（1）包信和国家自然科学奖一等奖：“纳米限域催化”作用！

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2020年度国家科学技术奖颁布，其中，中国科学院大连化学物理研究所的“纳米限域催化”获得了国家自然科学奖一等奖。

“催化”是啥？让我们回想中学化学课上的概念。

“纳米限域催化”是啥？让我们花4分钟看个视频↓↓↓

人类的生产、生活都离不开化学反应，它关乎健康、环境、能源各个领域。实现对化学反应的控制是化学科学的核心和关键。如何让化学反应更精准、可控？这需要催化技术的帮助。

催化反应，通过催化剂与反应物的相互作用，改变化学反应的反应能垒，达到调控化学反应的目的。这种相互作用的本质，是反应物分子和催化剂粒子之间的电子相互作用。

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（2）Angew综述：纳米限域电催化！

构建纳米粒子和纳米结构化的电极目前在电催化剂领域得到广泛发展，这些纳米材料体系通过形成不同结构产生不同程度的空间限域作用，这种效应对电催化反应的选择性和催化活性比预想产生更高的影响作用。

有鉴于此，新南威尔士大学J. Justin Gooding、波鸿鲁尔大学Wolfgang Schuhmann等进行综述总结，首次对不同程度纳米限域作用总结和讨论，对其如何影响电催化反应的选择性和催化活性进行总结讨论，随后对电化学和电催化如何受到纳米限域作用的影响进行总结，特别是通过近期发展的原子级精度的材料制备技术、先进理论计算模型得以有效的促进研究纳米限域作用。

本文综述有助于研究纳米结构如何从不仅仅是简单的增加表面积，还包括通过热力学角度打破标度关系从而改善电催化性能。

本文要点

要点1. 纳米限域体系的种类。分别讨论：纳米粒子、纳米柱状结构、枝状结构形成的限域空间；两个平行板之间构建的限域空间；多孔纳米粒子、膜形成的限域空间；隔离通道形成的限域空间。随后分别讨论纳米限域作用如何在电催化反应中起作用；纳米限域作用对传质的影响；纳米限域作用如何打破电催化的标度关系。

要点2. 总结与讨论。目前人们对纳米限域作用在电催化中起到的作用还没有得到广泛深入的研究，对纳米限域作用对电催化反应动力学的影响、反应选择性问题的作用的研究还非常罕见，一些研究开始发现纳米限域作用能够产生非常显著的影响，比如影响传质、改变物种的微观浓度，从而改善吸附、克服标度关系、驱动双分子反应。

Johanna Wordsworth, Tania M. Benedetti, Samuel V. Somerville, Wolfgang Schuhmann, Richard D. Tilley, J. Justin Gooding, The Influence of Nanoconfinement on Electrocatalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

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（3）曾杰/夏川/郑婷婷Angew：纳米限域作用助力电催化碳碳偶联

研究人员将铜基空心多层纳米结构催化二氧化碳电还原(CO₂RR)C₂₊产物的产率与层数相关联，通过理论模拟和机理实验发现了多层结构独特的纳米限域对碳碳偶联效率的提升作用，为高效CO₂-to-C₂₊电催化剂的设计提供了新的理解。研究人员通过有限元方法模拟发现了铜基空心多层纳米结构（Cu-HoMSs）催化CO₂RR时C₂₊产率与催化剂结构层数的正向关联；在此指导下，借助Ostwald熟化合成了具有1-3层的Cu₂O HoMSs催化剂，CO₂RR测试表明随着层数增加，C₂₊与C₁产物的比例逐渐增加，其中，CO₂电催化还原反应中原位形成的3层Cu-HoMSs在中性电解液环境中实现了77.0 ± 0.3%的C₂₊法拉第效率（FE）和513.7 ± 0.7 mA cm^-2的C₂₊偏电流密度；原位谱学和机理实验确认了多层HoMSs对*CO中间体的富集作用，验证了理论模拟的结论。这为CO₂RR电催化剂偶联效率的提升提供了新思路。

