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酒精是最常使用的一种消毒用品，可以用于医疗和日常生活当中的消毒，能够有效清除和灭活病毒等致病菌。酒精类手消毒剂在疫情期间可以说是一瓶难求。然而酒精也有易燃易爆，对人体特别是孕妇、婴幼儿具有一定的危害。
近日，国际权威期刊《Science of the Total Environment》发表了题为《COVID-19 and frequent use of hand sanitizers; human health and environmental hazards by exposure pathways》（新冠病毒和洗手液的频繁使用对人体 健康 和环境的危害）的研究报告。
研究报告称， 经常使用酒精消毒液会产生抗药性；也会增加其他病毒性疾病的机会。 从图1可以看出，过量使用酒精类清洁剂会增加皮肤的渗透性，并剥夺皮肤上的油和水，并导致皮肤粗糙和刺激。 过度使用酒精消毒剂导致皮肤的渗透性增强长达十多个小时（见图1）， 这就给外来细菌病毒侵入人体带来了可乘之机，可能会增加病毒爆发的风险 (Vogel, 2011)。 宝妈们应该都用过爽肤水，爽肤水含有酒精，其作用就是破坏皮肤表面屏障，提高皮肤渗透性起到促渗作用，让化妆品中的活性成分更容易进入到皮肤里发挥作用。 但是酒精用在婴幼儿皮肤上就有很大的危害，一定要慎之又慎。
对160个护理机构进行了调查，已发现优先 使用酒精消毒剂与 诺如病毒 爆发之间的关联，使用洗手液的可能性是使用肥皂和水的六倍（Blaney, et al. 2011），因为酒精类消毒剂不能杀灭诺如病毒。 所以中小学幼儿园使用酒精类消毒剂会提高学生感染诺如病毒的风险。 世卫组织建议的使用酒精类手消毒液来频繁洗手，这些消毒液主要由乙醇、异丙醇、过氧化氢以不同搭配组成。滥用这些制剂可能会对人体 健康 和环境产生毒性。这些化学物质通过蒸发释放时，对环境还具有已知的毒性和有害影响。
更有研究表明， 过量使用酒精消毒液会导致抗菌素耐药性。 反复将消毒剂，抗生素或其他遗传毒性化学物质暴露于微生物会使它们通过自然过程发生突变，使它们具有抵抗反复使用酒精消毒液生存的能力(Morgan, 2020)。据报道，E.大肠杆菌和铜绿假单胞菌分别对市场上所有酒精消毒剂具有抗性。绿脓杆菌和隐球菌已发现对日光手消液有抵抗力。几乎所有革兰氏阴性细菌都对Cool n cool，Safegaurd，Purell，Fresh up，Insta等泡沫消毒剂具有抵抗力（Hayat and Munnawar, 2016）。
酒精类消毒剂的危害特别是对孕妇、婴幼儿的危害是显而易见的，在欧美、日本等发达国家早就流行使用一种绿色安全的产品——次氯酸消毒液。次氯酸是一种人体自身免疫系统产生用于杀灭入侵身体病原微生物的免疫因子，安全性极高，经口实际无毒，杀菌速度快（见效）、杀菌谱宽（目前已知病原微生物有效）。而且次氯酸是水溶液，不会使皮肤干燥，接近皮肤的pH值，不改变皮肤表层屏障，不会产生耐药性，非常适合孕妇、婴幼儿群体的使用。
关键词：α,α,α’-三（4-羟基苯）-1-乙基-4-异丙基苯；对异丙基苯乙酮；过氧化氢异丙苯聚碳酸酯（PC）具有较好的抗冲击、耐热、绝缘等性能，使其广泛应用于建筑、电器、汽车和航天等领域[1]。α,α,α’-三（4-羟基苯）-1-乙基-4-异丙基苯（Trisp-PA）作为合成聚碳酸酯（PC）的添加剂，能够显著提高PC材料的可塑性和透明性[2]。另外，Trisp-PA属于酚醛低聚物，可用于合成感光材料保护膜溶解阻止剂[3]。随着上述相关产品特别是电子器件产品对Trisp-PA纯度要求越来越高，国内目前还未见厂家生产出高纯Trisp-PA，主要依靠从日本进口，因此研究高纯度Trisp-PA合成工艺具有重要应用价值。全文在这里
