇家化学会电化学卫星会议最佳演讲奖、国际电化学会青年电化学家Travel Award、湖南省“芙蓉学者”等奖励及荣誉。近五年主持国家自然科学基金青年、面上项目各1项，国家重点研发计划1项，湖南省“优秀青年”基金1项。《ACS Sensors》Editorial advisory board member (咨询编辑)，《电化学》青年编委。

课题组研究工作主要围绕单颗粒碰撞电化学的理论探索与应用拓展，包括：

1. 单粒子电化学的基础理论研究及其在生命分析、癌症早期检测、材料合成、等离子增强电化学以及新型流动电催化中的应用

2. 纳米电化学在单细胞检测等生物分析及能量转化中的应用

3. 以纳米打印技术为基础的综合性筛选平台的构建及在此基础上的新型材料合成与生物分析检测

4. 以柔性纳米阵列电极为平台的单细胞跨膜物质活动的二维定量检测和绘制

5. 以微流控为平台、纳米电化学为手段的单个干细胞原位分化监测

魏辉，教授、博士生导师、英国皇家化学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry）。2003年本科毕业于南京大学化学系，期间在夏兴华教授小组从事研究工作。同年进入中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室汪尔康院士小组攻读研究生，2008毕业获博士学位。之后分别在陆艺教授与聂书明教授小组从事博士后研究工作。2013年加入南京大学现代工程与应用科学学院。

自开展研究工作以来，在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Chemical Society Reviews、Analytical Chemistry、Chemical Science等国际权威学术期刊上发表100篇余研究论文，论文被引用12000余次，H-index为50。有多篇文章被选为封面论文、“高被引用论文（ISI Highly Cited Paper）”、“研究前沿（Research Front）” 、“热点论文（Hot Paper）”等。研究成果多次被Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Science Translational Medicine等学术期刊引述；被英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry）、Nature等网站专题报道和述评，产生了广泛的学术影响。

目前，研究工作集中在生物纳米功能材料、生物纳米医学、生物分析与传感等方面。现任自然Nature）出版社《Scientific Reports》杂志编委。研究方向：生物纳米功能材料生物纳米医学、生物分析与传感、纳米模拟酶。