单原子催化剂的合成及其在电化学能量转换中的应用

自2011年张涛院士等首次提出单原子催化剂(SACs)概念以来,单原子催化迅速成为研究热点.SACs具有最大的原子利用率、独特的结构和性能,因而在催化领域具有很好的应用前景,备受关注.本文首先介绍了基于自下而上和自上而下合成策略的各种SACs制备方法以及近年来相应的研究进展,其中包括浸渍法、共沉淀法、原子层沉积法等较为传统的催化剂合成策略,以及缺陷设计法、空间限域法和火焰喷雾热解法等新方法,并详述了这些制备方法在实际应用中的优缺点.对于电催化原理分析方面,较详细地介绍了各电化学能源转换领域相关催化反应的理论计算结果以及各催化反应相应的原理与途径.然后重点介绍了含贵金属(Pt,Pd,Ir等)和非...

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Published in催化学报 Vol. 47; no. 4; pp. 32 - 66
Main Authors 詹麒尼, 帅婷玉, 徐慧民, 黄陈金, 张志杰, 李高仁
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 四川大学材料科学与工程学院, 四川成都610065 2023
Subjects
氧还原反应
Nitrogen reduction reaction
氮还原反应
二氧化碳还原反应
Hydrogen evolution reaction
析氧反应
Oxygen evolution reaction
析氢反应
单原子催化剂
Electrocatalysis
Single atom catalyst
Oxygen reduction reaction
CO2 reduction reaction
电催化
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ISSN0253-9837

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Summary:自2011年张涛院士等首次提出单原子催化剂(SACs)概念以来,单原子催化迅速成为研究热点.SACs具有最大的原子利用率、独特的结构和性能,因而在催化领域具有很好的应用前景,备受关注.本文首先介绍了基于自下而上和自上而下合成策略的各种SACs制备方法以及近年来相应的研究进展,其中包括浸渍法、共沉淀法、原子层沉积法等较为传统的催化剂合成策略,以及缺陷设计法、空间限域法和火焰喷雾热解法等新方法,并详述了这些制备方法在实际应用中的优缺点.对于电催化原理分析方面,较详细地介绍了各电化学能源转换领域相关催化反应的理论计算结果以及各催化反应相应的原理与途径.然后重点介绍了含贵金属(Pt,Pd,Ir等)和非贵金属(Fe,Cu,Co等)的SACs在析氧反应、析氢反应、氧还原反应、CO2还原反应和氮还原反应中的电催化应用.最后讨论了SACs的应用前景和未来面临的挑战:(1)深入进行SACs制备方法的研究,提高合成策略的实际应用可行性以推进催化剂的工业化进程;(2)提高SACs中金属负载量,以提升其催化性能;(3)结合理论计算,增强对SACs配位环境、电子结构的精确控制,进而优化催化剂的催化性能;(4)由于高原子表面能,单原子催化剂在催化应用中需解决活性金属单原子容易出现的团聚问题,因此,提高催化剂稳定性是SACs催化性能研究的重要方向;(5)单原子催化剂的结构简单均一,这非常有利于理论计算研究,目前仍有很多单原子的催化机理尚未明确,可基于理论模拟进一步加深对单原子催化机理的研究.虽然SACs在未来的开发研究中仍面临着诸多亟待解决的问题,但其未来应用潜力非常令人期待;经过不断的发展创新,高性能低成本的单原子催化剂将在工业化生产以及新能源发展中扮演着越来越重要的角色.
ISSN:0253-9837