摘 要：以对异丙基苯乙酮为原料，经过氧化氢异丙苯氧化、脱水反应合成了对乙酰基-α-甲基苯乙烯，后者再与苯酚反应得到标题化合物，纯度为（HPLC），总收率为。关键词：α,α,α’-三（4-羟基苯）-1-乙基-4-异丙基苯；对异丙基苯乙酮；过氧化氢异丙苯聚碳酸酯（PC）具有较好的抗冲击、耐热、绝缘等性能，使其广泛应用于建筑、电器、汽车和航天等领域[1]。α,α,α’-三（4-羟基苯）-1-乙基-4-异丙基苯（Trisp-PA）作为合成聚碳酸酯（PC）的添加剂，能够显著提高PC材料的可塑性和透明性[2]。另外，Trisp-PA属于酚醛低聚物，可用于合成感光材料保护膜溶解阻止剂[3]。随着上述相关产品特别是电子器件产品对Trisp-PA纯度要求越来越高，国内目前还未见厂家生产出高纯Trisp-PA，主要依靠从日本进口，因此研究高纯度Trisp-PA合成工艺具有重要应用价值。据专利[2]报道，Trisp-PA可通过对乙酰基-α-甲基苯乙烯与苯酚在连续通入干燥氯化氢气体条件下反应制得。关于对乙酰基-α-甲基苯乙烯的合成路线主要有：（1）对乙酰基溴(氯)苯与醋酸异丙烯酯反应路线[4,5]；（2）对乙酰基溴（氯）苯与异丙烯基硼酸反应路线[6]；（3）对乙酰基-α,α-二甲基苄醇脱羟基反应路线[7]。其中路线（1）（2）收率较低，且都用到价格较贵的溴化钴做催化剂，生产成本较高，不适宜工业化生产。本文参照专利[3,7,8]，以廉价易得的对异丙基苯乙酮为原料，经氧化反应合成对乙酰基-α,α-二甲基苄醇，再经脱羟基反应合成了对乙酰基-α-甲基苯乙烯，最后与苯酚反应合成目标化合物，进一步处理可得到纯度为（HPLC）的Trisp-PA。合成路线如图式1。图示1 Trisp-PA的合成路线Scheme 1 The synthesis route of Trisp-PA1 实验部分 仪器与试剂XT-4型双目显微熔点仪（温度未校正）；Bruker AC-P 300型核磁共振仪（DMSO为溶剂，TMS为内标）；SP-6800A型气相色谱仪（GC）；L-2400型高效液相色谱仪（HPLC）。所用试剂均为分析纯或化学纯。 合成方法 对乙酰基-α,α-二甲基苄醇（2）的合成在带有机械搅拌的250ml三颈瓶中，加入对异丙基苯乙酮97g（）、过氧化氢异丙苯（）和碳酸氢钠（），缓慢升温，于140℃～160℃反应约6h后，搅拌降至室温。将反应混合物抽滤，滤饼用无水乙醇（2×15ml）洗涤，合并滤液，减压蒸除低沸点物质和回收未反应的对异丙基苯乙酮（回收，纯度为95%（GC，下同），可直接用于对乙酰基-α,α-二甲基苄醇的合成），得黑色粘稠液体对乙酰基-α,α-二甲基苄醇粗品，纯度为，收率为（以消耗的对异丙基苯乙酮计算），可直接用于下一步反应。 对乙酰基-α-甲基苯乙烯（3）的合成在100ml单口瓶中加入黑色粘稠液体对乙酰基-α,α-二甲基苄醇粗品60g、硫酸氢钾（）和对苯二酚（），反应温度为177～180℃，减压反应（真空度为）约3h，收集140℃～160℃馏分，得淡黄色固体，粗品纯度为，用乙醇重结晶得白色片状晶体对乙酰基-α-甲基苯乙烯，纯度为，收率为，℃～45℃（文献[7]值：68%，42℃～45℃）。1HNMR δ：（m，3H，CH3），（d，3H，CH3），（t，1H，CH2），（s，1H，CH2），（m，2H，PhH），（m，2H，PhH）。 Trisp-PA（4）的合成在带有机械搅拌的100ml三颈瓶中，加入苯酚32g（）、甲硫醇钠（）。升温至40℃，通干HCl气体，约1h后，滴加粗品对乙酰基-α-甲基苯乙烯（）和苯酚（）的混合液，约2h滴完。滴加完毕后继续反应8h，反应温度为40℃～43℃，整个反应过程中保持通干HCl气体。静置过夜，然后加入甲苯250ml和3%碳酸氢钠水溶液125ml，升温至80℃，保持，静置降至室温。抽滤，滤饼依次用少量甲苯、蒸馏水洗涤后，溶于60ml甲苯和20ml甲基异丁基甲酮混合溶液中，升温至70℃，加入50ml蒸馏水，搅拌10min，静置分液。将有机相旋干，再加入甲苯50ml，有白色固体析出，静置3h，抽滤，用少量甲苯洗涤滤饼，干燥。最后用甲基异丁基甲酮和甲苯混合溶剂（V：V=1：2）重结晶，得白色固体，纯度为（HPLC），收率为85%，. 220℃～223℃（文献[2]值：，222℃～225℃）；1HNMR δ：（s，6H，CH3），（s，3H，CH3），（m，16H，PhH），（d，3H，Ph-OH）；13CNMR δ：，，，，，，，，，，，，，，。2 结果和讨论化合物2是这条合成路线中较为关键的中间体。我们考察了催化剂种类以及温度对合成化合物2收率的影响。 催化剂的选择碱性催化剂的加入会加速过氧化氢异丙苯（CHP）降解生成活性组分，降低反应的反应温度[9]。按实验步骤，不改变反应原料配比、反应温度和反应时间，考察了乙酸钠、碳酸氢钠和氢氧化钠对合成化合物2收率的影响，实验结果见表1。