合理设计高效电催化材料是发展电催化体系的关键。低维异质结电催化剂具有独特的物理化学性能，因此吸引全球科研工作者的广泛关注。近期代磊教授团队与其他高校青年课题组通力合作，在低维异质结电催化领域取得系列重要研究进展，相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition、Applied Catalysis B: Environmental等国际期刊。
1. 介孔PtPb纳米片高效析氢和乙醇氧化
2D贵金属纳米材料具备大的比表面积和表面上的丰富未饱和配位原子使得这类催化剂具备出色的物理和化学性质，因此在电催化领域有着广泛应用。然而，由于晶体结构、热力学稳定性和表面张力等因素的影响，合成贵金属纳米片仍然是一项具有挑战性的任务。此外，2D贵金属纳米片内部的原子并不直接参与催化反应过程，因此如何通过构建特殊结构来高效利用这些原子成为重要的研究课题。
针对这一问题，代磊教授及其合作团队采用乙二胺一锅水热法，成功制备了在析氢和乙醇氧化中都表现出优异活性的介孔PtPb纳米片。PtPb纳米片具有Pt富集结构，孔道结构遍布整个纳米片，使得内部原子可以有效地参与到电催化过程中。介孔PtPb纳米片与合成过程中Pb物种的解离密切相关。此介孔PtPb纳米片能够在碱性条件下获得10 mA/cm2的电流密度仅需21 mV的过电势。在低浓度乙醇电氧化过程中，介孔PtPb纳米片能够获得的最大质量活性为1233 mA/mg，比商业Pt/C高出5.66倍。 此项工作成功发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，并被Angew编辑部选为Hot Papers。这项工作为合理设计高效多功能介孔二维电催化剂以及开发新型绿氢生产体系开辟了新的机遇。
河南大学代磊教授、安徽医科大学尹培群副教授、安徽师范大学钦青教授和合肥工业大学张琪副研究员为论文共同通讯作者，河南大学为第一完成单位，第一作者为代磊课题组已毕业研究生敖伟东。（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202305158）
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202305158
2. 异质结构Pd-Ni(OH)2纳米片上乙胺和乙腈的电化学可逆重整
电化学合成作为未来能源转换系统的重要策略受到越来越多的关注。电催化过程可以有效促进在常规环境条件下难以发生的反应。目前，电化学合成主要包括电化学还原和电化学氧化两个方面。电化学还原合成主要集中在对底物分子中不饱和键的加氢反应，包括CO2的还原、NOx物种的还原、乙炔的还原和不饱和C-N键的还原。另一方面，电化学氧化合成涉及小分子的部分氧化和选择性脱氢反应。由于所有这些电催化过程都对环境友好，高效的电催化系统有可能彻底改变当前化学资源的生产和利用方式，从而对未来的传统工业合成过程（高污染和高能耗）产生重大影响。
针对这一问题，代磊教授及其合作团队通过原位再造策略合成超薄二维Pd-Ni(OH)2纳米片催化剂，Pd物种由Ni(OH)2表面的HCOO-物种还原，在此欠还原剂的合成环境中，Pd纳米颗粒无法过度生长并维持在低晶状态，Ni(OH)2则作为原位生长载体，牢牢锚定住超小的Pd纳米颗粒，最终形成Pd-Ni(OH)2异质结二维材料，研究团队同样深入探讨了Pd-Ni(OH)2异质结催化剂在乙胺和乙腈的可逆电化学重整反应中的催化性能。在乙腈还原过程中，Pd作为反应中心，而Ni(OH)2物种促进水的解离并提供所需的质子氢。与此同时，Pd-Ni(OH)2异质结材料中丰富Ni（II）缺陷位点则作为乙胺氧化制乙腈的脱氢活性中心。团队同时定义了可逆电重整过程。可逆电重整过程的发展将为探索新的可持续能源转换系统和多功能催化剂设计提供重要的启示。
河南大学代磊教授、合肥工业大学张琪副研究员、安徽师范大学钦青教授、安徽医科大学尹培群副教授为论文共同通讯作者，河南大学为第一完成单位，第一作者为代磊课题组已毕业研究生敖伟东。（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202307924）
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202307924
3. 碳锚定氧化钼纳米团簇作为氨和尿素电合成的高效催化剂
