英国化学期刊孙洋洋论文

第一作者：孙华传，李林峰，陈効谦

通讯作者：王春栋*，熊宇杰*

单位：华中 科技 大学，中国科学技术大学

研究背景

文章简介

近日，来自华中 科技 大学王春栋副教授团队和中国科学技术大学熊宇杰教授团队合作，在国际知名期刊 Science Bulletin 上发表题为“Highly efficient overall urea electrolysis via single-atomically active centers on layered double hydroxide”的研究文章。该文章仔细研究了层状双氢氧化物上（LDH）的单原子(SAC)精确位置以及不同单原子含量对催化活性的影响, 并通过理论结合实验的方式系统阐述了单原子与载体LDH之间的相互协同作用。这项工作从单原子精确位置的角度为全电解多功能SAC的设计提供了重要见解。

电催化析氢和尿素氧化的反应机理图

本文要点

要点一 ：本文采用乙二醇辅助水热法将单原子 Rh均匀分散到超薄 NiV-LDH纳米片上(Rh/NiV-LDH)，并将其同时用于催化 HER 和 UOR。Rh/NiV-LDH具有较高的TOF值，并表现出显著的质量活性，同时具有较低的过电位和较快的HER和UOR反应动力学。

图1. Rh/NiV-LDH电极的制备流程示意图以及结构与微观形貌表征。

要点二： 通过 AC-STEM 和 HAADF-STEM 图像，观察到大量高度分散在NiV-LDH 载体上的 Rh 单原子。FT-EXAFS 拟合结果表明，Rh/NiV-LDH 催化剂中只有 Rh-O 键被探测到( Å)，没有任何的金属 Rh-Rh 键( Å)或 Rh-O-Rh 键( Å)，进一步证实了NiV-LDH 载体上的 Rh 原子与载体表面的氧成键并以单分散形式存在。DFT 理论计算表明，Rh 原子在NiV-LDH 表面即在的Ni、V 和O 位点顶部的形成能分别为 、 eV 和 eV ，再一次说明Rh 在NiV-LDH表面的单分散构型比在 NiV-LDH 的Ni 和V位上的掺杂构型更具有能量可行性。此外，Rh 原子在 NiV-LDH的 NiV中空位置且垂直面对氧原子构型的形成能最低，说明大部分 Rh 单原子分布在Ni-V中空位置(O 原子的顶部)，少部分可能分布在Ni原子或V原子的顶部位置。

图2. Rh/NiV-LDH的光谱表征。

要点三 ：测试表明，在碱性介质中，Rh/NiV-LDH阴极催化剂在100 mA cm-2电流密度下的HER过电位为64 mV，且能稳定工作超过200 h，电催化析氢法拉第效率接近100%。此外，Rh/NiV-LDH在100 mV过电位下具有较高HER质量活性( A mg 1)和周转频率(TOF： s 1)。

图3. 制备催化剂在碱性电解质中的电催化析氢(HER)性能。

要点四 ：Rh/NiV-LDH 催化电极Rh/NiV-LDH表现出优异的UOR催化活性，仅需要 V即可实现10 mA cm 2。将 Rh/NiV-LDH 催化电极分别作为电解槽的阴极和阳极，并以碱性尿素介质(1 M KOH+ M Urea )为电解液，从而组装简易的 Rh/NiV-LDH (+)//Rh/NiV-LDH (-)双电极尿素电解槽。该电解槽驱动 10mA cm-2时仅需施加的电压, 且能稳定工作超过100 h。当自组装 Rh/NiVLDH(+)||Rh/NiV-LDH (-)电解槽的工作电流密度达到 100 mA cm-2 时，该装置只需要稳定工作 3 h 就可以将电解液中的尿素降解 93%左右，即使循环工作三次，其尿素降解率仍然能保持 90%左右，且能稳定产生 H2, 表明 Rh/NiV-LDH 在大规模节能制氢和净化富尿素废水方面具有巨大的潜力。