表1 催化剂对合成产率的影响Table 1 Effects of catalyst on yield从表1可见，催化剂碱性较弱时，过氧化氢异丙苯降解过慢，使反应速率减慢；碱性较强时，CHP降解过快，使副产物增多。当选用碳酸氢钠时，化合物2的收率最高，所以本文选用碳酸氢钠为催化剂。 反应温度的选择过氧化氢异丙苯作为合成化合物2的原料，对热不稳定，当温度为150℃时，它开始快速分解，放出大量的热[10]。按实验步骤，不改变物料配比和反应时间，考察了不同反应温度对合成化合物2收率的影响，实验结果见表2。表2 反应温度对合成产率的影响Table 2 Effects of the reaction temperature on yield注:反应液发生爆沸由表2可以看出，反应温度对收率有很大影响，温度较低时，达不到反应所需要的活化能，反应较慢，收率低。当反应温度超过158℃时，过氧化氢异丙苯分解过快，放出的热量来不及散去，反应液温度快速升高，发生爆沸。因此，反应温度初步确定为158℃。当反应量放大至3倍时，反应液升温至150℃时，温度开始急速上升，发生爆沸。为避免这种情况，实验中采用分阶段控温的方法，即140℃保持2h，150℃保持，158℃反应。这样可以使CHP放热速率减慢，并有效的利用了分解热，避免了升温过快导致的爆沸。当反应量放大至5、10倍时，该方法也同样有效。
Nano flame retardant with high efficiency, versatility, low smoke, low toxicity, environmentally friendly, low filling volume of unique advantages, which greatly promoted the flame-retardant polymer matrix composite materials widely used. This paper describes the recent years with carbon nanotubes, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, antimony trioxide as flame retardant additives in polymer-based composite materials, the latest research, analysis of the flame retardant properties of materials retardant mechanism, and polymer-based flame-retardant composite application prospect.
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Nano flame retardants are highly effective, multi-function, low smoke, low toxicity, environmental protection, low filling quantity special advantage, greatly contributed to the flame retardant polymer matrix composites, widely used. This paper briefly introduced in recent years to carbon nanotube, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, antimony trioxide as additives polymer-nanoparticle composites flame retardant the latest progress in research, this paper analyzes the characteristics and the flame retardant materials, and flame retardant mechanisms of flame retardant polymer-nanoparticle composites application prospect in the future.
