一篇ACS Nano,全面了解單原子催化劑在電池領域的應用!

2021-02-26 催化計

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由於能源危機和環境汙染，迫切需要開發有效且穩定的電化學能量存儲（或轉換）系統，但仍然非常具有挑戰性。下一代電化學能源存儲和轉換設備，主要包括燃料電池，金屬空氣電池，金屬硫電池和金屬離子電池，已被視為未來大規模能源應用的有希望的候選者。所有這些系統都是通過一種化學轉化機制運行的，目前這種機制受到反應動力學差的限制。單原子催化劑(SACs)具有最大的原子效率和明確的活性位點。它們已被用作電極組分，以增強氧化還原動力學並調節反應界面處的相互作用，從而提高器件性能。

有鑑於此，中南大學吳飛翔教授和雷永鵬教授等人，綜述了用於燃料電池和可充電電池的單原子催化劑的研究進展。

本文要點

要點1. 簡要總結了下一代電化學能量存儲（或轉換）設備的相關背景知識，動機和工作原理，包括燃料電池，鋅空氣電池，鋁空氣電池，鋰空氣電池，鋰-CO2電池，Li-S電池和Na-S電池。在指出每個系統中尚存的挑戰時，闡明了SACs解決這些開發瓶頸的重要性。然後，進一步探討了SAC在各種設備系統中的工作原理和最新進展。最後，對SACs在下一代電化學儲能和轉換器件中的應用前景進行了展望。

要點2. 在ORR方面，M-N-C位點是目前最有希望取代貴金屬Pt的ORR催化劑。大量的實驗數據表明，與簇狀或納米顆粒相比，均勻分布的金屬SAC顯示的ORR性能更好。配位不飽和環境為反應物分子提供了合適的吸附位點，而金屬與載體之間的相互作用調節了中心金屬SA的電子結構並增強了其固有活性。

要點3. 目前，Fe-N-C和Co-N-C是研究最多的ORR活性位點。總體而言，在H2/O2和H2/空氣條件下，PEMFC的功率密度存在顯著差異。而且，基於Fe SAC的Zn-空氣電池比其他電池具有更高的功率密度。對於金屬硫電池而言，SAC的引入有效地促進了整體性能，因為它具有活化的吸附作用和硫轉化的高活性。

Yuchao Wang et al. Single Atom Catalysts for Fuel Cells and Rechargeable Batteries: Principles, Advances, and Opportunities. ACS Nano, 2021.

DOI: 10.1021/acsnano.0c08652

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08652

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