（1）有限元方法理论模拟 

（4）碳纳米管限域超细PdMo纳米线在氧还原催化中的应用

不同材料（尤其是贵金属）一维（1D）超细纳米线由于其丰富的活性暴露位点，在催化剂应用中具有很好的前景。然而，可控合成和稳定性问题阻碍了它们的实际应用。近日，北京航空航天大学Yongji Gong，Huiping Duan等采用单壁碳纳米管（SWCNTs）作为模板来合成和稳定金属超细纳米线，并将其用于氧还原反应（ORR）。

要点1. 实验表明，所制备的PdMo纳米线的半波电位为 0.923 V，质量活性分别是商业Pt/C和Pd/C催化剂的35倍和130倍。由于SWCNTs的保护，获得的催化剂可以实现50000次循环，具有很好的ORR耐久性。

要点2. 密度泛函理论(DFT)计算表明，SWCNTs表面可以被封装的PdMo NWs激活，以实现对O2的吸附和随后的还原反应。

要点3. 此外，作者将PdMo NWs@SWCNTs用作锂氧电池的阴极，表现出优异的催化性能。该电池可以达到超过10 000 mAh g-1的高放电容量，优于大多数已报道的催化电极。

该工作报道的合成限域超细纳米线的简便策略有望为设计和探索用于能源相关应用的各种高效耐用催化剂提供新的思路。

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（5）Nat. Commun.：二维石墨烯多层纳米限域金属有机框架获得超高析氧活性

大连化物所肖建平，宁波材料所张涛，浙江大学侯阳（共同通讯作者）等人开发了一种通过将导电性差的MOFs纳米限域在石墨烯多层之间来提高其OER活性的策略。所得到的NiFe-MOF//G在10 mA cm^-2电流密度时具有仅106 mV的过电位，并保持活性超过150 h。相关成果以“Exceptional catalytic activity of oxygen evolution reaction via two-dimensional graphene multilayer confined metal-organic frameworks”为题发表在Nature Communications上。

图1.合成和表征。（a）电化学合成过程的示意图和（b）合成的NiFe-MOF//G的示意图；（c）NiFe-BTC//G横截面的透射电镜图像；（d）对(c)的放大图像；（f）原始石墨箔的横截面图；（e）计算的NiFe-BTC//G和g石墨箔的层间间距。

本文作者通过石墨烯多层的纳米限域，使导电性差的MOFs具有更强的催化性能。这种纳米限域优化了MOF材料的电子结构和催化中心，并降低了电化学反应的极限电位。因此，制备的NiFe-BTC//G-2h在10 mA cm^-2时显示出相当低的OER过电位106 mV，并具有超过150 h的良好稳定性。此工作挑战了原始MOFs作为惰性催化剂的常见概念，并揭示了利用导电性较差甚至绝缘的MOFs进行电催化应用的可能性。

Exceptional catalytic activity of oxygen evolution reaction via two-dimensional graphene multilayer confined metal-organic frameworks. （Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33847-z.)

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（6）苏成勇JACS：MOF限域纳米空间中单原子位点助力高效光催化析氢

参考文献：

Qijie Mo, et al, Engineering Single-Atom Sites into Pore-Confined Nanospaces of Porphyrinic Metal-Organic Frameworks for the Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution Reaction, J. Am. Chem. Soc., 2022

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（7）南京大学潘丙才EST综述：基于纳米限域效应的水处理—从基础到应用

 近日，南京大学环境学院潘丙才教授等人总结了纳米材料及纳米限域在废水处理中的研究进展，从水分子的结构和行为、受限纳米材料的形成和纳米化学反应三个方面着重强调了纳米限域效应，并对未来的研究工作进行了展望，相关成果以 “Nanoconfinement-Mediated Water Treatment: From Fundamental to Application”为题发表在环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology上（Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 8509-8526）。

有趣的是，当纳米限制的大小在一个或几个纳米的范围内，物质的相行为、以及化学反应或物理过程中的能量分布可能与其宏观性质存在差异，这种现象被称为纳米限域作用。例如，纳米限制改变成核/熔化温度，并允许纳米分子簇之间的竞争，并导致形成多晶。更重要的是，纳米约束水表现出异样的特性和行为，例如，提升的冻结温度和异常低介电常数。同时，限制通道中的水和离子的传输并不遵循连续的运输模型。最近，从纳米限域的基础研究中获得的新理论，科学家们试图探索纳米约束技术在各个领域的应用。例如，在多相催化领域，具有独特几何和电子结构的纳米限制已被有效地利用调节受限活性物质的催化性能。

