金屬離子幾何構型優化OER、電子結構調控助力HER、單原子催化劑

2020-12-14 騰訊網

來源丨Wiley威立

01

尖晶石氧化物中鈷離子幾何構型的優化促進OER

對催化劑中金屬陽離子的配位環境和電子結構進行調節可有效提高其催化活性，如在尖晶石氧化物中，確定鈷離子的最佳幾何構型對於設計高效的OER電催化劑具有重要意義。近日，湖南大學王雙印團隊選取三種尖晶石為模型，通過研究發現，八面體(Oh)中心的Co3+位點是OER電催化劑的最佳幾何構型，此外，八面體(Oh)和四面體(Td)中心的Co2+也可作為活性位點。理論計算表明，O*轉化為OOH*是Co3+(Oh)的決速步，其能壘最低，有助於提高OER活性。這項工作篩選了用作OER催化劑的鈷離子的最佳幾何構型，為設計高效的電催化劑提供了參考。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201914245

02

電子結構調控助力HER

儘管過渡金屬磷化物（TMP）已經成為替代Pt的最有前途的析氫反應(HER)催化劑，但其性能的進一步提高需要在局部原子水平上對TMP位點進行精細調控，和對其電子結構的催化機理有深刻的認識。近日，黑龍江大學陳志敏團隊首次報導合成負載在碳納米管上，由硼調控的CoP (B‐CoP/CNT)，其在廣泛的pH範圍內都具有析氫活性。在高電流密度(>100mA cm-2)的中性和鹼性介質中，其性能甚至優於商業Pt/C。實驗和計算表明，電負性的硼原子可調控催化位點的電子結構，增強Co原子的電子離域能力以獲得高電導性，同時優化活性位點上的H吸附和H2解吸，從而降低HER能壘。本文為研究基於非金屬調控電子結構的高效電催化劑提供了一種可行的策略。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915254

03

中空碳球限域Pt團簇增強HER

電解水是一種很有前景的製備清潔、可持續氫燃料的途徑。而金屬團簇由於表面原子比例高、組分和電子結構可調，可成為具有潛力的催化劑。近日，南洋理工大學樓雄文團隊報導利用中空的介孔碳球合成限域的Pt團簇(Pt5/HMCS)，這種結構能夠在配體去除過程中有效地穩定Pt團簇，並在酸性和鹼性條件下顯示出優異的析氫反應性能。實驗結果表明，經優化的該催化劑質量活性是同等Pt負載量的商業Pt/C催化劑的12倍；此外，其穩定性也有很大提升。這項研究為基於金屬團簇的貴金屬催化劑的設計和調製提供了一種簡單有效的方法。

