论文DOI：10.1002/adma.202007056.本文利用Co3O4作为模型催化剂，研究了HMF分子在其表面的吸附行为，理论计算结合实验结果表明，HMF分子在Co3O4上吸附主要以C=O吸附了C=C吸附为主，并在此基础上开发了单原子Ir负载于Co3O4的电催化剂。通过电化学测试、程序升温脱附以及理论计算结果表明Ir单原子可选择性提升HMF在Co3O4表面的C=C吸附，从而降低表面吸附能，从而提升整体反应速率。这一研究成果为制备高效电催化剂用于HMF电化学氧化提供了新思路。氢能作为一种绿色、清洁、环保并且高能量密度的能源载体，被视为化石能源的理想替代者。电解水制氢是一种高效的制氢方式，但受制于氧析出反应缓慢的反应动力学。生物质替代水氧化是一种理想的反应方式，因为其具有更低的反应电位且可生成更高价值的化学品。5-羟甲基糠醛（HMF）是一种理想的生物质化合物，其电氧化产物2，5-呋喃二羧酸（FDCA）可用于制备高价值聚乙烯2,5-呋喃二甲酸酯。尖晶石氧化物作为一种理想的电催化剂被广泛用于HMF电催化氧化。然而，HMF的分子结构较为复杂，这导致其反应活性受制于吸附行为的不确切。其次，HMF分子在尖晶石氧化物上的吸附能力较弱，导致其动力学缓慢。本文首先基于理论计算结果表明HMF在Co3O4上吸附能力较弱，导致反应活性受限，我们设计并开发了单原子Ir负载于Co3O4电催化剂用于选择性提升C=C吸附，从而提升HMF分子在Co3O4上的吸附能力，降低反应吸附能垒，从而促进反应动力学速率。首先材料的合成是通过将Ir金属盐浸润在Co3O4粉末之后煅烧而成的，我们通过球差电极以及EXAFS发现Ir是以单原子的形式存在于Co3O4上的，之后利用对EXAFS拟合我们发现Ir以部分替代Co3+位置存在。通过对电催化活性的测试，我们发现Ir-Co3O4对于HMF氧化的起始电位达到了1.15 V，远远前于Co3O4，之后我们通过对开路电位的测试，当我们在KOH加入50 mM HMF之后，由于Helmholtz layer 的交换，Ir-Co3O4具有更低的开路电位，这意味着该催化剂具有更强的HMF吸附能力。为了探究材料的吸附行为，我们选取了5-羟基戊醛（仅含有羟基和羰基，不含有呋喃环）作为对比分子，发现Ir-Co3O4对5-羟基戊醛的活性并没有明显的提升，证明C=C键的吸附对于Ir-Co3O4催化性能有显著的影响。我们首先利用HMF-TPD对两种催化剂对于HMF的吸附能力进行测试，测试结果表明Ir-Co3O4具有更强的HMF吸附能力。之前研究表明HMF在Co3O4表面主要由C=O和C=C构成，为了进一步明确Ir单原子具体的吸附行为，我们利用C=O（CO）和C=C（乙烯）分别对两种材料进行测试，测试结果表明Ir-Co3O4对于C=C吸附具有明显的提升，而对于C=O的吸附能力有所减弱，结合理论计算表明Ir单原子选择性提升了HMF分子上C=C吸附能力。我们利用高效液相色谱对反应中间体以及反应过程进行测试，测试结果表明Ir- Co3O4具有更低的反应中间体浓度，证明其具有更快的反应动力学和最佳的中间体吸附能力。因此该催化剂具有更高的催化活性。本文研究了HMF在Co3O4上的吸附行为，并开发了Ir单原子催化剂用于选择性提升HMF分子上C=C基团的吸附，使得HMF在Co3O4上具有更低的吸附能以及更高的反应催化活性。这一研究成果为制备高效电催化剂用于HMF电化学氧化提供了新思路。
王双印，国家杰出青年基金获得者、海外高层次人才特聘专家, 科睿唯安全球高被引科学家（化学）, 爱思唯尔中国高被引学者（化学）。现为湖南大学二级教授，博士生导师。2006年本科毕业于浙江大学化工系，2010年在新加坡南洋理工大学获得博士学位，随后在美国凯斯西储大学， 德克萨斯大学奥斯汀分校、英国曼彻斯特大学（玛丽居里学者）开展研究工作。主要研究方向为电催化剂缺陷化学，有机电催化合成，燃料电池。以第一或通讯作者在国家科学评论，中国科学化学、材料，科学通报，JEC, Nature Chem., JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Chem等国际著名期刊发表SCI论文150余篇，总引用14500余次，H指数63，ESI高被引论文50篇，获教育部青年科学奖、湖南省自然科学奖一等奖（第一完成人）。
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