发展可再生和高效的能源转换技术对于满足不断增长的能源消耗和环境保护来说是至关重要的。在各种类型的能量转换方法中，电化学二氧化碳还原和电解水环境友好且高效。然而，上述能量转换方法的效率与速率受限于动力学缓慢。因此，开发耐用且高效的电催化剂对于加快反应动力从而提高总能量转化效率至关重要。目前，贵金属基催化剂（例如，Au，Pt，RuO2和IrO2）已被证明是许多能量转化过程中最有效的电催化剂，但是其稀缺性和高成本严重阻碍了它们的大规模应用。电催化剂的催化效率在很大程度上取决于两个要素，即反应位点的数量和固有活性。随着催化剂尺寸的减小，更多的反应位点被暴露，从而大大增加了反应位点的总数。另一方面，可以通过调整电子结构和协调范围来实现大大增强单个位点的固有活性。具有可调电子结构和不饱和配位的单原子催化剂(SACs)在各种催化过程中均具有出色的催化性能。此外，SACs中孤立的活性位点的均质性为监测现实条件下反应中心的结构演变提供了理想的模型。近日，南洋理工大学楼雄文教授团队在Angewandte Chemie-International Edition上发表题为“Atomically Dispersed Reactive Centers for Electrocatalytic CO2 Reduction and Water Splitting”的综述文章。首先，作者全面总结用于电催化二氧化碳和电解水的单原子催化剂的最新研究进展。通过精确地调整孤立的反应中心的协同环境，着重于结构与性能关系。此外，列举一些原位表征的在单原子催化上的应用，可以监测单原子反应中心的结构演变用于催化机理和潜在的构效关系。最后，对催化机理的认识和SACs的合理设计提出了一些挑战和研究观点。图一：具有不同结构效应的单原子催化剂应用于电催化水裂解和CO2还原（b）在Co-N2的放大HAADF-STEM图像中观察到孤立的单原子。（c）从Pd纳米颗粒演变为Pd单原子的转化示意图。（d）从Pd粒子到孤立的Pd原子的拉伸路径的计算能量图。（e）用于制备Pt1 / Ti3-xC2Ty的自还原稳定过程。（f）分离的Pt原子修饰的MXene的HAADF-STEM表征。（j）MCM @ MoS2- Ni合成过程的示意图，以及（k）Ni修饰对MoS2 HER活性的影响的理论计算。（f）示意图说明分离出的铜原子在CO2还原过程中的作用。（h）CH4在SA-Zn/MNC上的演化路径示意图。（b）共取代Ru的Ru K-edge XANES光谱。（c）np-Ir/NiFeO的Operando XANES光谱。（d）用于Ni-O键合的np-Ir / NiFeO的EXAFS光谱。（f）在操作电位下在不同电位下记录的np-Ir/NiFeO的Ni K边缘XANES光谱。（g）np-Ir/NiFeO在不同电位下的Fe K-edge XANES光谱。SACs具有无与伦比的几何结构和电子结构，在过去十年中取得了长足的进步，并在非均相催化方面表现出令人着迷的性能。SACs还通过在均相载体上提供均相分散的反应中心，为桥接均相和异相催化提供了一个很好的平台。我们对SACs的认识从催化剂的构建、表征、性能评价和机理解释等方面迅速发展起来。然而，尽管取得了初步的成功，但在SACs的发展和应用中还存在许多挑战。主要如下；1) 提高SACs单个反应位点的负载量是满足实际多相催化应用需求的关键，也是SACs发展面临的主要挑战之一。2) 尽管人们对SACs的开发投入了极大的关注，但只有很少的报道涉及在异质支持物上修饰的双核和多核物种的构建。3) 应该更加重视在更大的领域中扩展SACs的应用，尤其是对于那些重要的工业转换过程。3) 单原子催化剂由于其位点单一，对于深入理解催化反应中的机理提供了便利。但是目前绝大多数单原子催化剂在真实反应体系中的状态仍然未能被完全理解。因此结合原位表征技术手段，比如原位同步辐射，对单原子催化剂的真实催化状态进行研究非常关键。这不仅有利于对单原子催化的反应机理理解，也为设计高效的催化剂提供了现实依据。文献链接：“Atomically Dispersed Reactive Centers for Electrocatalytic CO2 Reduction and Water Splitting”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202014112)
目前评论：0