图4. Rh/NiV-LDH及其对比样在1 M KOH溶液中的电催化尿素氧化(UOR)和尿素全解性能测试。

要点五 ：密度泛函理论(DFT)计算表明，单分散的 Rh 单原子改变了载体 NiV-LDH 的电子结构，优化了氢吸附中间体(H*)的吸附和解吸过程，从而降低了 HER 过程中 Volmer 步骤和Heyrovsky 步骤的反应势垒，进而提升 Rh/NiV-LDH 催化剂的 HER 催化活性。与此同时， 单原子 Rh 位点还优化了 Rh/NiV-LDH 催化剂对尿素分子的吸附和活化，促进了其关键中间体(如 CO*/NH*)的解吸，显著降低UOR反应决速步骤(RDS)的反应能垒，加速 UOR 反应动力学并提升 UOR 催化活性。

图5. 密度泛函理论计算。

总 结

综上所述，AC-STEM、XAS和DFT计算结果表明，通过一步水热合成法成功制备了锚定在NiV-LDH基体上的Rh SACs(位于Ni-V中空位点)。所制备的Rh/NiV-LDH在碱性溶液中对HER和UOR表现出良好的双功能催化活性。DFT计算表明，单分散的Rh单原子改变了载体NiV-LDH的电子结构，降低了HER的Volmer步骤和Heyrovsky步骤的反应势垒。同时，Rh位点也优化了尿素分子的吸附和/或活化，促进了关键中间体(如CO*/NH*)的解吸，这显著降低了UOR决速步骤（RDS）的反应能垒，加快了UOR反应动力学。将Rh/NiV-LDH催化剂分别作为阴极和阳极组装成整体尿素电解槽，其由 V太阳能电池板供电即可使得两个电极上产生大量H2和N2气泡。这表明该催化剂在大规模节能制氢和富尿素废水净化方面具有很大的潜力。本工作对未来具有精确位置的SACs的可控和大规模生产具有一定的启发作用。

文章链接

Huachuan Sun, Linfeng Li, Hsiao-Chien Chen, Delong Duan, Muhammad Humayun, Yang Qiu, Xia Zhang, Xiang Ao, Ying Wu, Yuanjie Pang, Kaifu Huo, Chundong Wang*, Yujie Xiong*.Highly efficient overall urea electrolysis via single-atomically active centers on layered double hydroxide. Sci. Bull. 2022 .

DOI:

通讯作者简介

王春栋副教授 ，华中 科技 大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心双聘副教授、华中卓越学者。2013年于香港城市大学获得博士学位，2013-2015年先后在香港城市大学、香港 科技 大学，荷语鲁汶大学任高级研究助理/副研究员，比利时弗拉芒政府科学基金会FWO学者，鲁汶大学F+研究员，2015年9月起任职华中 科技 大学。研究领域为非贵金属光/电催化剂设计及其在环境和能源中的应用。王春栋副教授是香港城市大学优秀博士论文奖（ 2013 年全校 7 个）获得者，获评湖北省“楚天学者”计划楚天学子（ 2015 年），澳门大学杰出访问学者(2019)，华中卓越学者晨星岗(2020), 是美国材料学会(MRS)会员, 欧洲材料学会(EMRS)会员, 中国化学学会会员。担任 Frontier in Chemistry和Molecules杂志客座编辑， Advanced Powder Materials 杂志特聘编委，Exploration青年编委，Rare Metals青年编委。长期担任 Adv. Func. Mater.,等四十余个国际著名杂志审稿人/仲裁人，塞尔维亚国家自然科学基金和香港研究资助委员会（RGC）国际评审专家。在 J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., ., Research 等杂志发表 SCI 论文 150 余篇，他引6000余次， H-因子 44，2021年入选全球前2%顶尖科学家榜单和全球前十万科学家榜单。先后主持国家重点研发计划（国际合作重点专项）、基金委面上项目、基金委青年项目、湖北省重点研发计划等项目十余项。