1.分子催化
内容侧重于配位催化、酶催化、光肋催化、催化过程中的立体化学问题、催化反应机理与动力学、催化剂表面态的研究及量子化学在催化学科中的应用等。 《分子催化》工业催化过程中均相催化剂、固载化的均相催化剂、固...
2.催化学报
《催化学报》（月刊）创刊于1980年，由中国化学会和中国科学院大连化学物理研究所主办。 《催化学报》主要报道能源、环境、有机化工、新材料、多相催化、均相催化、生物催化、光催化、电催化、表面化学、催化动力...
3.工业催化
《工业催化》主要报道我国化工、石化、炼油、生物工程、医药、环保、新能源等方面催化新技术、新工艺，催化剂和工业助剂的研制，催化剂性能的测试与表征，催化反应器的开发，催化剂新成果、新产品的应用技术等。...
4.化学反应工程与工艺
化学反应动力学、催化剂及催化反应工程、反应工程技术及其分析、反应装置中的传递过程、流态化及多相流反应工程、聚合反应工程、生化反应工程、反应过程和反应器的数学模型及仿真、工业反应装置结构特性的研究、反...
《SCI》。1985年至今，SCI一共收录电催化相关文章1551篇。通过发文数量我们可以得出，近几年对电催化的研究上升极快，尤其是从2008年开始，其发文数量呈现“J”型增长，由此可见电催化的研究热度会持续上升。
据美国化学学会（ACS）期刊《ACS Nano》上发表的一项研究，德国电子同步加速器（DESY）团队开发出一种创新方法，可将纳米粒子变成简单的储氢库。DESY纳米实验室负责人安德雷斯·斯蒂尔领导的团队设计了一种新方法，将氢储存在由贵金属钯制成的直径仅为纳米的微小纳米粒子中。研究人员表示，钯能像海绵一样吸收氢。
作为一种高挥发气体，氢被认为是富有前景的未来能源载体，可以成为飞机、轮船和卡车中使用的环保型燃料。然而，储氢成本很高，需要将气体保存在高达700 bar的加压容器中，或将其冷却至零下253 进行液化。这两个过程均需额外耗能。机构指出，氢能产业链整体分为氢能制取、氢能储运、氢能应用三大环节，其中储运环节是高效利用氢能的关键。成本方面，氢气储运成本占总成本约30%，经济高效是氢能储运未来发展趋势。
据财联社主题库显示，相关上市公司中：
金圆股份 新材料业务属于资源化综合利用回收，主要产品为铜，同时富集金属有金、银、钯等产品。
中创环保 有色金属回收业务包括锌、铂、钯、铑、金、银等。
欧洲特殊化学品刊物，SpecialityChemicalsMagazine，主要涉及以下领域：医药中间体29%农用化学品12%生物技术10%粘合剂7%定制合成6%化妆品5%涂料4%染料4%合同及委托合成3%聚合物2%工业清洗&洗涤剂2%水处理2%纺织品1%印刷油墨化学品1%纸&纸浆1%实验室设备1%其他10%
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第一作者及通讯作者：李伟（陕西 科技 大学（西安））
共同通讯作者：王传义（陕西 科技 大学（西安））
通讯单位：陕西 科技 大学
论文DOI:
研究亮点
1. 通过简单可控的方法将单原子Pd成功修饰在了CdS NPs表面。
2. 单原子Pd与CdS NPs表面的S原子形成强配位作用，通过协同金属-半导体配位相互作用促进了光诱导载流子自体相向表面的迁移，抑制了CdS光腐蚀现象，提高了光诱导电子利用效率。
3. 单原子Pd修饰CdS NPs后降低了催化水分解产氢能垒，显著增强了其全分解水产氢活性。
研究背景
随着双碳目标的提出，国家对氢能源的发展做出了重要指导，有效推进氢能源的发展。传统产氢手段能耗高，且伴随有二次污染。由于太阳光能来源广泛、使用方便、绿色可持续性等优点，将太阳能转变为方便使用的高附加值化学能无疑是新能源开发的有效途径，具有潜在应用价值。日光诱导全分解水产氢是一种开发氢能源的潜在技术，然而较低的效率阻碍了该项技术的大规模应用推广。因此，开发高效稳定的全分解水产氢催化剂具有理论与实际研究意义。
