Small Methods: 基于二维材料的单原子电催化剂研究进展

360_ss_note2 2019-04-01

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高性能电催化剂是多种清洁能源相关装置的核心部件，对解决全球性能源环境问题，构建可持续发展的能量循环体系至关重要。单原子催化剂因其具有最大化的原子利用效率和极高的催化性能，近年来在电催化领域备受关注。虽然此类电催化剂的活性多源自于载体上孤立的金属原子对反应中间体的吸附，但活性位点并不能简单地视为单个原子。对于特定的金属单原子，其催化活性与周围毗邻的配位原子环境息息相关。由于金属尺寸缩小至原子级，其电子结构受周围环境的影响达到了最大化，这使得通过配位环境精确调控金属单原子的电子结构，实现高性能电催化剂的理性设计成为可能。石墨烯等纳米材料具有独特的二维有序结构、较高的比表面积以及可调变的物理化学特性，有助于实现单原子位点在其表面的密集分散和电子结构调节，因此十分适合作为单原子点催化剂的载体。

近期，天津大学范晓彬教授课题组就基于二维纳米材料的单原子电催化剂如何通过电子结构调变实现催化性能增强方面的主要研究成果进行了归纳总结。作者首先介绍了从石墨烯、氮化碳、金属有机框架材料、共价有机骨架材料等前驱体出发制备单原子电催化剂的主要方法，并分析了不同方法在实现单原子电催化剂的可控合成及电子结构调变方面的优缺点。其次，作者介绍了如何通过结合先进表征技术和理论计算来鉴别单原子的配位环境，并揭示配位环境变化对金属中心电子结构的显著影响。随后，作者对当前单原子电催化剂的电子结构调变方法进行了分类总结，并对其中的机理进行了讨论：即（1）改变单原子的局部配位环境；（2）调节单原子在载体上的相对位置（负载在载体的边缘或基面）；（3）改变单原子周边的长程原子环境。在此基础上，作者基于电催化氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和二氧化碳还原反应（CO₂RR），进一步总结了通过电子结构调变引起的催化性能提升机理。最后，作者对今后单原子电催化剂研究的发展方向进行了展望。作者认为，原子级多金属位点的协同催化、高精尖的原位分析表征和更精确的理论计算将会在单原子催化剂的电子结构调变及活性增强方面发挥更加重要的作用。

该文章“Modulating the Electronic Structure of Single-Atom Catalysts on 2D Nanomaterials for Enhanced Electrocatalytic Performance”在线发表在Small Methods上（https:///10.1002/smtd.201800438）。