一文读懂碳基单原子催化剂

现代工业快速发展的同时也带来了日益严峻的能源与环境问题，可持续能源的应用为这两大问题的解决带来了新的机遇，而发展高效廉价的催化剂对能源转化来说至关重要。特别的，碳基负载的过渡金属单原子催化剂因具有接近100%的原子利用率，在电化学能量存储与转化方面的高效性（如氧还原、析氧、析氢和CO2还原反应等）等特点，已经成为一种独特的电催化体系。

单原子催化剂在能源催化转化领域的应用

（来源X-MOL）

各类碳基载体

在 SACs 众多载体中，碳基具有优秀的性能，例如价格低廉、结构多样、稳定性优异、电导性良好等，被广泛用作 SACs 的载体物质。碳基载体能够引入杂原子锚定位点，固定金属单原子；杂原子掺杂的碳还能够对 ORR 电催化过程起到积极作用。主要特点如下：

1. 碳骨架具有良好的导电性，而且由于金属原子和相邻的碳原子之间强烈的界面相互作用，会改变金属原子的电荷密度和电子结构。

2. 界面的相互作用，促进相邻碳原子形成额外的活性位点。

碳材料被优选电催化剂的载体，包括碳纳米球、纳米碳纤维、石墨烯、金属有机框架衍生碳、共价三嗪框架、氮化碳和酞菁衍生碳等。

各类碳载体

此外，炭黑、壳聚糖、单氰氨、双氰胺、三聚氰胺和卟啉等也可以制备出也是一类很有潜力的高效 CRR 和 HER 催化剂的碳基载体。

碳基单原子制备方法

✔ 热解

通过在受控气氛（即N2，NH3，Ar或H2）的保护下高温热分解选择的前驱体，从而制备碳基单原子催化剂。

✔ 湿化学合成

通过湿化学法制备得到的单原子催化剂，涉及到两种略微不同的步骤。第一种是基于金属中心与碳基材料中的N，O或S配位点之间的螯合作用，该方法也已用于制备Pt-C3N4和Ru-C3N4单原子催化剂。另一种方法利用客体分子和碳基主体材料之间的共价键，π-π堆积或静电相互作用形成主客体结构。

✔ 物理和化学气相沉积

单原子的形成也可以通过将原子物质沉积到选定的载体基质上来实现，例如原子层沉积（ALD）和化学气相沉积（CVD）。

✔ 电化学沉积

电化学沉积是指在外电场作用下电流通过电解质溶液中正负离子的迁移并在电极上发生得失电子的氧化还原反应而形成镀层的技术。具体而言，阴极沉积是还原过程；而阳极沉积是氧化过程。

✔ 石墨烯空位导向合成

该方法需要两个关键步骤；首先是通过高能原子/离子辐射产生石墨烯空位，并通过能量密度控制空位数；第二种是通过良好控制的溅射或聚焦离子束，用选择的金属原子，例如Au，Pt，Fe，Co和In，来填充石墨烯空位。

碳基单原子催化剂制备方法

金属单原子

在金属单原子催化剂中，主要是Pt、Pd、Fe、Co、Ni和Cu等。然而，在第一个非金属类SACs的例子出现之后，人们逐渐在将SACs概念运用在更广泛的元素范围内，有相当数量的例子存在于碱金属、早期过渡金属、镧系元素、过渡后金属、金属和非金属。

各元素单原子催化剂的应用模式

（来源网络）

总结

碳基单原子催化剂是一种新颖，低成本而高性能的催化剂，在电化学能量转换与储存中有着重要应用。富含缺陷位和杂原子的类石墨化碳材料具有大量的键合结构及配位点，它们可以强有力的将金属原子锚定在碳骨架中，有效地解决金属原子因高表面自由能而引起的易聚结问题。未来的碳基单原子催化剂会对催化性能产生深刻的影响。

免责声明 | 部分素材源自网络，如涉侵权，请联系我们处理。