硫化镉（CdS）是一种低功函且具有优异可见光响应的过渡金属硫化物，在光催化和电催化领域有着广泛的应用。被用于光催化材料时，长时间光诱导容易导致其结构发生严重光腐蚀，极大地影响其光催化性能。如何在提高CdS基光催化剂催化活性的同时，有效抑制其光腐蚀影响，增强其结构稳定性，是需要研究者不断 探索 和解决的关键科学问题。
拟解决的关键问题
本课题通过一步简单诱导还原策略，将单原子Pd修饰在CdNPs表面，实现了协同的金属-半导体配位相互作用，抑制了载流子复合，提高了催化剂量子产率。更为重要的是，高度缓解了CdS光腐蚀影响，赋予其以长时间光电流稳定性，一定程度上解决了光腐蚀导致其催化剂结构不稳定的科学问题。
成果简介
针对CdS光催化剂在光诱导下光腐蚀严重影响其催化性能的科学问题， 陕西 科技 大学（西安）李伟副教授及王传义教授 等人通过一步简单光诱导还原手段将单原子Pd修饰在六方相CdS NPs表面，制备出一种CdS-Pd纳米光催化剂。由于CdS主体催化剂与单原子Pd活性位点间协同的半导体-金属配位相互作用，其光响应性及界面电荷传导特性均显著增强，有效抑制了其光腐蚀，增强了催化剂结构稳定性。同时，CdS-Pd催化剂表面全分解水产氢过程能垒相较于纯CdS NPs明显降低，从而在模拟日光诱导下达到了纯CdS纳米催化剂110倍的全分解水产氢活性，且表现出良好的耐光性能。
要点1：CdS-Pd复合光催化剂合成
通过简单的一步诱导还原法将单原子Pd修饰在六方相CdSNPs表面，优化并制备出一种CdS-Pd纳米光催化剂。
图复合光催化剂的合成示意图及结构表征。
要点2：CdS-Pd复合光催化剂结构、组成及形貌表征
通过XRD、Raman、XPS、XAFS和ac-STEM等表征研究发现：贵金属Pd是以单原子状态均匀分布在CdS 纳米催化剂表面，且单原子Pd与CdS 纳米催化剂表面的S原子形成了S-Pd配位作用，这有利于促进光诱导载流子的传导。
图复合光催化剂的形貌、晶型及组成分析。
要点3：CdS-Pd复合催化剂模拟日光诱导产氢活性及稳定性
当反应体系pH = 10时，优化后的CdS-Pd纳米催化剂在模拟太阳光诱导下全分解水析氢速率为 μmol·g -1 ·h -1 ，是纯CdS的110倍。如果进一步加入牺牲剂，其半分解水析氢速率可达到 μmol·g -1 ·h -1 。在λ = 420 nm的光波诱导下，其全分解水和半分解水的表观量子产率分别为和。即使在室外日光辐照下，也可以清晰地观察到大量气泡的产生。以上研究表明单原子Pd修饰后的纳米催化剂模拟日光诱导产氢活性显著提高。另外，通过评价该改性催化剂进行模拟日光诱导催化产氢的持久性及再生性，证明Pd单原子修饰后的CdS纳米催化剂具有稳定的光诱导催化活性和良好的结构稳定性。
图复合光催化剂的催化产氢性能、持久性和重复使用性。
要点4：CdS-Pd复合光催化剂的协同作用增强光-电化学性能及机理分析
通过光-电化学各项表分析可知：Pd单原子修饰后的CdS纳米催化剂表现出良好的电子-空穴对分离特性，且由于协同的半导体（CdS）-金属（Pd）配位相互作用加快了载流子自体相向表面的迁移，有效抑制了CdS的光腐蚀，延长了光生载流子寿命，从而在长时间光诱导下呈现高密度且稳定的光电流信号。
图4. CdS-Pd复合光催化剂的光-电化学性能表征及机理分析。
要点5：CdS-Pd复合光催化剂的DFT计算及催化机制分析
通过DFT计算分析可知：CdS-Pd纳米催化剂表面全分解水产氢能垒相较于纯CdS NPs明显降低，且支撑了S-Pd配位键形成的可能性。最终证明氢气生成的主要活性位点为催化剂表面的S位点，而表面单原子Pd则促进了水分子的分解。综上所述，在模拟日光诱导下，CdS基体生成大量光诱导载流子，并快速迁移至表面。H 2 O分子首先在催化剂表面Pd位点处被分解为氢质子中间体和OH-离子，氢质子进一步在S位点处获得电子被还原成氢气，而OH - 离子则在CdS表面被光生空穴氧化为O 2 分子。由于该催化剂协同的金属-半导体作用机制，O 2 分子与部分光诱导电子作用被快速转化为超氧自由基（O 2 +e - O 2•- ），所以该催化剂更适合于在模拟日光诱导下催化水分解产氢应用。