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熊宇杰， 中国科学技术大学讲席教授、博士生导师。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获化学物理学士学位，2004年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。2004至2011年先后在美国华盛顿大学（西雅图）、伊利诺伊大学香槟分校、华盛顿大学圣路易斯分校工作。2011年辞去美国国家纳米技术基础设施组织的首席研究员职位，回到中国科学技术大学任教授，建立独立研究团队。2017年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士（FRSC）。2018年获聘长江学者特聘教授，入选国家万人计划 科技 创新领军人才。2022年当选东盟工程与技术科学院外籍院士（FAAET(F)）、新加坡国家化学会会士（FSNIC）。现任ACS Materials Letters副主编。主要从事基于催化过程的生态系统重构研究。迄今为止，在Science等国际刊物上发表260余篇论文，总引用32,000余次（H指数93），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和爱思唯尔中国高被引学者榜单。2012年获国家自然科学二等奖（第三完成人），2014-2016和2018年四次获中国科学院优秀导师奖，2015年获中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，2019年获英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖，2021年获安徽省自然科学一等奖（第一完成人）。

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第一作者简介

孙华传 ，华中 科技 大学光学与电子信息学院的2019级博士，研究方向为高活性金属电催化剂设计合成及其在电解水中的应用，目前以第一作者和共同第一作者的身份在 J. Am. Chem. Soc.、.、Appl. Cata. B-Environ、ACS Appl. Mater. Inter.、Chem. Eng. J.、J. Power Sources 等期刊发表SCI论文8篇，其中2篇入选ESI高被引论文。

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李林峰 ，华中 科技 大学光学与电子信息学院的2020级硕士研究生，研究方向为单原子催化剂及其合成电催化中的应用，以及电催化中的计算材料科学。

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陈効谦 ：2011年毕业于长庚大学并获得化学与材料工程专业博士学位，目前担任长庚大学可靠性科学与技术中心的助理教授。目前的研究方向包括电化学能量中电催化剂的原位表征技术的发展转换。

