继一天两篇Nature子刊后！他，再来一天三篇顶刊！

2023年4月3日，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent院士等人分别在Nat. Catal.、Nat. Commun.和J. Am. Chem. Soc.上发表了三篇最新成果，即“Selective synthesis of butane from carbon monoxide using cascade electrolysis and thermocatalysis at ambient conditions”、“Large piezoelectric response in a Jahn-Teller distorted molecular metal halide”和“Doping Shortens the Metal/Metal Distance and Promotes OH Coverage in Non-Noble Acidic Oxygen Evolution Reaction Catalysts”。其实，这是他继上个月一天两篇Nature子刊后，再次掀起的研究热潮，详见：太卷了！一天连发两篇Nature子刊。下面我们对这三篇成果进行简要的介绍，以便大家学习和了解！

【1】

第一作者：Mi Gyoung Lee、Xiao-Yan Li、Adnan Ozden和Joshua Wicks

通讯作者：Edward H. Sargent 院士

通讯单位：多伦多大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41929-023-00937-0

在室温条件下，将CO₂和CO电化学的范围扩展到用于分子量高于大多数已报道的C₁和C₂的产物的合成，引起了科学家们的研究兴趣。基于此，多伦多大学Edward H. Sargent 院士等人报道了一个级联C₁–C₂–C₄系统，该系统结合电化学和热化学反应器，在环境条件下选择性地生产丁烷（C₄H₁₀）。

1、在乙烯（C₂H₄）二聚反应器中，可直接升级CO₂或CO电解槽的气体出口流，而无需纯化。研究发现，与C₂H₄一起存在的CO提高了C₂H₄二聚化的选择性，使对C₄H₁₀的选择性提高至95%，比使用CO₂电解槽时的性能高得多，同时实现了43%的两级CO-C₄H₁₀级联选择性。

2、通过密度泛函理论（DFT）计算和机理研究表明，增加的CO覆盖有利于C₂H₄二聚化和*C_xH_y吸附物的氢化，并使*C₄H₉中间体稳定性降低，从而促进目标烷烃的选择性生产。

图1.C₄烃生产的常规途径和级联系统

图2.高选择性合成C₄H₁₀的机理研究

图3.合成C₄烃的级联系统

图4.级联eCO转化为C₄系统的性能

图5.合成C₄的碳足迹和能耗评估

【2】

第一作者：Sasa Wang、Asif Abdullah Khan、Sam Teale和Jian Xu

通讯作者：Edward H. Sargent 院士和Dayan Ban

通讯单位：多伦多大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37471-3

压电材料在机械能和电能之间转换，是自供电电子器件的基础。目前，压电体表现出大的电荷（d₃₃）系数或者电压（g₃₃）系数，但不能同时表现出这两个系数，且用于能量收集的最大能量密度由换能系数d₃₃*g₃₃决定。在现有压电体中，极化的增加通常伴随着介电常数的急剧上升，导致d₃₃和g₃₃之间的权衡。因此，作者提出了一个设计概念：通过Jahn-Teller晶格畸变增加极化，并使用高度受限的0D分子结构降低介电常数。基于此，多伦多大学Edward H. Sargent 院士和Dayan Ban等人报道了将准球形阳离子插入Jahn-Teller扭曲的晶格中，以增加大压电系数的机械响应。通过开发EDABCO-CuCl₄（EDABCO=N-乙基-1，4-二氮杂双环[2. 2. 2]辛烷）来实现该概念。

1、EDABCO是一种分子压电材料，d₃₃为165 pm/V，g₃₃为~2110×10⁻³ V m N⁻¹，从而实现了348×10⁻¹² m³ J⁻¹的组合转导系数。这使得EDABCO-CuCl₄@PVDF（聚偏二氟乙烯）复合膜的峰值功率密度为43 µW/cm²（在50 kPa下），是基于无重金属分子压电的机械能采集器的最高值。

2、此外，10 wt% EDABCO-CuCl₄@PVDF复合材料实现了输出功率密度提升，优于已报道中最佳的分子混合能量采集器。该工作有助于设计用于高性能压电能量收集的无重金属分子金属卤化物。

图1.压电材料的分子设计

图2.EDABCO-CuCl₄的电子结构和压电响应

图3.EDABCO-CuCl₄在压电能量采集器中的应用

【3】

第一作者：Ning Wang、Pengfei Ou、Rui Kai Miao、Yuxin Chang和Ziyun Wang

通讯作者：Edward H. Sargent 院士和梁红艳教授

通讯单位：多伦多大学、天津大学

DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.2c12431

酸性水电解能够生产用作化学品和燃料的氢气，但酸性环境阻碍了非贵金属催化剂上的水电解，这是与吸附质演化机制相关的缓慢动力学的结果，因为它依赖于四个协同的质子-电子转移步骤。其中，使用非贵金属催化剂实现更快的OER机制，将有助于进一步推进酸性水电解。基于此，多伦多大学Edward H. Sargent 院士和天津大学梁红艳教授等人报道了将Ba阳离子掺杂到Co₃O₄骨架中以形成Co_3-xBa_xO₄催化剂，促进了其氧化物路径机制，同时提高了其在酸性电解质中的活性。

1、研究发现，Co_3-xBa_xO₄催化剂在0.5 M H₂SO₄电解质中，在电流密度为10 mA/cm²时表现出278 mV的过电位，并且在连续水氧化操作中可以稳定运行110 h。

2、通过密度泛函理论（DFT）计算，作者发现表面吸附Ba原子的引入，缩短了Co-Co的距离，促进了OH的吸附，降低了CoOOH表面的自由能，提高了其在酸性电解质中的稳定性。同时，探测反应中间体变化的原位测量，也提供了氧化路径机理（OPM）的指示。

图1.Co_3-xBa_xO₄和对照组的催化性能

图2. Co_3-xBa_xO₄和对照组的电子结构表征

图3. Co_3-xBa_xO₄用于酸性电化学水氧化的机理研究

图4.比较原始和Ba掺杂表面的表面稳定性和OER能量学