碳載非貴金屬、原子級分散催化劑、晶格應變、鈷硫化物/氮化物

2020-12-07 騰訊網

01

碳載非貴金屬作為能源相關電催化劑

燃料電池、金屬-空氣電池和電解槽等可持續能源轉換和存儲設備的發展高度依賴於催化氧氣還原反應（ORR）、氧氣析出反應（OER）、氫氣析出反應（HER）和二氧化碳還原反應（CO2RR）。具有可變金屬尺寸（單原子、團簇和納米顆粒）的碳負載非貴金屬（C@NPMs）引起了人們對催化這些反應的極大興趣。因此，有必要對該領域的最新進展進行系統總結。但是，很少有關C@NPMs的全面綜述。在此，韓國首爾國立大學Jongwoo Lim/Jian Wang團隊綜述了C@NPMs催化ORR/OER/HER/CO2RR/的最新進展（2015-2020）。本綜述首先介紹了C@NPMs的各種合成方法。接下來，闡述了調節C@NPMs電化學性能的潛在設計策略，包括缺陷設計、孔隙率調製、金屬尺寸調節，碳殼調整和多金屬耦合。隨後，分析了C@NPMs在ORR、OER、HER和CO2RR催化的最新進展，涵蓋了這些反應的基本原理（基本步驟、性能指標和催化機理）。這篇綜述不僅分析了該領域的進展，而且還傳達了方法並提供了見解，可以指導C@NPMs的未來發展和實際應用。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.202000621

02

選擇性負載原子Pt，穩定實現HER

對於實現氫氣析出反應（HER）的高性能電催化劑在可再生能源的開發中起著重要作用。Pt仍然是已知最有效的HER電催化劑。因此，有必要找到在實際應用中使Pt利用率最大化的方法。在此，北京化工大學王峰/張正平團隊展示了一種在環境溫度和壓力下通過光活化合成RuCeOx負載的、選擇性負載原子Pt（0.49 wt. %）（表示為Pt/RuCeOx-PA）的簡便策略。通過RuCeOx中Mott-Schottky異質結處的光電子轉移，Pt原子嵌入了RuO2晶格中。在Pt/RuCeOx-PA中選擇性負載的Pt-O-Ru分子比通過化學活化或熱活化隨機負載的Pt配合物具有更強的氫氣析出效果。結果，Pt/RuCeOx-PA在隨機負載的材料上顯示出優異的HER性能，甚至在高電流密度（50–600 mA cm-2）下比商用Pt/C催化劑（具有更高Pt載量，20 wt. %）具有更好的性能。

03

原子級分散催化劑的直接表徵

金屬，氮-摻雜碳材料作為非均相催化劑引起了人們的關注，該催化劑含有類似於分子催化劑的MNx活性位。Ni，N-摻雜碳是一類特別令人感興趣的催化劑，它是一種將CO2電化學還原為CO的活性催化劑。了解這些材料的關鍵是如何證明單原子位點以及表徵金屬原子周圍的環境。然而，直接探索這種配位仍然充滿挑戰。在此，美國史丹福大學Thomas F. Jaramillo/鮑哲南團隊和SLAC國家加速器實驗室Christopher Hahn課題組合作，通過結合掃描透射電子顯微鏡（STEM）、單原子電子能量損失譜（EELS）和飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）可以解決這一挑戰。通過STEM成像，可以確定Ni在碳骨架中的原子分散性，並通過圖像分析對Ni原子的鄰近距離分布和位點密度進行了半定量估計。原子分辨EELS證明了N和Ni共同位於單個Ni原子位點，表明Ni-N配位。ToF-SIMS揭示了NiNxCy-碎片的分布，其反映了Ni，N-摻雜碳中的Ni-N鍵合環境。Ni，N-摻雜碳的碎片類似於Ni酞菁，表明存在異質的分子狀NiN4活性位點，這激發了利用分子催化設計洞察力開發下一代非均相催化劑的未來研究。

04

晶格應變實現高效全解水

開發用於分解水的高效非貴金屬電催化劑對於發展清潔和可逆的氫能至關重要。引入晶格應變是開發高效電催化劑的有效策略。但是，晶格應變通常是與異質結構、空位或底物效應共同產生的，這使應變活性相關性的識別變得十分複雜。在此，天津大學鄧意達/韓曉鵬團隊設計合成了一系列晶格應變的均相NiSxSe1-x納米片@納米棒雜化結構。具有約2.7%晶格應變的NiS0.5Se0.5表現出出色的氫氣和氧氣析出反應（HER/OER）活性，在10 mA cm-2時可分別提供70和257 mV的低過電位；即使在100 mA cm-2（300 h）的大電流密度下也具有長期耐久性，大大優於其他基準和貴金屬催化劑。實驗和理論計算結果表明，所產生的晶格應變減少了金屬d-軌道的重疊，從而導致更窄的帶寬和更靠近費米能級的d-帶中心。因此，NiS0.5Se0.5對HER具有良好的H*吸附動力學，對OER具有較低的能壘。這項工作為調節先進催化劑材料的晶格應變並進一步提高能量轉化技術的性能提供了新的見解。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202000231

05

鈷硫化物/氮化物複合材料作為高效雙功能電催化劑

中山大學奚斌/ Zhixin Wan團隊綜合研究了用於全解水的高活性和穩定的鈷催化劑。這種SFCNF/Co1-xS@CoN複合材料是通過靜電紡絲和原子層沉積（ALD）技術集成而製備的，其由S-摻雜的柔性碳納米纖維（SFCNF）基質、Co1-xS納米顆粒和CoN塗層所組成。代表性的結果包括以下內容：1）通過ALD將超薄CoN層沉積在柔性基底的表面上，而沒有犧牲SFCNF和Co1-xS；2）複合材料在酸性和鹼性溶液中均表現出強的電催化活性。在鹼性介質中，電流密度為10 mA cm-2時，氫氣析出反應（HER）和氧氣析出反應（OER）的過電位分別為20和180 mV。在0.5 M H2SO4電解液中觀察到54.4 mV dec-1的小Tafel斜率；3）作為整體水分解電極進行測試，該複合材料在1.58 V的相對較低電壓下記錄的電流密度為10 mA cm-2，在最大電流密度為50 mA cm-2的情況下可維持20 h的長期穩定性。全解水的優異性能可能歸因於Co1-xS和ALD CoN的協同效應。具體而言，可以將ALD的實施擴展到創新納米結構材料，以用於全解水甚至其他可再生能源方面。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202002432

（本期作者：毛毛的維）

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