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...

2021-01-07 騰訊網

01

單原子催化劑的結構調控和支撐偶聯效應

單原子催化劑（SACs）集成了均相和非均相催化劑的優點，並在近些年獲得了廣泛的關注。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。在這篇綜述中，中國科學技術大學宋禮課題組從局域結構調節以及金屬物種和載體之間協同偶聯作用的角度，總結了SACs在非均相催化應用上的最新進展。通過先進的表徵和理論研究，著重從配位環境、價態和金屬-載體之間的相互作用，文章特別強調了催化結構與性能之間的關係。還指出了在實際條件下，利用原位或操作表徵技術來追蹤SACs結構演變的重要性。最後，作者對存在的挑戰和機遇進行了展望，以合理設計出更多具有高活性和獨特化學選擇性的SACs。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202001482

02

雙原子鐵催化劑實現高效OER

理解金屬原子的熱聚集行為對於精確合成負載的金屬團簇非常重要。在此，日本產業技術綜合研究所（AIST）-京都大學能源化學材料開放創新實驗室徐強課題組將孔道內封裝了三核Fe III 2 Fe II絡合物（表示為Fe 3）的金屬-有機框架進行衍生處理，製備了定義明確的氮-摻雜碳層，以作為穩定鐵納米糰簇的理想載體。通過合成同構的三核-絡合物前驅體（Fe 2 Zn/Fe 2 Co），將其他金屬（II）離子（例如Zn II/Co II）進行原子級地取代Fe II，即「異質原子調節劑方法」，在碳層內優化的金屬-氮分子中形成了穩定的鐵-二聚體簇，從而抑制了鐵原子向納米糰簇的聚集。此外，通過實驗證明了作為金屬-金屬協同作用位點的負載鐵二聚體可有效進行氧氣的析出反應。該發現提供了原子尺度上的見識，可指導未來超小型金屬簇（具有出色催化能力）的設計。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202007221

03

孤立的FeN4位點有效還原CO2

孤立金屬位點的構建代表著一種設計電催化劑的有力策略，可實現二氧化碳（CO2）的有效電化學轉化。在此，新加坡南洋理工大學王昕課題組通過簡單的吸附法，合理製備了Fe-摻雜的石墨碳氮化物；並將其作為模板，通過受限的熱解策略，構造了孤立的FeN4位點，避免了合成過程中金屬原子的團聚，從而提供了豐富的活性位點以進行CO2還原反應。孤立的FeN4位點降低了CO2還原過程中關鍵中間體的能壘，從而提高了CO產物的選擇性，法拉第效率高達93%。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001545

04

中空Rh摻雜CoFe層狀雙氫氧化物高效分解水

探索用於分解水的高活性、廉價雙功能電催化劑被認為是發展氫能技術的先決條件之一。在此，復旦大學葉明新/沈劍鋒團隊提出了一種有效的同時刻蝕-摻雜沉降平衡（EDSE）策略，以設計和製備中空Rh-摻雜的CoFe-層狀雙氫氧化物，用於全解水。具有優化組成和典型中空結構的電催化劑可加速電化學反應：對於氫氣析出反應（HER），在28 mV的過電勢下（188 mV時為600 mA cm-2），可達到10 mA cm-2的電流密度；對於氧氣析出反應（OER），在245 mV時為100 mA cm-2。該電催化劑所組裝電解槽總的全解水電壓僅為1.46 V，遠低於由Pt/C和RuO2構造的商用電解槽以及大多數報導的雙功能電催化劑。此外，由Rh摻雜引入的Fe空位和典型的中空結構被證明可以優化整個HER和OER過程。EDSE將摻雜與模板導向的中空結構聯繫在一起，為開發用於全解水的雙功能電催化劑指明了一個新的方向。同時，該策略在其他催化領域中也是較為實用的。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003556

05

異質結構的界面調節可高效實現HER

開發高效、資源豐富的MoS2-基氫氣析出反應（HER）電催化劑十分重要但也存在挑戰。這主要是由於其在鹼性介質的動力學緩慢所致。在此，昆明理工大學Jue Hu團隊和香港理工大學黃勃龍團隊、香港城市大學Michael K. H. Leung團隊合作，提出了一種通過金屬氧化物來調節界面電子結構的策略，以製備高性能的MoS2-基HER電催化劑。所有的異質結構催化劑都顯著改善了HER的電催化活性，證明了金屬氧化物改性在促進鹼性介質中HER機理的積極作用。所獲得的MoS2/Ni2O3H催化劑在10 mA cm-2下表現出84 mV低的過電勢，在1 M KOH溶液中具有1.5 Ω小的電荷轉移阻抗。在200 mV過電勢下的電流密度（217 mA cm-2）分別比商用Pt/C和純MoS2高出約2倍和24倍。此外，這些MoS2/金屬氧化物異質結構催化劑在苛刻的計時電位測試中顯示出出色的長期穩定性。理論計算揭示了不同過渡氧化物中3d-譜帶的靈敏變化，其中顯然激活了Ni2O3H的Ni-3d，以實現HER中的快速電子轉移。電子性質和能量反應趨勢都證實了MoS2/Ni2O3H在鹼性介質中能夠高效實現HER。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202002212

（本期作者：毛毛的維）

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