AEM综述:设计单原子催化剂以调整其性质为电化学还原和析出反应

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标题:Engineering Single Atom Catalyststo Tune Properties for Electrochemical Reduction and Evolution Reactions

第一作者:Kakali Maiti
通讯作者:Jeong Woo Han  

  

研究内容:
电催化对于包括燃料电池、水电解和电池在内的可再生能源的转化和储存是很重要的。设计金属基纳米结构及其原子级表面是一种很有前途的设计电催化剂的方法。单金属原子与底物和反应环境的相互作用至关重要地调节活性金属中心的表面电子特性,产生可控的标度关系和转换在不同反应机制之间,从而提高催化活性。单原子催化剂 (SAC)允许活性和选择性的调整,同时保持相对一致的形态。SAC在均相单原子分散内部具有明确定义的组态和活动中心,这使催化剂产生突出的选择性、活性和稳定性。此外,具有高单原子利用效率、良好控制的基材成分和工程表面结构的SAC,可以开发用于分子反应的单原子活性位点,提高质量活性。不同金属基SAC纳米结构的最新进展被讨论,以解释其卓越的双功能电催化活性和高机械灵活性,特别是在析氧反应,氧还原反应,二氧化碳还原反应,析氢反应以及在电池应用中。现有的阻碍以及对提高SAC性能的见解被讨论。这项研究发展了关于单原子的应用和基本见解,旨在调整其电催化活性和增强它们的稳定性。

文章要点:
此综述主要讨论了不同金属基SAC纳米结构的最新进展,以解释其卓越的双功能电催化活性和高机械灵活性,特别是在析氧反应,氧还原反应,二氧化碳还原反应,析氢反应以及在电池应用中。最后,对于SAC目前的阻碍和提升性能的方法进行了讨论。

1:用于开发不同金属基SAC的设计、构建、优化、测试和学习周期。SAC通过严格的测试这种启发式方法已经存在,尽管在未来的电催化研究中可能会遵循筛选、优化和工程的顺序迭代。


2M1/Fe3O4(001)SACM(111)MOx表面CO吸附能与d带质心的关系图,说明了以氧(红色)和碳(黑色)为特征的配置的第一配位球,其中SAC由相应的巴德电荷标记。a)作为Ni氧化态改善,CO结合能降低,d带质心从EF移动。嵌入五重Ni位点的Fe3O4(001)NiO(100)具有相似的d带质心由于它们的类似键合。b)氧化银将d带质心移向EF,产生更强的CO结合能相对于相应的金属表面。 Ag2O(111)顶部的Ag原子由于其线性CO-Ag-Osurface键合而对CO 具有很强的Eadsc)五折由于强阳离子氧化,Fe3O4(001)上的配位Ir1Ir(111)具有更有利的CO Eads,改善了5sd电子转移。离子对五重位点的作用类似于IrO2(110)表面上的阳离子。d)C2N−Fee) C2N-Fe-O2f) C2N-Fe-O2-H的自旋密度等,值面值为5 × 10−3 e Å−3 g−i)等值面值为0.1 e Å−3。电子积累和消耗分别以黄色和蓝色突出显示。

3a)Fe-Nx-Cns合成的启发式描述产生实验解析 b) SEM, c) TEM, d) 2D AFM(伴随厚度分布),e) 3D AFM图像,最后一个图像具有 Fe-Nx-Cns800℃下的算术和二次平均表面粗糙度测量值(Ra Rq)。f) Fe/N-CNR合成过程的视觉描绘,含FeCOH N原子分别以橙色、灰色、红色、白色和蓝色着色。g) Fe-MIL-88Bh) Fe2O3i) Fe2O3-PPy-NRs  j) Fe/N-CNRsTEM成像。k) Fe/N-CNRsHRTEM,具有具有丰富缺陷的非晶C衬底及其SAED 图案(插图)。l) Fe/N-CNRsAC HAADF-STEM成像(Fe 原子是黄色圆圈内的亮点)。m) Fe/N-CNRHAADF-STEM成像和n)相关的C(红色)、N(橙色)和 Fe(绿色)元素分布。o)SA-Fe-NHPC 合成示意图。p) TEMq) HAADF-STEM  r) 对应于 (q) C(黄色)、N(蓝色)和 Fe(绿色)的元素分布(r)中的绿色轮廓)。s)SA-Fe-NHP 的原子分辨率HAADF-STEM 成像,突出显示了孤立的Fe原子(黄色圆圈)。t) Fe-SA-NSFC的制备。



参考文献:
KakaliMaiti, Sandip Maiti, Matthew T. Curnan, Hyung Jun Kim, Jeong Woo Han. EngineeringSingle Atom Catalysts to Tune Properties for Electrochemical Reduction andEvolution Reactions. AEM, 2021. https://doi.org/10.1002/aenm.202101670


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