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近日，央视一则关于植物奶油(又称氢化油)危害的报道，再次将反式脂肪酸推至风口浪尖。据了解，反式脂肪酸又称反式脂肪或逆态脂肪酸，是一种不饱和人造植物油脂，生活中常见的人造奶油、人造黄油都属于反式脂肪酸。制造反式脂肪酸的“氢化处理”过程可以防止分子被氧化，使液体油脂变成适合特殊用途的半固体油脂并延长保质期，因此受到许多糕点制造商的欢迎。 据报道，反式脂肪酸对人体有一系列副作用，更是造成糖尿病的元凶。清远消费者对它的了解又有多少呢？记者对此展开了调查。 市民对反式脂肪酸知之甚少 “氢化植物油？反式脂肪酸？没听说过。”市民小周由于工作较忙，经常错过正常吃饭时间，因此在他的办公桌抽屉里总是装满各种零食，如饼干、蛋黄派等，但是他从没有听说过植物奶油，每次“入货”时，也不怎么留意食物的配料表，顶多是看一下什么品牌或什么口味的。有时候加夜班，为了提神也会喝咖啡。“我经常喝咖啡，也不觉得有啥问题。” “小孩子喜欢吃饼干、薯条这些零食，一般都会储备一点这样的零食哄孩子。我不清楚什么是反式脂肪酸，只知道零食吃多了容易使人发胖，对牙齿也不好。”市民刘女士说， 记者发现，很多档次高低不一的蛋糕店大多有个相同之处：销售人员均宣称店里的蛋糕是真正的纯正奶油蛋糕。而这些蛋糕看起来确实细腻、美观，让人觉得胃口大开。 “大多数甜品店使用的奶油都是混合了植物奶油和动物奶油两种。动物奶油是由牛奶中的脂肪分离获得的，植物奶油是以大豆等植物油和水、盐、奶粉等加工而成的，也叫人造奶油。从口感上说，动物奶油口味更好一些，你到糕点店里闻到的那个香味多是来自这个东西。而植物奶油不含胆固醇，看起来好像比较健康。”一位有多年甜品制作经验的糕点师傅告诉记者。不过他私下里表示，听过植物奶油中含有反式脂肪酸，好像对身体不太好，至于不好在哪里，他也说不清楚。 在记者的随机采访中，大多数市民表示一般只会看产品的品牌和保质期，至于配料当中的那些所谓的“植物奶油”、“植脂末”则完全看不懂，也不在意，更不知道它们有什么危害。 一些人则认为植物奶油更好，是动物奶油脂肪含量太高而出现的替代品。 “植物”不等同于“健康” 据了解，氢化油可以说是健康的头号杀手，因为自然界很少有氢化油的存在，人类自古以来的食物里也几乎没有这种东西。由于反式脂肪酸在我们身体里是完全不被接受的，所以会导致体内生理功能出现多重障碍。 “其实，‘植物’的不一定就是健康的。”广州中山大学孙逸仙纪念医院临床营养科主任陈超刚对媒体表示，植物油加氢可将不饱和脂肪酸转变成室温下更稳定的固态反式脂肪酸，这种反式脂肪酸对人体的危害比饱和脂肪酸更大。 人体每天所需的脂肪总量是固定的，除了不饱和脂肪酸，还有饱和脂肪酸，但是每天所需的总量有限，过多摄入不饱和脂肪酸，容易造成肥胖、心血管疾病的发生。 营养学专家指出，所谓的“植物黄油”和“人造奶油”、“人造黄油”、“人造脂肪”等，其实都是氢化植物油。“除了含一定量的反式脂肪酸，氢化植物油中还含有非常多的饱和脂肪酸，虽然还带着‘植物’两个字，但它比猪油所含的饱和脂肪酸还多！” 根据有关研究，反式脂肪酸对人体健康的影响一般有：降低记忆力；发胖；引发冠心病，形成血栓；影响男性生育能力；影响生长发育期的青少年对必需脂肪酸的吸收，会对青少年中枢神经系统的生长发育造成不良影响。 反式脂肪酸广泛存在 除了植脂末、氢化植物油之外，不少食品的成分表中标注含有“精炼植物油”、“植物奶油”等成分，其实这些油脂中都含有氢化油。换句话说，这些食品中都含有反式脂肪酸。 据了解，真正的奶油是以全脂鲜奶为原料的，但记者在一家蛋糕店看到，该店使用的人造奶油的外包装上显示，其配料主要为水、白砂糖、精炼玉米油、氢化棕榈油等，没有一点奶的成分。 一位有多年甜品制作经验的糕点师傅告诉记者，糕点行业内制作蛋糕用的“奶油”其实很少采用纯正奶油。因为纯奶油较难成型，放在冰箱里两个小时就会溶化，没法保存；而大家购买的奶油蛋糕大都质地松软，口感细腻，间隙小，有“卖相”，还可以冷藏两三天。“现在大多数甜品店里用的奶油都是混合了植物奶油的。” 