相關焦點

  • ACS Catalysis綜述:單原子電催化劑-配位結構的影響
    當單原子以配位鍵錨定在基底，就會形成一種強金屬-基底相互作用，這種作用可以被用來調控催化活性和選擇性。然而，很多單原子材料都是熱解碳材料等方法製備的，這樣會使得材料中有很多複雜的配位結構，而解析這些結構又是了解進而操縱活性的關鍵。
  • 大連化物所實現單原子催化劑配位環境調控
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究室研究員王愛琴、中科院院士張濤團隊與清華大學教授李雋合作，發展了一種乙二胺絡合-惰性氣氛快速熱處理的單原子催化劑製備新方法，在不改變單原子分散的前提下，可以精細調控單原子中心的配位環境，從而建立了單原子配位環境、電子結構和催化性能之間的關係。
  • 中國科大取得基於單原子催化劑研究金屬-載體相互作用新進展
    近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院曾傑教授課題組、南開大學胡振芃教授和中科院上海應用物理研究所司銳教授合作，基於單原子催化劑，從電子最高佔據態角度定量研究了金屬-載體相互作用。
  • 單原子催化劑、雙原子鐵催化劑、FeN4位點、中空層狀雙氫氧化物...
    01 單原子催化劑的結構調控和支撐偶聯效應 可通過各種不飽和化學位點或空間限制作用，將SACs上單獨的金屬原子穩定在載體上，從而實現最大的原子利用效率。除了開發製備高載量和高純度SACs的策略外，該領域的另一個關鍵挑戰在於精確調控催化活性單金屬位點的幾何和電子結構，從而使該催化劑具有更好的反應活性、選擇性和穩定性。
  • 如何定義單原子催化劑?
    100%的負載型金屬催化劑。根據劉景月綜述和部分科學家認為，這種情況下，金屬原子可以是單原子、離子、配合物，也可以是二維的竹排結構，或者很小的團簇，三聚體、二聚體、單體的形式。 除此之外，還有一種主流觀點認為Atomically dispersed supported metal catalyst中，Atomically dispersed 僅指單個原子。
  • 研究發現單原子催化劑中經典金屬-載體強相互作用
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究室研究員喬波濤和中科院院士張濤團隊在單原子金屬-載體強相互作用研究方面取得新進展，首次發現Pt單原子能夠與TiO2載體間發生經典金屬-載體強相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI），但其所需發生溫度較Pt NPs更高，且Pt單原子失去
  • 大型單原子催化劑綜述:用於氧還原反應的單原子催化劑的分子設計
    然而，陰極氧還原反應緩慢限制了燃料電池的發展，這就需要使用Pt作為催化劑，因此增加了電池的總成本。近年來，在酸性和鹼性條件下均具有較高的氧化還原反應（ORR）活性的非貴金屬單原子催化劑(SACs)已經被認為是替代燃料電池中Pt的有效的替代物。研究人員已經進行了多種嘗試來進一步提高SACs的ORR活性，其中包括調節金屬中心的配位結構，富集金屬中心的濃度，以及設計基底的電子結構和孔隙率等等。
  • 一種「異常穩定」的單原子催化劑
    東京工業大學（Tokyo Tech）的科學家研究發現，困在C12A7晶體中的單個鉑原子可作為穩定和有效的催化劑催化硝基芳烴的氫化，而硝基芳烴是生產多種精細化學品的重要過程。他們的方法可能成為開發適用於廣泛工業應用的其他單原子催化劑的通用方法。
  • 可以大規模製備的單原子Fe-(O-C2)4催化劑促進氮氣還原合成氨
    編譯：唐思睿 雲南大學 材料與能源學院摘要單原子催化劑已顯示出優於其他類型催化劑的各種反應性能。但是，據報導，用於氮還原反應的單原子催化劑僅利用金屬-氮或金屬-碳配位構型作為催化活性位點。在這裡，我們報導了低成本，無氮木質纖維素衍生碳負載的Fe單原子電催化劑。擴展的X射線吸收精細結構光譜證實，Fe原子通過Fe-(O-C2)4配位構型錨定在載體上。
  • 發現單原子催化劑中經典金屬—載體強相互作用—新聞—科學網
    中科院大連化物所
  • 金屬單原子催化劑、無金屬異質原子摻雜碳、高活性無定型RuCu納米...
