人物专谈加州大学杨培东教授经验分享经典工作介绍

1、 人物介绍杨培东教授 美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士 加州大学伯克利分校化学系教授 上海科技大学物质科学与技术学院院长主要奖项： 2001年至2004年连续获得美国阿尔弗雷德斯隆奖 2003年被美国“技术评论”杂志列入世界100位顶尖青年发明家 2004年获得美国材料学会青年科学家大奖，是第一位获得该奖的中国人 2007年获得美国国家科学沃特曼奖 2011年入选汤森路透集团遴选的最优秀的100名化学家榜单中第十位 2015年9月获得美国麦克阿瑟天才奖 工作介绍虽然单纯的生物光合作用和单纯的人工光合作用已经能够紧紧通过光合作用实现低成本的转化体系。但是，两者各自有其不足。在这里，作者开

2、发了一种混合方法，将无机半导体的高效光捕获与生物催化剂的高特异性、低成本、自我复制和修复相结合。用硫化镉纳米颗粒诱导非光合细菌Moorella thermoacetica的自光敏化，使其能够将二氧化碳进行光合作用产生乙酸。生物沉淀硫化镉纳米颗粒作为光捕获位点，维持细胞代谢。这个生物-无机的复合杂化体系能够选择性高效地产生乙酸。 工作介绍一方面，CdS捕获光能传递给细菌，然后将CO2选择性（90%）地转化成醋酸； 另一方面，醋酸类产物又可以供给细菌进行代谢。 工作介绍光催化二氧化碳还原在这里，作者将光催化CO2还原的催化剂ReI(CO)3(BPYDC)Cl，和BPYDC（2,2-联吡啶-5,5-

3、二羧酸酯）共价连接到一个含Zr的MOF (UiO-67)内。通过系统地控制光催化剂在MOF框架中的密度（n=0,1,2,3,5,11,16和24 ，n为每个框架中的复合物个数）。结果发现Re3-MOF具有最高光催化活性。将具有最佳催化性能的Re3-MOF涂覆到Ag纳米立方体（AgRe3-MOF）上。因为光敏中心Re在空间上被限制到Ag纳米立方体表面增强的近表面电场中，这使得它在可见光下的CO2到CO的转换效率提高了7倍，并在48小时内保持长时间的稳定性。 工作介绍光 敏 剂 ReI(CO)3(BPYDC)Cl 和 BPYDC（2,2-联吡啶-5,5-二羧酸酯）共价连接到一个含Zr的MOF(Ui

4、O-67)后，随ReTC密度而改变的MOFs内的分子环境对整体的活性有重要影响，当n为3时，可获得最大活性。将Re3-MOF涂覆到Ag纳米立方体，可以将其在可见光下的催化活性提高7倍。 工作介绍电催化二氧化碳还原精确控制多金属纳米粒子(NPs)内的元素组成及其存在形式，可以显著调控纳米材料的各种性能。在这里，通过系统地控制催化剂的有序度，通过对AuCu NPs的原子有序变换，可以提高其电催化CO2还原的选择性。其中，无序合金NP具有催化析氢的活性，而有序的AuCu NPs选择性地将CO2转化为CO，其法拉第效率达到80%，其过电位仅为200mV。与纯金催化剂相比，其质量活性也有提高。原子水平的

5、结构研究表明，金属间核上的三层金原子足以增强催化活性，与DFT分析结果一致。 工作介绍 工作介绍本文研究了双金属NPs有序转变对其CO2还原电催化活性的影响，其中有序的NPs选择性还原CO2，而无序的NPs有利于析氢。这种由无序到有序的转变，在金属间核上形成了压缩应变的三层原子厚度的金覆层，极大地提高了催化活性。 工作介绍电催化二氧化碳还原铜在电催化还原CO2生成C1产物方面具有独特的活性。而了解铜表面上CO2电催化的反应起源对于开发更高效的催化剂、将CO2转化为更高阶的产物是至关重要的。在此，作者研究了超薄双联铜基纳米线(Cu NWs)的电催化CO2还原的活性。结果表明，Cu NWs催化剂具