植脂奶油”的主要成分是氢化植物油脂，再加上乳化剂、稳定剂、蛋白质、糖、食盐、色素、水、香精等辅料制成。这种“植物奶油”有着非常好的口感，高档植脂奶油可以做到入口即化，而且不容易变质。很多糕饼企业买来用在生日蛋糕、面包夹心等食品里。 夹心饼干、薯片、早餐麦片、方便面、方便汤、蛋黄派、多纳圈、巧克力、咖啡伴侣、沙拉酱、冰淇淋、速冻汤圆、糖果、色拉……在清远各大超市的食品货架上，到处可见含有“氢化植物油”、“植脂末”等成分的食品。 记者在超市看到，不少袋装甜点中，虽然没有写含有“植物奶油”或者“植脂末”，但是，却标注含类似“精炼植物油”或者“起酥油”。一位业内人士告诉记者，这些听起来好像食用油的物质其实多是由氢化棕榈油、氢化大豆油、氢化椰子油等物质组成，而这些均是“氢化油”的不同叫法，甚至不少被简单写成“奶油”的成分，也很有可能就是“氢化油”。 据广州媒体报道，在同一间超市里，95种饼干里有36种含人造脂肪，51种蛋糕点心里有19种含人造脂肪，16种咖啡伴侣全部含人造脂肪，31种麦片里有22种含人造脂肪。 有关媒体报道，2005年至2009年，一项中国食品油脂含量、反式脂肪酸种类含量的调查显示，抽检食品中87%的样品含有反式脂肪酸。包括所有的奶酪制品；95%的“洋快餐”、蛋糕、面包、油炸薯条类小吃等；约90%的冰激凌以及80%的人造奶油、71%的饼干。 另外，有专业人士指出，自然界也存在反式脂肪酸，当不饱和脂肪酸被反刍动物(如牛)消化时，脂肪酸在动物瘤胃中被细菌部分氢化。牛奶、乳制品、牛肉和羊肉的脂肪中都能发现反式脂肪酸，占2%—9%。鸡和猪也通过饲料吸收反式脂肪酸，反式脂肪酸因此进入猪肉和家禽产品中。 “物美价廉”惹的祸 “很多人会有这样的感觉，脱脂牛奶比起全脂牛奶，口感、香味都差远了，这就是脂肪在起作用。”从事食品安全检测工作的赵明说，添加了脂肪之后，食物的香味更加扑鼻，口感也更好，这是面包、饼干、奶茶、冰激凌等中都会添加脂肪的原因，植物奶油就是一种反式脂肪。 植物奶油最初是用来代替价格比较昂贵的动物奶油的。和动物奶油不太一样的是，植物油脂是一种液体，所以要通过氢化处理改变植物油脂性质，使之成为固体或半固体，方便运输与加工。与植物奶油类似，咖啡伴侣中的“植脂末”也是因为有相同的加工需要。 而薯条、薯片中含有的氢化油则是从另外一种渠道产生的。“植物油脂中含有不饱和脂肪，这是一种不稳定的物质，在高温的环境下会产生变性，形成有害于人体健康的反式脂肪，所以薯条、薯片中的氢化油更多的是在加工过程中产生的。” 为什么众多的商家都选择使用这种含有大量反式脂肪酸的“植物奶油”呢？采访中，多位业内人士向记者透露，“植物奶油”的低成本是关键。“植物奶油比鲜奶油的成本低。”一位不愿意透露姓名的食品企业采购人员在回答记者的疑问时说，“一箱植物奶油只需要100多元，可以制作出十几个或几十个蛋糕，而同样的一箱淡牛奶就需要花几百元。如果将这个差价乘以几千几万再乘以年数，你想想看，那就是一个庞大的数字了。” 面包、蛋糕、饼干、奶茶、薯条、薯片、冰激凌、咖啡……不知不觉中，植物油脂偷偷“占领”了我们的胃。为什么“遍地”都是植物奶油？归纳起来主要有三个原因，一是口感好，二是加工的需要，三是价格低廉。 继续阅读： 第21/212>页 请参见wiki版：警惕健康杀手反式脂肪酸 鉴别要看食品成分 分享这篇文章到： QQ空间 新浪微博 百度搜藏 开心网 人人网 G书签 搜狐白 TAG: 反式脂肪酸 植物奶油 鉴别 饱和脂肪酸 更多内容参见专题： > Antpedia 一周新闻快讯（） >反式脂肪酸——食品安全的隐患 其它网友还关注过： 反式脂肪酸危害多 部分国家已禁用 美味背后 反式脂肪酸的“罪与罚” 反式脂肪酸甲酯混标(13组分，C14-C22) 标准品促销 粮油食品中反式脂肪酸的检测分析方法通过验收 植物奶油含反式脂肪酸虽被曝光 美味依旧难挡 反式脂肪酸是营养问题 而不是食品安全问题 过量食用反式脂肪酸危害健康 如何科学对待 部分食品品牌“降反” 防“反”要看配料表 “植物奶油危机”：饼干和奶茶是“重灾区自己缩减