【《单原子催化剂分析概述》2500字】

单原子催化剂分析概述如今，新能源产业蓬勃兴起，在减少排放、取代化石能源、获得高附加值化学品方面，电催化能源转化和存储技术的重要性日益显著。实现该技术的关键因素是电催化材料，性能优良的电催化材料能提高电催化效率，提高其电催化性能、设计和合成新型电催化剂是目前电催化能源转化和能源存储的首要任务。纳米结构催化剂设计与合成方法的进展极大促进了电催化领域的发展[20]。总之，设计制备纳米电催化剂的两个基本原则是增加纳米电催化剂表面的催化活性点位的数量以及提高催化活性位点的活性，纳米电催化剂的结构（尺寸、结构、形貌和组分）决定了它的反应活性[21]。很多科学家围绕着如何调控纳米结构并提高纳米电催化剂的催化性能，在材料制备、表征技术以及理论模拟等方面取得了一系列的研究进展[22]，单原子催化剂成为近年来的研究热点。图1.9为传统单原子催化剂等分类。图1.9.传统单原子催化剂分类[23]。单原子催化剂的介绍图1.10.单原子催化剂的特性[24]。单原子催化剂的特性如图1.10所示。负载型金属催化剂的理想状况是单原子催化剂，单原子催化剂使得载体上的金属以单原子的形式分布。使其作为催化活性中心，实现了催化反应的高活性和多选择性，同时也为催化剂机理的研究提供了新的解决方案[25]。中科院化学物理研究所的张涛院士在这一方面取得了重要突破。他们创新使用湿化学共沉淀法成功获得了金属铂负载在铁氧化物上的单原子催化剂，创造性地提出了“单原子催化”的概念，为高性能催化剂的设计和合成提供了新的研究思路[26]。近几年来，研究人员在单原子催化剂的合成、表征及应用机理等关键问题上取得了一系列重要成就，推动了该领域的进一步发展。单原子催化剂的兴起为电催化的应用提供了广阔的空间。目前单原子电催化剂研究的重点主要围绕合成、表征以及应用机理的研究[27]。由于其独特的单原子分布状态，金属-金属键的缺失对电化学催化反应途径的影响是催化剂具有高选择性的决定因素。此外，载体与金属原子的强相互作用也会对其电催化活性以及稳定性产生重要的影响。综述从单原子催化剂的材料设计出发，介绍了其制备方法以及表征手段，随后总结讨论了单原子电催化剂在电解水（电化学析氢/氧）、氧气还原、CO2还原以及燃料分子（甲醇、乙醇和甲酸）氧化方面的电催化应用[28]。针对具体的电催化反应，结合催化剂的制备、表征以及理论模拟，作者在单原子尺度下探讨了电催化的机理，为设计高性能的纳米电催化剂提供了重要的理论指导。作者还讨论了进一步提高这类催化剂性能的有效手段，尤其是针对如何提高单原子的负载量以及活性位点的活性提供了一系列的解决方案。目前单原子电催化剂的研究还处于起步阶段，随着制备方法的发展、先进表征手段的应用以及实验与理论计算的有机结合，单原子电催化技术必将在纳米电催化领域取得更多突破性的进展[29]。单原子催化剂在电催化中的应用图1.11.单原子催化剂的应用。如图1.11是单原子催化剂在电催化中的应用。单原子电催化剂以其高活性、高选择性及高稳定性被人们广泛关注，并且应用于电催化的各方面[30]。单原子催化剂在析氢反应（HER）中的应用电催化析氢反应（HER）在反应过程中过电势不能过高，因此保持低的过电势就需要催化剂的参与。目前作为最好的电催化析氢反应催化剂——铂（Pt）基材料，却被过高的成本遏制了铂基催化剂在工业生产中的大规模应用。为了降低成本，提高铂的原子利用率来达到减少铂金属用量的目的，而单原子铂催化剂恰好能达到这种目的，而且Pt原子活性位点的完全暴露，从而提高催化性能（图1.12A～B）。惰性材料的HER性能可以由铂单原子触发，并且铂单原子可以作为活性位点(图1.12C～D)[31]。第二个办法是寻找其他性能良好的金属单原子电催化剂（Co、Ni、Mo等）来替代铂基电催化剂。这类金属单原子催化剂的活性点位配位低和电子结构使得它们表现出与铂基材料相近的电催化析氢性能，而载体与金属之间相互作用的增强和电荷转移效应成为这类催化剂展现出优异的电化学稳定性的重要原因（图1.12E～F）[31]。图1.12.单原子催化剂在HER中的应用[31]。单原子催化剂在CO2RR中的应用在电催化还原二氧化碳（CO2RR）过程中，由于稳定C=O双键需要高的过电位来活化，同时还有电催化析氢（HER）反应和其他的反应路径，因此CO2RR的进一步开发和应用被该反应表现出较低的转换效率、较差的产物选择性等问题所阻碍。由此可见制取高活性、高选择性的电催化剂越来越重要[32]。单原子催化剂具有较高的原子利用率以及不饱和配位活性点位，可以缓解甚至解决上述问题。除此之外，单原子催化剂的活性点位具有均匀的结构，使得基底与催化剂之间的相互作用匹配，有利于提高催化剂的选择性[33]。李亚栋教授的研究小组首次利用单原子技术实现了CO2RR的高效电催化过程（图1.13A～B）[34]。紧接着，张涛教授的研究小组也报道了低价态单原子镍（Ni）可以高效、高稳定性地进行电催化还原二氧化碳（图1.13C～D）。除了单原子镍，单原子原子钴（Co）电催化剂也表现出优异的电催化还原二氧化碳性能，研究人员发现通过优化单原子活性点位的配位可以有效提高催化剂的性能（图1.13E～F）[34]。图1.13.单原子催化剂在CO2RR中的应用[34]。单原子催化剂在氧还原反应（ORR）中的应用电催化氧还原反应（ORR）一般包括两个途径，分别是2电子催化反应和4电子催化反应。与蒽醌法相比，2电子电催化氧还原反应途径是一种无污染、节能的制备双氧水的途径。为获得更高的热量转化效率，4电子电催化氧还原反应途径在燃料电池和锌空电池广泛应用。2电子和4电子途径取决于O=O双键在ORR过程中是否被保留，而O=O双键的断裂需要连续的活性位点来共同吸附氧气分子。因此，以孤立的单原子为活性点位的单原子铂基电催化剂表现出双氧水制备的巨大潜力(图1.14A～C)[35]。限制燃料电池和锌空电池等商业应用的主要瓶颈是阴极电催化氧还原反应缓慢和生产成本。因此，寻求一个稳定、高效、低成本的ORR电催化剂是目前亟待解决的事情。将催化剂中的活性物质从颗粒减少到单原子是提高催化剂性能的有效策略。首先，它可以最大限度地利用原子，充分暴露活性点位，增加活性点位的数量。其次，利用单原子与载体相互作用