     尽管已有不少例子利用纳米限域效应提高污染物的去除效率，迫切需要对纳米约束下材料和水分子的外来特性与污染物去除之间关系的系统理解。在本综述中，我们使用新的视野来揭示纳米约束如何改变我们对水处理各种过程的理解。该综述的想法流程如图1所示。

图1 本综述的想法流程图：（a）在各种水处理技术中直接使用纳米材料去除污染物。（b）直接将纳米材料用于工业应用的主要挑战。（c）将纳米材料限制在可能扩大规模应用的各种基材材料中。（d）当临界尺寸减小到一个或几个纳米时，将从不同的角度探讨几个方面。

图2 纳米材料用于各种水处理技术中的污染物去除的最新技术，包括 涉及的机制和改进策略：（a）吸附，（b）高级氧化，（c）消毒和（d）膜分离

图3 通过将纳米颗粒固定在各种基质材料中而制备的纳米复合材料，具有扩大规模应用的潜力。 

 本文讨论了纳米限制对水净化的可能影响，从纳米限制水，纳米限制下的结晶和纳米限制下的化学反应这三个主要方面进行讨论，这三个方面本质上是相互联系的，并且可以相互影响。例如，纳米约束作用下水分子的独特结构和动力学特性可能改变其溶剂化状态以及无机离子的迁移，对结晶过程产生影响，最终影响目标污染物分子的吸附或化学反应。

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（8）前沿｜张正华团队在膜法纳米限域催化水处理领域取得系列进展

清华大学深圳国际研究生院张正华课题组创新性提出了膜法限域催化技术，耦合限域催化和膜过滤为一体，开展了一系列的工作，实现了在（亚）纳米尺度下连续并多级高效催化产生活性自由基、降解有机污染物、原位清洗及控制膜污染，突破了常规纳米材料构建限域催化存在的易流失、不好重复使用、限域空间有限且不能连续运行等缺点，揭示了（亚）纳米尺度膜法限域催化和传质的机制，实现了限域催化膜较传统纳米材料催化活性3-5个数量级的提升及膜法限域催化相对长期、稳定、高效的运行。

（9）清华大学张正华团队ACB：限域催化膜——钴功能化石墨相氮化碳纳米片组装的纳米限域催化膜用于快速降解污染物

限域催化是指催化反应发生在纳米尺度的空间内，电子的运动受到空间的束缚和限制，这种限域效应将会改变电子运动特性、导致体系电子结构特别是价电子结构的改变，从而可能会产生量子突变，进而极大地提高了催化反应效率。张正华教授课题组在前期的工作中开发了应用于水处理的基于纳米材料限域催化技术。近日，清华大学深圳国际研究生院张正华团队在Applied Catalysis B: Environmental 上发表了题为：“Nanoconfined catalytic membranes assembled by cobalt-functionalized graphitic carbon nitride nanosheets for rapid degradation of pollutants” 的研究论文。

图8. （a）相互作用能（E_int）和几何结构；（b）电子密度差（EDD）图；（c）PMS解离过程中的能量分布。

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（10）中科大曾杰团队等Nature：“纳米岛”限域的原子级分散催化剂突破活性和稳定性矛盾

10月26日，中国科学技术大学曾杰课题组、华盛顿州立大学Yong Wang课题组、加利福尼亚大学戴维斯分校Bruce C. Gates课题组和亚利桑那州立大学刘景月课题组合作，在《自然》杂志发表了题为“Functional CeO_x nanoglues for robust atomically dispersed catalysts”的文章。该工作报道了一种“纳米岛”限域的原子级分散催化剂，突破了传统催化剂活性和稳定性的矛盾。在该研究中，李旭特任副研究员是第一作者，曾杰教授为共同通讯作者。研究人员设计出一种“纳米岛”型催化剂，即活性金属原子被隔离在“岛”上，可在各自的“岛”内移动但跨“岛”迁移受阻，进而实现原子的动态限域稳定。