6、有较高的CH4选择性，其在-1.25V时的法拉第效率达到55%。此外，作者发现选择性与反应过程中纳米线催化剂的形态变化有关。研究发现，用氧化石墨烯包裹金属丝是一种成功的策略，既保留了纳米线的结构形貌，又保留了其反应选择性。这些结果表明，产物的选择性在很大程度上依赖于形态特征，而烃类的选择性可以通过结构演化来控制。 工作介绍作者研究Cu NWs表面在电解过程中是如何变化的，以及其电催化活性是否同时发生变化。随后，作者也进一步研究rGO包裹是否可以在电解条件下保持Cu NW的形态，以及这种策略是否同时影响其电催化性能，进一步说明形态对催化性能的影响。 工作介绍结果证明，一维超薄双联铜纳米线对CO2

7、电催化成甲烷的选择性比其他碳产品高。甲烷选择性的起源可能是由于双晶边界的高密度边缘位点的存在。此外，随着纳米线的形态变化，其对甲烷的选择性逐渐降低，而有利于乙烯的形成。这一说法可通过rGO包裹纳米线，在相同的电催化条件下，同时保持形态和甲烷选择性的观察结果得到支持。 工作介绍在这里，作者报道了通过分子表面功能化的方法来修饰金纳米颗粒(Au NP)电催化剂，提高其电催化二氧化碳还原活性。结果表明，该催化剂在中性pH溶液下，其过电位为0.46V、电流密度为原始Au NP的7.6倍，FE为83%。Tafel图进一步表明，分子配体影响了CO2还原的机制途径。这些结果为分子表面功能化作为纳米颗粒催化剂设

8、计的尺寸、形状、组成和缺陷控制的提供了新思路。 工作介绍 工作介绍在原子水平上控制结构可以精确有效地调整材料的催化性能，从而提高活性和耐久性。作者利用铂镍(Pt-Ni)双金属纳米晶的结构演变，合成了一类活性高、耐久的电催化剂。对PtNi3多面体，在溶液中通过内部侵蚀转变为Pt3Ni纳米膜，其表面提供了三维分子可达性富含Pt的PtNi3多面体的边缘保留在最终的Pt3Ni纳米膜中。这种开放式框架结构的内部和外部催化表面都是由Pt-skin结构组成， 该结构表现出增强的氧还原反应(ORR)活性。 工作介绍 工作介绍金属纳米粒子作为一种重要的多相催化剂在电催化等催化体系中有着重要的应用。作为调变其催化

9、活性的主要方式，金属纳米粒子的可控生长主要包括金属组分的调变和粒子形貌的调变。在这里，作者在制备PtNi3菱形十二面体纳米粒子时发现，在合金纳米粒子的初始生长阶段，Pt组分会在和方向上择优生长，而随着纳米粒子的长大，Pt逐渐发生迁移，从粒子内部富集到纳米粒子表面的棱上。这种Pt各向异性的生长过程以及伴随的Pt组分迁移对合金纳米粒子的可控生长有着指导意义，作者也对纳米粒子生长的各个阶段进行了表征和探究。 工作介绍作者改变了制备Pt-Ni合金的反应温度， 进而研究其生长阶段。在油胺作为活性剂的Pt-Ni合金生长初期， 反应液为绿色，颗粒粒径在3.3nm左右， 组成为Pt70Ni30，择优暴露 和晶面。随着反应的进行，反应液变黄，纳米粒子长大，同时可以观察到，颗粒在和方向上择优生长。通过元素分析发现，这种各向异性的生长是Pt的累积过程，而Ni则主要分布在粒子的内部。之后，溶液变成棕色，纳米粒子也逐渐生长饱满为棱面的十二面体形，分析PtNi的元素比得知，Ni在纳米粒子的生长过程中沉积速度加快，纳米粒子的组成为Pt12Ni