图5. CdS-Pd复合光催化剂的DFT计算及全分解水机制
小结与展望
综上所述，针对纯CdS半导体光诱导过程中光腐蚀影响导致其结构稳定性较差的科学问题，本研究通过一步简单光诱导还原手段将单原子Pd修饰在六方相CdS NPs表面，制备出一种CdS-Pd纳米光催化剂。由于CdS主体催化剂与单原子Pd活性位点间协同配位作用，其光响应性及界面电荷传导特性均显著增强，光诱导电子-空穴对复合抑制效果明显。同时，单原子Pd修饰后的纳米催化剂明显降低了全分解水产氢过程的能垒，从而在模拟日光诱导下达到纯CdS纳米催化剂近110倍的全分解水产氢活性，并表现出优良的催化活性与结构稳定性。本研究对于通过简单有效的制备方法合成稳定且高效的全分解水产氢CdS基光催化剂具有理论与实际研究意义。
参考文献
W. Li, X. Chu, F. Wang, Y. Dang, X. Liu, T. Ma, J. Li, C. Wang, Pd single-atom decorated CdS nanocatalyst for highly efficient overall watersplitting under simulated solar light. Appl. Catal. B-Environ . 2021, DOI: .
作者介绍
李伟 ，陕西 科技 大学 化学与化工学院，副教授。从事光催化剂结构设计及合成、光催化污水处理、太阳能光伏氢能源生产相关研究。目前已发表国际SCI论文30余篇，总被引频次1000余次。部分研究被《Appl. Catal. B-Environ.》、《J. Mater. Chem. A》、《Environ. 》、《ACS Sustainable .》、《Chem. Eng. J.》、《ChemCatChem》、《Electrochim. Acta》等期刊报导。
王传义 ，陕西 科技 大学特聘教授。德国洪堡学者、英国皇家化学会会士、国家外专局高端外国专家创新团队负责人、德国洪堡基金会联合研究小组中方负责人、陕西 科技 大学特聘教授、武汉大学兼职教授、博士生导师。应邀担任中国可再生能源学会光化学专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员及中国环境科学学会特聘理事、国家 科技 奖励和国家重点研发计划项目会评专家及国家基金委等机构项目评审专家。从事光催化技术在环境与能源领域的应用研究。
声明
第一作者：焦龙博士 ；通讯作者：江海龙教授 通讯单位：中国科学技术大学
论文DOI：
在该工作中，我们构筑了一系列同构的卟啉基MOF材料，通过调变卟啉中心的金属物种，从而衍生得到了一系列含有不同金属物种（Fe, Co, Ni, Cu）的单原子催化剂材料，这些催化剂除了金属物种不同，金属负载量、配位环境、比表面积、孔尺寸等特性均保持一致，从而实现了有效的变量控制。在该模型体系构筑的基础上，我们研究了不同单原子材料电催化CO2还原性能， 其中单原子Ni催化剂（Ni1-N-C）表现出了最高的CO选择性，并且在CO2浓度降低至15%的含量时，最优的CO选择性依然可以超过80%，展示了单原子催化剂在实际CO2催化转化中巨大的应用前景。
单原子催化剂（SACs）在诸多反应中表现出了极大的优越性，并且已经成为了多相催化的前沿领域。通常情况下，SACs的催化性能不仅依赖于金属活性位点的本征活性，同时也会受到活性位周围的微环境以及载体的物理化学特性的调控。然而，由于不同金属物种的单原子催化剂合成方法的不同，得到的单原子催化剂除了金属物种外，许多理化特性例如单原子金属的负载量、孔结构等等都不尽相同。由于变量的复杂性，给对比不同单原子活性位的本征活性带来很大的挑战。单原子金属修饰N掺杂碳(M1-N-C)材料，作为重要的一类单原子催化剂，在电催化CO2还原反应(CO2RR)表现出的优异的性能。然而，文献报道的M1-N-C材料的碳载体往往表现出不同的特征(孔隙结构、表面积、形貌等)，使得即使相同的金属中心，M1-N-C的活性也会有较大的差异。有鉴于此，我们希望发展一种通用的单原子合成策略同时可以实现微环境和载体性质的严格控制，从而来判别单原子不同金属物种的活性位点的内在活性。