    01 新興的金屬單原子 能源轉換和存儲應用需要高度穩定和有效的電催化劑/電極來促進電化學反應，但是這些材料通常遭受嚴重的原子浪費，且性能低於理論水平，無法滿足綠色原子經濟日益增長的需求，從而限制了它們的進一步實際發展
  • JACS:從原子團簇到單原子催化劑,雙金屬催化劑協同促進CO2RR
    合金化是合成高性能催化劑的重要策略，其中雜原子相互作用可誘導幾何效應或電子效應，以改變表面吸附性質並提高活性。Pd-Au雙金屬合金催化劑已經用於CO2還原研究（Scheme 1 b）。這些研究主要集中在塊體合金成分與電催化性能的聯繫上。在無規面心立方（fcc）合金中，改變整體組成並不一定能精確控制表面原子結構。
  • 中國科大在催化劑金屬-載體強相互作用研究中取得進展
    負載型金屬催化劑對於現代工業至關重要。大量的實驗和理論研究表明，負載型金屬催化劑中的載體不僅扮演著分散和穩定金屬納米顆粒的作用，還會與金屬顆粒產生強相互作用，進而影響催化劑的活性、選擇性及穩定性。
  • 大化所丁雲傑課題組:構建優於均相催化的多相Rh單原子催化劑!
    ，利用簡單、高效、普適的貴金屬納米顆粒單原子級分散方法，通過調控載體表面氧官能團的配位，成功製備了一種優於均相催化的多相炭載Rh1/AC單原子催化劑。多相單金屬活性位點催化劑（單原子催化劑），憑藉其近100%的金屬原子效率和明確簡單的分子模型，成為了當代催化研究的熱點。同時，該催化劑由於結合了均相催化劑單一活性位和多相催化劑易分離的優勢，被認為是研究均相催化和多相催化的橋梁。此外，其簡單明確的分子結構為理論計算研究分子反應機理提供了很大的便利和優勢。
  • 北京林業大學王輝教授課題組JHM:單原子Fe催化劑原位電生成和活化H2O2高效去除水中氯黴素
    該項研究針對非均相類Fenton過程中所面臨的選擇性反應性受限等問題，開發出在原位H2O2生成中具備更高選擇性和催化活性的單原子Fe催化劑。通過催化劑表現暴露的Fe單原子位點與碳基體中摻雜的N、O缺陷的共配位實現調控陰極氧還原反應選擇路徑的目的。
  • Rev.最新綜述關於合成單原子催化劑
    在原子尺度下精準調控催化劑的活性中心可謂是化學合成催化劑的聖杯。單原子位點催化劑（Single atomic site catalysts，SASC）具有最大的原子利用效率和均一獨特的結構，為研究者在原子分子尺度設計催化劑的合成創造了機遇，成為未來催化劑重要的發展方向。
  • 西安交大研發電化學調控IrO2表面電子結構用於高性能制氫催化劑
    儘管已報導了許多耦合催化劑，但仍有一些關鍵問題需要進一步解決：1）陽極和陰極的催化劑通常在成分上存在很大差異，使製備過程複雜，且由於在電解水過程中可能發生催化劑溶解、再沉積反應，會引起陰極和陽極催化劑相互幹擾；2）大部分非貴金屬催化劑只能在鹼性或中性電解液中使用，在酸性條件下則不穩定，因此缺乏廣泛的溶劑適應性。
  • g-C3N4光催化劑的摻雜改性、形貌結構調控、分子結構優化及異質結...
    闡述了數種針對g-C3N4的改性和優化方法，包括通過非金屬、金屬摻雜和共摻雜改性g-C3N4光催化劑，設計零維、一維、二維、納米球及其他結構g-C3N4，對其進行分子結構優化，以g-C3N4為基礎構建Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、肖特基結和Z型異質結結構複合光催化劑，從而增大比表面積、提高電子空穴分離效率、擴展光響應範圍等，以提高光催化性能，並討論了相應的改性方法對光催化性能的影響。
  • .: 單原子催化劑促進信號放大策略用於生物傳感
    含有原子分散金屬活性中心的單原子催化劑(SACs)在各種催化反應的活性和選擇性方面具有獨特的優勢。因此，在可調節的金屬載體相互作用、配位環境和活性位點的幾何/電子結構的幫助下，SAC輔助信號放大策略在生物傳感器中具有廣闊的前景，表現出令人滿意的靈敏度和選擇性。
  • 中國科大利用原位同步輻射發現單原子近自由催化動力學行為
    其中，單原子催化劑由於其高的原子利用效率、優異的反應活性和選擇性，成為了近年來能源催化領域的明星材料。單原子催化劑的活性和選擇性高度取決於其金屬原子的局域原子和電子結構，及其與載體間的相互作用。然而，單原子催化劑在實際反應狀態下，受到溫度、電場、光照等外界環境激發，會發生結構演變的響應，因此，原位實時在線表徵這種特殊的結構響應行為對於理解單原子催化的本質並發現新的催化現象具有重要的啟發意義。