氨（NH3）和尿素是常见的含氮化合物，广泛应用于农业肥料、制药、能源等领域，且地位无法替代。然而，传统的工业合成NH3和尿素过程存在高污染、高耗能的问题。因此，绿色电化学手段成为了实现NH3和尿素可持续合成的研究热点。在本工作中，以典型的氧化物纳米团簇为研究对象，设计合成炭黑负载的MoOx纳米簇（MoOx/C）异质结构电催化剂，利用团簇与载体之间的相互作用降低团簇的表面能，构建富电子的MoOx纳米团簇。实验结果表明，这种新型催化剂在硝酸根电还原中具有98.14 %的优异法拉第效率、91.63毫克/小时/毫克催化剂的氨产率。此外，在硝酸根/二氧化碳共还原合成尿素中，最高法拉第效率为27.7 %，最大尿素产率能够达到1431.5微克/小时/毫克催化剂。这项研究为开发高效的电催化剂，用于合成氨和尿素提供了实验和理论上的指导。安徽师范大学钦青教授、澳大利亚昆士兰科技大学Xin Mao和河南大学代磊教授为论文共同通讯作者，河南大学为共同通讯单位。（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202301957）
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202301957
4. 用于高效电化学析氢反应的异质结构CNT-RuSx纳米材料
商业贵金属催化剂广泛应用于电化学能量转化系统，例如水分解产生氢气。作为最优秀的氢进化催化剂，商业Pt/C表现出卓越的氢进化活性，为评估电催化剂性能提供了最佳基准。然而，Pt受到资源有限和高昂成本的限制。此外，大量研究已经证实商业Pt/C无法保持稳定的氢进化活性作为阴极催化剂。商业Pt/C由导电碳球和Pt纳米颗粒组成，Pt纳米颗粒仅物理吸附在碳球表面。在电解过程中，Pt纳米颗粒会重新聚集在一起，导致催化活性降低。因此，开辟一种新的合成策略，以获得具有高活性和稳定性的电催化剂来替代商业Pt/C对于发展绿色氢气生产至关重要。针对这一问题，代磊教授以及合作团队，设计开发了原位构建策略，首先利用S物种处理商用CNT形成S富集的CNT-S材料，再利用此S源直接螯合Ru离子，最终形成直接CNT-RuSx异质结材料。由于此材料具备丰富的C-S-Ru异质界面，赋予了碳纳米管-RuSx显著的催化析氢活性，其性能远超目前使用的商用Pt/C。在 1 M KOH 中，输出 10 mA/cm2的电流密度，CNT-RuSx所需的过电位仅为17 mV，Tafel斜率为35 mV/dec，优于商用Pt/C（分别为45 mV、68 mV/dec）。在CNT-RuSx上也取得了优异的催化稳定性，计时电流曲线表明，在电解40小时期间，施加200 mV的过电位，电流密度仍可保持在320 mA/cm2。这项工作明确阐明了异质结构界面在电化学产氢中的催化行为，并为下一代商业碳载基电催化剂的开发提供了可行的技术指导。
河南大学代磊教授、安徽医科大学尹培群副教授、合肥工业大学张琪副研究员和大连理工大学刘炜副教授为论文共同通讯作者，河南大学为第一完成单位，第一作者为代磊课题组已毕业研究生程长根。（Applied Catalysis B: Environmental, 2023, 331, 122681）
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122681
代磊教授团队组建三年以来，致力于新能源催化材料的可控合成制备以及精细化学品电合成体系的开发。通过调控合成低维异质结催化材料相继在生物质电重整制氢、生物质可逆转化、绿色化学品电合成领域取得重要进展，相关工作发表在Angewandte Chemie International Edition (3), Applied Catalysis B: Environmental, ACS Applied Materials & Interfaces, Science China Materials, Nanoscale, Nano Research等国际期刊，并撰写英文书籍一章（Carbon Based Materials for CO2 Photo/Electro Conversion." CO2 Conversion and Utilization: Photocatalytical and Electrochemical Methods and Applications (2023): 251-281. John Wiley & Sons）。
以上工作得到了国家自然科学基金委、河南大学高层次人才启动经费的大力支持。