我们在调研单原子催化剂相关文献的过程中发现，例如在CO2电催化还原反应中，即使相同金属中心，不同文献中报道的催化活性有时候差异会非常大。我们发现这些催化剂的载体性质、金属载量、活性位微环境等通常差异较大，很难去对活性位的本征活性做出客观的评价。我们基于一种卟啉基的多变量MOF，MOF的卟啉配体中心金属种类可以任意调变而不影响MOF的拓扑结构和形貌，进一步借助MOF和它的衍生材料结构上的继承关系，可以严格控制MOF衍生不同单原子材料的理化性质，从而为对比不同金属中心的催化活性提供了良好的模型体系。
除了活性位点的识别，CO2利用的另一个关键问题是高能耗的CO2捕获和净化过程。具体来说，为了达到高选择性，目前报道的CO2RR通常在纯CO2中进行。然而，实际工业过程中可用的CO2原料的实际浓度相对较低，例如燃煤电厂和钢铁/石化行业排放的CO2气体浓度分别在5-15%和14-33%左右。考虑到CO2 中C=O键键能大约在 806 kJ/mol，热力学比较稳定性，活化较为困难。另外其在水溶液中有限的溶解度，低的CO2浓度会显著影响其催化转化的活性，为CO2的直接利用设置了很大的障碍。因此，开发高效的低压下二氧化碳直接转化电催化剂非常重要，但目前很少能实现。
Scheme 1. Illustration showing the general fabrication of single-atom M1-N-C catalysts based on MTV-MOFs for electrocatalytic CO2 reduction.
我们基于混合配体策略，通过改变金属卟啉配体中心金属的种类，构筑了一系列同构的卟啉MOF，通过衍生之后获得了一系列具有不同金属中心（Fe, Co, Ni, Cu）的碳基单原子催化剂材料 （Scheme 1）。卟啉中心金属的改变并未影响MOF的结构和形貌，借助于MOF前驱体和它的衍生材料结构上的继承性，获得的一系列单原子催化剂材料。除单原子金属种类之外，其他理化性质（形貌，成分，孔结构等）同样可以保持高度的一致，从而实现了变量的控制。
Figure 1. Electrochemical performances in pure CO2. a) LSV curves of Ni1-N-C in pure Ar- and CO2-saturated M KHCO3. b) FEs and c) TOFs of M1-N-C for CO in pure CO2-saturated M KHCO3. d) Tafel plots of M1-N-C for CO2RR. e) Durability test of Ni1-N-C at a constant potential of V vs RHE in pure CO2.
基于得到的一系列单原子催化剂材料，我们首先研究了他们在纯的CO2氛围下的电催化性能。通过实验可以发现，Ni1-N-C材料在众多单原子催化剂材料中，表现出了最高的CO选择性、TOF值以及Tafel斜率，并且具有良好的催化稳定性（Figure 1）。
Figure 2. DFT calculations. a) Reaction paths and b) Free energy diagrams of CO2 reduction to CO and c) The values of UL(CO2)-UL(H2) for all M1-N-C catalysts.
理论计算表明，在CO2电催化还原生成CO的多步基元反应中，Ni1-N-C相较于其他单原子催化剂，具有最为优化的COOH*形成和CO脱附的能垒，有效的促进了CO2的转化和产物的脱附，预示着其具有最高的CO2电催化还原的活性。另外，通过对比不同材料CO2还原和析氢反应的决速步电势差（UL(CO2)-UL(H2)），可以看出Ni1-N-C可以更有效的抑制析氢竞争反应，从而表现出最优的CO2还原的选择性 （Figure 2）。
Figure 3. Electrochemical performances of CO2 at low pressures. a) LSV curves and b) CO FE of Ni1-N-C in M KHCO3 saturated with 30% and 15% CO2. c) Durability tests of Ni1-N-C at constant potential of V under 30% CO2 concentration and V under 15% CO2 concentration, respectively.
鉴于在纯CO2中的实验结果和理论计算的结论，我们进一步 探索 了Ni1-N-C在低浓度的CO2还原反应的测试中的性能。可以看到，Ni1-N-C在30%和15%的CO2浓度下依然有明显的电流响应，进一步通过不同电位下的选择性测试可以看出，在15%的CO2浓度下其最优选择性依然可以超过80%，并表现出了良好的催化稳定性 （Figure 3）。
该工作基于同构的卟啉基MTV-MOFs，构建了一系列单原子催化剂 (M1-N-C, M = Fe, Co, Ni和Cu)，除单原子金属的种类不同之外，其孔结构和化学成分以及活性位微环境都保持一致，因而可以作为研究不同单原子金属物种本征活性差异的理想模型。在纯CO2条件下， Ni1-N-C表现出了最优的CO选择性。进一步，Ni1-N-C在更具有挑战性的低浓度CO2还原中，甚至可以在30%和15%的CO2浓度下保持其高的CO选择性，表明了Ni1-N-C在电催化CO2RR的独特优势。这项工作不仅提供了一种SACs的普适性合成方案，同时本文的结果展示了单原子催化剂在低浓度二氧化碳直接电催化转化方面的巨大潜力。
江海龙，中国科学技术大学教授、博士生导师、英国皇家化学会会士（FRSC），获得国家杰出青年基金资助，入选国家万人计划领军人才等。长期从事配位化学、材料化学和催化化学的交叉性研究工作，特别在基于金属有机框架（MOFs）的晶态多孔功能材料的设计、合成与催化功能 探索 等方面开展了系统的研究工作，并取得了一些重要的研究结果。已在国际重要SCI期刊上发表论文150余篇，其中以第一和通讯作者身份发表J. Am. Chem. Soc.（13篇），Angew. Chem.（12篇），Chem（3篇），Nat. Commun.（2篇），Adv. Mater.（6篇），Natl. Sci. Rev.（2篇），Acc. Chem. Res.（1篇），Chem. Soc. Rev.（2篇），Coord. Chem. Rev.（4篇）, Mater. Today（1篇）等高水平论文。论文被引用20,000次以上（H指数：71），有50篇论文入选ESI高被引论文（Highly Cited Papers, Top 1%）。在《Nanoporous Materials: Synthesis and Applications》中撰写书章一章。担任中国化学会晶体化学专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员等；担任EnergyChem（Elsevier）、Materials（MDPI）、中国化学快报、化学学报、Scientific Reports（NPG）、无机化学学报、Sci（MDPI）等期刊编委和顾问委员会委员。主持国家杰出青年科学基金、重大科学研究计划课题、基金委面上基金、青年基金等科研项目。
主要研究方向 本课题组以配位化学为基础，致力于多孔金属有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）及其纳米复合材料与衍生材料的设计合成与功能应用研究。本课题组的研究属于交叉学科，内容涉及无机配位化学、晶体工程学、材料化学、纳米 科技 以及催化化学等多个领域。主要研究方向包括： (1)催化功能导向的稳定MOFs：设计、合成、修饰及催化性能研究； (2) MOFs基纳米复合材料：理性构筑及其催化功能 探索 ，特别是在有机反应多相催化及光、电催化中的应用研究； (3) CO2的选择性捕集与转化。
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